碳纤维增强树脂基（carbon fiber reinforced plastic, CFRP）复合材料具有高比强度和高比刚度，在耐腐蚀、耐疲劳、耐高低温等方面表现优异，所以提升复合材料用量是减轻民机结构质量的主要发展方向之一。
孔隙是复合材料中主要的缺陷类型之一，孔隙缺陷会改变材料的组分体积分数、弹性常数和细观结构，削弱纤维与树脂基体的粘接力，在孔隙周边造成应力集中、诱发微裂纹甚至扩展成分层，严重削弱复合材料的力学性能。
孔隙的尺寸量级、弥散性分布及微观形貌与分层、富脂、夹杂、气孔等常规的宏观缺陷有着十分明显的区别，如图1所示，例如：尺寸量级通常在10~100 μm，远远小于常规的宏观缺陷；在材料内部呈现弥散性分布特征；当孔隙率小于1.5%时，多呈椭球状，当孔隙率大于1.5%时，多呈扁平状；当大量孔隙聚集时，甚至形成分层。所以，复合材料孔隙率超声检测不仅需要对检出的疑似缺陷进行缺陷性质的判定，还需要孔隙缺陷簇群的尺寸定量和孔隙率的评估定量。
图1 分层、离散气孔、孔隙的微观形貌
（a）层间分层；（b）层间孔隙；（c）离散气孔；（d）层中孔隙
复合材料中孔隙的特点决定了其检测方法应有别于常规宏观缺陷，即常规宏观缺陷要求所采用的超声检测方法能够对其缺陷尺寸和深度等信息给予定量的检测，而孔隙缺陷通常不需要对单一孔隙的尺寸或位置进行定量检测，或者从孔隙对力学性能影响的角度来看，对孔隙缺陷整体含量的评估意义远大于对单个孔隙的过度化检测。
孔隙率是复合材料中孔隙体积占整个复合材料体积的百分数，是评价复合材料结构性能的重要指标之一。超声检测是评估复合材料中孔隙含量最主要的检测技术，其主要思路是基于孔隙对超声信号的影响，获取超声特征参数，建立特征参数与孔隙率的关系公式，进而实现孔隙率的数值化表征。受孔隙率影响的超声特征参数包括：超声衰减、声阻抗、声速、信号频谱、非线性系数等，孔隙率的检测方法与表征形式多种多样，其中基于超声衰减建立量化评估检测的超声检测方法是灵敏度高、易实现、成本低，工程化应用最广泛的碳纤维复合材料孔隙率评估方法，图2是基于超声反射法和超声穿透法所建立的孔隙率衰减曲线。
图2 超声反射法和超声穿透法的孔隙率衰减曲线
本工作从定性检测和定量评估两个角度研究孔隙缺陷的超声检测方法，同时采用超声反射法和超声穿透法对孔隙率覆盖0.0%~3.0%的碳纤维增强树脂基复合材料对比试块进行超声A-Scan检测（如图3、图4所示）与超声C-Scan成像检测（如图5所示），从孔隙缺陷的检测分辨力、量化评估及可视化表征等多个方面，对比两种方法对碳纤维增强树脂基复合材料结构内部孔隙缺陷的定性检测与定量评估能力，结果表明：超声反射法对孔隙缺陷具备更高的检测灵敏度，对孔隙率级差的数值评估具备更细致的划分能力，孔隙细节方面的信息隐含在A-Scan的特征波形，为孔隙缺陷的识别提供更多的判据；超声穿透法具备更高的声波穿透能力，适用于高孔隙率或大厚度或高衰减材料的复合材料的孔隙检测与评估。
图3 超声反射法典型A-Scan检测结果
图4 超声穿透法典型A-Scan检测结果
图5 孔隙率对比试块的C-Scan检测结果
孔隙率/%：(1) 0-0.5；(2) 0.5-1.0；(3) 1.0-1.5；(4) 1.5-2.0；(5) 2.0-2.5；(6) 2.5-3.0
(a)基于超声反射法；(b)基于超声穿透法
