玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基（GFRP）復(fù)合材料是以玻璃纖維或玻璃纖維織物為增強(qiáng)體，樹脂為基體，通過特殊的材料復(fù)合工藝制成的，具有絕緣、耐低溫、抗輻射等特性，其具有較高的低溫強(qiáng)度和較高的低溫斷裂韌性，被廣泛用于超導(dǎo)磁體的絕緣。例如目前全球規(guī)模最大的“國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃”裝置，其核心部件之一的超導(dǎo)磁體PF6線圈就采用GFRP復(fù)合材料作為絕緣層。該絕緣層承擔(dān)著機(jī)械支撐、阻止導(dǎo)體之間的電氣連接和保護(hù)繞組正常工作等任務(wù)。
復(fù)合材料常見缺陷類型有分層、氣孔、富樹脂和夾雜，這些缺陷會對材料性能產(chǎn)生影響，在服役過程中帶來安全隱患，因此利用無損檢測方法對GFRP材料進(jìn)行缺陷檢測具有重要意義。
超聲檢測具有靈敏度高、能量集中、適用范圍廣、檢測速度快和對身體無害等優(yōu)點，在GFRP材料無損檢測中有廣闊的應(yīng)用前景。但纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料具有多相非均質(zhì)性，導(dǎo)致超聲波傳播行為復(fù)雜，信號辨識難度大，檢測信噪比低，給復(fù)合材料的缺陷檢測帶來了困難。
針對超導(dǎo)磁體絕緣層用GFRP復(fù)合材料的超聲檢測問題，對不同厚度層板試樣和絕緣層試塊中的人工鋼片以及分層、富樹脂等共計3種、11個缺陷進(jìn)行超聲檢測試驗，分析了A掃描及B掃描的結(jié)果特征，結(jié)合金相檢驗驗證了超聲檢測的有效性，并討論了材料非均質(zhì)性導(dǎo)致的聲速和衰減波動對缺陷檢測的影響。
1、GFRP材料聲學(xué)特性
試驗樣品
試驗樣品為GFRP層板試樣和內(nèi)部為316L不銹鋼的絕緣層試塊，所用玻璃纖維為正交編織帶，其微觀結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用的樹脂包括聚酰亞胺樹脂和雙酚F環(huán)氧樹脂（GY 282型），兩類GFRP樣品均采用真空壓力浸漬（VPI）工藝制備。
圖1 玻璃纖維正交編織帶微觀結(jié)構(gòu)示意
層板試樣的尺寸為長200 mm，寬200 mm，1，2，3#層板厚度分別為1.21，3.32，4.39 mm。每個層板均包含直徑分別為1.0，3.0，5.0 mm的圓形人工鋼片，1，2，3#層板缺陷深度分別為0.62，1.60，2.95 mm，層板試樣實物如圖2所示。
圖2 GFRP層板試樣實物
絕緣層試塊內(nèi)部為316L不銹鋼，外部包覆厚度為4.4 mm的GFRP層，試塊尺寸為長400 mm，寬114 mm，厚114 mm，絕緣層試塊包繞結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 絕緣層試塊包繞結(jié)構(gòu)示意
通過目視檢測發(fā)現(xiàn)兩個異常區(qū)域，記作區(qū)域①和②，隨機(jī)選取一處無異常區(qū)域，記作區(qū)域③，絕緣層試塊實物如圖4所示。
圖4 絕緣層試塊實物
聲學(xué)特性表征
采用脈沖反射法計算材料聲速c和時域衰減系數(shù)α，其表達(dá)式為：
式中：d為材料厚度；Δt為表面反射回波和一次底面反射回波之間的時間差；A1為表面反射回波聲壓；A2為一次底面反射回波聲壓；R為聲壓反射系數(shù)；T為聲壓透射系數(shù)；可以通過聲壓反射/透射定律計算；下標(biāo)1表示楔塊，下標(biāo)2表示GFRP材料，下標(biāo)3表示空氣。
超聲檢測系統(tǒng)包括Olympus 5800型超聲脈沖發(fā)射儀、Tektronix-DPO 4032型數(shù)字示波器和中心頻率為5 MHz的常規(guī)縱波直探頭。采集各層板每個缺陷附近區(qū)域的A掃描信號，3種厚度GFRP層板缺陷附近的典型A掃信號如圖5所示。觀察發(fā)現(xiàn)，隨著層板厚度由1.21 mm增加到4.39 mm，底面回波逐漸變?nèi)酢?#層板層間反射難以識別，2#和3#層板層間反射較明顯。分析認(rèn)為，1#層板最薄，層間反射弱且與表面和底面回波混疊；隨著2#和3#層板厚度逐漸增加，層間反射逐漸增強(qiáng)。
圖5 3種厚度GFRP層板缺陷附近的典型A掃描信號
根據(jù)A掃描信號計算聲速和時域衰減系數(shù)，得到以下數(shù)據(jù)：1#層板聲速在2918.46～3256.41 m/s，時域衰減系數(shù)在8.22～12.58 dB/mm；2#層板聲速在2698.71～2800.05 m/s，時域衰減系數(shù)在6.33～7.09 dB/mm；3#層板聲速在2738.31～2900.04 m/s，時域衰減系數(shù)在5.03～5.32 dB/mm。GFRP層板聲速及時域衰減系數(shù)測量結(jié)果如表1和表2所示。
表1 GFRP層板聲速測量結(jié)果（m/s）
表2 GFRP層板時域衰減系數(shù)測量結(jié)果（dB/mm）
2、試驗結(jié)果及分析
采用相控陣超聲檢測技術(shù)對層板進(jìn)行檢測，檢測設(shè)備為Omniscan MX2型相控陣超聲檢測儀，選用32陣元線陣探頭及其匹配的零度楔塊，探頭中心頻率為5 MHz。
層板人工缺陷檢測
1#層板不同尺寸缺陷的A，B掃描結(jié)果如圖6所示，在A掃描和B掃描中均可以觀察到直徑為5.0，3.0，1.0 mm的缺陷。由于缺陷距離上表面較近（0.62 mm），A掃描中缺陷回波與表面回波略有混疊，但仍能區(qū)分。隨著缺陷直徑尺寸由5.0 mm減小到1.0 mm，缺陷回波幅值逐漸降低。B掃描結(jié)果中缺陷清晰可見，無缺陷處層間反射回波形成偽像，偽像幅值較缺陷幅值低。
圖6 1#層板不同尺寸缺陷的A，B掃描結(jié)果（左：A掃，右：B掃）
2#層板不同尺寸缺陷的A，B掃描結(jié)果如圖7所示，可見缺陷識別效果與1#層板類似，3個不同尺寸缺陷均可觀察到。由于缺陷深度增加，A掃描中缺陷回波與表面回波分離，隨著缺陷直徑由5.0 mm減小到1.0 mm，缺陷回波幅值逐漸降低。類似地，B掃描結(jié)果可以清晰識別缺陷。
圖7 2#層板不同尺寸缺陷的A，B掃描結(jié)果（左：A掃，右：B掃）
3#層板缺陷的A，B掃描結(jié)果如圖8所示，在A掃描和B掃描結(jié)果中均可以觀察到ф5.0 mm和ф3.0 mm缺陷。對于ф1.0 mm缺陷，由于缺陷距離上表面較遠(yuǎn)（2.95 mm），A掃描中缺陷回波幅值低，與層間反射回波幅值相當(dāng)且混疊，B掃描結(jié)果中難以識別。
圖8 3#層板不同尺寸缺陷的A，B掃描結(jié)果（左：A掃，右：B掃）
材料本身的非均質(zhì)性會導(dǎo)致層板聲速存在明顯波動，故此處采用每個缺陷附近區(qū)域的聲速對缺陷深度進(jìn)行計算，3種厚度層板不同缺陷的定位結(jié)果如表3所示，可見3種不同厚度層板9個人工鋼片計算深度與預(yù)埋深度的相對誤差最大值為3.88%。
表3 3種厚度層板不同缺陷的定位結(jié)果
絕緣層試塊實際缺陷檢測
使用上述超聲檢測工藝對絕緣層試塊的①、②、③區(qū)域進(jìn)行檢測。對應(yīng)的B掃描結(jié)果及實物照片如圖9所示。由區(qū)域①的B掃描圖像可觀察到疑似分層缺陷，采用6 dB法（半波高度法）對缺陷進(jìn)行定量，缺陷尺寸約為長40.6 mm，寬15.2 mm，對應(yīng)的實物照片如圖9d所示。區(qū)域②對應(yīng)的B掃描圖像（圖9b）未觀察到明顯缺陷，實物照片如圖9e所示。區(qū)域③屬于目視無異常區(qū)域，對應(yīng)的B掃描圖像（圖9c）中亦未識別到明顯缺陷，實物照片如圖9f所示。
圖9 絕緣層試塊3個區(qū)域B掃描結(jié)果及實物照片
為了驗證超聲檢測結(jié)果，對區(qū)域①、②、③部位進(jìn)行解剖和宏觀金相檢驗。絕緣層試塊不同區(qū)域的金相照片如圖10所示。區(qū)域①的金相照片中白色長條為聚酰亞胺，厚度約為0.05 mm，每兩層聚酰亞胺之間是玻璃纖維正交編織帶與環(huán)氧樹脂混合層，黑色長條為分層缺陷，橫穿整個長度范圍，寬0.13 mm。由區(qū)域②的金相照片觀察可知，此處存在明顯的樹脂富集，分析認(rèn)為，由于材料采用VPI工藝制備，樹脂與玻璃纖維浸漬在一起，阻抗差異不大，未引起明顯的界面響應(yīng)。區(qū)域③的金相照片未發(fā)現(xiàn)異常。
圖10 絕緣層試塊不同區(qū)域的金相照片
分析及討論
GFRP多相材料鋪層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時有較強(qiáng)的非均質(zhì)性，導(dǎo)致材料的聲學(xué)特性在一定范圍內(nèi)波動。ONO對玻璃纖維種類和取向不同的GFRP材料聲速和時域衰減系數(shù)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：采用1 MHz探頭，0°，90°單向和織物GFRP的聲速范圍為2840～5060 m/s；平均聲速為4366.43 m/s；整體聲速相對于平均聲速波動達(dá)35.0%；時域衰減系數(shù)范圍為0.0726～0.4410 dB/mm；平均時域衰減系數(shù)為0.17 dB/mm，整體時域衰減系數(shù)相對于平均時域衰減系數(shù)波動達(dá)128.5%。
筆者結(jié)合GFRP材料試驗樣品，從聲速、時域衰減系數(shù)和偽像三方面分別進(jìn)行分析及討論：
（1）聲速波動會給缺陷定位帶來誤差，上文中采用缺陷附近區(qū)域的聲速，對9個缺陷深度進(jìn)行了計算，其中誤差最大的是2#層板試樣中深度為1.66 mm的人工鋼片，缺陷定位誤差為3.88%。實際檢測中難以確定每個區(qū)域的準(zhǔn)確聲速，若采用層板的最小、平均或最大聲速對缺陷深度進(jìn)行計算，對于厚為4.39 mm的層板中深度為4 mm的缺陷，定位誤差最大值將達(dá)到12.38%。所以在實際檢測中，在對強(qiáng)非均質(zhì)性材料中深度較大的缺陷進(jìn)行定位時，建議采用缺陷附近的聲速進(jìn)行計算。
（2）時域衰減系數(shù)波動會對缺陷的識別和定量造成一定影響，材料本身衰減高且層間反射回波復(fù)雜，會導(dǎo)致缺陷回波的信噪比較低，給缺陷識別帶來一定困難，容易出現(xiàn)漏檢。從圖8c的A掃描結(jié)果可以看出，ф1.0 mm缺陷回波與層間反射回波發(fā)生混疊，且幅值相當(dāng)，缺陷難以識別。實際檢測中可以通過時間校正增益、補(bǔ)償或修正等來提高信噪比。
（3）材料的非均質(zhì)性會引起復(fù)雜的超聲波折射和散射，同時，散射波強(qiáng)度和方向具有不確定性，導(dǎo)致回波信號復(fù)雜，有時存在偽像，給復(fù)合材料的缺陷檢測帶來了困難。可以考慮借助金相解剖、微觀觀測等方法對GFRP材料的非均質(zhì)程度進(jìn)行描述，并采取試驗和仿真相結(jié)合的方法開展研究。
3、結(jié)論
（1）通過研究GFRP材料的聲學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)同一層板聲速和時域衰減系數(shù)波動性較大，不同厚度層板之間也存在差異。層板平均聲速為2881.77 m/s，整體聲速相對于平均聲速波動達(dá)13.0%；平均時域衰減系數(shù)為7.19 dB/mm，整體時域衰減系數(shù)相對于平均時域衰減系數(shù)波動達(dá)74.9%。材料本身存在很強(qiáng)的非均質(zhì)性和高衰減性，同時還有著復(fù)雜的鋪層結(jié)構(gòu)時，會對缺陷的定位定量造成一定的影響。
（2）對3種厚度的GFRP層板試樣中ф5.0，3.0，1.0 mm的人工缺陷進(jìn)行超聲檢測，厚度1.21 mm和3.32 mm層板試樣中所有缺陷均可檢出，厚度4.39 mm層板試樣中可識別ф5.0 mm和ф3.0 mm缺陷。在絕緣層試塊中檢測出的分層缺陷尺寸約為長40.6 mm，寬15.2 mm，材料內(nèi)部存在的高衰減可能導(dǎo)致定量不準(zhǔn)確。
（3）討論了GFRP材料非均質(zhì)性引起的聲速及時域衰減系數(shù)波動和偽像對缺陷檢測的影響，并提出了一些對策。
