航空航天是當(dāng)今世界最具挑戰(zhàn)性和廣泛帶動性的高技術(shù)領(lǐng)域，空天飛行器等高端裝備的快速發(fā)展也對材料的力學(xué)性能和功能特性提出了更高的技術(shù)要求[1]。泡沫夾層是一種由兩片輕質(zhì)高強(qiáng)的面板和夾在中間的硬質(zhì)泡沫芯組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，具有密度低、比強(qiáng)度高、疲勞性能好、隔熱性能突出等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域[2]。然而，受生產(chǎn)工藝、環(huán)境控制等因素影響，泡沫夾層結(jié)構(gòu)內(nèi)部容易產(chǎn)生缺陷，其中復(fù)合材料面板和泡沫芯的脫黏是最普遍且最為嚴(yán)重的缺陷之一，黏接缺陷會導(dǎo)致泡沫夾層結(jié)構(gòu)承載能力下降，帶來安全隱患，因此對泡沫夾層結(jié)構(gòu)的黏接缺陷進(jìn)行無損檢測和評價(jià)是十分重要的[3]。 

航空航天領(lǐng)域中應(yīng)用的部分泡沫夾層材料由蒙皮、泡沫和基體黏接組成。針對該結(jié)構(gòu)黏接質(zhì)量的無損檢測主要存在以下3個(gè)難點(diǎn)：①存在蒙皮-泡沫和泡沫-基體兩個(gè)黏接界面，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜；②聲衰減較大、導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性差，聲、熱、電信號均難以傳播；③部分構(gòu)件由于結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，只能從蒙皮一側(cè)對其實(shí)施檢測。因此，其與一般復(fù)合材料的無損檢測具有明顯區(qū)別，五大常規(guī)無損檢測方法以及紅外檢測等均難以有效地同時(shí)檢測兩個(gè)黏接面的黏接質(zhì)量。 

激光錯(cuò)位散斑是一種用于表面變形測量的光學(xué)檢測技術(shù)，當(dāng)用外界載荷使得泡沫夾層結(jié)構(gòu)脫黏缺陷的外表面發(fā)生離面位移時(shí)，其可以有效檢測出脫黏缺陷[4-6]。并且激光錯(cuò)位散斑可以只從蒙皮一側(cè)對構(gòu)件進(jìn)行檢測，不受泡沫夾層結(jié)構(gòu)基體材料、形狀的影響，檢測效果好、效率高[7]。 

1.   檢測原理

泡沫夾層結(jié)構(gòu)的激光錯(cuò)位散斑檢測原理示意如圖1所示。將泡沫夾層構(gòu)件放置在真空箱中，激光束照射在蒙皮表面，錯(cuò)位散斑檢測攝像頭采集蒙皮表面的散斑圖像。在抽取真空的過程中，真空箱內(nèi)部的壓力低于大氣壓，若蒙皮與泡沫或泡沫與基體之間存在脫黏缺陷，脫黏缺陷處的氣體和泡沫夾層結(jié)構(gòu)的外表面間形成真空壓力差，使得脫黏缺陷對應(yīng)的外表面處產(chǎn)生微小變形，導(dǎo)致脫黏缺陷處對應(yīng)的離面位移不同于正常區(qū)域的離面位移，其在散斑圖像上會表現(xiàn)為鼓包或蝴蝶狀的干涉條紋圖案。 

圖  1  泡沫夾層結(jié)構(gòu)激光錯(cuò)位散斑檢測原理示意

通常情況下，缺陷處表面的離面位移越大，在最大靈敏度情況下能出現(xiàn)的條紋級次越高，只有當(dāng)條紋級次大于或等于1時(shí)，缺陷在理論上才可被檢測到[8-9]。當(dāng)真空壓力差較小時(shí)，無法使蒙皮表面產(chǎn)生足夠的離面位移，也就無法觀測到脫黏缺陷引起的干涉條紋或相位圖；隨著真空壓力差的增加，脫黏缺陷依次顯現(xiàn)；但是當(dāng)真空壓力差超過一定值時(shí)，散斑圖像中噪聲干擾增大，難以識別缺陷。因此，分析真空壓力差對黏接缺陷激光錯(cuò)位散斑檢測的影響是十分重要的。 

2.   缺陷試塊制備

為探究真空壓力差對泡沫夾層結(jié)構(gòu)黏接缺陷激光錯(cuò)位散斑檢測的影響，文章制備了兩種不同缺陷類型的試塊，此處將兩種試塊分別命名為A型試塊、B型試塊。脫黏缺陷試塊結(jié)構(gòu)及缺陷尺寸和分布示意如圖2所示。 

圖  2  脫黏缺陷試塊結(jié)構(gòu)及缺陷尺寸和分布示意

A型試塊由石英纖維蒙皮與PMI泡沫組成，蒙皮厚度約為1 mm，泡沫厚度H為20 mm。在泡沫上加工5個(gè)方形槽，用于模擬蒙皮與泡沫間的脫黏缺陷，方槽尺寸分別為10 mm×10 mm，20 mm×20 mm，30 mm×30 mm，40 mm×40 mm，50 mm×50 mm，槽深度均約為1 mm。 

B型試塊由石英纖維蒙皮、PMI泡沫、基體組成，共制備兩塊泡沫厚度不同的試塊，分別為5 mm和20 mm，蒙皮厚度均約為1 mm，基體均采用4 mm厚度的鋁合金，在鋁合金板上加工5個(gè)方形槽，用于模擬泡沫與基體間的脫黏缺陷，方槽尺寸和分布與A型試塊的相同。 

3.   散斑檢測試驗(yàn)設(shè)備及條件

試驗(yàn)采用美國LTI 公司生產(chǎn)的LTI5100型便攜式激光錯(cuò)位散斑檢測設(shè)備，激光器為NdYag 綠光，波長為532 nm，功率為150 mW；散斑探頭像素為1 350像素×1 024像素，幀頻為30幀/s，錯(cuò)位角度為0°~5°。試驗(yàn)時(shí)采用真空加載，將含有不同種類脫黏缺陷的試塊放置在真空箱中，采集不同真空壓力差下的散斑檢測圖像。 

4.   檢測結(jié)果

4.1   蒙皮與泡沫脫黏缺陷檢測

采用不同真空壓力差對A型試塊進(jìn)行激光錯(cuò)位散斑檢測，結(jié)果如圖3所示。 

圖  3  不同真空壓力差下，A型試塊的激光錯(cuò)位散斑檢測結(jié)果

由圖3可知，當(dāng)真空壓力差為2 kPa時(shí)，脫黏缺陷基本不可見；隨著真空壓力差的增大，脫黏缺陷越來越明顯；當(dāng)真空壓力差達(dá)到6 kPa時(shí)，脫黏缺陷最為明顯，可以清晰觀測到10 mm×10 mm的脫黏缺陷；當(dāng)真空壓力差達(dá)到8 kPa 時(shí)，圖像中出現(xiàn)了較大的噪聲。因此對泡沫夾層構(gòu)件采用基于真空加載的激光錯(cuò)位散斑檢測時(shí)，需要合理控制真空壓力差，該試塊最合適的真空壓力差為6 kPa。 

4.2   泡沫與基體脫黏缺陷檢測

采用不同真空壓力差對泡沫厚度H分別為5 mm和20 mm的兩個(gè)B型試塊進(jìn)行激光錯(cuò)位散斑檢測，檢測結(jié)果分別如圖4，5所示。 

圖  4  不同真空壓力差下，B型試塊（H=5 mm）的激光錯(cuò)位散斑檢測結(jié)果

圖  5  不同真空壓力差下，B型試塊（H=20 mm）的激光錯(cuò)位散斑檢測結(jié)果

由圖4可知，當(dāng)真空壓力差為1 kPa時(shí)可觀測到尺寸為20 mm×20 mm的脫黏缺陷，無法觀測到10 mm×10 mm的脫黏缺陷；當(dāng)真空壓力差增加到2，3 kPa 時(shí)，10 mm×10 mm的脫黏缺陷越來越明顯；而當(dāng)真空壓力差增加到4，5 kPa時(shí)，可以清晰識別出10 mm×10 mm的脫黏缺陷，且缺陷對應(yīng)的散斑圖像面積未發(fā)生明顯變化；當(dāng)真空壓力差達(dá)到6 kPa 時(shí)，圖像中出現(xiàn)了較大的噪聲。從散斑檢測結(jié)果可知，對于泡沫厚度為5 mm的B型試塊，最合適的真空壓力差為5 kPa。 

由圖5可知，當(dāng)真空壓力差為3 kPa時(shí)，可以看到尺寸為40 mm×40 mm，50 mm×50 mm的兩個(gè)缺陷的蝴蝶斑，但是散斑對應(yīng)的面積較?。浑S著真空壓力差的增大，缺陷尺寸越來越大，散斑條紋也越來越清晰；當(dāng)真空壓力差達(dá)到7 kPa 時(shí)，30 mm×30 mm的缺陷開始顯現(xiàn)；真空壓力差進(jìn)一步增大到10 kPa 時(shí)，散斑圖像中的噪聲陡增，嚴(yán)重干擾缺陷的識別，期間10 mm×10 mm和20 mm×20 mm的缺陷始終無法清晰識別。 

綜合泡沫厚度為5 mm和20 mm的兩個(gè)B型試塊的激光錯(cuò)位散斑檢測結(jié)果可知，泡沫的厚度對于泡沫與基體之間黏接缺陷的檢測靈敏度影響較大。對于泡沫厚度不同的試塊，其最適合的真空壓力差也不一樣。由于蒙皮為石英纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，其壓縮模量是PMI泡沫的數(shù)十倍，在真空壓力下，泡沫的變形量要遠(yuǎn)大于蒙皮的變形量。因此，檢測泡沫與基體黏接處的脫黏缺陷時(shí)，在相同的真空壓力差下，泡沫厚度越大，其脫黏處的蒙皮變形量越小，就需要更大的真空壓力差才能使得蒙皮表面產(chǎn)生足夠的離面位移。但是當(dāng)真空壓力差超過一定值時(shí)，會引起泡沫夾層構(gòu)件的整體變形，散斑圖像中噪聲干擾過大，影響缺陷的識別。 

5.   結(jié)論

（1）由于泡沫夾層結(jié)構(gòu)具有孔隙率高、導(dǎo)熱系數(shù)低等特點(diǎn)，常規(guī)的檢測技術(shù)難以有效地同時(shí)檢測兩個(gè)黏接面的黏接質(zhì)量，而激光錯(cuò)位散斑檢測技術(shù)可以有效檢測出蒙皮與泡沫、泡沫與基體的黏接質(zhì)量。 

（2）在對泡沫夾層結(jié)構(gòu)材料采用真空加載的方式進(jìn)行激光錯(cuò)位散斑檢測時(shí)，真空壓力差對檢測圖像的影響較大，需要根據(jù)構(gòu)件的泡沫厚度、缺陷尺寸、缺陷位置等選擇合適的真空壓力差。 

（3）對PMI泡沫與厚度約為1 mm的石英纖維蒙皮的黏接質(zhì)量進(jìn)行激光錯(cuò)位散斑檢測，真空壓力差為6 kPa時(shí)脫黏缺陷顯示最為明顯，可以清晰觀測到尺寸為10 mm×10 mm的脫黏缺陷。 

（4）對PMI泡沫與基體的黏接質(zhì)量進(jìn)行激光錯(cuò)位散斑檢測，當(dāng)泡沫厚度為5 mm時(shí)，最小可以檢測出尺寸為10 mm×10 mm的脫黏缺陷；當(dāng)泡沫厚度為20 mm時(shí)，脫黏缺陷檢測所需要的真空壓力差也大幅增大，且檢測靈敏度有所下降，最小只能檢測出尺寸為30 mm×30 mm的脫黏缺陷。

文章來源——材料與測試網(wǎng)