鄒大鵬，林奕欽,，葉國良，范中嵐，張永康，曾呂明，李校智

(1. 廣東工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院 省部共建精密電子制造技術(shù)與裝備國家重點實驗室，廣東 廣州 510006;2. 東莞理工學(xué)院機械工程學(xué)院，廣東 東莞 523808)

0 引 言

新型無機材料使用氧化物、氮化物、硅化物以及各種無機非金屬化合物經(jīng)過特殊的先進工藝制成，已開發(fā)出一系列高溫高強、電子、光學(xué)以及激光、鐵電、壓電等新型無機材料，正向著高性能化、高功能化、仿生化、智能化、輕量化、復(fù)合化、低維化等方向發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于航空航天、兵器、電子、激光、紅外等技術(shù)領(lǐng)域。與此同時，對無機非金屬材料缺陷的無損檢測需求越來越大，也更為迫切。超聲波以不同的傳播速度及衰減特性傳播，從而對不同狀態(tài)和不同性質(zhì)的無機非金屬材料實現(xiàn)無損檢測，成為主要研究方向之一。準(zhǔn)確獲取材料的聲衰減系數(shù)和聲速這兩個聲學(xué)參數(shù)，有助于為材料性能、材料微觀結(jié)構(gòu)、分層特征、粘結(jié)特性和材料缺陷的檢測和判斷提供依據(jù)。

本文以無機非金屬材料中廣泛使用、潛力巨大的陶瓷材料及復(fù)合材料的超聲檢測研究為例，分析國內(nèi)外陶瓷以及復(fù)合材料的超聲檢測研究現(xiàn)狀，研究本身物理微觀結(jié)構(gòu)和缺陷與超聲特性參數(shù)之間的關(guān)系，探討超聲檢測在陶瓷和復(fù)合材料領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展方向，為推動超聲無損檢測的研究和發(fā)展以及對陶瓷和復(fù)合材料的檢測提供借鑒。

1 超聲無損檢測原理與方法

無機非金屬材料超聲檢測是利用與被測介質(zhì)特性和狀態(tài)有關(guān)的非聲學(xué)量和描述介質(zhì)聲學(xué)的超聲量之間存在的關(guān)系，通過獲取超聲檢測參數(shù)來分析和反演介質(zhì)的特性和狀態(tài)。超聲波在介質(zhì)傳播的強度損失主要包括[1]：1）由于聲波在傳播過程中不斷擴展導(dǎo)致的擴展損失；2）由于介質(zhì)存在粘滯、熱傳導(dǎo)以及其他馳豫過程引起的聲強衰減的吸收損失；3）介質(zhì)中非均勻性造成的聲散射損失。其中，聲散射與聲吸收導(dǎo)致的聲衰減主要取決于介質(zhì)本身，是超聲檢測著重關(guān)注的影響因素。

2 陶瓷材料超聲波檢測研究

陶瓷材料具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、比重小等優(yōu)良性能，應(yīng)用前景廣泛。其具有如下特征：1）脆性大，韌性很低；2）微小的缺陷易造成應(yīng)力集中而導(dǎo)致破壞；3）在相同的工藝條件下，不同零件的強度差異很大。利用微觀結(jié)構(gòu)和理想力學(xué)性能的關(guān)系，建立超聲聲學(xué)特性參數(shù)與材料微觀結(jié)構(gòu)和材料性能的聯(lián)系，從聲學(xué)特性參數(shù)來評估材料物理特性，是陶瓷材料超聲檢測的基礎(chǔ)。

2.1 基于聲衰減的陶瓷物理特性超聲檢測研究

聲衰減與陶瓷材料的密度、孔隙微觀物理結(jié)構(gòu)以及檢測頻率的關(guān)系明確。超聲波散射理論證明不同頻率超聲波在不同微觀結(jié)構(gòu)和不同材料密度的陶瓷中傳播具有不同的散射機理[4]。陶瓷材料聲衰減與頻率具有非常高的相關(guān)性[5]；并且呈現(xiàn)密度越大衰減越大的特性[6-7]。如表1所示，陶瓷密度是重要的參數(shù)之一，建立衰減與密度的關(guān)系模型，通過超聲檢測反演，可以實現(xiàn)制作陶瓷時預(yù)估陶瓷密度。

表1 陶瓷材料物理特性與聲衰減的關(guān)系

2.2 基于聲速的陶瓷材料物理特性超聲檢測研究

陶瓷材料物理特性與聲速的關(guān)系如表2所示。其中，聲速與孔隙率滿足較好的線性關(guān)系。陶瓷材料在低孔隙率時，孔隙形狀主要為球形且大部分相互獨立，在高孔隙率時，則為圓柱形且大部分相互聯(lián)系[9]，因此在低孔隙率情況下，得到的擬合曲線精度較高[10]；在高孔隙率情況下，得到的擬合曲線精度較低[11-12]，這表明孔隙形狀對聲速的影響不可忽略。結(jié)合Mori-Tanaka[11]理論模型，扁球形孔隙比球形孔隙對聲速的影響更明顯[12]。

表2 陶瓷材料物理特性與聲速的關(guān)系

以上研究表明：1）基于孔隙單一物理參數(shù)的研究很多，但考慮多個物理參數(shù)與超聲波速度之間關(guān)系的研究較少；2）孔隙形態(tài)的表征方法存在差異，缺乏一致的標(biāo)準(zhǔn)。

借助于高速發(fā)展的計算機模擬仿真技術(shù)，對聲速與材料的各項物理參數(shù)關(guān)系進行多參數(shù)、多水平、系統(tǒng)性的分析，以及研究不同形狀缺陷孔隙的影響特性，有助于推動全面認(rèn)知各個物理量之間的相互關(guān)系和對聲速的影響特性；并且通過結(jié)合日益提高的檢測技術(shù)，開展仿真分析與實驗測量的相互優(yōu)化和驗證，更好地推動高精度聲速反演陶瓷材料物理特性參數(shù)在實際工程中的應(yīng)用。

3 復(fù)合材料的超聲波檢測研究

纖維增強復(fù)合材料具有高彈性模量和高強度，廣泛應(yīng)用于飛機、現(xiàn)代車輛和輕型結(jié)構(gòu)中。近年來，高效探測復(fù)合材料需求推動了超聲波檢測的發(fā)展，逐步建立聲衰減法、聲速法與復(fù)合材料各項微觀物理結(jié)構(gòu)參數(shù)的精確關(guān)系，推動在線監(jiān)測和超聲成像。

3.1 基于聲衰減的碳纖維復(fù)合材料物理特性超聲檢測研究

由于碳纖維復(fù)合材料試樣參數(shù)的多樣性，推導(dǎo)出聲衰減與碳纖維復(fù)合材料的微觀物理參數(shù)的數(shù)學(xué)模型具有多種類型。其中，孔隙率被認(rèn)為是影響剪切強度、彎曲強度、拉伸強度、壓縮強度和彈性模量等最重要的參數(shù)之一。聲衰減與孔隙率的關(guān)系通常為二次多項式，如表3所示。

表3 碳纖維復(fù)合材料復(fù)合微觀物理參數(shù)與聲衰減的數(shù)學(xué)計算模型

碳纖維復(fù)合材料聲衰減的影響因素主要有檢測頻率、樹脂的類型、碳纖維和孔隙的形狀、大小和分布情況等[19]；在孔隙處于某個臨界值時，其擬合曲線誤差會發(fā)生較大變化[15-16]；由于不同復(fù)合材料有不同的衰減系數(shù)，使得臨界值有所不同[22]；孔隙率＞4%時，聲衰減與孔隙率的關(guān)系可簡化為二次型曲線[23]，此時孔隙率和孔隙形態(tài)對聲衰減起到主導(dǎo)作用；如果綜合考慮碳纖維復(fù)合材料孔隙形狀、大小與分布的因素，則能提高計算模型的精度。

表3表明基于聲衰減法的復(fù)合材料檢測已經(jīng)有了較好的數(shù)學(xué)模型，但因模型的影響因子多，計算復(fù)雜，其準(zhǔn)確性和應(yīng)用場合有待于提高，需要簡化形式，以便更實用。

因此，可以嘗試參考多孔隙介質(zhì)模型的簡化過程，運用等效模型的方法，將多種參數(shù)等效成易于獲取的孔隙率和增強纖維含量的表達形式，提出模型簡單、參數(shù)少、通用性強的聲衰減模型，探索簡易可行模型計算、反演的檢測方法，從而應(yīng)用于工程實際[24]。也可以嘗試采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、深度學(xué)習(xí)算法等，構(gòu)建訓(xùn)練模型，建立專家?guī)欤岣叱暀z測預(yù)測和反演的準(zhǔn)確性。

3.2 基于聲速的碳纖維復(fù)合材料物理特性超聲檢測研究

碳纖維復(fù)合材料的物理特性孔隙率和增強纖維含量對聲速影響較大，通常與聲速呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，如表4所示。在各向同性的彈性復(fù)合材料中，當(dāng)孔隙率從0升到5%時，縱波速度下降了約6%，表明縱波聲速對孔隙率并不敏感[25]。當(dāng)復(fù)合材料中含有樹脂時，縱波速度相比橫波速度變化更為敏感，這一定程度上表明正交各向異性材料對聲波的傳播影響存在差異[26]。

表4 碳纖維復(fù)合材料物理特性與聲速的關(guān)系

廣義色散關(guān)系式（K-K關(guān)系）[30]可用衰減系數(shù)計算出相應(yīng)相速度，進而研究相速度的色散特性[27]。當(dāng)碳纖維復(fù)合材料的孔隙率大于0.08%～0.1%時，相速度受到色散作用明顯[31]。當(dāng)超聲波波長與孔隙是同一量級時，不但會發(fā)生色散現(xiàn)象，而且衰減與相速度之間存在負(fù)相關(guān)[28]。隨著檢測頻率增大，由孔隙引起的散射干擾也會增大，因此，在借助聲速檢測分析技術(shù)的同時，配合其他物理性質(zhì)的檢測技術(shù)，彌補聲速法對復(fù)合材料反映微弱的缺點，仍是一個有潛力的研究方向[32]。

4 無機非金屬材料缺陷的超聲檢測研究

4.1 陶瓷材料缺陷的超聲檢測研究

在航天航空、精密機械、石油化工、國防科技等領(lǐng)域?qū)μ沾刹牧弦缶哂懈呖煽啃?、高強度、強耐磨損性及高化學(xué)穩(wěn)定性等。由此，對陶瓷材料缺陷的檢測非常重要。陶瓷材料缺陷超聲檢測是對材料聲學(xué)特性和物理特性充分研究清楚的基礎(chǔ)上，對于異常孔隙或異常雜質(zhì)的研究。陶瓷材料缺陷的超聲檢測如表5所示。超聲波無損檢測可以實現(xiàn)微小缺陷（80～100 μm）的檢測[33]，當(dāng)缺陷與波長之比非常小時，缺陷表現(xiàn)出球面波的特性，因此能以較低頻率檢測微小缺陷[34]。綜合考慮陶瓷材料缺陷的大小（10～60 μm）與檢測頻率的關(guān)系，常用檢測頻率為1～100 MHz[35]。在陶瓷檢測應(yīng)用中，超聲波利用反射波檢測陶瓷缺陷應(yīng)滿足缺陷尺寸＞檢測波長＞m×平均粒徑（m=2～4）的條件[36]。

表5 陶瓷材料缺陷的超聲檢測

陶瓷缺陷檢測以檢測出陶瓷材料中的缺陷改變沒有缺陷時超聲波正常的傳播路徑、方式、特性而導(dǎo)致的差異特征作為研究基礎(chǔ)。目前存在主要問題為：陶瓷材料的缺陷微小，有時與正常的結(jié)構(gòu)或者孔隙相當(dāng)，需要較高的分辨率；同時較高的分辨率又會導(dǎo)致散射的加強，多途路徑的波形交錯，增加了分析的復(fù)雜性。雖然在低頻情況下，可利用缺陷對入射波散射呈現(xiàn)球面波特性，通過檢測缺陷散射的回波來檢測缺陷的位置和大小，但散射回波信號微弱，其精度仍有待進一步研究。而且陶瓷材料中微小的缺陷與標(biāo)準(zhǔn)陶瓷的區(qū)別，以及微小缺陷在標(biāo)準(zhǔn)陶瓷中如何影響超聲波的傳播機理仍然是有待于深入研究的內(nèi)容之一。

4.2 碳纖維復(fù)合材料缺陷的超聲檢測研究

碳纖維復(fù)合材料中常見的缺陷種類有孔隙、分層、夾雜、纖維彎曲、富脂或貧脂，其失效引起的缺陷通常表現(xiàn)為基體裂紋、纖維斷裂、纖維界面結(jié)合不良和纖維缺層等。碳纖維復(fù)合材料缺陷的超聲檢測特性如表6與表7所示。

表6 碳纖維復(fù)合材料（CFRP）缺陷的傳統(tǒng)超聲檢測特性

表7 碳纖維復(fù)合材料（CFRP）缺陷的先進超聲檢測特性

圖1 碳纖維復(fù)合材料的微小孔隙的高頻超聲（50 MHz）超聲C掃描結(jié)果[42]

通過以上分析，針對碳纖維復(fù)合材料采用的超聲檢測技術(shù)進行簡要分析。以上分析表明：1）超聲相控陣列檢測精度高、靈活性好，但檢測參數(shù)復(fù)雜、聲束控制困難導(dǎo)致對檢測對象的材料和結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性較低。可以結(jié)合光追技術(shù)，人工智能識別[48-49]等計算機智能技術(shù)，基于判別不同材料和結(jié)構(gòu)自適應(yīng)生成合適的超聲相控陣檢測參數(shù)，推進相控陣技術(shù)應(yīng)用和普及；2）空氣耦合超聲相比常規(guī)超聲檢測技術(shù)不需要耦合介質(zhì)，缺陷判別方式簡單且易于實現(xiàn)自動化，但空耦換能器中心頻率低，橫向和縱向分辨率低，所以一般采用透射法針對薄壁零件和低阻抗材料進行檢測?？梢匝邪l(fā)具有較好阻抗匹配性質(zhì)的空氣耦合換能器提高使用范圍，借鑒超聲相控陣技術(shù)，開發(fā)多通道、多頻率的空氣耦合新方法提高空氣耦合超聲的效率和精度；3）激光超聲具有遠距離、非接觸、高分辨等優(yōu)點，但檢測質(zhì)量易受激光波長、功率、檢測對象表面粗糙度，激光干涉儀靈敏度、外界環(huán)境等因素影響，同時，相比傳統(tǒng)超聲檢測系統(tǒng)，激光超聲檢測系統(tǒng)成本較高。可以通過研制高速脈沖激光器和高靈敏度干涉儀，同時借鑒超聲相控陣形成多通道多波長多頻率激光超聲相控陣，提高檢測精度和效率。

圖2 CFRP沖擊損傷超聲相控陣C掃描結(jié)果[44]

圖3 CFRP的空氣耦合激光超聲對比超聲相控陣C掃描結(jié)果圖[46]

圖4 CFRP的激光超聲C掃描結(jié)果圖[47]

5 結(jié)束語

現(xiàn)有的無機非金屬超聲檢測方法中，聲衰減法判斷材料的物理微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)相對有效，從宏觀角度評估材料微觀結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢明顯，但因孔隙形態(tài)形成機理的復(fù)雜性以及不規(guī)則性，使得衰減法在精確評估材料孔隙特征時具有難度。聲速法對微觀結(jié)構(gòu)的形狀如孔隙形態(tài)有減弱干擾作用，使得其在判斷材料物理微觀結(jié)構(gòu)時具備獨特優(yōu)勢，但是要求其檢測系統(tǒng)足夠精密、檢測環(huán)境干擾足夠小。

隨著智能輕型產(chǎn)品和工業(yè)自動化的發(fā)展需求，越來越多的非金屬材料應(yīng)用到工業(yè)和生活中，成為產(chǎn)品。鑒于無機非金屬材料中陶瓷材料的微孔隙、碳纖維復(fù)合材料的復(fù)雜性，為了提高非金屬材料的質(zhì)量和性能的無損、自動、高效、準(zhǔn)確檢測，有必要推動以下聲學(xué)檢測應(yīng)用技術(shù)研究：

1）增強仿真分析技術(shù)的推廣應(yīng)用，結(jié)合多物理場的仿真分析，深入分析無機非金屬材料的結(jié)構(gòu)、組成、屬性與聲學(xué)特性參數(shù)之間的關(guān)系，明晰對超聲傳播的影響機制，建立物理與力學(xué)參數(shù)和聲學(xué)特性參數(shù)的簡便關(guān)系式；

2）開發(fā)各種條件下的可控實驗檢測技術(shù)，基于可控參數(shù)實驗分析，探尋無機非金屬材料的聲學(xué)特性與物理微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的表象和本質(zhì)關(guān)系；

3）推動超聲檢測三維成像技術(shù)，結(jié)合聲衰減法和聲速法，無機非金屬材料的結(jié)構(gòu)、孔隙、缺陷等表面、內(nèi)部、貼合界處等的結(jié)構(gòu)超聲成像，實現(xiàn)自動化檢測與自動化識別。

4）將機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)和人工智能等融入超聲波產(chǎn)品性能和缺陷檢測中，實現(xiàn)高精度、高效率、高智能化和自動檢測系統(tǒng)的發(fā)展。

5）推動先進超聲檢測包括超聲相控陣列超聲、空氣耦合超聲、激光空氣耦合超聲和激光超聲的結(jié)合應(yīng)用，實現(xiàn)智能標(biāo)定、自動控制和軌跡規(guī)劃一體化的自動化檢測，基于多聲束發(fā)射與接收、全聚焦等提高先進超聲檢測精度和效率等。