碳纤维增强复合材料（CFRP）超声检测

近年来，碳纤维增强复合材料（CFRP）因其高比强度、高比模量、耐腐蚀、轻量化等优异性能，被广泛应用于航空航天、风电、新能源汽车等高端领域，在工业及高端装备应用中逐步成为核心结构材料。然而，受 CFRP 铺层工艺、固化过程的固有特点及其各向异性的材料结构影响，该类材料在制造与服役过程中易产生内部缺陷，存在潜在的质量风险。

材料、结构或工艺缺陷如分层、孔隙、裂纹、纤维褶皱等，会直接影响 CFRP 的长期可靠性。此类缺陷在初始阶段可能对材料表观性能影响不大，但在载荷、温湿度等环境因素作用下会持续演化和扩展，最终导致构件过早失效，严重时威胁整个装备的结构安全。因此，有必要对 CFRP 进行针对性的无损检测与筛选，以降低使用风险。

介绍：水浸超声与空耦超声检测技术是一类高效的无损检测分析方法，其显著优势在于扫描材料内部缺陷并生成二维超声C扫描图像。

1. 水浸超声：超声波聚焦后，通过水（作为“传递介质”）传到样品内部；

 2. 空耦超声：不用水，直接用空气作为传递介质，实现不接触样品的检测。

该方法能在保持复合材料结构与性能完整的前提下，有效检测碳纤维增强复合材料内部的分层、孔隙、裂纹、异物夹杂等缺陷。此外，针对不同的检测需求，还可扩展出逐层扫描模式，在一次扫描中获取多个等间距的层切面图像，实现对 CFRP 内部结构的全层覆盖检测

第一层超声C扫描图像

第十五层超声C扫描图像

原理剖析：由于材料内部各层之间的声阻抗存在差异，超声波的振幅与相位会相应发生变化。通过捕捉来自缺陷或未结合界面的反射波信息，并将其成像为缺陷特征，可从反射波和透射波的相位与幅值中获取样品的内部结构信息。例如，当 CFRP 内部存在分层缺陷时，分层内的空气与复合材料声阻抗差异巨大，超声波几乎会在该界面发生全反射，从而产生明显的异常回波信号。

为获得完整的声学图像，换能器需沿样品表面进行扫描，覆盖整个检测区域。换能器具备沿 x、y、z 三轴运动的能力：z 轴用于在特定深度聚焦超声脉冲，而 x 轴与 y 轴则实现在聚焦平面不同位置的数据采集。

在超声检测图像中，灰度与极性差异取决于超声脉冲的峰值振幅和相位，通过识别图像中的异常区域可判断样品是否存在缺陷。

超声波在界面处的反射或透射强度（反射信号振幅）受两种材料声阻抗的影响。声阻抗是超声波穿过材料时所遇到的阻力，材料密度和声速的增加均会导致声阻抗增大。界面处声阻抗差异越大，反射信号越强（图像越亮）。

碳纤维层压板冲击损伤超声C扫描图像

当超声波从低声阻材料进入高声阻材料时，反射率为正值，反射波与入射波相位相同；反之，当超声波从高声阻材料进入低声阻材料（例如进入空气层）时，反射率为负值，反射波与入射波相位相反，且超声波几乎全反射；若两种材料声阻抗相近，则超声波基本不发生反射。

在 CFRP 构件中的应用实例

以某航空厂家的碳纤维复合材料机翼壁板构件为例，该构件厚度为 8mm，为多向铺层结构，采用水浸超声的 C 扫描模式对其进行检测，验证构件的内部质量。

通过该检测，成功定位了构件内部边缘位置存在粘接不良缺陷，避免了不合格构件流入后续装配环节，保障了航空构件的结构安全。