复合材料纤维分布的超声表征技术

在高性能复合材料的制备与应用中，增强纤维在基体内的分布状态——包括其均匀性、体积分数和取向——是决定材料最终力学性能的基石。理想的复合材料内部，纤维应呈现出层状且均匀隔开的结构。然而，在实际工艺中，纤维分布不均的现象时有发生（如图1所示），这种微观结构的瑕疵会直接削弱材料的强度和模量。因此，采用无损检测技术对纤维分布进行精确表征，便成为确保材料性能一致性的关键环节。

图1 纤维分布不均匀的复合材料显微结构

超声波技术因其对材料内部结构变化的敏感性，成为表征纤维分布的有力工具。

1. 纤维体积分数的超声波检测

纤维体积分数是影响复合材料强度和弹性模量的核心参数。声波在材料中传播的速度与材料的弹性模量和密度直接相关，而这些宏观属性又取决于微观的纤维含量。研究表明，声速测量与纤维体积分数之间存在着明确的对应关系。

通过声速测量和显微照片分析的对比验证，可以发现纵波速度与纤维体积分数的变化趋势如图2所示。一个值得关注的量化关系是：纤维体积分数每发生2%的变化，大约能引起1%的声速改变。这意味着，声速的微小变化，成为了我们窥探复合材料内部纤维密度的窗口。

图2 不同纤维体积分数下横过纤维的纵波速度理论值与测量值对比

2. 纤维取向的超声波斜入射检测

除了含量，纤维的排列方向（即取向）同样至关重要。利用聚焦探头进行声反射测量，可以有效地揭示纤维的取向信息。其基本原理如图3所示。

图3 采用聚焦探头通过声反射测量纤维取向的示意图

以SCS6纤维增强的玻璃基陶瓷复合材料为例，其铺层设计为[0/90]_4s。在检测过程中，使超声波以10°至20°的入射角α射入，同时将试样旋转360°，记录其反向散射信号的幅度。

得到的极坐标反散射扫查结果（图4）清晰地揭示了0°和90°方向的纤维分布。从图中可以观察到，靠近入射表面的铺层所产生的反散射信号幅度，要高于深处铺层的信号。这一现象表明，该方法对于鉴别材料总体的铺层顺序非常有效。同时，实验也发现，对于此类材料，检测结果对入射角α在10°~20°范围内的变化并不敏感，这为实际操作提供了便利。

图4 对[0/90]_4s铺层的CAS-Nicalon陶瓷基复合材料进行极坐标反散射扫查的结果

3. 纤维体积分数与取向的超声瑞利波检测

传统的沉浸式超声检测需要使用耦合剂，这在某些应用场景下会带来不便。为了克服这一限制，可以采用接触式的线源法来激发和接收瑞利波（表面波）。

如图5所示的实验配置，通过一个楔形介体将压电换能器产生的声波导入试件。当入射角达到介体的第三临界角时，会在介体表面激发瑞利波。这个楔块的尖端相当于一个置于复合材料表面的“线源”，在试件中激发瑞利波。随后，使用另一个相隔固定距离的接收换能器来接收传播过来的瑞利波，并测量其传播时间。通过将接收换能器后移一个精确的距离Δd并再次测量，便可计算出瑞利波在试件中的传播速度。

由于瑞利波速度同样与材料的弹性特性相关，因此可以用来推算纤维的体积分数。更进一步，通过旋转整个探头装置，测量不同方向上的瑞利波速度，则可以绘制出纤维的取向分布图。这种方法巧妙地将体积分数和取向两种关键信息的检测整合在了一起。

图5 采用接触式线源法测量超声瑞利波速度的实验配置

这些方法的精确实施，从探头选择、角度控制到信号解读，都对设备精度和操作经验提出了很高要求。这恰恰是专业第三方检测机构能够提供核心价值的地方。

精工博研测试技术（河南）有限公司（原郑州三磨所国家磨料磨具质量检验检测中心），央企，国字头检测机构，专业的权威第三方检测机构，专业检测复合材料无损检测，可靠准确。欢迎沟通交流，电话19939716636

4. 晶须丛生（结块）的超声波检测

对于晶须增强复合材料，其微观缺陷形态又有所不同。以一种晶须直径约0.5μm、长度约30μm的材料为例，单个离散的晶须尺寸过小，即使用频率高达100MHz的超声波聚焦系统也无法直接检测。

然而，当晶须在陶瓷基体中分散不均、形成丛生或结块时，这些区域会表现为类似孔洞的缺陷。实验证明，尺寸在100μm至200μm的晶须丛生区域是可以通过超声波检测出来的。为了提高检测效率，可以采用超声波衰减测量法。如图6所示，带有晶须丛生的晶须增强氮化硅（曲线B）相比于致密的整块氮化硅（曲线A），其超声波衰减明显增大，通过衰减的差异即可快速识别出缺陷的存在。

图6 转移曲线对比：(A)整块氮化硅；(B)带有晶须丛生的晶须增强氮化硅