喷水耦合超声检测碳纤维复合材料缠绕气瓶内部缺陷分析

前言：近年来，航空航天、新能源汽车等工业化领域发展对碳纤维复合材料的使用量呈阶梯式增长，对碳纤维复合材料制造厂家而言“钱”途一片大好，但是国内碳纤维生产工艺不同导致质量也参差不齐。目前，高性能碳纤维仍然依赖进口，以日本东丽为首的国外长期垄断的先进核心技术，在全球占据主导地位。为了增强我国综合实力，打破技术枷锁，国家出台相应政策，无论是技术上还是经济上都给予了很大的帮助。

碳纤维复合材料内部质量检测——超声波C扫描技术——喷水耦合式超声

IV型纤维缠绕气瓶：碳纤维复合材料气瓶属于压力容器一类，压力容器是特种设备管理范围的重点对象，各部门对其安全性有相对等级标准。复合材料气瓶与金属材料气瓶相比，具备轻量化和高性能，改变了氢气、天然气等一次性能储存和运输原则。因此，复合材料气瓶的质量是研究人员重点关注的对象。

复合材料气瓶纤维缠绕方式有湿法缠绕、干法缠绕、半干法缠绕。其中，湿法缠绕是制备复合材料气瓶中最常用的工艺，它的成本低生产效率高，唯一不足的是树脂消耗大，质量不易控制。主要涉及到树脂的质量及用量配比问题，这些因素的复杂性导致了成品的质量，这时可以利用喷水超声设备进行内部质量评估。

复合材料气瓶缠绕方式复杂本身具备各向异性，在加工生产时浸渍效率和缠绕速度，会让树脂中产生产生气孔，如果外部施加压力很容易造成纤维内部孔隙、分层缺陷，影响压力容器和力学的使用性能。无损检测水浸超声设备中喷水式超声检测是某些大型金属构件和复合材料质量检测的对口方法，甚至是唯一可行的方法。针对于碳纤维气瓶缠绕质量问题，喷水式超声具备以下优势：

1.不需要庞大的水槽

2.可以检测某些不适合长时间浸泡在水里的工件（如胶粘工艺）

3.适用于车间流水线上下料

4.针对复杂工件的使用

采声科技利用喷水耦合式超声C扫检测技术对大型碳纤维复合材料缠绕气瓶进行自动快速扫描，这种方式和水浸超声有些区别，是将探头安装在特殊设计的水套内，具有一定压力的耦合水在水套的腔体内汇集，然后经过喷嘴形成流水柱喷向工件表面实现声耦合过程。

复合材料由于衰减较大，常采用低频探头，由于气瓶直径较大，影响检测分辨率，需要用长喷嘴长度才能形成层流，因此采声作为国内少数的无损检测设备定制化厂家，可以根据客户实际需求来进行设计，而国内关于喷水超声技术的实际检测案例少之又少，北京采声科技在超声扫描显微镜——喷水超声系列中研发积累了很多经验，并采取很多次验证性检测。

喷水超声最常用的方法是脉冲反射法：一个喷头，一个探头，即发射超声波又接收超声波，根据反射回来的波，经过软件数据整理生成超声C扫描图像判断缺陷的大小、位置等信息。

大于1m长度的碳纤维气瓶——喷水超声检测结果（分层缺陷）

（左侧：碳纤维气瓶缠绕超声C扫描图像 右侧：三维结构超声图像）

北京采声科技是一家专业从事无损检测设备研发的科技型企业，致力于研发超声扫描显微镜设备：其中包括航空盘环件超声C扫描设备、汽车曲轴连杆超声扫描设备、碳纤维复合材料超声设备、复合材料空耦超声设备、工业DOT气瓶超声检测设备等。本文所描述为气瓶喷水超声检测设备，针对瓶体结构可以生成超声3D图像，便于相关检测人员快速找到缺陷位置，非技术人员也可操作。