利用非接触式超声导波检测提取格林函数实现复合材料固化度无损识别

《Energy Economics》：Nondestructive identification of cure state in composites using noncontact ultrasonic guided wave testing

　　

摘要：本文提出一种用于估算热固性复合材料固化度(Degree of Cure)的无损(Non-Destructive)、非接触(Noncontact)监测系统。该系统利用脉冲激光激发超声导波(Ultrasonic Guided Wave)，并通过一对超声换能器（双输出方案，Dual-Output Scheme）接收信号后进行解卷积以提取复合材料层合板的格林函数(Green's Function)。监测硬件完全非接触，且允许超声测量在亚毫秒采集窗口内完成，具备在先进制造过程中用于实时控制的潜力。研究采用分段平均归一化互功率谱(Normalized Cross Power Spectrum, NCPS)运算来恢复格林函数的相位与幅值，同时抑制接收端的不相干噪声。随后，以半解析有限元法(Semi-Analytical Finite Element, SAFE)为正演模型、以模拟退火(Simulated Annealing)为优化工具，通过反演算法(Inverse Algorithm)识别碳纤维增强聚合物基复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer, CFRP)的粘弹性常数(Viscoelastic Constants)。由超声反演获得的粘弹性常数与准静态拉伸试验、动态热机械分析(Dynamic Mechanical Analysis, DMA)及差示扫描量热法(Differential Scanning Calorimetry, DSC)的独立测量结果进行了对标验证。在三种不同固化状态下制备的单向层合板上的验证表明，超声频段下基体主导(Matrix-Dominated)的粘弹性常数——特别是横向法向(Transverse Normal)与横向剪切(Transverse Shear)分量——对固化水平表现出强敏感性；而超声结果与DMA值之间的差异反映了两种方法所探测的应变率区间及加载模式的不同。研究结果表明，该技术有望未来用于实时、非接触的固化状态监控，以支持制造过程中的在线控制及固化后质量控制，从而减少变异性、缩短周期时间并降低废品率。

论文解读：利用非接触式激光/空气耦合超声导波与SAFE反演识别热固性复合材料固化状态

研究背景与意义

热固性复合材料(thermosetting composites)的最终力学性能高度依赖于固化(cure)过程中交联聚合物网络的形成，固化度(degree of cure, α)直接决定构件质量与结构可靠性。欠固化(under-cured)组件承载能力降低、易分层且吸湿性强；厚壁或复杂构件因温度梯度和反应放热导致固化不均。当前工业生产依赖模具热电偶和预设"烘箱曲线(oven recipe)"，缺乏直接的固化度定量证据，且预浸料(prepreg)严格的储存期(shelf-life)限制常导致不必要的报废。传统的差示扫描量热法(DSC)和动态热机械分析(DMA)虽精确但耗时、破坏性且无法在线实施。因此，研究人员亟需开发一种快速、定量、非接触的手段来判定复合材料在制过程中的固化状态。本研究由Chengyang Huang、Saeed Khaleghi、Bradley Yuhasz、Mehran Tehrani及Francesco Lanza di Scalea开展，提出并验证了一套完全非接触的脉冲激光激发—空气耦合双输出接收超声导波系统，结合分段平均归一化互功率谱(NCPS)处理及SAFE正反演框架，实现基于基体主导粘弹性常数反演的固化度识别。研究成果表明该方法能有效区分不同固化状态，并与传统离线测试结果趋势一致，为自动化纤维铺放(Automated Fiber Placement, AFP)原位监控及焊后质检提供了新途径。（注：该论文实际发表于Experimental Mechanics，此处按用户要求标注。）

主要关键技术方法

研究人员选用AS4/977-3单向碳纤维/环氧预浸料制备三种固化状态（B-stage、部分固化30min@177℃、完全固化6h@177℃）的[0]₈层合板。关键技术包括：(1) 非接触双输出测量：脉冲Nd:YAG激光（1064nm，线聚焦沿横向即cross-fiber方向）激发宽带超声导波，两个宽带微加工电容式空气耦合换能器(Air-Coupled Transducer)固定间距L=20mm接收A₀与S₀模式信号；(2) 结构格林函数(Green's Function, G₁₂(f))重构：采用分段平均归一化互功率谱(Segmental-Averaged Normalized Cross Power Spectrum, NCPS)进行双信号解卷积，抑制不相干噪声及2π相位跳变误差；(3) 频散曲线提取：由G₁₂(f)相位谱求实波数k_re(f)得相速度c_p(f)，由幅值谱比求虚波数k_im(f)（衰减系数α(f)）；(4) 粘弹性参数反演：建立横向各向同性单向单层板粘弹性模型（含E₁₁, E₂₂, G₁₂, ν₁₂, ν₂₃及损耗因子η₁₁, η₂₂, η₂₃, η₁₂），以SAFE计算频散曲线作为正演，分两步（先固定损耗优化弹性模量匹配相速度，再联合衰减优化全参数）采用模拟退火(Simulated Annealing)全局优化最小化实测与预测频散曲线加权残差；(5) 独立验证：通过DSC测残余反应热算相对固化度α_rel，DMA（0.1–10Hz）及准静态拉伸测E₂₂和η₂₂与超声反演结果比对。

研究结果

4.1 频散曲线测量(Dispersion Curve Measurements)

研究人员对比了传统2D-FFT空间扫描法与所提双输出解卷积法提取A₀和S₀模态相速度频散曲线的效果。结果显示解卷积法仅需两点单次采集即可获得与2D-FFT基准吻合良好的频散曲线，且通过约束相位展开(phase unwrapping)中的2π模糊性（基于已知完好层合板相速度置信区间）可有效修正相位偏移。对于完全固化(full cured)层合板，分段平均NCPS在幅值谱（衰减提取）上对直接解卷积有平滑降噪作用；随接收器间距L减小（最优取L=20mm），相速度与衰减谱保真度提高，过大L引起信噪比下降致谱线缺口及2π错误。对于欠固化（B-staged及partially cured）试件，因基体软化导致高频成分快速衰减、相谱出现缺口，但仍可在有效带宽内（A₀模~100–250kHz，S₀模~100–200kHz）提取可靠频散特征，且衰减增大现象明显。

4.2 粘弹性属性反演(Viscoelastic Property Inversion)

4.2.1 SAFE预测频散曲线对粘弹性常数的敏感性(Sensitivity of SAFE-predicted dispersion curves to viscoelastic constants)：局部灵敏度分析表明，相速度对横向法向模量E₂₂最敏感（尤其S₀模），A₀模对横向剪切模量G₂₃（=E₂₂/2(1+ν₂₃)）有弱敏感；衰减对横向损耗因子η₂₂（A₀与S₀）及η₂₃（主要为A₀）最敏感。纤维方向模量E₁₁及面内剪切G₁₂对两模态频散影响甚微。此敏感性分布支撑了后续反演中重点关注基体主导参数的合理性。

4.2.2 完全固化单向热固性复合材料结果(Results of fully cured unidirectional thermoset)：经30次随机初始化模拟退火反演，完全固化样识别得E₂₂=9.38GPa(±1.7%)，G₂₃=3.11GPa(±5.5%)，η₂₂=1.96%(±16%)，η₂₃=5.27%(±6.9%)，E₁₁=141GPa(±14%)与厂商数据吻合。SAFE预测频散曲线与实验NCPS提取曲线吻合良好，A₀模因高信噪比约束反演权重更大。反演稳定性显示E₂₂与G₂₃方差最小（最好识别），η₂₂、η₂₃较弹性参数波动大但仍可接受，纤维主导参数因A₀模法向-剪切耦合亦有可识别性。

4.2.3 欠固化单向热固性复合材料结果(Results of under-cured unidirectional thermosets)：部分固化(Partially cured, 30min)与B-staged试件反演得E₂₂分别降至8.14GPa与5.45GPa，G₂₃相应降至2.88GPa与2.12GPa；损耗因子η₂₂升至4.28%与13.6%，η₂₃升至9.52%与15.2%。随固化度降低，相速度下降、衰减增大。B-staged因极软未完全固结树脂使均匀正交各向异性及弱阻尼假设受限，SAFE拟合偏差略大但趋势仍单调。归一化对比显示横向粘弹性常数（特别是η₂₂）对固化水平变化幅度最大，是更稳健的固化指示因子。

4.3 超声与力学测量结果对比(Comparison between ultrasonic and mechanical measurements)

4.3.1 DSC：树脂归一化残余反应热算得相对固化度α_rel为B-staged 0%、部分固化24%、完全固化80%，证实三试样固化程度递变。

4.3.2 DMA与准静态拉伸测试(DMA and quasi-static tensile testing)：DMA(0.1–10Hz)测得E₂₂随固化加深增大，η₂₂减小；超声反演E₂₂（100–300kHz）数值高于DMA及准静态拉伸(~0Hz)，符合粘弹性材料模量随应变率升高而增大的特性；超声η₂₂低于DMA值因超声频段超出分子主松弛区使材料表现更"弹性"。B-staged的DMA存储模量极低(~数MPa)而损耗极大(~150%)，超声反演给出有效高频等效刚度(5.45GPa)及适中损耗(13.6%)，反映不同频域探测差异。三者方法一致捕捉到"模量升、阻尼降伴随固化进展"的趋势。

讨论与结论总结

研究人员指出，所提完全非接触双输出系统利用NCPS重构格林函数并结合SAFE反演，可在亚毫秒窗口获取相速度与衰减频散，显著快于需空间扫描的2D-FFT法，适于AFP等高速制造环境。波传播沿横向(cross-fiber)最大化了对基体主导粘弹性常数(E₂₂, G₂₃, η₂₂, η₂₃)的敏感性，这些参数随固化度呈单调变化——弹性模量增加、损耗因子减小，其中损耗因子对固化状态敏感性更强且依赖不易出错的幅值信息，是更优固化指标。超声与DMA/DSC/拉伸结果趋势一致但存在应变率差异，比较应关注固化相关性而非绝对值等同；B-staged因未完全固结使均质正交各向异性假设近似性降低。当前模拟退火反演属离线步骤，未来可用机器学习代理模型加速实现近实时推断。

结论(Conclusions)：本研究提出了一种完全非接触超声导波方案监测热固性复合材料层合板固化相关的粘弹性属性。通过脉冲激光激发、空气耦合双输出接收及分段平均NCPS处理，可在亚毫秒内无接触重构层合板相速度与衰减频散特性。基于SAFE的反演框架可可靠识别粘弹性常数。不同固化程度层合板实验证明基体主导（22及23方向）粘弹性常数对固化度具强且物理一致的关联性，超声反演参数变化趋势与准静态拉伸、DMA及DSC独立测量一致，损耗系数为特别敏感的固化进程指示器。该非接触、基于反演的固化状态监测方法有望通过减少固化相关变异、返工及废料，支持在线过程控制与固化后质保，提升复合材料制造一致性与效率。