CFRP网格面板蜂窝夹芯结构锁相红外检测方法

2019-03-28冯君伟汪丽丽钱云翔郑金华

宇航材料工艺 2019年6期

冯君伟盛涛汪丽丽钱云翔郑金华

（1 上海复合材料科技有限公司，上海 201112）

（2 上海材料研究所，上海 200437）

文摘依据CFRP网格面板蜂窝夹芯结构、成型工艺、使用环境，以有效检测其内部脱粘、分层、纤维断裂缺陷为目标，设计并制作了含有典型缺陷试块，通过试验确定了锁相红外热成像检测的锁相周期、锁相频率等检测参数，建立了锁相红外热成像检测方法。试验表明：该方法能够有效的检测并分别出CFRP网格面板蜂窝夹芯结构中的脱粘缺陷、分层缺陷、纤维断裂。

0 引言

复合材料被广泛运用，其制件内部易存在影响其使用性能与可靠性的缺陷，对这些缺陷进行无损检测具有非常重要的意义。

CFRP网格面板蜂窝夹芯结构，表面的碳纤维网格面板为空心结构，因为采用传统的超声检测，无法避免检测用的耦合剂流入产品内部，且超声探头无法稳定接触产品表面，故常用的检测方法不适合。

本文采用锁相红外热成像技术对CFRP网格面板蜂窝夹芯结构产品检测，制作了相应结构和缺陷类型的试块，确定了检测系统的参数，实现了缺陷的检测。

1 锁相红外热成像检测技术

1.1 成像检测方法

如图1所示，使用LED阵列光源对CFRP网格面板进行周期性调制热激励。

图1 锁相红外热成像技术示意图Fig.1 Phase-locked infrared thermal imaging technology

利用高能量脉冲光加热产品表面，热波传播至产品内部，在无缺陷区域，热波均匀传播，最终表面温度均匀；在有缺陷区域，热传导被缺陷阻断，最终表面呈现温差［1］。对红外热像仪记录的序列热图像加以处理得到振幅和相位信息图像，其中，振幅表征了反射和入射热波的矢量和，相位则表征了反射和入射热波之间的相位差。锁相红外热成像检测技术（LT），受环境影响小，空间分辨率高，成像效果清晰，灵敏度较高［2］。

1.2 成像检测系统

锁相红外热成像检测系统如图2所示，主要由红外热像仪、机械传动系统、锁相控制系统、LED阵列光源、控制与图像处理系统组成。系统软件功能包括图像采集、图像处理、运动控制和参数设置［3］。数据采用1 024点／2 048点FFT进行处理，得到振幅图像和相位图像。

图2 锁相红外成像系统图Fig.2 Phase-locked infrared thermal imaging system

2 缺陷识别及试样制备

2.1 结构中的缺陷类型

本文所检测的产品CFRP网格面板蜂窝夹芯结构如图3所示，主要包含3个部分：聚酰亚胺薄膜、碳纤维网格面板、铝蜂窝芯。具体胶接方式为：首先在网格面板胶接面使用毛刷涂刷胶液，然后铝蜂窝芯正面和背面粘贴网格面板，接着上下表面铺不透气脱模布和均压板，抽真空并进固化炉几小时；紧接着脱模，再在基板胶接面涂刷胶液，铺贴聚酰亚胺薄膜并铺透气脱模布和均压板，最后抽真空进固化炉。此种结构的材料不仅具备碳纤维蒙皮蜂窝夹芯结构的特性，还具有其他更多的优势，如隔热性、绝缘性以及整体质量更轻。此种结构的产品是卫星太阳能电池的部件之一。

图3 结构及缺陷位置示意图Fig.3 Structure and defect location diagram

碳纤维网格面板由碳纤维正交缠绕而成，宽度为2 mm，厚度为0.2～0.3 mm［4］。正交缠绕的粘接区域小，整体结构相对碳纤维蒙皮质地更轻。碳纤维网格面板的胶接质量决定了产品质量的稳定性。产品的整体结构存在3类缺陷，碳纤维网格面板断裂缺陷、碳纤维网格面板内部的分层缺陷、脱粘缺陷。根据脱粘缺陷出现的位置不同可分为：（1）聚酰亚胺薄膜与碳纤维网格面板之间脱粘，（2）碳纤维网格面板与铝蜂窝之间脱粘［5］。

2.2 试块制备

根据产品在生产和使用中可能会出现的三种缺陷类型，设计并制作了4块试块（图4），试块1为制作的过程中加入不同大小的聚四氟乙烯薄膜来模拟不同位置的缺陷。其余3块试块是在已经成型的产品中切割出来的一部分，试块2局部不涂刷胶液，模拟产品中的缺陷；试块3、试块4和试块5根据缺陷的不同使用刀片在不同位置进行切割，让产品产生缺陷，真实模拟产品中的缺陷。

图4 试块1～试块5Fig.4 Testing blocks

试块1中的人工缺陷薄膜为聚四氟乙烯薄膜。在碳纤维网格内部及两侧加入直径分别为40、30、20、10 mm的缺陷各5个。自左向右，第一列为碳纤维网格面板内部加2层0.03 mm厚的薄膜；第二列为聚酰亚胺薄膜与碳纤维网格面板之间加2层0.03 mm厚的薄膜；第三列为铝蜂窝与碳纤维网格面板的粘接面，加薄膜处不涂刷胶液，同时加2层0.03 mm厚的薄膜；第四列为碳纤维网格面板与铝蜂窝之间加2层0.03 mm厚的薄膜；第五列为聚酰亚胺薄膜与碳纤维网格面板的粘接面，加薄膜处不涂刷胶液，加2层0.03 mm厚的薄膜［6］。

试块2为聚酰亚胺薄膜与碳纤维网格面板之间的脱粘缺陷试块，试块3为碳纤维网格面板内部的分层缺陷试块，试块4为碳纤维网格面板与铝蜂窝之间的脱粘缺陷试块，试块5为碳纤维断裂缺陷试块。

3 参数选择与结果分析

在检测的过程中，通常先设置较高的锁相频率，再逐渐降低频率，较低的频率能够增加材料的热扩散长度和检测更深的区域，增强检测效果［7］。

3.1 锁相频率参数选择

对试块1采用锁相周期为7个，锁相频率为0.5、0.3、0.1 Hz分别进行检测，得到结果如表1和图5所示。分析差异后选择锁相频率0.3 Hz。

表1 不同锁相频率的检测结果数据统计Tab.1 Data statistics of detection results of different phase-locked frequencies

图5 不同锁相频率检测结果Fig.5 Different phase-locked frequency detection results

3.2 锁相周期参数选择

对试块1使用锁相频率为0.3 Hz，采用4、7、10三种不同的锁相周期分别进行检测，得到结果如图6所示。得到的振幅图（a）和相位图（b）的检测结果（表2）基本一致，说明锁相周期对产品检测结果影响较小。

图6 不同锁相周期的检测结果Fig.6 Detection results of different phase lock cycles

表2 不同锁相周期的检测结果统计Tab.2 Results of different phase lock cycles

一方面保证探伤的精度和可靠性，另外一方面考虑检测的效率，选择锁相周期为10时间花费大，效率低。小于3个锁相周期，系统算法不能工作，因此系统算法要求锁相周期不能小于3。当锁相周期越小时，数据样本越小，进行数据处理时，FFT计算精度越低。锁相周期为4和7相比，在检测效率满足的情况下，尽量多的锁相周期能够相应提升图像的信噪比，达到相对较好的检测效果。因此选择锁相周期为7个。

3.3 试块检测结果

采用锁相红外热成像检测方法，通过确定的检测系统的参数对试块2～试块5进行成像检测，结果由图7可见，试块2可以检测出聚酰亚胺薄膜与碳纤维网格面板之间的脱粘缺陷，振幅图圆圈标记的白色区域为试块中的脱粘缺陷。试块3可以检测出碳纤维网格面板内部的分层缺陷。相位图圆圈标记的暗黑色的区域为分层缺陷。试块4可以检测出碳纤维网格面板与铝蜂窝之间的脱粘缺陷。振幅图圆圈标记的暗黑色的区域为脱粘缺陷。试块5检测出碳纤维断裂缺陷。振幅图圆圈标记的区域为缺陷的位置。