空耦超声检测在碳纤维复合材料中的应用

空气耦合超声检测是一种真正意义上非接触式超声检测技术，其核心特点是无需在探头与被检测工件（如碳纤维复合材料）之间涂抹耦合剂（如水、油等），而是以空气作为超声波传播的耦合介质。

该技术特别适用于碳纤维复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP）的质量检测，能有效解决传统接触式超声检测在 CFRP 检测中存在的耦合剂污染、复杂曲面适配难、自动化效率低等问题。

一、技术核心原理

空耦超声检测的本质是通过空气层实现超声波的 “发射 - 传播 - 接收” 闭环，其关键原理可拆解为以下 3 步：

1.超声波发射：高频超声探头（发射端）产生特定频率的超声波（通常为 0.5~10 MHz，CFRP 检测常用 1~5 MHz），超声波先穿过 “探头 - 空气” 界面进入空气层；

2.空气 - 材料界面传播：超声波在空气中传播至 CFRP 表面，克服 “空气 - 固体” 界面的声阻抗差（空气声阻抗约 413 Rayl，CFRP 声阻抗约 2.5×10⁶ Rayl，阻抗差极大），部分超声波折射进入 CFRP 内部；

3.信号接收与分析：进入 CFRP 的超声波会与材料内部的缺陷（如孔隙、分层、纤维断裂）发生反射、散射，反射波穿过空气层被接收探头捕获，通过信号处理（如时域、频域分析）判断缺陷的位置、大小和类型。

为解决 “空气 - 固体” 界面声能损耗大（传统探头声能透过率不足 0.1%）的问题，空耦检测通常采用聚焦探头、宽频带探头或相控阵探头，并通过优化探头间距、角度提升声能利用率。

二、在碳纤维复合材料中的检测优势

碳纤维复合材料具有高强度、低密度、各向异性的特点，但制造过程中易产生孔隙、分层、纤维褶皱、树脂富集 / 缺失等缺陷，且传统接触式超声（需耦合剂）存在明显局限性。空耦超声检测针对 CFRP 的优势主要体现在：

1. 典型检测缺陷

空耦超声检测可识别 CFRP 内部及表面的多种缺陷，核心缺陷类型及检测原理如下：

（1）分层缺陷：CFRP 层间界面脱粘（如制造中树脂固化不均、受外力冲击导致层间分离），超声波在分层界面会产生强烈反射，信号中出现 “异常峰值”，可定位分层位置及面积；

（2）孔隙缺陷：CFRP 内部残留气泡（如成型时排气不充分），孔隙会散射超声波，导致接收信号的 “幅值衰减”，通过衰减程度可量化孔隙率（检测精度可达 0.1%~1%）；

（3）纤维缺陷：纤维断裂、褶皱或排列紊乱（如铺层过程中纤维偏移），会改变超声波的传播路径，导致信号 “相位偏移” 或 “波形畸变”，可识别纤维缺陷的分布区域；

树脂缺陷：树脂富集（局部树脂过多）或缺失（局部纤维暴露），会导致该区域声速变化（树脂声速约 2700 m/s，CFRP 整体声速约 3000~3500 m/s），通过声速差异定位缺陷。

2. 核心应用场景

空耦超声检测在 CFRP 领域的应用已覆盖 “制造 - 使用 - 维护” 全生命周期等。

• 航空航天领域：检测飞机机身 CFRP 蒙皮、机翼复合材料壁板、卫星天线 CFRP 支架的分层、孔隙缺陷，确保结构安全性（如波音 787 机身 CFRP 部件的出厂检测）；

• 风电领域：检测风电叶片 CFRP 主梁、腹板的内部分层（叶片运行中易因风载疲劳产生分层），避免叶片断裂事故；

• 汽车领域：检测新能源汽车电池云母板隔热层孔隙率（孔隙率过高会降低散热效果），满足新能源汽车安全性需求。