Page 41 - 无损检测2022年第十二期

张书宁, 等:

多相非均质 GFRP 材料的超声检测及其声学特性

械支撑、 阻止导体之间的电气连接和保护绕组正常工
作等任务。复合材料常见缺陷类型有分层、 气孔、 富
树脂和夹杂 [ 4 ] , 这些缺陷会对材料性能产生影响, 在
服役过程中带来安全隐患, 因此利用无损检测方法对
GFRP材料进行缺陷检测具有重要意义 [ 5 ] 。
超声检测具有灵敏度高、 能量集 中、 适 用 范 围
广、 检测速度快和对身体无害等优点, 在 GFRP 材
料无损检测中有广阔的应用前景。许多学者对铺层
图 1 玻璃纤维正交编织带微观结构示意
结构较为简单的 GFRP 材料开展研究, 李晓红等 [ 6 ]
脂和双酚 F 环氧树脂( GY282 型)。两类 GFRP 样
采用相控阵超声检测技术检测出了 GFRP 拉杆中
品均采用真空压力浸渍( VPI ) 工艺制备, VPI是指

距端面 300mm 以内2mm 深, 0.5mm 宽的人工径
将玻璃纤维织物和聚酰亚胺按照铺层结构要求进行
向裂纹。王浩全等 [ 7 ] 借助超声 C 扫描技术 检测出
铺层, 随后对铺层和环氧树脂体系分别抽真空, 缓慢

了 GFRP 层板中 ϕ 1.0 mm 的人工直孔和 厚度为

将树脂体系输入铺层结构浸渍, 浸透后对试样整体
0.5mm 的人工铝片。凡丽梅等 [ 8 ] 对 GFRP 层板预
加压, 并在此压力下加温凝胶固化 [ 1 ] 。
制分层缺 陷 进 行 了 水 浸 超 声 C 扫 描 成 像, 可 检 出
层板试样的尺寸为200mm×200mm ( 长×宽),

10.0mm 深, 尺寸为 3.2 mm×3.2 mm×0.02 mm
1 , 2 , 3 层板厚度分别为 1.21 , 3.32 , 4.39mm 。每
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( 长 × 宽 × 高) 的分层。由于 GFRP 材料通常具有
个层板均包含直径分别为 1.0 , 3.0 , 5.0mm 的圆形
组成成分多样和铺层结构复杂等特点, 工艺控制比
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人工 钢 片, 1 , 2 , 3 层 板 缺 陷 深 度 分 别 为 0.62 ,
较困难, 除了裂纹、 气孔、 夹杂和分层等缺陷外, 材料
1.60 , 2.95mm , 层板试样实物如图 2 所示。
内还很容易出现层间树脂分布不均匀和纤维屈曲、
缠绕等现象, 这些因素都可能干扰超声波在材料中
的传播。 ZHANG 等 [ 9 ] 发现复合材料层间树脂分布
不均匀和纤维屈曲会对信号幅值比和传播时间等参
[ 10 ] 发现玻璃纤维角度和种
数产生较大影响。 ONO
类不同时声速和时域衰减系数会存在较大 范围波
动。陆铭慧等 [ 11 ] 发现声速和时域衰减系数等参数
会随 GFRP 孔隙率变化。综上, 纤维增强树脂基复
合材料具有多相非均质性, 而导致超声波传播行为
复杂, 信号辨识难度大, 检测信噪比低, 给复合材料
的缺陷检测带来了困难。
针对超导磁体绝缘层用 GFRP 复合材 料的超
声检测问题, 对不同厚度层板试样和绝缘层试块中
的人工钢片以及分层、 富树脂等共计 3 种、 11 个缺
陷进行超声检测试验, 分析了 A 扫描及 B 扫描的结
果特征, 结合金相检验验证了超声检测的有效性, 并
讨论了材料非均质性导致的声速和衰减波动对缺陷
检测的影响。 图 2 GFRP 层板试样实物
绝缘层试块内部为 316L 不锈钢, 外部包覆厚
1 GFRP 材料声学特性
度为 4.4 mm 的 GFRP 层, 试块尺寸为 400 mm×
1.1 试验样品 114mm×114mm ( 长 × 宽 × 厚), 绝缘层试块包绕

试验样品为 GFRP 层板试样和内部为 316L 不 结构如图 3 所示。通过目视检测发现 2 个异常区
锈钢的绝缘层试块, 所用玻璃纤维为正交编织带, 其 域, 记作 ① 和 ② , 随 机 选 取 1 处 无 异 常 区 域, 记 作

微观结构如图 1 所示, 采用的树脂包括聚酰亚胺树 ③ , 绝缘层试块实物如图 4 所示。

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2022 年 第 44 卷 第 12 期
无损检测