復(fù)合材料是指由母材（又稱基材）與復(fù)合層通過物理、機(jī)械或化學(xué)方法復(fù)合而成的材料。常見的復(fù)合材料是在碳鋼或低合金鋼母材上，復(fù)合非金屬或金屬等復(fù)合層（例如硝化纖維、不銹鋼、鈦、銅等），以防止異常燃燒引發(fā)爆炸或提高復(fù)合材料的耐腐蝕等性能。黏接劑黏接的復(fù)合材料，一般是薄壁金屬與薄壁非金屬[1-4]。

復(fù)合材料中的缺陷主要是母材與復(fù)合層界面上的未完全復(fù)合，包括氣泡、夾渣或脫黏等，可能呈完全脫開或不完全脫開狀態(tài)[5-7]。

某薄壁圓筒的內(nèi)筒（為非金屬材料硝化棉，壁厚為3 mm）與外筒（為金屬材料鋼，壁厚為1 mm）為搭接結(jié)構(gòu)，由黏接劑黏結(jié)而成，其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖 1 薄壁圓筒結(jié)構(gòu)示意

設(shè)計圖紙要求外筒相對于內(nèi)筒的軸向拔斷力（以下簡稱黏接強(qiáng)度）為：一組平均結(jié)果不小于6 000 N，一組單發(fā)最小值不小于4 000 N。

1. 檢測黏接質(zhì)量的超聲波多次反射衰減法

該試驗(yàn)使用超聲波多次衰減法檢測外筒與內(nèi)筒搭接的黏接質(zhì)量。

1.1 不同黏結(jié)質(zhì)量的超聲反射波特點(diǎn)

超聲檢測時，超聲波從金屬外筒一側(cè)射入時，有如下特點(diǎn)：①在示波屏上出現(xiàn)的各種反射波是重合的；②形成的反射波包絡(luò)面積的特征：黏接良好時面積較小，黏接不良時面積中等，沒有黏接時面積較大，黏接良好、不良與沒有黏接的超聲反射波形如圖2所示。

圖 2 黏接良好、不良與沒有黏接的超聲反射波形示意

出現(xiàn)該波形差異的原因如下：①外筒是金屬材料，內(nèi)筒是非金屬材料。金屬外筒/黏結(jié)層/內(nèi)筒三者之間的聲阻抗相差很大；②金屬外筒與非金屬內(nèi)筒都很薄，黏結(jié)層也很?。ㄒ话慵s1 mm）；③黏結(jié)層內(nèi)的缺陷，例如氣泡、夾渣或脫黏等，基本平行于外筒與內(nèi)筒的黏結(jié)面；金屬外筒/黏結(jié)面/黏結(jié)層（缺陷）/黏結(jié)面/非金屬內(nèi)筒等處黏結(jié)剖面圖如圖3所示。

圖 3 薄壁圓筒黏結(jié)剖面圖

1.2 不同黏結(jié)質(zhì)量的黏結(jié)面積

（1）黏結(jié)良好時，超聲波透射過外筒/黏結(jié)層/內(nèi)筒，并在內(nèi)筒內(nèi)表面返回；超聲能量在內(nèi)筒內(nèi)部被強(qiáng)烈吸收衰減，反射波次數(shù)很少，則在示波屏上，超聲波包絡(luò)面所包絡(luò)的面積較小，即黏結(jié)面積較小[見圖2（a）]。

（2）黏接不良時，有極少部分超聲能量進(jìn)入黏結(jié)面，透射至在內(nèi)筒內(nèi)表面返回，超聲能量損耗較少，反射波次數(shù)較多，在示波屏上，超聲波包絡(luò)面所包絡(luò)的面積中等，即黏結(jié)面積中等[見圖2（b）]。

（3）沒有黏接時，即脫黏時，超聲波在外筒內(nèi)表面幾乎100%全反射，超聲波傳播僅限于外筒內(nèi)；超聲能量損耗特別少，反射波次數(shù)特別多，則在示波屏上，超聲波包絡(luò)面所包絡(luò)的面積較大[見圖2（c）]。

綜上所述，根據(jù)示波屏上超聲波包絡(luò)面所包絡(luò)的面積大小，可以辨別該薄壁圓筒外筒與內(nèi)筒搭接的黏結(jié)質(zhì)量（黏結(jié)良好、黏結(jié)不良、沒有黏接/脫黏等）。

2. 仿真模型

2.1 仿真模型設(shè)計

該試驗(yàn)設(shè)計了幾個不同類型的仿真模型，具體如下：①仿真模型試件均為尚未黏接的薄壁圓筒本體（參見圖1）；②根據(jù)不同的黏接面積{全部黏結(jié)良好、部分黏結(jié)良好（>25%）、脫黏等}及狀態(tài){對稱分布或偏心分布等}，試驗(yàn)設(shè)定6個型號仿真模型、每個型號制作兩個試件，即Ⅰ①、②~Ⅵ①、②；③將薄壁圓筒的圓周分成八等份，八等分示意如圖4所示，各等分部位分別編號為1#~8#；④設(shè)計對圓筒進(jìn)行，均勻測試40次，即將內(nèi)筒與外筒整個圓周（360°）均勻分成40份，每一份9°。

圖 4 薄壁圓筒八等分示意

2.2 黏接質(zhì)量超聲檢測

（1）Ⅰ號仿真模型（①、②）（全部脫殼）：不涂黏結(jié)劑，將外筒與內(nèi)筒組合，并對此組合的薄壁圓筒，進(jìn)行40次均勻超聲檢測/信號采集/數(shù)據(jù)處理，得到40個反射回波包絡(luò)線所包絡(luò)的面積值。

（2）Ⅱ號仿真模型（①、②）全部黏結(jié)良好，全部施涂黏結(jié)劑，將外筒與內(nèi)筒組合，按Ⅰ號仿真模型相同程序處理。

（3）Ⅲ號/Ⅳ號仿真模型（黏結(jié)面積為50%）：Ⅲ號（①、②）對稱分布：1#，2#，5#，6#黏結(jié)；3#，4#，7#，8#不黏結(jié)。Ⅳ號（①、②）偏心分布：1#，2#，3#，4#黏結(jié)；5#，6#，7#，8#不黏結(jié)。將上述兩個仿真模型的外筒與內(nèi)筒組合，按Ⅰ號仿真模型相同程序處理。

（4）Ⅴ號/Ⅵ號仿真模型（黏結(jié)面積為75%）Ⅴ號（①、②）偏心分布：1#~6#黏結(jié)；7#、8#不黏結(jié)。Ⅵ號（①、②）對稱分布：1#~3#黏結(jié)，4#不黏結(jié)；5#~7#黏結(jié)，8#不黏結(jié)。將上述兩個仿真模型的外筒與內(nèi)筒組合，按 Ⅰ號仿真模型相同程序處理。

2.3 黏結(jié)質(zhì)量與拔斷力試驗(yàn)

（1）使用超聲波多次反射衰減法對各個仿真模型均勻檢測40次。

（2）計算各次檢測的超聲波包絡(luò)面的面積值。

（3）計算全部黏結(jié)與全部未黏結(jié)的包絡(luò)面面積平均值。

（4）計算各個仿真模型的整體包絡(luò)面面積值。

（5）進(jìn)行拔斷力試驗(yàn)，并記錄拔斷力測試結(jié)果。

（6）建立超聲波包絡(luò)面面積與拔斷力測試值的對應(yīng)關(guān)系。

（7）根據(jù)設(shè)計圖紙要求，建立仿真模型黏接強(qiáng)度評價程序。

2.4 黏結(jié)質(zhì)量與拔斷力試驗(yàn)數(shù)據(jù)

黏結(jié)質(zhì)量與拔斷力試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。