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碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料的性能会受到亚表面缺陷的显著影响，这些缺陷可能源于制造过程或使用过程中。尽管目前已有多种无损检测（NDT）方法可用于检测CFRP材料和结构，但现有技术往往耗时较长，且有时需要进行接触式测量。

该研究提出了一种非接触式和快速检测的方法，利用激光激发声学剪切散斑技术来检测CFRP复合材料中的亚表面缺陷。该方法使用脉冲纳秒激光通过热声效应产生超声波，并使用剪切散斑传感器对全场的波-缺陷相互作用进行成像。研究结果表明，该方法可以有效地以非接触方式对各种亚表面缺陷尺寸进行成像。通过与X射线计算机断层扫描（XCT）结果的比较，验证了所识别的缺陷。

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一、 引言

碳纤维增强聚合物（carbon fiber reinforced polymer；CFRP）复合材料因其高强度和低密度而被广泛应用于航空航天、汽车和建筑等行业。然而，CFRP 的层状结构和各向异性特性使其容易在制造和使用过程中产生分层、纤维断裂和基体裂纹等缺陷，从而影响其机械性能和结构完整性。目前，常用的无损检测方法包括 X 射线、红外热成像、超声和剪切成像等。X 射线计算机断层扫描（X-ray computed tomography；XCT）具有高分辨率，但需要接触式测量，且对测试样品的大小有限制。红外热成像可以进行非接触式检测，但分辨率较低，且灵敏度受复合材料厚度的影响。超声检测需要耦合剂，且难以进行大范围的检测。剪切成像是一种非接触式全场成像技术，但传统的剪切成像方法需要使用超声换能器，限制了其应用。

近日，《Composites Science and Technology》期刊发表了一篇由新加坡材料研究与技术院（IMRE）和先进再制造与科技中心（ARTC）的研究团队完成的有关激光声学剪切无损检测 CFRP 缺陷的研究成果。该研究提出了一种基于激光激发声学剪切的全息非接触式快速缺陷检测方法，用于碳纤维复合材料，并验证了其在缺陷检测方面的有效性和准确性，为复合材料无损检测提供了新的技术手段。论文标题为“Non-contact defect imaging of carbon fiber composites using laser excited acoustic shearography”。

二、 研究内容

该研究针对现有碳纤维复合材料无损检测技术的局限性，开发了一种基于激光激发声剪切全息散斑图像的非接触式、快速、高效的缺陷检测方法。

该研究制造了15个带有中心孔的碳纤维增强聚合物（CFRP）样品，为了产生不同程度的缺陷，对样品进行了开孔压缩测试，加载了不同的压缩载荷，从而在复合材料中产生了分层和纤维断裂等缺陷。

图1（a） 根据ASTM D6484制备的钻孔复合试样，（b）裸眼压缩试验装置，（c）参考样品在极限压缩载荷下的载荷曲线，以及（d）具有85%至97%极限压缩载荷不同载荷点的样品的载荷曲线。

研究使用一种非接触式激光激发声学剪切散斑系统，该系统使用Nd:YAG激光器产生超声波，并通过剪切散斑相机进行全场测量，以捕捉由超声激励引起的表面位移梯度变化。实验装置如图3所示，包括激光器、剪切散斑传感器、相机镜头和光学元件等。

图2 激光激发声学剪切系统示意图。

图 3 激光激发声学剪切系统实验装置。

该研究使用激光激发声学剪切图系统对复合材料样品进行成像，实验结果表明，随着激光脉冲能量的增加，剪切散斑中的相位差也随之增加，从而可以更清晰地观察到缺陷特征。同时，实验还发现，当激光脉冲能量过高时，噪声也会随之增加，从而影响图像质量。

图4 具有（a）85%、（b）90%、（c）95%和（d）97%极限压缩载荷的样品的光学图像。具有（e）85%、（f）90%、（g）95%和（h）97%极限压缩载荷的样品的激光激发剪切散斑。

该研究将剪切散斑与X射线计算机断层扫描 (XCT) 图像进行比较，结果表明，剪切散斑能够捕捉到XCT图像中的主要缺陷特征，并且缺陷长度的测量结果与XCT扫描结果非常接近，证明了该系统在复合材料缺陷检测中的有效性和准确性。

图5（a） 具有（a）85%、（b）90%、（c）95%和（d）97%极限压缩载荷的样品的激光激发剪切散斑。（a） 具有（e）85%、（f）90%、（g）95%和（h）97%极限压缩载荷的样品的XCT图像。

图6（a） XY方向的CT扫描视图、（b）XZ方向的CT扫查视图和（c）97%极限压缩载荷下样品的激光激发声剪切散斑。

三、小结

该研究提出了一种基于激光激发声学剪切的非接触式快速检测方法，用于检测 CFRP 复合材料中的亚表面缺陷。该方法无需接触样品，避免了接触式检测带来的损伤和污染，同时能够获取缺陷的全场信息，有助于缺陷的定位和评估。

此外，该方法的检测速度快，可以满足实际工程应用的需求，且检测精度与 XCT 相当，可以满足工程应用的需求。该研究为 CFRP 复合材料的无损检测提供了一种新的方法，具有重要的理论和应用价值，可以推动 CFRP 复合材料在航空航天、汽车和建筑等领域的应用。

原始文献：

Tham, Z. W., Sampath, S., Chen, Y. F., Mutiargo, B., Zhang, L. (2024). Non-contact defect imaging of carbon fiber composites using laser excited acoustic shearography. Composites Science and Technology, 257, 110796.

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2024.110796

责任编辑：复小可

文章来源：复合材料力学

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