摘要
针对复合材料蒙皮芳纶纸蜂窝夹层结构件，在实际检测中发现采用喷水穿透法超声C扫描检测时零件局部位置超声衰减较大，但采用反射法超声A扫描检测时未发现缺陷，采用数字成像射线（DR）检测时仅能对少部分缺陷进行定性，且极易发生漏检，导致该类缺陷无法判别。采用多种无损检测方法（如水浸聚焦反射法超声C扫描、空气耦合穿透法超声C扫描、反射法红外、激光剪切散斑、X-射线计算机断层扫描（X-CT）等）对穿透法超声衰减较大的区域进行检测，其中X-CT检测可对大部分缺陷进行定性定位分析。试样解剖结果显示，引起穿透法超声衰减大的原因是蜂窝芯中存在两类缺陷：芯格塌陷和胞壁鼓泡，这些蜂窝芯缺陷采用射线透照检测较难发现，但对超声的传播却有非常明显的衰减作用。通过制造带有缺陷的试验件模拟验证超声检测结果，初步探讨了缺陷的产生原因。
蜂窝夹层结构具比强度高、比刚度高、抗疲劳性能和阻尼减震性能较好等优点，是航空、航天、交通运输等领域重要的减重材料。蜂窝夹层结构由上下蒙皮和中间蜂窝芯3部分组成，蜂窝芯从基材上可分为金属蜂窝和非金属蜂窝，其中芳纶纸蜂窝芯材由于其突出的力学性能稳定性、耐腐蚀性、阻燃性、耐环境性，已成为飞机复合材料夹层结构的首选芯材。蜂窝夹层结构零件很容易在制造、服役等阶段产生不同种类的缺陷，例如蒙皮－蜂窝芯界面脱粘、蒙皮中的分层、夹杂、蜂窝芯格变形、芯格塌陷、节点开裂、蜂窝积水等。为保障飞机安全稳定运行，复合材料蜂窝夹层结构零件要进行100％无损检测，并对检出的缺陷进行定性和定位分析，最终按照相应缺陷的验收标准对零件进行验收或拒收。
复合材料蜂窝类零件可采用超声、射线、红外、激光剪切散斑等方法进行检测。红外和激光散斑是快速、非接触的检测方法，适合于检测复合材料蜂窝夹层零件的蒙皮、胶膜缺陷，但检测灵敏度随缺陷深度增加而变差，红外检测还可以表征蜂窝芯格是否进水。超声检测基于声波在材料中的弹性响应和传播行为对零件进行缺陷检测和判别，对分层、夹杂、脱粘类缺陷均较为敏感。喷水穿透法超声C扫描和手动反射法超声A扫描是工业上应用广泛的两种超声检测方法。喷水穿透法超声C扫描设备可实现零件自动化检测，数字化显示缺陷平面投影面积，但无法确定检出缺陷的具体深度位置，也难以判断缺陷的性质，因此实际检测中可采用手动反射法超声A扫描设备对穿透法超声C扫描发现的疑似缺陷进行二次检测。其他的超声检测法例如水浸聚焦反射法超声C扫描能有效减小近表面盲区，保证耦合效果一致性，也可准确控制聚焦深度，提高检测效率及分辨率；空气耦合穿透法超声C扫描检测可实现非接触检测。射线检测对平行于射线方向的缺陷较为敏感，因此适用于检测蜂窝芯变形、芯格断裂等体积型缺陷。在射线检测过程中，由于射线以锥束形状向外发射，导致一定的透照范围外蜂窝芯格影像产生重叠，影响缺陷的识别。然而减小透照范围又势必增加透照次数，因此判定有效透照区十分关键。一般的射线照相检测技术实施透照操作，是将物体的立体空间结构信息压缩为一幅平面图像，而X-射线计算机断层扫描（X-ray Computed Tomography，X-CT）检测可给出物体被扫描区域的虚拟“切片”，允许用户不切割物体就看到物体的断层图像，避免芯格影像重叠等问题。相关标准要求采用超声检测蜂窝蒙皮分层、夹杂及界面脱粘等缺陷，采用X-射线检测蜂窝芯缺陷。实际检测中发现，若干芳纶蜂窝夹层共固化零件在进行喷水穿透法超声C扫描检测时，在C扫描图像中发现夹层区域的多个位置处存在疑似缺陷显示，该处的超声波衰减与邻近区域差值较大。疑似缺陷区域采用手动反射法超声A扫描检测未发现问题，因此无法对疑似缺陷进行判定。疑似缺陷零件采用X-射线检测时，仅有少部分零件可发现缺陷，且对X-射线检测的透照角度要求较高，极易发生漏检。本文针对该类蜂窝零件采用多种无损检测方法进行检测对比分析，并对零件进行解剖，发现特殊类型蜂窝芯缺陷；通过制造试验件模拟蜂窝内部缺陷，验证超声检测结果，初步分析该类缺陷的产生原因，以期为相关检测应用提供参考价值。
1、试验方法
1.1 零件
发生穿透法超声C扫描超声衰减大、反射法超声A扫描检测无缺陷情况的典型零件（以下简称典型件）均由树脂基碳纤维蒙皮和对位芳纶蜂窝构成。产生缺陷的蜂窝芯有正六边形和过拉伸型两种。
1.2 无损检测方法及设备
分别采用喷水穿透法超声C扫描、手动反射法超声A扫描、相控阵便携反射法超声C扫描、水浸聚焦反射法超声C扫描、反射法红外、激光剪切散斑、空气耦合穿透法超声C扫描、数字成像射线（Digital Radiogarphy，DR）检测、X-CT检测对典型件进行检测。主要设备信息及检测参数如下：
喷水穿透法超声C扫描采用英国超声波科学有限公司生产的CG8－1.5－2.9喷水穿透法超声C扫描检测系统，超声换能器为Imasonic的水浸平探头，晶片直径为19mm，喷嘴直径为6mm，频率为1MHz。
手动反射法超声A扫描采用英国声纳Ｍas－terscan 380超声探伤仪，超声换能器为晶片直径为6mm、带延迟块的直探头，频率为5MHz。
DR检测采用SCAN－LM－160T3线阵列数字成像射线检测系统，160kV恒电位X-射线机，线阵列接收器型号为SEZ T3－160，规格为160mm，有效长度范围为157mm。
X-CT检测试验设备为GE phoenix vltomelx C450X-射线成像检测系统，扫描管电压为400kV，电流为1700μA，积分时间为80ms，放大比为2，像素尺寸为97μｍ，切片厚度为0.4mm，层间距为0.2mm。
1.3 典型件解剖试验
采用砂带打磨轮对典型件表面进行打磨处理，打磨轮转速为16 000r/min，砂带80目。逐一打磨蒙皮和胶膜，同时观察蒙皮和胶膜内是否有分层、夹杂或脱粘缺陷；露出蜂窝芯后继续打磨，观察蜂窝芯是否有变形、芯格断裂等缺陷。
采用makita金刚石切割机对典型件穿透法超声衰减大的部位进行纵向切割，切割机转速为13000r/min，在锯切过程中防止震动、碰撞等以避免引入新的缺陷，观察典型件剖面形貌。
1.4 缺陷试验件制作
制造4种缺陷试验件：
１）试验件A采用的材料牌号、规格、铺贴工艺与第1类典型件一致，即上下蒙皮各为3层QY8911／CF3031预浸料、蜂窝为NRH－3－48芳纶蜂窝芯、胶膜为J－188；试验件A固化平台温度为190℃，高于典型件标准要求10℃。
2）试验件Ｂ预先将NRH－3－48芳纶蜂窝芯放置在温度为23℃、相对湿度为90％的恒温恒湿箱内储存12h以上，再采用与第1类典型件相同的预浸料及胶膜材料、铺贴工艺及固化要求进行制备。
3）试验件C采用压力机对第2类典型件（蜂窝为NH－1－1.8－48、预浸料为BA9916－Ⅱ／CF300、胶膜为J－116A）的无缺陷部位进行压缩，过屈服点后撤除外力。
4）试验件Ｄ采用压力机对第2类典型件的无缺陷部位进行压缩，过屈服点后继续压缩至蜂窝表面出现明显凹坑后撤除外力。
2、结果与讨论
2.1 无损检测
选取的典型件喷水穿透法超声C扫描检测结果如图1所示，2个典型件超声衰减量最大值分别为20dB和26dB，将该处定义为疑似缺陷。实际检测已通过调整扫描路径、改变典型件放置位置、适当打磨典型件表面疏水区域、更换喷水穿透法超声C扫描设备、采用空气耦合穿透法超声C扫描设备等方法，排除设备、表面耦合、仿形方法等因素对扫描结果的影响。采用反射法超声A扫描检测疑似缺陷位置均无缺陷回波显示。通过图1可看出疑似缺陷区域无固定形状，且出现在不同蜂窝夹层结构典型件中的不同位置，包括蜂窝平板区和斜坡区。与典型件一同进行检测的对比试块上，预埋分层缺陷位置的超声衰减量一般为8～12dB，疑似缺陷位置的超声衰减量均大于或等于分层缺陷。
检测标准要求采用超声检测的缺陷有分层、脱粘、夹杂、空隙密集、疏松及富树脂等。工业上通常采用穿透法超声C扫描进行自动化快速检测，先给出缺陷平面投影的位置和大小，再采用反射法对缺陷进行判定，根据反射回波的特征对缺陷进行定性定位分析。对于蜂窝零件，则需从两侧蒙皮进行检测。检测中反射回波始终处于周期性跳动状态，证明换能器依次在蜂窝壁正上方、胶瘤区域正上方及蜂窝格正上方移动，未发现大面积反射回波信号。考虑到蜂窝孔格尺寸较小、“胶瘤”状态复杂、蒙皮厚度较薄（最薄为0.46mm）及蜂窝格孔造成的蒙皮表面不平整等问题，为解决人工检测及识别困难、准确控制聚焦深度，提高检测精度，采用相控阵便携反射法超声C扫描、水浸聚焦反射法超声C扫描对典型件进行检测，结果均未出缺陷。试验还采用反射法红外、激光剪切散斑检测典型件，依然未发现缺陷。以上结果可判定典型件不存在蒙皮分层、夹杂、胶膜脱粘、蜂窝积水等缺陷。
为检测蜂窝芯缺陷，采用DR检测对典型件进行检测。由于X-射线以锥束形状向外发射，导致一定的透照范围外蜂窝芯格影像产生重叠，会影响缺陷的识别，因此需尽量减小透照范围保证图像清晰度。将疑似缺陷区域置于X-射线源正下方，使该区域蜂窝壁尽量与X-射线中心束平行，便于蜂窝孔格缺陷的观察。部分典型件DR图像如图2所示，其余典型件疑似缺陷区域和周围区域均无明显区别。图2中蜂窝格孔在疑似缺陷区域（标识圈内）有变形和重影现象，而周围区域格孔无重影现象，因此可初步判断疑似缺陷域蜂窝格孔存在变形缺陷。尽管图像周边位置也有蜂窝格孔重影情况，这是蜂窝格孔与X-射线束不平行导致的。实际工作中要考虑检测效率，透照范围的减小势必会增加透照次数，尤其当零件具有一定曲率或零件摆放与X-射线源成一定角度时，局部图像更会发生影像重叠与模糊，为缺陷识别带来较大困难，此类蜂窝格孔的变形缺陷容易发生漏检。
为更加清晰地观察缺陷信息，采用X-CT对典型件进行检测。X-CT检测出的缺陷结果可分为两大类，分别如图3和图4所示，标注位置为疑似缺陷位置。从图3中可看出自某一高度起，蜂窝壁开始发生分离，且分离程度逐渐增大，最大的情况为蜂窝壁的一边仅由两个端点连接，其他位置全部鼓起，分离程度再逐渐减小，将此类缺陷定义为第1类典型缺陷，即胞壁上的鼓泡缺陷。这种鼓泡缺陷不仅出现于蜂窝双层壁上，也出现在蜂窝单层壁上，鼓泡缺陷最大横向尺寸接近蜂窝格孔边长。一个蜂窝壁上可出现2～3个鼓泡缺陷。蜂窝鼓泡缺陷的位置和穿透法超声C扫描像（图1（A）典型件1）中疑似缺陷位置一一对应，此类典型件中蜂窝鼓泡变形是造成穿透法超声C扫描超声衰减大的直接原因。
从图4中可看出缺陷位置处的蜂窝格孔发生变形，不再是标准的六边形，蜂窝壁发生弯曲，有的表现为蜂窝壁分离，但与鼓泡的圆弧形缺陷不同的是，该处蜂窝壁分离部位凸起更为尖锐。再结合图4中蜂窝格孔变形而非节点分离的结果可知，此类缺陷不再是鼓泡缺陷，而是蜂窝塌陷缺陷，将此类缺陷定义为第2类典型缺陷，其缺陷位置也与典型件穿透法超声C扫描图像（图1（A）典型件2）中疑似缺陷位置吻合。部分穿透法超声C扫描超声衰减大的典型件采用X-CT检测也未发现缺陷，故解剖典型件研究典型件缺陷。
2.2 典型件解剖
对典型件进行解剖，未发现蒙皮分层、夹杂、胶膜脱粘等缺陷，蜂窝芯处发现两类缺陷。
第1类典型缺陷零件解剖结果如图5所示，箭头标记处为鼓泡缺陷。相比于完好区域蜂窝壁的平整垂直状态，疑似缺陷区域的蜂窝壁上有明显鼓泡，组成蜂窝壁的芳纶纸分为两部分，形成大小不同的空腔，空腔横向最大长度接近蜂窝壁边长，仅两端节点相互连接。鼓泡缺陷可发生在蜂窝壁的不同高度上，也可发生在蜂窝六边形的任意一个边上。解剖发现的缺陷位置与穿透法超声C扫描和X-CT检测发现的缺陷位置一致。
第2类典型缺陷零件剖面结果如图6所示。图6（A）中箭头所指部位为典型的塌陷缺陷，该部位对应图4（b）中蜂窝壁分离的X-CT检测结果和穿透法超声C扫描检测中的超声衰减部位，零件剖面在该部位发生一定程度的凹陷，此塌陷缺陷较为严重；图6（b）中箭头所指部位可见蜂窝壁上已有明显折痕，此缺陷与穿透法超声C扫描检测中的超声衰减部位相对应，但由于其蜂窝壁没有明显形态变化，因此在X-CT检测中也较难发现此类缺陷。这类缺陷也属于塌陷缺陷，但塌陷程度较小，蜂窝变形量很小，零件剖面形状无明显变化，然而仍可使超声传播发生明显衰减。
2.3 缺陷分析
复合材料蜂窝结构零件的制造主要为先烘干铣切成型的芳纶蜂窝，后在蜂窝上下表面分别铺贴胶膜，再铺叠树脂基碳纤维预浸料后进罐固化，上下两层蒙皮主要保障弯曲刚度及剪切刚度，中间的蜂窝芯在保障平面拉压刚度的同时还为横向剪流的传递提供路径；芳纶蜂窝的制造一般采用拉伸扩展的方法，生产工序主要分为涂胶、叠合、压制、拉伸、定型、浸胶、固化和片切，此方法制造出的纸蜂窝不是等壁厚的，而是同时存在单层蜂窝壁和双层蜂窝壁。
常见的缺陷可分为3类：复合材料蒙皮缺陷、蜂窝芯缺陷、蜂窝芯和蒙皮的界面缺陷。蜂窝芯常见的制造缺陷有蜂窝芯格变形、芯格塌陷、节点开裂等，其中芯格塌陷是在外力载荷作用下蜂窝芯压缩失稳失效造成的。蜂窝压缩损伤一般从单个芯格萌生，局部蜂窝壁出现褶皱现象，由于蜂窝壁之间的不连续性，损伤会离散分布于各个蜂窝壁中，此时塌陷程度较小；随着不断地加载，褶皱在横向迅速扩展，新的蜂窝壁出现褶皱，当大量褶皱连接到一起时，零件表面出现明显凹陷，蜂窝芯失效。
鼓泡缺陷由两层芳纶纸及内含空腔构成，可同时发生在单层蜂窝壁和双层蜂窝壁上，且发生鼓泡的蜂窝壁两端节点未分离。此类缺陷与已报道的芳纶蜂窝外观缺陷不同，可能发生在蜂窝芯制造阶段，即芳纶纸在拉伸定型时发生局部破坏并分离，浸胶固化后分离的芳纶纸表现为内含空腔的鼓泡缺陷；也可能发生在零件制造阶段，由储存条件或固化参数不当导致，具体原因有待进一步研究。
2.4 无损检测方法比较
采用的无损检测方法中，手动反射法超声A扫描、相控阵便携反射法超声C扫描、水浸聚焦反射法超声C扫描、反射法红外、激光剪切散斑可用来检测蜂窝蒙皮缺陷及胶膜缺陷，红外检测还可发现蜂窝芯格是否进水，但以上检测方法均无法识别典型件中的蜂窝芯鼓泡和塌陷缺陷。
喷水穿透法超声C扫描及空气耦合穿透法超声C扫描常用来检测蜂窝蒙皮缺陷和胶膜缺陷，蜂窝芯的鼓泡缺陷和塌陷缺陷可造成透射超声波的大幅度衰减，故可用穿透法超声对此类缺陷进行检测。但由于此类方法仅能接收透射超声波，所以仅能判断缺陷的有无和相对大小，无法通过波形确定缺陷的性质及深度位置，故还需配合其他检测方法进行辅助评判。
蜂窝芯缺陷多采用X-射线法进行检测，文献也对蜂窝节点脱开、蜂窝塌陷等检测进行了描述，但蜂窝胞壁鼓泡缺陷及其产生的原因未见报道。此外，由于X-射线以锥束形状向外发射，导致一定的透照范围外蜂窝芯格影像产生重叠，实际检测中仅有严重的蜂窝塌陷缺陷才能由X-射线检测识别，对鼓泡缺陷的识别也有一定的困难。
X-CT检测图像清晰，不存在影像重叠与模糊的问题，图像灵敏度比胶片照相技术高出1个数量级，可对鼓泡缺陷和严重塌陷缺陷进行精准的定性定位。但X-CT检测对零件尺寸有限制，且依然较难发现塌陷程度小的缺陷。
相比较而言，穿透法超声检测对蜂窝鼓泡缺陷和塌陷缺陷的检测灵敏度更高。故建议先采用穿透法超声检测蜂窝类零件，对于疑似缺陷区域采用反射法超声排除蒙皮及界面缺陷后，可初步确定鼓泡缺陷或塌陷缺陷的有无及相对大小。再将疑似缺陷区域置于X-射线源正下方进行检测，可使该区域蜂窝壁尽量与X-射线中心束平行，避免影像重叠与模糊，以便确定蜂窝孔格缺陷的性质及形貌。对于个别零件穿透法超声衰减大的部位可采用X-CT检测进行缺陷评判。
2.5 蜂窝缺陷试验件的模拟和表征
文献已给出分层、脱粘、蜂窝芯格孔分离等缺陷的制备方法，但其他类型的缺陷模拟试验件较难制备。为验证鼓泡缺陷的产生原因，制作了高于固化标准10℃的试验件A和高湿度储存蜂窝试验件Ｂ。但试验件均未发生鼓泡缺陷。故此类缺陷的产生原因及其对蜂窝性能的影响程度还有待进一步研究。
制备塌陷缺陷试验件以观察剖面形貌并验证超声检测结果。图7（A）为压缩过蜂窝屈服点后撤除载荷的试验件C剖面图，箭头所指处可见横向折痕，但整体无凹坑，与图6（b）中典型件缺陷形貌类似；图7（b）为试验件Ｄ加载直至表面有明显凹坑时的剖面图，此时蜂窝壁发生明显弯折，与图6（A）中典型件缺陷形貌类似。塌陷试验件的穿透法超声C扫描图像如图7（C）所示，可见不同程度的塌陷缺陷均有明显超声衰减。其中1＃缺陷平均衰减量为20dB，其塌陷程度对应图7（A）；2＃缺陷平均衰减量为29dB，其塌陷程度对应图7（b）。对于塌陷程度较小的零件，虽蜂窝过屈服点后难以恢复到压缩前状态，但由于蒙皮具有一定的回弹性，导致外力撤除后零件蜂窝在厚度方向上无明显变化，所以此类芯塌陷缺陷不易被X-CT及DR检测发现。
3、结论
1）对典型件进行解剖，观察缺陷位置及形貌可知，缺陷大致可分为两类。一类是蜂窝芯胞壁鼓泡缺陷，由两层芳纶纸及内含空腔构成，最大横向尺寸接近蜂窝格孔边长，但两端节点未发生分离；单层蜂窝壁和双层蜂窝壁均可发生鼓泡缺陷，同一蜂窝壁上也可存在多个鼓泡缺陷。另一类是蜂窝芯格塌陷缺陷，塌陷严重的蜂窝壁发生明显弯折，典型件剖面在该部位有一定程度的凹陷；塌陷程度小的蜂窝壁上仅有横向折痕，典型件剖面无明显变化。
2）采用多种无损检测方法对典型件进行检测，其中喷水式穿透法超声C扫描及空气耦合穿透法超声C扫描可发现全部典型件缺陷，但无法进行缺陷定性和定位；DR检测可发现部分鼓泡缺陷，但透照角度不当容易造成缺陷漏检；X-CT检测可对典型件鼓泡缺陷和严重塌陷缺陷进行精准定性定位，但较难识别塌陷程度小的缺陷。
3）穿透法超声对蜂窝鼓泡缺陷和压塌缺陷的检测灵敏度较高，故建议采用此方法判断缺陷的有无和相对大小，并需要辅助DR检测或X-CT检测确定缺陷性质。
4）鼓泡缺陷的产生原因及其对蜂窝性能的影响程度还有待进一步研究。
