复合材料超声检测技术概述及应用

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超声辅助合成材料的研究及其应用

超声辅助合成材料的研究及其应用超声是指波长小于20kHz的声波，它是一种具有高强度、高功率、高密度能量的物理能量。

近年来，在材料科学领域，超声已被广泛用于材料加工和材料改性。

超声辅助材料合成是一项利用超声波的能量来增强材料的反应速度、提高反应效率和产物品质的技术。

本文将探讨超声辅助合成材料的研究进展及其应用。

一、超声辅助合成材料的机理声波的传播是由压缩波和拉伸波所组成的，当超声波作用于反应体系时，它能够产生一系列的效应，包括涡流、湍流、破碎和折叠等，这些效应可以使物质分子之间的距离缩短，分子之间的相互作用增强，从而提高反应速度和产物品质。

1. 涡流效应涡流是指超声波作用下产生的流体旋转运动，它可以使反应物分子之间的相互作用增加，从而促进反应的进行。

2. 湍流效应湍流是指流体中的流动变得不规则和混乱，这种混乱的运动可以增加分子之间的相互作用，加快反应的进行。

3. 破碎效应超声波的波动作用下，一个粒子在介质中运动时会受到压缩和拉伸力的作用，这种力的作用可以使粒子表面的结构发生断裂，同时也可以使分散状态的颗粒聚集成块，形成新的反应体系。

4. 折叠效应超声波的作用可以使反应体系中的物质发生起伏运动和折叠运动，使物质分子的受力变化，从而改变分子的构型，影响反应的速度和效果。

二、超声辅助合成材料的应用在材料科学领域，超声辅助合成材料已被广泛应用于缩短反应时间、提高反应效率、改善产物质量等方面。

下面分别从树脂、陶瓷、金属三个方面来探讨超声辅助合成材料的应用。

1. 超声辅助树脂固化树脂是一种重要的高分子材料，在制备复合材料、模型制作、涂料涂装等领域有着广泛应用。

在树脂固化过程中，超声波可以增加固化剂分子之间的碰撞频率，加快反应速度。

同时，超声波还可以使反应溶液中的气泡消除，防止在固化过程中产生孔洞，提高了固化剂和树脂的固化效率和品质。

2. 超声辅助陶瓷制备陶瓷是一种耐高温、耐腐蚀、硬度高的非金属材料，广泛应用于航空、电子、汽车等高技术产业。

超声波复合材料标准

超声波复合材料标准摘要超声波技术在复合材料领域的应用日益广泛，而相关的标准制定对于保障产品质量和安全至关重要。

本文将就超声波复合材料的制定标准进行探讨，包括超声波检测方法、材料性能测试标准、质量控制方案等内容，旨在为相关行业提供参考。

一、引言复合材料在航空航天、汽车制造、建筑工程等领域有着重要的应用，其质量和安全问题受到了广泛关注。

超声波技术作为一种有效的检测手段，在复合材料的质量控制和无损检测方面发挥着重要作用。

制定超声波复合材料标准对于提高产品质量、促进行业发展具有重要意义。

二、超声波检测方法标准1. 超声波探头标定方法：针对不同类型的复合材料，制定超声波探头的标定方法，包括频率范围、灵敏度要求等内容。

2. 超声波传播模式分析：针对不同复合材料的声波传播特性，建立相应的传播模式分析标准，为后续的检测提供依据。

3. 超声波成像技术标准：针对复合材料内部缺陷的成像检测，制定超声波成像技术标准，包括成像分辨率、信噪比等要求。

三、材料性能测试标准1. 复合材料结构性能测试：制定不同类型复合材料的拉伸、弯曲、压缩等结构性能测试标准，包括试样制备、加载方式、数据记录和分析等内容。

2. 复合材料破坏机理分析：建立复合材料的破坏机理分析标准，通过超声波技术对复合材料破坏过程进行监测和分析，为改进材料设计提供依据。

四、质量控制方案1. 超声波检测设备校准方法：针对超声波检测设备，制定校准方法和周期，确保检测结果的准确性和可靠性。

2. 质量控制流程规范：建立复合材料制造过程中超声波检测的质量控制流程规范，包括检测点设置、检测频次、异常处理等内容。

3. 超声波检测数据管理标准：规范超声波检测数据的记录、存储和管理，保证数据的可追溯性和完整性。

五、结论超声波复合材料标准的制定对于提高产品质量、促进行业发展具有重要意义。

本文探讨了超声波检测方法标准、材料性能测试标准和质量控制方案，以期为相关行业的标准制定提供参考，推动超声波技术在复合材料领域的应用和发展。

大型曲面复合材料超声检测技术

１引言
复合材料具有质量轻、强度高、隔热性能好等优点，广泛应用于航空航天、汽车、海洋、化工等领域。在复合材料工件制造过程中，不可避免的存在夹杂、气泡或分层等缺陷，这对复合材料工件质量有直接影响¨ ］。超声波检测由于具有传播能量大、穿透力强、设备成本低廉、结构轻便等优点，在复合材料缺陷检测方面得到广泛应用Ｊ。目前在复合材料超声检测方法上主要有超声反射法和透射法，反射法检测具有反射回波可以携带更多材料缺陷和其他特性信息的优点，但是由于声波在试件中的传播距离为透射法的两倍，一方面降低了其检测精度，另一方面限制了其检测工件的厚度，具有一定的局限性。超声透射法检测在穿透性和检测敏感性方面有显著
ｃｕｒｖｅｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｉｒｌａｉｓｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅｐｉｒｎｃｉｐｌｅｏｒｆｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｍｅｔｈｏｄｉｓｆｏｃｕｓｅｄｏｎｉｎｔｒｏｄｕｃｉｎｇ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅＣ— — Ｓｃａｎｅｘｐｅｉｒｍｅｎｔｆｏｒｄｉｆｅｒｅｎｔｓｉｚｅｄｅｆｅｃｔｓｏｆｄｉｆｅｒｅｎｔｔｈｉｃｋｎｅｓｓｃａｒｂｏｎ— — ｉｆｂｅｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｕｐｐｏｓｅｄｔｈｅｏｐｉｎｉｏｎａ・－

复合材料的无损检测

超声波是指频率在20 kHz 以上的声波,它们的波长与材料内部缺陷的尺寸相匹配[ 5] 。

根据超声波在材料内部缺陷区域和正常区域的反射、衰减与共振的差异, 来确定缺陷的位置与大小。

按测定方法分类,超声波检测主要有脉冲反射法、穿透法和反射板法。

它们各有特点, 应根据不同的缺陷来选择合适的检测方法。

超声波不仅能检测复合材料构件中的分层、孔隙、裂纹和夹杂等缺陷,而且, 在判断材料的疏密、密度、纤维取向、曲屈、弹性模量、厚度等特性和几何形状等方面的变化也有一定的作用。

对于一般小而薄、结构简单的平面层压板及曲率不大的构件,宜采用水浸式反射板法; 对于小或稍厚的复杂结构件, 无法采用水浸式反射板法时, 可采用水浸或喷水脉冲反射法和接触带延迟块脉冲反射法; 对于大型结构和生产型的复合材料构件的检测宜采用水喷穿透法或水喷脉冲反射法。

由于复合材料组织结构具有明显的各项异性, 而且性能的离散性较大, 因而, 产生缺陷的机理复杂且变化多样, 而且,复合材料构件的声衰减大, 航空航天领域的复合材料制件又多为薄型构件,由此引起的噪声和缺陷反射信号的信噪比低,不易分辨[ 6] ,所以在使用时应选用合适的方法进行检测。

4. 2超声检测的应用超声检测技术, 特别是超声 C 扫描, 由于显示直观、检测速度快,已成为飞行器零件等大型复合材料构件普遍采用的检测技术。

ICI Fiberite 公司采用9轴式C 扫描, 对蜂窝泡沫夹芯等复杂结构的复合材料构件进行无损检测。

麦道公司专为曲面构件设计的第五代自动超声扫描系统, 可在九个轴向运动,并能同时保证脉冲振荡器与工件表面垂直[ 7 ] 。

该系统可以完成二维和三维的数据采集, 可确定大型复杂构件内的缺陷尺寸。

由波音民用飞机集团等单位组成的研究小组, 用超声波研究了复合材料机身层合板结构的冲击强度和冲击后的剩余强度,结果表明,超声波不仅可以检测损伤,而且能确定损伤对复合材料构件承载能力的影响。

超声相控阵技术在复合材料检测上的应用

达性差和空间限制问题的有效手段； ③通常不需要
复杂的扫查装置，不需更换探头就可实现整个体积
或所关心区域的多角度多方向扫查，因此在核工业
超声相控阵检测系统及相控阵换能器。目前，内国
在超声相控阵技术上的研究应用尚处于起步阶段，主要集中于医疗领域。。。Ｊ
到了越来越多地应用。在复合材料成型过程中，由
于存在很多人为因素和工艺质量的不稳定性，品产
很可能出现裂纹、杂和气泡等缺陷，些缺陷对材掺这
［
…．Ｉ＝：＝＝
… ．
二＝二＝
料的性能影响很大。由于缺陷的存在是不可避免的，使得复合材料构件的质量具有一定的随机性，这致使材料的质量下降。为了保证复合材料制品的安全使用，过必要的检测手段控制复合材料制通
件的质量是非常必要的。
（）ａ声柬的平移（）ｂ声束角控制
十童
（）焦的控制ｃ聚
图１相控阵换能，相控阵技术在实现上要面临诸多挑战，如要求压电晶片电声性能好；邻单元间隔声性能好；相
摘要：本文介绍了超声相控阵技术的原理及特点。并通过超声相控阵技术对复合材料样板粘接缺陷的试验检测阐述了
超声相控阵技术在复合材料检测上的应用。

复合材料无损检测

复合材料无损检测复合材料是一种由两种或两种以上的材料组合而成的新材料，它具有轻质、高强度、抗腐蚀等优点，在航空航天、汽车制造、建筑等领域得到了广泛的应用。

然而，由于其结构复杂性和多层次性，一旦出现缺陷，往往会对整体性能造成严重影响，因此复合材料的无损检测显得尤为重要。

无损检测（Non-Destructive Testing，NDT）是指在不破坏被检测物理性能的前提下，利用一定的物理方法、化学方法、电磁方法、声学方法等对被检测对象进行检测、测量、判断和分析的技术手段。

对于复合材料而言，无损检测能够及时、准确地发现材料内部的缺陷，为后续的维修和使用提供重要的参考依据。

常见的复合材料无损检测技术包括超声波检测、X射线检测、红外热像检测、涡流检测等。

其中，超声波检测是应用最为广泛的一种技术。

它通过将超声波引入被测材料中，利用超声波在材料内传播的特性，来检测材料内部的缺陷，如气孔、夹杂、裂纹等。

X射线检测则主要用于检测复合材料中的异物、夹杂物以及纤维层的完整性。

红外热像检测则是利用物体自身的热辐射，通过红外热像仪对复合材料进行表面和内部的检测。

而涡流检测则主要用于检测复合材料中的金属夹层和连接部分。

在进行复合材料无损检测时，需要注意以下几点，首先，要根据具体的检测要求选择合适的检测技术和仪器；其次，要对检测对象进行充分的准备工作，包括清洁表面、消除干扰等；最后，要对检测结果进行准确的分析和判断，及时采取相应的措施。

总的来说，复合材料无损检测是保证复合材料制品质量的重要手段，它能够及时发现缺陷，保障产品的安全可靠性。

随着科技的不断发展，无损检测技术也在不断完善和创新，相信在未来的发展中，将会有更多更先进的无损检测技术应用于复合材料的检测中，为复合材料的应用提供更加可靠的保障。

复合材料的超声检测技术

复合材料的超声检测技术发布时间：2009-7-2 14:27:00随着我国航空航天技术的快速发展，各种复合材料应用越来越广泛。

迄今为止，战斗机使用的复合材料占所用材料总量的30% 左右，新一代战斗机将达到40% ；直升机和小型飞机复合材料用量将达到70%～80% 左右，甚至出现全复合材料飞机。

复合材料及其构件开发与应用的迅速发展，对无损检测技术提出了严峻的挑战。

经过不断的研究、开发和完善，目前超声检测已成为最主要和成熟的复合材料无损检测方法之一。

由于复合材料结构多种多样，要求也不尽相同，仅仅利用超声检测方法还难以胜任其质量的检测与评定，实际检测工作中往往需要针对不同检测对象和要求，采用不同的检测技术和方法。

1 超声检测在复合材料研究及其制造中的应用复合材料无损检测主要应用于以下3 个方面：材料无损检测；结构无损检测；服役无损检测。

材料无损检测主要解决材料研究中面临的问题，进行诸如材料内部缺陷表征、性能测试、缺陷基本判据的建立、无损检测物理数学模型的建立等研究，其检测对象主要是试样、试片。

结构无损检测主要解决结构在工艺制订、结构件制造过程中面临的问题，如对各种结构件进行无损检测所需的仪器设备等检测手段的建立、信号处理技术、缺陷判别、标准建立与完善等，检测的对象是各种装机应用的工程结构件。

服役无损检测主要研究装机结构件在服役过程中所需的无损检测方法、手段等，包括提供有关结构件残余寿命、剩余强度、损伤扩展等综合信息的评估，检测的对象是装机后的各种服役结构件。

大量的研究和应用表明，超声检测是目前对于复合材料最为实用有效、应用最为广泛的无损检测技术，它能可靠地检测出复合材料中的分层、疏松、孔隙等大部分危害性缺陷。

下表给出了几种常见复合材料超声检测技术的特点。

2 复合材料制品超声检测方法(1) 超声C 扫描检测技术超声探头接收到的脉冲回波具有不同的图像显示方式，常见的有A型显示、B 型显示和C 型显示。

A型显示是基础，其他两种显示方式均由A 型显示的数据重建得到。

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复合材料超声检测技术概述及应用
摘要：随着我国航空航天技术的快速发展，各种复合材料应用越来越广泛。

迄今为止，战斗机使用的复合材料占所用材料总量的30%左右，新一代战斗机将
达到40%；直升机和小型飞机复合材料用量将达到70%～80%左右，甚至出现全复
合材料飞机。

复合材料及其构件开发与应用的迅速发展，对无损检测技术提出了
严峻的挑战。

经过不断的研究、开发和完善，目前超声检测已成为最主要和成熟
的复合材料无损检测方法之一。

关键词：复合材料；超声检测技术；应用
前言
由于复合材料结构多种多样，要求也不尽相同，仅仅利用超声检测方法还难
以胜任其质量的检测与评定，实际检测工作中往往需要针对不同检测对象和要求，采用不同的检测技术和方法。

1复合材料制品超声检测方法
1.1超声C扫描检测技术
超声探头接收到的脉冲回波具有不同的图像显示方式，常见的有A型显示、
B型显示和C型显示。

A型显示是基础，其他两种显示方式均由A型显示的数据
重建得到。

其中，C型显示是一种在一定深度探测的显示方式，图像上的纵、横
坐标分别表示探头在被检体表面上的纵、横坐标，所以C型显示的结果是与扫描
平面平行的一幅截面图像，并作为最常用的显示结果提供给最终用户。

超声C扫
描是具有C型显示功能的探伤方法，在宏观缺陷检测中，常用频率为0.5～25MHz
的探头，采用脉冲反射法进行检测。

1.2超声导波检测技术
导波是指由于介质边界的存在而产生的波，在介质尺寸跟声波波长可比的情
况下，介质中的波以反射或折射的形式与边界发生作用并多次来回反射，发生纵
波与横波间的模态转换，形成复杂的干涉，呈现出了多种传播形式，形成各种类
型的导波。

导波本质上还是由纵波、横波等基本类型的超声波以各种方式组成的。

导波的主要特性包括频散现象、多模式和传播距离远。

超声导波检测是一种快速
大范围的初步检测方法，一般只能对缺陷定性，而定量是近似的，对可疑部位仍
需要采用其他检测方法才能作出最终的评估。

1.3空气耦合超声检测技术
传统超声无损检测方法由于需要使用耦合剂，无法适用于某些航空航天用复
合材料构件的检测，主要原因是耦合剂会使试样受潮或变污，且有可能渗入损伤处，这会严重影响构件的力学强度和稳定性。

非接触空气耦合超声检测方法是解
决这个问题的可行途径之一。

空气耦合超声检测是以空气作为耦合介质的一种非
接触超声检测方法，它可以实现真正的非接触检测，不存在换能器的磨损，可进
行快速扫描。

另外，空气耦合超声检测容易实现纵波到横波、板波和瑞利波等的
模式转换，而研究结果表明，在复合材料检测中，横波、板波和瑞利波比纵波的
灵敏度高，空气耦合超声检测的这一优点有利于实现复合材料的检测和材料特性
的表征。

1.4激光超声检测技术
激光超声是目前国内外研究最活跃的非接触超声检测方法之一。

它利用高能
量的激光脉冲与物质表面的瞬时热作用，在固体表面产生热特性区，形成热应力，在物体内部产生超声波。

1.5相控阵超声检测技术
相控阵超声检测技术是一种多声束扫描成像技术，它所采用的超声检测探头
是由多个晶片组成的换能器阵列，阵列单元在发射电路激励下以可控的相位激发
出超声，产生的球面波在传播过程中波前相互叠加，形成不同的声束。

相控阵超
声探头由晶片阵列组成，各声束相位可控，可用软件控制聚焦焦点，不移动探头
或尽量少移动探头就能扫查厚大工件和形状复杂工件的各个区域。

通过优化控制
焦柱长度、焦点尺寸和声束方向，使得相控阵超声在分辨力、信噪比、缺陷检出
率等方面具有一定的优越性。

2超声检测在复合材料中的应用
2.1缺陷检测
金属零件内的缺陷超声检测方法同样的适用于复合材料中缺陷评价，对于其
内部的孔状缺陷来说目前主要是利用超声C扫描、相控阵超声检测、超声导波检
测技术等。

超声C扫描是超声检测的一种显示方式，它是在A信号的基础上对信
号进行处理，得到的一种垂直于缺陷的显示结果，它具有显示直观，操作简便，
可以对缺陷进行定量分析等优点，而且对孔状缺陷的显示比较清晰。

国内有江苏
大学的魏勤利用超声C扫描对SiC颗粒增强铝基复合材料试件进行研究，研究表
明利用该方法能够清晰的检测到材料中的孔状缺陷，并且能够对材料中的团聚现
象有一定的显示。

浙江大学将机器人、反求工程、超声信号处理技术与超声C扫
描技术集为一体，实现了对复合材料检测灵敏度实时的补偿，并且这一改进能够
实现对曲面构件的实时检测。

除此之外，浙江大学还将仿真检测与实际检测相结合，实现了对超声C扫描一般过程的认识，并且能够准确的检测出复合材料内部
的缺陷。

然而超声C检测对于一些缺陷检测精度要求更精确的复合材料来说还是
显得有一定的困难，而实际中对于一个工件的完全检测也并不是一种超声检测方
法能够胜任的，通常对于一个工件的检测常常应用几种超声检测方法，有时也会
应用其他的无损检测手段，比如红外热成像检测方法。

相控阵超声检测是超声检
测中比较先进的一种检测手段，近年来，以其偏转、聚焦的优势而广泛的应用在
常规超声检测不能够完成的复杂构件中，而且针对超声相控阵检测还设计了专用
的仿真检测软件，能够在优化实验方案方面节省很大的费用，并且能够更加的清
楚声波的传播以及与缺陷的相互作用，使检测更加的直观。

GE科技有限公司利用
相控阵超声检测方法实现了航空件中的T型复合材料以及飞机蒙皮粘接层的检测，利用相控超声探伤仪对它们的内部缺陷成像，并通过B扫描或者S扫描增加了缺
陷的扫查范围，提高了检测效率，和缺陷识别的准确性，并节省了检测成本。

中
材科技风电叶片股份有限公司，利用该技术对复合材料样板的无缺陷区域、有缺
陷区域以及修复区域进行成像，通过对比能够清晰的看出缺陷的分布，证实了超
声相控检测在复合材料中具有良好的应用。

2.2性能评价
超声波能够对金属零件的硬度、弹性模量、衰减性等进行评价，利用相同的
方法超声波可以对复合材料的这些性能进行评价，并且能够对其孔隙率进行测量。

对于复合材料来说孔隙率是其重要的一个性能参数，孔隙率过大会导致材料内部
疏松，直接导致材料的力学性能下降。

因此对孔隙率的检测显得十分重要。

对于
复合材料来说常用的孔隙率测定方法主要有超声声速法、超声衰减法、微波法等，然而每一种方法并不是直接的给出孔隙率的大小，而是间接的获得对应的相互关系。

在上述的三种方法中应用最多的是超声衰减法，它主要是利用频率的变化曲
线斜率与超声孔隙百分率之间的关系建立数学模型进而评价复合材料的孔隙率，
除此之外也可以根据超声波透过复合材料后的衰减量的大小，计算孔隙率与声束
面积之比。

对于复合材料孔隙率的测量，北京航空材料研究院利用超声C扫描对
材料中的孔隙率进行研究，研究表明：在复合材料中，孔隙率的大小与其材料的
声波衰减性有一定的对应关系，表现为声波的衰减与孔隙率呈现线性关系，即孔
隙率增大，衰减性增大；孔隙率降低，衰减性降低。

除此之外，孔隙率的大小和
材料的力学性能也有一定的关系，通过对孔隙率大小、声波衰减性的测定，可以
将三者相联系，进而得到一定条件下材料力学性能、超声衰减性能、材料孔隙率
之间的对应关系，从而完成对材料的力学性能的评价。

结束语
复合材料由于其结构形式复杂、材料特性多样，单一的超声检测方法难以胜
任所有的检测需求。

实际检测中，应针对各种复合材料的特点，选择适合的检测
方法，或使用多种方法配合，互相补充，来完成不同的检测任务。

参考文献：
［1］沈真.碳纤维复合材料在飞机结构中的应用[J].高科技纤维与应
用,2010,35:1-4.
［2］魏勤,张迎元,乐永康,等.超声C扫描成像系统在SiC_p/Al复合材料无损检测中的应用[J].材料开发与应用,2003,18:38-41.。