孫盛坤，程麗君，史麗軍，錢黃海，劉 剛，趙文博

(1.海裝駐北京地區(qū)第五軍事代表室，北京 100043；2.中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095)

無損檢測具有非破壞性的優(yōu)點(diǎn)，以不損傷被檢測對象的使用性能為前提，評價被檢測對象是否有內(nèi)部缺陷，并對缺陷的形狀、大小、位置、取向、分布和內(nèi)含物等情況進(jìn)行判斷。當(dāng)被檢測對象不存在影響使用的內(nèi)部缺陷時，還能提供組織分布、應(yīng)力狀態(tài)等物理信息。由于超聲波的無損性和敏感性[1]，超聲波無損檢測方法在國內(nèi)外都有相應(yīng)的報導(dǎo)，大多集中在橡膠/金屬膠接中對脫黏缺陷的評價。早在1989年，Matzkanin等[2]專門報導(dǎo)過橡膠/金屬膠接結(jié)構(gòu)的超聲波無損檢測方法。周娥等[3]采用干耦合縱波穿透法對橡膠、橡膠與金屬黏接材料進(jìn)行無損檢測，可以有效檢測出其中的脫黏缺陷，并對脫黏缺陷進(jìn)行定量分析。李劍等[4]探討了一種基于Lamb波幅值的3dB法，對鋼/橡膠結(jié)構(gòu)中的圓形脫黏缺陷進(jìn)行定量檢測。劉松平等[5]報導(dǎo)了采用超聲回波法對鋼-橡膠膠接缺陷進(jìn)行定性檢測的方法。也有利用超聲波無損檢測技術(shù)測定橡膠材料物理量的相關(guān)報導(dǎo)。Lawandy等[6]報導(dǎo)了用脈沖回波超聲技術(shù)測定丁苯橡膠交聯(lián)密度的方法。He Bobing等[7-8]報導(dǎo)了利用超聲衰減與聚合物相分離之間的敏感性，快速測定不相容聚合物的相分離。?？〗艿萚9-10]報導(dǎo)了用超聲回波法測試橡膠材料(丁苯橡膠、乙丙橡膠、順丁橡膠)的損耗角正切值(tanδ)，以無損檢測方法表征橡膠材料的動態(tài)黏彈性。張強(qiáng)[11-12]編譯了炭黑類型對三元乙丙橡膠超聲衰減系數(shù)以及聲速的影響。

目前超聲波無損檢測方法在橡膠材料工程應(yīng)用的報導(dǎo)相對較少。Tittmann Bernhard R等[13]探討了用空氣耦合法對汽車輪胎進(jìn)行超聲無損檢測的工程實(shí)例。楊恒等[14]報導(dǎo)了用超聲無損檢測測量航空密封件接觸應(yīng)力的方法。同時這些工程應(yīng)用缺乏相應(yīng)的檢測標(biāo)準(zhǔn)，針對具體的應(yīng)用工況需要在檢測方法上進(jìn)行不斷探索，檢測結(jié)果的判斷在很大程度上也依賴于檢測人員的經(jīng)驗(yàn)。本研究旨在通過對織物增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料的無損檢測，借以研究聲能衰減信號不同區(qū)域的內(nèi)在差異以及造成差異的原因。本研究方法及結(jié)果對橡膠復(fù)合材料的超聲波無損檢測、檢測結(jié)果的分析判斷具有一定的參考價值和借鑒意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料

芳綸布：厚度為0.33 mm，單位面積質(zhì)量為150 g/m2，宜興市海特碳纖維制品有限公司；丁腈橡膠片：厚度為(0.25±0.04)mm，北京航空材料研究院。

1.2 儀器及設(shè)備

MASTERSCAN 380型超聲波探傷儀：英國聲納公司；5985型萬能材料試驗(yàn)機(jī)：美國Instron公司；Nova Nano 450型場發(fā)射掃描電子顯微鏡：美國FEI公司。

1.3 復(fù)合材料制備

將芳綸布和丁腈橡膠膠片按200 mm×200 mm的尺寸裁切，然后按圖1所示進(jìn)行鋪層，之后硫化成型。硫化溫度為160 ℃，硫化時間為30 min，硫化壓力為10 MPa。

圖1 織物增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料鋪層示意圖

1.4 分析與測試

超聲波C掃描成像：采用MASTERSCAN 380型超聲波探傷儀，探頭頻率為5 MHz；密度按照GB/T 533—2008進(jìn)行測試；力學(xué)性能按照GB/T 3354—2014進(jìn)行測試，加載速率為2 mm/min；掃描電子顯微鏡(SEM)：采用Nova Nano 450型場發(fā)射掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察；衰減系數(shù)：先用游標(biāo)卡尺測量被測試樣厚度(d)，然后將探頭置于被檢試樣上，分別將一次底波和二次底波回波幅值調(diào)整至滿屏幕刻度的80%，并記錄此時增益數(shù)，兩次底波的幅值差為ΔH，根據(jù)ΔH/(2d)計算衰減系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 織物增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料超聲C掃描

調(diào)整超聲波探傷儀信號幅度為熒光屏滿刻度50%的情況下，確定檢測靈敏度。然后對織物增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料進(jìn)行超聲C掃描，結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，有一片藍(lán)色區(qū)域超聲波信號衰減顯著。在實(shí)物上對衰減顯著的區(qū)域進(jìn)行相應(yīng)的標(biāo)記，如圖3所示，并在實(shí)物上超聲波信號衰減顯著區(qū)域、衰減不顯著區(qū)域分別進(jìn)行密度取樣標(biāo)記，測得密度分別為1.181 7 g/cm3、1.187 8 g/cm3，兩者密實(shí)程度略有差異，超聲波信號衰減顯著區(qū)域的密度稍小，衰減不顯著區(qū)域的密度略大。

圖2 織物增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料超聲波C掃描成像

圖3 織物增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料超聲波衰減顯著區(qū)的實(shí)物標(biāo)記及密度取樣標(biāo)記

2.2 織物增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料力學(xué)性能

將織物增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料按順序裁切成力學(xué)性能測試用試樣，如圖4所示，其中1#～9#為超聲波信號衰減顯著區(qū)域的試樣，10#～16#為超聲波信號衰減不顯著區(qū)域的試樣。所測得的力學(xué)性能見表1、表2。

圖4 織物增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料力學(xué)性能試樣

從表1和表2可以看出，超聲信號衰減顯著區(qū)域彈性模量的均值為441.3 MPa，超聲信號衰減不顯著區(qū)域彈性模量的均值為485.2 MPa。超聲信號衰減顯著區(qū)域、超聲信號衰減不顯著區(qū)域在彈性模量上有明顯差異，超聲信號衰減顯著區(qū)域的彈性模量要比超聲信號衰減不顯著區(qū)域的要??；兩個區(qū)域在拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷裂伸長率上沒有明顯差異，這從宏觀上說明超聲信號衰減顯著區(qū)域不存在影響拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷裂伸長率的氣泡、分層、夾雜等內(nèi)部質(zhì)量缺陷。從表1和表2還可以看出，超聲信號衰減顯著區(qū)域的厚度比超聲信號衰減不顯著區(qū)域的厚度大。

表1 超聲信號衰減顯著區(qū)的力學(xué)性能1)

表2 超聲信號衰減不顯著區(qū)的力學(xué)性能

同時在超聲信號衰減顯著的區(qū)域和超聲信號衰減不顯著的區(qū)域分別取樣，從微觀上進(jìn)行SEM觀察，結(jié)果如圖5所示。

(a)衰減不顯著區(qū)域(×200)

從圖5可以看出，超聲信號衰減不顯著區(qū)域、超聲信號衰減顯著區(qū)域均不存在孔洞、界面分層等內(nèi)部質(zhì)量缺陷。圖6是試樣厚度與彈性模量的關(guān)系圖。

樣品

從圖6可以看出，厚度和彈性模量呈負(fù)相關(guān)性，即厚度較大的區(qū)域?qū)?yīng)超聲信號衰減較大的區(qū)域，其彈性模量較小。橡膠和織物相比，橡膠的彈性模量要小得多，僅為2～4 MPa，是織物的1/30～1/40，同時由于試樣的組分僅有橡膠和織物，且織物的厚度均一，這意味著厚度較厚的區(qū)域橡膠較為富集，亦即超聲信號衰減較大區(qū)域的橡膠較為富集。推測橡膠對超聲信號衰減影響較大，為此對所用橡膠材料進(jìn)行了衰減系數(shù)的測量，結(jié)果見表3。

表3 丁腈橡膠的衰減系數(shù)

從表3可以看出，丁腈橡膠的衰減系數(shù)為5.60 dB/mm，而一般樹脂基復(fù)合材料的衰減系數(shù)僅為1.6～2.4 dB/mm[15]，丁腈橡膠的衰減系數(shù)較大，是一般樹脂基復(fù)合材料衰減系數(shù)的2.0～3.5倍。因此，超聲信號衰減較大區(qū)域的橡膠較為富集，同時橡膠的衰減系數(shù)較大，這兩個因素共同導(dǎo)致了此區(qū)域超聲波信號的顯著衰減。

3 結(jié) 論

織物增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料在進(jìn)行無損檢測時，發(fā)現(xiàn)存在超聲波聲能衰減顯著的區(qū)域，但此區(qū)域不存在影響宏觀力學(xué)性能的分層、孔隙等內(nèi)部質(zhì)量缺陷，采用SEM也未觀察到分層、孔隙等內(nèi)部質(zhì)量缺陷。同時此區(qū)域厚度較大，彈性模量較低，此區(qū)域橡膠富集、橡膠的衰減系數(shù)大共同導(dǎo)致了超聲波聲能的顯著衰減。