超声无损检测在金属复合材料层间结合强度评估中的方法

金属复合材料（如铝基、钛基纤维增强复合材料）因轻量化、高比强等特性，广泛应用于航空航天、高端装备领域。层间结合强度作为其核心力学性能，直接影响构件服役安全——结合不良易引发层间剥离、疲劳失效。传统检测多依赖破坏性试验（如拉伸、90°剥离），无法实现在役构件的批量评估。超声无损检测凭借非破坏、实时、可量化的优势，成为层间结合强度评估的关键技术。本文聚焦超声检测的具体方法，解析其原理、操作要点与应用场景。

超声检测评估层间结合强度的基础原理

超声波是频率高于20kHz的机械波，其在金属复合材料中的传播遵循波动理论：当超声波遇到层间界面（如纤维与金属基体的结合面、不同层的界面）时，会发生反射、透射与散射，信号特征（幅值、相位、频率）与界面的结合状态直接相关。

层间结合强度的本质是界面的内聚力与附着力——结合良好时，界面无明显孔隙或分离，超声波可顺利透射至下层；结合不良时，界面存在微孔隙、剥离或弱粘接，超声波会在界面产生强烈反射。因此，超声信号的反射系数（R=反射波幅值/入射波幅值）、透射系数（T=透射波幅值/入射波幅值）是评估结合强度的核心参数：R越小、T越大，结合强度越高；反之则结合强度越低。

此外，超声波的波型选择也需匹配材料特性：纵波（质点振动方向与波传播方向一致）适用于检测层间的垂直结合状态，横波（质点振动方向与波传播方向垂直）适用于检测剪切型结合缺陷，表面波则多用于构件表面层的结合评估。

脉冲回波法：最常用的单探头评估技术

脉冲回波法是超声检测中最经典的方法，原理是通过单个探头交替发射脉冲超声并接收界面反射波，利用反射波的幅值与时间特征判断层间结合强度。该方法仅需构件单侧access，适用于大部分在役构件的检测。

操作要点首先是探头选择：频率越高，分辨率越高，但衰减也越大——对于厚度≤3mm的薄型金属复合材料（如航空蒙皮），通常选用5-10MHz的高频直探头；对于厚度≥10mm的厚构件（如高压容器筒体），则选用1-5MHz的低频探头。耦合剂需选择声阻抗与材料匹配的介质（如甘油、硅油），以减少探头与构件表面的界面反射，确保超声能量有效传入。

信号分析的关键是提取反射波幅值：以铝基碳纤维复合材料为例，当层间结合良好（剪切强度≥30MPa）时，层间反射波幅值通常≤入射波幅值的10%；若结合强度降至15MPa以下，反射波幅值会升至入射波的50%以上。此外，反射波的时间差可辅助判断缺陷位置（如Δt=2d/c，d为缺陷深度，c为材料中的声速），但对结合强度的量化评估主要依赖幅值。

需注意的是，脉冲回波法易受表面粗糙度影响——若构件表面有氧化皮或划痕，会产生表面反射波，干扰层间信号。因此检测前需对表面进行打磨（粗糙度Ra≤1.6μm），或通过信号处理（如滤波、门控）剔除表面波干扰。

透射法：双侧检测的能量衰减评估

透射法采用发射探头与接收探头分置构件两侧，发射探头发出连续或脉冲超声，接收探头测量透射波的能量，通过能量衰减程度评估层间结合强度。该方法的优势是信号直接反映超声的透射效率，受表面状态的影响较小。

应用场景主要是薄型平板构件（厚度≤5mm），如汽车车身的铝基复合材料板，或需要双侧access的对称结构（如夹层结构的芯层与面板结合评估）。操作时需确保两个探头同轴对齐（同轴度误差≤0.5mm），否则超声能量会因传播路径偏移而衰减，导致结果偏差。

量化评估的公式为透射率T=接收波幅值/发射波幅值×100%：结合强度越高，透射率越高（如结合良好时T≥80%）；结合强度降低时，层间的微缺陷会散射或反射超声能量，透射率降至50%以下。例如，某钛基玻璃纤维复合材料，当层间存在2%孔隙率时，透射率从75%降至40%，对应结合强度从45MPa降至20MPa。

透射法的局限是无法检测单侧access的构件，且对探头的位置精度要求高，因此多用于实验室或生产线的批量检测（如复合材料板的在线质量控制）。

超声C扫描成像：可视化的缺陷定位与评估

超声C扫描成像是基于脉冲回波法的二维扫描技术，通过机械臂或扫描平台带动探头沿构件表面移动，逐点采集层间反射波信号，最终生成以灰度或颜色编码的二维图像——图像的亮度（或颜色深度）对应反射波幅值，亮区（或红色区域）代表结合不良（反射波强），暗区（或蓝色区域）代表结合良好（反射波弱）。

系统组成包括扫描平台（精度≤0.1mm）、超声探头（通常为线阵或相控阵探头）、数据采集卡与成像软件。扫描步长是影响成像分辨率的关键：步长越小（如0.1mm），分辨率越高，但检测时间越长；实际应用中通常选择探头直径的1/2-1/3作为步长（如5mm直径探头选2mm步长），平衡分辨率与效率。

应用案例包括航空机翼的复合材料蒙皮检测：某型号机翼蒙皮采用钛基碳纤维复合材料，厚度8mm，通过C扫描成像发现翼尖区域存在30mm×20mm的亮区，对应层间结合强度降至20MPa以下，后续解剖验证该区域存在微孔隙（孔隙率5%）。

需注意的是，C扫描成像的量化评估需结合校准曲线——通过破坏性试验（如拉伸试验）获得不同结合强度对应的反射波幅值，建立幅值与强度的对应关系，才能将图像中的灰度值转换为具体的强度数值。

超声背散射法：微缺陷的早期评估

超声背散射法针对层间的微孔隙、微裂纹等早期损伤，原理是超声波遇到这些微缺陷时会发生散射，接收探头捕捉背向散射的信号（与入射方向相反的散射波），通过散射信号的能量评估结合强度——微缺陷越多，散射能量越强，结合强度越低。

该方法的优势是对早期弱结合（如结合强度降至设计值的80%但未出现宏观剥离）敏感，适用于金属复合材料的寿命预测。例如，碳纤维增强铝基复合材料在疲劳载荷下，层间会逐渐产生微孔隙，背散射信号能量会从初始的1mV升至5mV，对应结合强度从35MPa降至25MPa，此时宏观检测（如拉伸试验）尚无法发现损伤。

操作时需选用窄脉冲探头（脉冲宽度≤0.5μs），以提高对微缺陷的分辨率。此外，背散射信号易受材料本征散射（如纤维的散射）干扰，因此需通过信号处理（如频谱分析）分离缺陷散射与本征散射：缺陷散射的频谱通常宽于本征散射，且中心频率向低频偏移。

非线性超声法：接触非线性的敏感检测

非线性超声法利用超声波在弱结合界面的非线性效应——当超声通过结合不良的界面时，界面的接触非线性（如微滑移、分离）会导致声波畸变，产生二次谐波（频率为入射波的2倍）或高次谐波。二次谐波的幅值与界面的非线性程度正相关，因此可通过二次谐波幅值评估结合强度。

该方法对金属基复合材料（如钛基、镍基）的层间结合强度评估尤为有效，因为这些材料的线性超声信号（如反射幅值）变化不明显，而非线性信号更敏感。例如，钛基碳化硅纤维复合材料，结合强度从40MPa降至20MPa时，线性反射波幅值仅增加30%，但二次谐波幅值增加了200%。

操作要点包括：选用高功率超声源（功率≥10W）以激发非线性效应，选用高分辨率接收器（带宽≥20MHz）以捕捉二次谐波；此外，需控制入射超声的幅值——幅值过大会导致材料本身产生非线性（如塑性变形），干扰界面非线性信号，通常入射幅值控制在材料弹性极限的10%以下。

非线性超声法的量化评估通常采用非线性系数β（β=2A2/(A1²f1/c)，A1为基波幅值，A2为二次谐波幅值，f1为基波频率，c为声速）。研究表明，钛基复合材料的非线性系数β与结合强度σ呈负指数关系：σ=σ0exp(-kβ)，其中σ0为结合良好时的强度，k为材料常数（如钛基SiC纤维复合材料的k=0.5）。