超声无损伤检测在航空航天复合材料结构完整性评估中的应用

超声无损伤检测（UT）作为航空航天领域复合材料结构完整性评估的核心技术，凭借非破坏性、高分辨率及定量分析能力，成为保障飞机、发动机等关键构件安全的“体检工具”。航空航天复合材料（如碳纤维增强树脂基、蜂窝结构）因轻量化、高强度广泛应用，但层状结构、各向异性及隐蔽性损伤（分层、孔隙、纤维断裂等）给检测带来挑战。超声检测通过捕捉超声波在材料中的反射、散射信号，精准识别损伤类型与位置，直接服务于复合材料的制造质控与在役维护。

航空航天复合材料的结构特性与检测挑战

航空航天常用复合材料以碳纤维增强树脂基（CFRP）、玻璃纤维增强塑料（GFRP）及蜂窝结构为主，其层状、各向异性及多相结构是核心特点——CFRP由多向铺层的碳纤维与树脂复合而成，声波在不同纤维方向传播速度差异可达20%；蜂窝结构由面板与多孔芯体粘结，内部存在大量声阻抗不连续界面。

这类材料的损伤多为隐蔽性：制造中预浸料铺贴不当会导致分层，固化时气体未排出会产生孔隙；使用中冲击载荷（如鸟撞）会引发纤维断裂，疲劳载荷会导致基体开裂。传统检测方法如射线对分层不敏感，涡流仅适用于金属，磁粉检测完全无效，超声检测的非破坏性与内部损伤识别能力恰好弥补了这些缺陷。

例如，某型飞机机翼蒙皮的CFRP层合板，若用射线检测无法发现层间1mm的分层，但超声脉冲反射法可通过反射波时间差准确判断分层深度，且无需破坏蒙皮。

超声无损伤检测的基本原理与适用于复合材料的技术类型

超声检测的核心是利用高频机械波（1-20MHz）在材料中的传播特性：声波由压电探头发射，遇到损伤界面（如分层、纤维断裂）会反射或散射，接收探头捕捉信号后，通过“时间-幅值”曲线分析损伤位置与大小。

针对复合材料特性，常用技术包括：脉冲反射法（检测分层、脱粘等面状缺陷）、相控阵超声（PAUT，电子扫描复杂形状构件）、超声C扫描（生成二维图像可视化损伤）、导波超声（长距离检测细长构件）。其中PAUT是复合材料检测的“利器”——通过电子控制阵元激发时间，可实现声波束聚焦与扫描，解决各向异性导致的声波偏移问题。

比如，检测发动机曲面叶片的CFRP构件，PAUT可通过电子聚焦将声波定向投射到叶片根部的纤维层，避免声波散射导致的信号失真，精准检测纤维断裂缺陷。

超声检测在复合材料层合结构分层缺陷评估中的应用

分层是层合结构最常见的损伤，多由制造时预浸料气泡或使用中冲击导致，会降低构件面内刚度。超声检测分层的逻辑是：超声波垂直入射时，分层界面（空气与复合材料）会产生强烈反射，反射波幅值与分层面积正相关，时间对应分层深度。

例如，机翼蒙皮的CFRP层合板检测中，用脉冲反射法扫描，当探头遇到分层区域，接收信号会出现“二次反射波”（正常区域只有底面反射波），通过时间差可算出分层在蒙皮下3mm处，结合超声C扫描可显示分层面积为20mm×15mm，需返修。

相控阵超声（PAUT）进一步提升了分层检测效率——针对机翼前缘的曲面层合板，PAUT通过电子扇形扫描，30分钟即可覆盖传统方法2小时的检测区域，且检测精度提升20%。

超声检测在复合材料孔隙率定量评估中的应用

孔隙是制造中树脂固化时气体未排出导致的微小气泡，孔隙率超过1%会降低材料强度与疲劳寿命，航空航天标准（如AMS 2344）对孔隙率有严格限制。

超声检测孔隙率基于“孔隙散射声波”原理：孔隙越多，声波衰减越大（衰减系数=入射波幅值/透射波幅值）。通过标准孔隙率试样建立“孔隙率-衰减系数”曲线，即可定量计算构件孔隙率。例如，发动机短舱的CFRP构件检测中，超声C扫描生成的“孔隙率热图”显示，边缘区域衰减系数是中心的1.5倍，对应孔隙率1.2%（超过设计阈值0.8%），需重新固化。

声速法也是补充——孔隙率越高，声速越低。某型飞机垂尾蒙皮检测中，边缘声速比中心低15%，进一步验证边缘孔隙率超标，系固化时边缘散热过快导致。

超声检测在复合材料纤维与基体损伤识别中的应用

纤维断裂与基体开裂是在役疲劳损伤的核心：纤维断裂会导致构件强度骤降，基体开裂会引发界面分离。纤维直径仅5-10μm，需用高频探头（10MHz以上）检测——15MHz脉冲反射探头可捕捉断裂纤维的“尖峰状”反射波，通过波的数量判断断裂密度。

例如，机翼梁的CFRP构件检测中，用15MHz探头扫描，发现某区域反射波出现多个尖峰，分析表明该区域有10根碳纤维断裂，系反复载荷导致。相控阵超声（PAUT）的聚焦功能可将声波定向投射到第5层碳纤维，精准检测该层内的细微断裂，避免其他层信号干扰。

基体开裂检测依赖信号波动：开裂会导致声波散射，反射波幅值从稳定值突然下降。某型飞机尾翼蒙皮检测中，PAUT扇形扫描发现5mm长的基体开裂，避免了开裂扩展导致的蒙皮脱落。

超声检测在复合材料蜂窝结构完整性评估中的应用

蜂窝结构由面板与多孔芯体粘结而成，常见损伤是面板-芯脱粘与芯体压塌。因芯体多孔，需用低频探头（2-5MHz）增强穿透力——2MHz脉冲反射探头检测机身地板蜂窝结构时，脱粘区域会产生强烈中间反射波（正常区域仅底面弱反射），通过时间差可判断脱粘在面板下2mm处。

芯体压塌检测用衰减法：压塌区域因结构破坏，声波衰减比正常区域高30%。某型飞机机翼前缘蜂窝结构检测中，超声衰减扫描发现150mm长的压塌区域，系地面工具撞击导致，及时更换避免了飞行中前缘开裂。

相控阵超声（PAUT）适用于复杂蜂窝构件——机身地板异形蜂窝结构检测中，PAUT电子扫描替代机械扫描，检测时间从4小时缩短至1小时，覆盖率从85%提升至99%。

超声检测在复合材料复杂形状构件中的应用技巧

航空航天复合材料构件多为曲面（如发动机叶片）、异形（如机身框），检测挑战在于探头耦合与声波折射。解决耦合问题需用定制曲面探头——发动机叶片检测中，用与叶片曲率匹配的曲面PAUT探头，耦合剂用量减少60%，检测效率提升30%。

解决声波折射问题依赖PAUT的电子聚焦——机身框异形构件检测中，PAUT通过电子控制阵元激发时间，将声波聚焦到框内壁承力区域，避免声波折射到非检测区域。

实时校准也很重要：检测前用同材质、同形状的标准试样（含已知损伤）校准参数，确保信号准确。例如，机翼前缘流线型蜂窝构件检测前，用含脱粘缺陷的标准试样校准PAUT参数，脱粘区域反射波幅值提高25%，减少了漏检。