由于在鋪層等過程中的人為因素以及工藝質量的不穩定性使得復合材料制件的質量具有一定的隨機性，不可避免地會有缺陷產生。因此，對其中缺陷的有效檢測，是保證復合材料制件質量的必要手段。

　　樹脂基復合材料由于具有高比強、高比模、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、阻尼減震性好、破損安全性好、性能可設計等優點，已發展成為航空航天結構的基本材料。但同時也應該認識到，樹脂基復合材料由纖維、基體、界面組成，其微觀構造是一個不均勻和多向異性的的多相體系。在復合材料的復合固化成型過程中，預浸料常常會由于吸濕帶有水分或者其本身含有小分子雜質、溶劑等揮發性物質，這些極易導致復合材料中形成孔隙、分層等缺陷。同時，由于在鋪層等過程中的人為因素以及工藝質量的不穩定性使得復合材料制件的質量具有一定的隨機性，不可避免的會有缺陷產生。因此，對其中缺陷的有效檢測，是保證復合材料制件質量的必要手段。

　　目前，通常使用超聲法、射線法、聲發射法等無損檢測的方法對復合材料缺陷進行檢測。檢測過程中，為了設備運行正常和檢測結果的準確度，常需要一系列的標準樣品。本文針對樹脂基復合材料成型過程中常見的分層、孔隙、夾雜3種缺陷標樣的制備進行了研究。

試驗

1　試驗原材料與儀器設備

　　原材料：預浸料；聚四氟乙烯膜。
　　設備：BX51M金相顯微鏡；Panametric 5058PR超聲波發射接收儀、超聲C掃描控制系統；FJG-YB型熱壓罐。

2　試驗方法

　?。?）等厚層板。

　　? 夾雜缺陷。

　　設計尺寸為320mm×360mm、厚分別為2mm、4mm、8mm的準各項同性層板。采用直徑依次為12mm、9mm、6mm、4mm、3mm、2mm，厚度為0.127mm和0.025mm的聚四氟乙烯薄片（PTFE）模擬夾雜缺陷，較薄的聚四氟乙烯片用兩層疊放于一起。鋪層過程中將“缺陷”預埋在圖1所示位置。

　　? 邊緣分層缺陷。

　　設計尺寸為118mm×270mm、厚為4mm的準各項同性層板。采用鋼片模擬邊緣分層缺陷。鋪層過程中將端部剪成梯形的鋼片用脫模布包裹并涂抹脫模劑預埋在零件邊緣位置。固化成型之后，將鋼片拔出，使用樹脂將產生的孔洞邊緣密封。形成邊緣分層的缺陷。

　　? 孔隙缺陷。

　　采用未壓實法和粉末法兩種方法模擬孔隙缺陷。未壓實法：設計尺寸為200mm×300mm、厚為4mm的準各項同性層板。在整個鋪層過程中均不使用真空袋進行預壓實，鋪層完成后直接熱壓罐固化，希望未經預壓實而形成自然孔隙。

　　粉末法：設計4塊尺寸為100mm×150mm、厚為4mm的準各項同性層板，在鋪層過程中分別潑灑聚四氟乙烯粉末（PTFE粉末）、三氧化二鋁粉末、銅粉、玻璃微球4種粉末，將每種粉末平均分成5份，在鋪層過程中每隔3層預浸料使用1份粉末。本試驗模擬孔隙率為2%的孔隙缺陷，4種粉末的用量ω（質量）按式（1）進行確定：ω=100×150×4×2%/ρ, （1）式中，ρ為該粉末的密度，單位為g.mm-3。

　?。?）非等厚層板。

　　非等厚層板按圖2進行鋪放，16層預浸料寬均裁為200mm，長按圖2（a）的要求裁剪，且從下至上預浸料方向為準各項同性。圖2（a）中黑色粗線段為模擬缺陷在厚度方向中的位置，圖2（b）則是不同大小模擬缺陷的分布。仍然采用直徑分別為3mm、6mm、9mm，厚0.127mm 的聚四氟乙烯薄片。

　?。?）加筋壁板。

　　本試驗模擬了T型加筋壁板中的夾雜缺陷，將未固化的T型筋條與經過預固化的蒙皮通過共膠接的方式連接在一起。仍然采用厚0.127mm的聚四氟乙烯薄片模擬缺陷，缺陷位于T型梁兩側與蒙皮的粘接面，均勻排布于T型筋條兩側的蒙皮表面內。

　　標準樣品的檢測和尺寸標定

1　超聲檢測

　　采用水浸反射板底波衰減法進行檢測，使用Panametric 5058PR作為超聲波探頭激勵及接收裝置，設備參數為10MHz 探頭、激勵電壓400V、匹配電阻100Ω、增益11dB、掃查步距0.5mm。檢測結果如圖3、4所示。

2　金相顯微試驗

　　在金相顯微鏡下放大50倍觀察，缺陷直徑方向截面的金相顯微照片如圖5、6所示。

3　標準樣品的尺寸標定

　　（1）超聲水浸反射板底波衰減法。

　　對試樣進行C掃描成像，遇到缺陷時，幅值是一個漸變過程，將C掃描圖像進行彩虹樣式映射時，非常直觀地體現出幅值的變化過程，如圖8為單個φ12缺陷C掃描圖譜。

　　要計算缺陷大小，得選取閾值，對圖像進行二值化處理，擬選取閾值：閾值=缺陷均值+（無缺陷處均值-缺陷均值）×相對衰減量。

　?。?）如圖8所示，其中紅線示意缺陷中心均值、藍線示意無缺陷處均值、而黃線即是我們選取的閾值

　　根據選取的閾值，對圖像數據進行二值化處理，經由黑白映射，圖3轉變為圖9。

　　預埋缺陷為圓狀缺陷，則計算圖10中白色圓形區域大小，根據公式（3）計算檢測到缺陷直徑D。D=2缺陷面積/π。

　　（3）金相顯微法。

　　在金相顯微鏡下放大50倍觀察，使用金相分析軟件測得各個試樣直徑方向上的大尺寸如表2所示。

結果與討論

　?。?）在復合材料成型過程中容易混入雜質從而形成夾雜缺陷。本研究采用預埋PTFE薄膜的方法制備夾雜缺陷的標準試樣。PTFE可以在200℃以上的溫度下使用，而本研究中預浸料的固化溫度為170℃，因此，固化過程中溫度對標樣影響很小。而且，從試樣的超聲C掃描圖譜和金相顯微照片中可以看出，缺陷的模擬結果和預先的設想基本一致。采用超聲法與金相顯微法得到的的缺陷尺寸與預埋尺寸相吻合。同時，也應該認識到，超聲法計算缺陷尺寸得到的結果與選取的閾值有很大的關系。表1顯示了不同相對衰減量條件下計算的結果；而使用金相顯微法測量缺陷尺寸時，由于磨樣過程和金相觀察過程不是同時進行，因此在金相照片中所得到的尺寸有可能并不是其直徑方向上的大尺寸。

　?。?）在復合材料成型過程中，由于基體、纖維、模具熱膨脹系數不匹配或儲存時間過長等原因會導致分層缺陷。本研究在預浸料鋪層過程中，在制件邊緣夾入鋼片，固化成型后拔出鋼片，并用樹脂密封，模擬分層缺陷。

　　（3）孔隙是復合材料成型過程中形成的空洞，是復合材料的主要缺陷之一。本研究采用未壓實和添加微粒兩種方法模擬孔隙缺陷。未壓實法產生的孔隙與實際復合材料成型過程所產生的孔隙缺陷更為接近，但孔隙隨機產生不可控；添加微粒的方法可以控制其達到一定的孔隙率，但其實質是在復合材料中混入了顆粒狀的雜質與實際孔隙有一定的區別。

　?。?）整體成型是復合材料的優點和特點之一。在共膠接等整體成型工藝中，膠接面內的缺陷會嚴重影響其膠接強度。本研究在T型筋條的共膠接過程中，在筋條和膠膜之間、膠膜和蒙皮之間預埋了PTFE，模擬膠接面的夾雜缺陷。