基于雷击碳纤维复合材料的无损伤检测——水浸超声C扫描

引言：俗话说“天有不测风云”，人们需要通过天气预报，来决定出行衣着、行程安排等。然而受限于大气系统的复杂性和观测系统的局限性。让我们时常感叹天气预报不精准！恶劣天气会出现狂风、暴雨、雷击、洪水等。严重时会对人们的生活环境造成重大影响。

飞机作为比较特殊的交通工具具备长距离、高时效等特点。能大幅节省时间，尤其适合商务出行、紧急事务（如医疗救援）或长途旅游。由于其工作环境特殊，在面对雷雨天气时，机身结构中碳纤维复合材料会受到不同程度的损伤，对于确保飞机的安全运行至关重要。这时很多高校和科研单位开始模拟雷击损伤的碳纤维复合材料并借助超声扫描显微镜进行研究。

碳纤维复合材料（Carbon Fiber Composite，CFC）因具备高强度、轻量化特性，在机身、机翼、整流罩等现代飞机结构上广泛应用。雷击作为一种高能量形成的自然现象，当飞机穿过充满电荷云层时，就可能成为雷电的目标。

机身雷击损伤

一旦发生雷击，巨大的电流会瞬间流经机身，对飞机的结构造成损害。对于金属机身而言，由于其良好的导电性，雷击电流可以迅速分散到整个机身上，从而降低局部受损的风险。但对于 CFC 来说，情况则大为不同。由于 CFC 的导电性远不及金属，雷击时电流可能在复合材料内部形成热点，出现机体结构局部烧蚀、击穿、断裂等严重损伤。

接下来，要利用超声扫描显微镜对研究人员事先进行雷击实验的碳纤维复合材料板进行检测，通过超声C扫描对雷击损伤造成的缺陷面积进行展示如下图所示。

碳纤维板C扫描图像（红色位置为雷击严重区域）

目前飞机上采用的大部分都是碳纤维增强复合材料（CFRP）构件，虽然解决了金属防护层会增加机身整体重量的问题。但是材料受制造工艺、成型工艺及加工艺的影响，复合材料内部容易出现分层、空隙、夹杂、脱粘等缺陷，在遇到特殊恶劣的服役环境，除了上面的雷击损伤，还会造成冲击损伤，严重影响机身力学性能。随着复合材料在飞机制造应用中的需求迅速增加，飞机设计对碳纤维复合材料损伤评估方法的需求越来越高、质量问题把控越来越严格。

超声扫描显微镜作为金属及非金属材料内部缺陷检测的“利器”通过水耦合的方式实现无损检测。主要由工业电脑、超声换能器、采集卡、运控机构、水槽组成。工作模式可分为反射法和透射法（如下图所示）

反射式超声扫描显微镜在工作时，脉冲收发仪输出高压窄脉冲信号激励超声换能器产生聚焦的超声波束，该波束经过耦合介质（一般为水）传递至试样表面和内部，并产生反射回波信号。反射回波信号经脉冲收发仪传输至高速数字采集卡并在计算机端完成最终的信号处理，实现对试样的无损检测。

超声扫描显微镜成像：

有三种成像模式，分别为A扫描（A-Scan）、B扫描（B-Scan）、C扫描（C-Scan）。

碳纤维增强复合材料（CFRP）

采声-超声无损检测图像

A扫描：用于观察样品表面内部及底部产生的反射回波，是B扫描和C扫描的基础。

B扫描：是根据A扫描波形算法，可以看到样品横向或纵向的声学图像，并且从图像中可以看到缺陷的深度。

C扫描：属于面扫描，设定区域内逐行扫描，这种方式可以更直观的反应试样的内部结构，判断缺陷位置、大小、尺寸等。

采声-断层切片扫描：

碳纤维复合材料具备各向异性及层状结构特性，对检测设备要求具有高分辨、低损伤、全维度，采声TCS-33HD可以对碳纤维层压板进行切片扫描处理，形成类似射线CT板效果，该功能在复合层压类材料中具有独特的应用优势，不仅可以清晰的显示不同铺层的状况，还可以直观的显示每个铺层缺陷的缺陷情况，对冲击、雷击损伤的复合板检测具有研究意义。

根据板材厚度情况切分1-46层

碳纤维层压板断层切片扫描结果

图中可以看到从切片2开始缺陷面积越来越大，切片24-切片30缺陷呈完整的圆形，切片31之后缺陷面积逐渐变小。说明外力导致内部开始发生应力不均匀出现损伤。超声扫描显微镜可以有效评估复合材料的完整性、可靠性等，同时有助于发现制作过程中存在的问题，改进生产工艺，提高产品质量。