适配碳纤维增强复合材料无损伤检测的设备有哪些？

CFRP无损检测

AE-UT & Technology

CFRP检测方法

CFRP在制造和使用过程中易造成物体撞击损伤和疲劳性损伤，导致内部结构发生不可视的缺陷。本文采用声发射技术（acoustic emission，AE）和超声技术（Ultrasonic Technology，UT）分别进行监测/检测，通过参数分析、波形分析、图像处理等方式实现对复合材料结构变形、断裂等损伤进行研究。

材料在拉伸或弯曲过程中会产生损伤、断裂现象，会释放具有可测性的声发射信号。声发射现象对损伤的起始及扩展过程极为敏感，针对这种特性对碳纤维复合材料的力学性能进行检测，通过拉伸试验装置模拟正常应用场景时遇到的突发性冲击进行分析。声发射TCS-MAE全过程采集信号，CS-win软件分析损伤数据及波型特征。

1.样品基本情况

• 材料：碳纤维增强复合材料

• 尺寸：250×25×1.8

2.实验过程分析

传感器涂抹耦合剂用布基胶带安装在试验装置上等待进行加载

（左：拉伸试验装置；右：弯曲试验装置）

试验机在样品上逐渐加载，声发射AE参数设置为一定数值，根据试验机加载情况，声发射将得到的信息转换成幅值频谱图、能量图。样品载荷过程结果如下:

上图B→M代表初始拉伸阶段，材料应变线性越大，应力越大。材料在这一阶段产生弹性变形现象，较强的整体抗变形能力使之始终维持着比较稳定的内部状态。进一步加载后

在M→Y代表缺陷出现逐渐扩大直至断裂，材料应变能力不断增强，使得界面脱粘，导致分层及基体的剪切破坏，应力状态呈非线性增加。制造时残留的间隙等缺陷产生应力集中现象，当该现象发展到一定阶段后就会造成局部损伤。这一阶段通常会出现纤维束断裂、层间脱落或纵向劈裂现象（如下图声发射图像），因而习惯性将这一过程定义为损伤发展或累积阶段。

观察数据界面，我们可以看到图中红点即为单个声发射信号，绿点为试验机加载载荷信号。横轴为时间，纵轴为大小。可以看到从加载开始声发射系统便成功采集了碳纤维增强复合材料内部损伤产生的声发射信号。对比载荷数据可以看到随着加载载荷不断提升声发射信号量也随之增加，这便反映了试件内部随载荷提升的而产生的损伤情况。当试件断裂时系统也成功采集到了断裂产生的高强度信号（框架内标记）。

超声扫描成像设备检测纤维复合材料内部缺陷，以“声阻差异”为基础，通过收集超声波与缺陷位置和非缺陷位置发生的“反射，衰减，折射”现象，将物理信号转化为缺陷的 “位置、大小、类型” 信息。

其概念的核心是 “利用超声波的传播特性作为检测媒介”，机制的核心是 “不同介质界面的声学响应差异”—— 这一逻辑既适配了纤维增强复合材料 “层状、各向异性” 的结构特点，也能精准识别其内部高发的分层、脱粘、孔隙等缺陷，因此成为该类材料从生产质控到服役探伤的核心无损检测技术之一。

顾名思义这种方式将材料全浸入水中进行检测，通过耦合剂水将信号传递到样品内部，非接触检测可避免传统超声耦合剂涂抹不均匀，残留气泡造成的耦合不稳定，尤其是面对纤维复合材料表面的纹理，容易加剧耦合波动，导致信号出现噪声。

利用水浸式检测可完全填充探头和材料间表面的间隙，确保超声能量稳定传递，采声TCS-33HD水浸超声对碳纤维层压板进行检测，生成二维C扫描超声图像，可以明显看到有无缺陷对应幅值变化和缺陷位置及大小。

喷水超声通过射流水柱与工件耦合，具备配置灵活，检测范围大，可避免工件长时间浸泡等优点，并且能够满足不同尺寸钢制及纤维复合气瓶的检测和大型曲面工件自动化检测的需求。

纤维复合气瓶超声检测图像（A扫描、B扫描、C扫描、3D扫描）

A 扫描是 “基础”，为 B、C、3D 扫描提供参数校准；

B 扫描补全 “深度 - 长度” 的纵剖面信息；

C 扫描呈现 “平面分布” 的全景视角；

3D 扫描则还原 “立体形态”，为精准评估缺陷影响提供核心依据。

随着超声成像智能化技术发展，目前已实现 “四扫联动”—— 通过一次扫描同时生成 A、B、C 扫描数据并重建 3D 模型，大幅提升检测效率，成为高端复合材料（如航空航天用 CFRP）无损检测的主流技术方案。

空耦超声检测以 “无耦合剂、非接触、无污染” 为核心优势，完美适配碳纤维、泡沫、云母材料、陶瓷等特殊材质的检测需求，尤其在多层复合材料的层间脱粘、内部分层等缺陷检测中表现突出。利用这台型号为NCUT的空气耦合超声对碳纤维增强复合材料进行检测

通过穿透式将工件放置两探头中间，探头对称放置在工件两侧，采用双探头穿透法的纵波检测模式，以保证超声波垂直入射到工件中，所有信号采集都是原始波形。下图为碳纤维增强复合材料检测图像

以上设备针对复合材料检测技术很早就开始了，声发射技术、水浸超声C扫描、喷水耦合超声、空气耦合超声等几种方式，对复合材料工艺研究以及工程应用产生了极大的推动作用。

综上所述，本研究基于声发射AE和超声UT设备对碳纤维增强复合材料内部缺陷提供检测方法，为评估材料内部结构损伤提供了一种新颖且高效的手段，不仅可推动碳纤维复合材料航空航天制造中的质量，还将为新能源、特种装备等领域的可靠性与安全性提供关键技术支撑。