碳纖維復合材料沖擊損傷的激光錯位散斑檢測

徐子鵬，韓旭，李麗娟，任姣姣，張丹丹

（長春理工大學 光電工程學院，長春 130022）

碳纖維復合材料具有密度小、強度高、耐高溫、耐腐蝕、抗疲勞、熱膨脹系數小、易于成型等諸多優異性能，在航空航天領域已逐漸取代了金屬材料，得到了越來越廣泛的應用。碳纖維復合材料制件在生產和使用過程中常常會受到沖擊，因其組份的多樣性和各項異性對沖擊損傷較為敏感［1］，往往在材料表面看不出明顯的傷痕，但材料內部卻出現纖維斷裂、分層、脫粘等缺陷和損傷，從而嚴重影響材料的機械強度和密封性，造成重大的工程事故隱患。在生產和使用過程中快速有效地檢測出碳纖維材料沖擊損傷的存在，已成為碳纖維材料制造者和使用者的迫切需求。

激光錯位散斑檢測技術是上世紀末隨著計算機技術、電荷耦合器件（CCD）以及數字處理技術的發展而出現的一種新型的表面變形的全場實時成像檢測方法，是通過測量物體表面形變從而獲得物體內部不連續信息的一種數字光學干涉技術［2］。由于其具有非接觸、精度高、實時檢測、檢測速度快、加載方式靈活等優點，在航空航天、汽車輪胎等行業獲得廣泛的工程應用［3］，特別適用于復合材料制件沖擊損傷的無損檢測。本文采用激光錯位散斑檢測技術對含有沖擊損傷的碳纖維復合材料層壓板進行無損檢測，研究錯位方向、錯位量和熱加載時間對檢測結果的影響。

1 激光錯位散斑檢測技術的檢測原理

激光錯位散斑干涉技術是一種共光路、自參考的干涉測量法，典型的檢測原理圖如圖1所示。激光器發出的激光經擴束鏡擴束后照射到待測物體表面，其反射光通過圖像錯位裝置形成兩束具有一定偏移量的激光束，并經過光學成像透鏡在CCD的光敏面上形成兩個相互錯位的像，兩個錯位像相互干涉產生一個由物體表面形貌確定的散斑干涉圖，該散斑干涉圖隨著物體表面的變形而變化。

圖1 激光錯位散斑檢測原理圖

檢測時，需要對待測物體進行加載，物體表面將由于加載產生形變，加載前后的兩幅散斑干涉圖被CCD接收。由于激光散斑檢測實際上是對物體表面產生形變前后離面位移一階導數的測量［4］，因此，通過用后一幅散斑圖的光強減去前一幅散斑圖的光強的計算機處理，即可獲得一幅反映物體表面在離面方向上的位移偏導數干涉條紋圖。根據特征條紋即可獲得被檢物體的缺陷信息：同一干涉條紋近似為位移導數相同的點，若被測物內部損傷，在有缺陷的部位會形成對稱的表現為蝴蝶斑的干涉條紋圖案［5］，如圖2所示。缺陷越靠近物體表面，膨脹變形時阻力越小，在同一時刻形變量越大，因此下方缺陷的條紋會更密一些。

圖2 缺陷位置產生的蝴蝶斑（位相差檢測圖）

激光錯位檢測加載方式很多，常用的有熱加載、真空加載及壓力加載等，對于碳纖維復合材料而言，適合選用熱加載的激勵方式進行檢測［6］。所謂熱加載，就是在檢測過程中對待測物體表面進行加熱，由于缺陷區域的熱導率比完好區域的熱導率小很多，當熱量從物體表面向下傳導時，將在缺陷區域產生熱量堆積，形成局部高溫，進而產生較大程度的熱變形，導致表面產生異常應變。

2 檢測對象及設備

2.1 檢測對象

本次實驗中的檢測對象為4塊已知存在沖擊損傷的150mm×100mm碳纖維層壓板，如圖3-4所示。圖3所示為受2J能量沖擊的1mm度厚碳纖維層壓板，由于該樣件所受沖擊能量較低，在其正面和背面均無明顯受沖擊損傷痕跡，故對其進行雙面檢測以觀察沖擊損傷對其的影響。如圖4所示依次為受11.25J能量沖擊的2.5mm、2.76mm及3mm厚度碳纖維層壓板，由于這組樣件所受沖擊能量較高，在其背面有肉眼可以觀察到的損傷痕跡，故只對其受到沖擊的表面進行激光錯位散斑檢測。

圖3 1mm厚度碳纖維層壓板（2J能量沖擊）

圖42.5mm、2.76mm和3mm厚度碳纖維層壓板（11.25J能量沖擊）

2.2 檢測設備

本次實驗采用德國Steinbichler公司的ISIS mobile 3100激光錯位散斑檢測系統，該系統由主機系統、真空倉、錯位散斑探頭單元（內置于真空倉）和便攜式計算機四部分組成，激光光源為激光二極管，激光波長λ=660nm。該系統的測量面積為220×185mm2，相機分辨率為1392 × 1040pixel，離面位移的測量分辨率為30nm。

3 檢測過程和結果分析

3.1 檢測過程

分別對4塊已知沖擊損傷的碳纖維層壓板進行檢測，觀察激光錯位散斑檢測對碳纖維層壓板沖擊損傷的檢測效果。由于本次使用的檢測設備焦距固定不變，故只需對錯位量和亮度進行調節，在選取適當的錯位量（使用經驗值5mm）后調節視場亮度，使錯位成像在實時采集窗口的曝光接近（但不要達到）飽和，對樣件進行3s的熱加載后得到相應的檢測結果。

對受11.25J能量沖擊的2.5mm厚碳纖維層壓板進行一系列激光錯位散斑檢測，分析錯位方向、錯位量和加載時間對檢測結果的影響：首先在錯位量和熱加載時間不變的條件下觀察水平錯位和豎直錯位對檢測結果的影響；然后在水平錯位和熱加載時間一定的條件下，得到樣件在0mm、2mm、5mm、8mm和10mm錯位量下的檢測結果；最后選定其中檢測效果最好的錯位量，對樣件在1s、2s、3s、5s、8s、10s熱加載時間下的檢測結果進行記錄。

3.2 檢測結果

如圖5-6所示為4塊已知沖擊損傷的碳纖維層壓板的激光散斑檢測結果。圖5中（a）、（b）分別為受2J能量沖擊的1mm厚度碳纖維層壓板的正面和背面的檢測結果，結合圖5（a）和圖5（b）可知，雖然在樣件正面（受沖擊面）檢測到的只是一個范圍較小的沖擊點損傷，但是其內部結構已出現較為嚴重的纖維斷裂和分層，因此在對碳纖維層壓板進行熱加載激光散斑無損檢測時，檢測到的缺陷無論大小都應給予重視。

圖5 受2J能量沖擊的1mm厚度碳纖維層壓板檢測結果

圖6所示分別為受11.25J能量沖擊的2.5mm、2.76mm及3mm厚度碳纖維層壓板的檢測結果，從圖6（a）和圖6（b）中可明顯看到樣件的受沖擊點和樣件內部由于沖擊產生的分層缺陷，而圖6（c）中的樣件由于厚度較大的原因，其受沖擊點在檢測結果中并不明顯，實際上在該樣件背面與受沖擊點對應的位置也并無明顯的沖擊損傷痕跡，但樣件內部由于受到能量沖擊而產生的分層缺陷更為嚴重。從檢測結果可知，熱加載激光散斑無損檢測技術對碳纖維層壓板的沖擊損傷具有較高的檢測靈敏度，能夠有效地檢測出樣件所含有的沖擊損傷和受沖擊位置。

圖6 受11.25J能量沖擊的不同厚度碳纖維層壓板的檢測結果

3.2.1 錯位方向對檢測結果的影響

如圖7所示為2.5mm厚碳纖維層壓板（11.25能量沖擊）在保證錯位量5mm和熱加載時間3s且其他參數不變的條件下水平錯位和豎直錯位的檢測結果。對比圖（a）和圖（b）可以發現，圖（b）中樣件左側的分層缺陷只有部分區域較為明顯，其余本是缺陷的區域變成了疑似環境噪聲產生，這極大程度的影響了對缺陷的范圍和程度的判定。檢測結果表明：對具有明顯縱橫比的沖擊損傷而言，若錯位方向與其縱向一致，將對檢測結果產生較為明顯的影響。實際上，由沖擊產生的分層缺陷因碳纖維復合材料的各項異性總是會具有明顯的縱橫比，因此在檢測過程中應加以注意，對懷疑的區域采用與本次檢測相互垂直的錯位方向再次檢測加以證明。

圖7 不同錯位方向的檢測結果圖

3.2.2 錯位量大小對檢測結果的影響

如圖8所示為2.5mm厚碳纖維層壓板（11.25能量沖擊）在保證熱加載時間3s恒定且其他參數不變條件下設置不同錯位量大小得到的檢測結果。由圖8可知，當錯位量大小為0mm時，缺陷的檢測靈敏度很低，嚴重影響對缺陷程度的判定；當錯位量大小為8mm和10mm時，缺陷圖像被分離，在判斷缺陷時易誤判成兩個缺陷，導致缺陷數量和缺陷范圍的誤判，甚至在缺陷較為密集時會因為缺陷重合造成漏檢。故在實際檢測中，錯位量大小應調節至與檢測到的最小缺陷的半徑到直徑之間，在保證檢測靈敏度的同時避免誤判和漏檢。

圖8 不同錯位量大小的檢測結果圖

3.2.3 熱加載時間對檢測結果的影響

如圖9所示為2.5mm厚碳纖維層壓板（11.25J能量沖擊）在保證水平錯位量5mm且其他參數不變條件下設置不同熱加載時間得到的檢測結果。由圖9可知，熱加載時間在3s內時，熱加載時間越長，得到的檢測結果圖越清晰，缺陷顯示的越明顯；熱加載時間超過3s后，隨著熱加載時間的延長，得到的檢測結果圖中出現破碎圖像并且占據區域越來越大，導致圖像越來越不清晰甚至無法分辨缺陷。這是因為雖然熱加載時間越長，樣件所含缺陷越容易被激發、樣件表位的離面位移越大，得到的缺陷越明顯，但是熱加載時間過長也會導致樣件溫度和其表面的空氣溫度迅速升高，致使樣件表面氣流紊亂、環境噪聲增強，影響散斑場的數據采集。此外，碳纖維材料導熱性能好，熱加載時間過長會使缺陷處和完好處受熱均勻，形變量趨近一值，導致缺陷不明顯。因此，在實際檢測中，應根據樣件實際情況選取適當的熱加載時間。

圖9 不同熱加載時間的檢測結果圖

4 結論

熱加載激光錯位散斑無損檢測技術對碳纖維復合材料的沖擊損傷具有較高的檢測靈敏度，能夠快速、有效的檢測出材料所含缺陷并確定其位置，由于其具有非接觸、高效率、外力加載小等優點，能夠較好的應用于碳纖維復合材料的無損檢測。影響其檢測結果的因素較多，錯位方向、錯位量大小、熱加載時間以及操作人員經驗等因素都會對檢測結果產生影響，在實際檢測中，選取合適的錯位量和熱加載時間等參數對于獲取可靠的缺陷散斑圖像具有重要的意義。

參考文獻

［1］ 張旭剛，張素香，程旭，等.層壓結構復合材料的激光剪切散斑檢測［J］.無損檢測，2014，36（7）：56-59.

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［3］ 李家偉.無損檢測手冊第2版［M］.北京：機械工業出版社，2011.

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