摘要：
碳纤维复合材料具有密度小、弹性高和韧性好等特点，被广泛应用于航空航天和汽车工业等领域。由于碳纤维复合材料制作工艺的复杂性和不稳定性以及服役期间易受环境的影响，易产生分层、孔隙、纤维褶皱等各种类型的损伤。介绍了基于体波或导波的C扫描、相控阵、空气耦合、激光超声、光纤超声检测技术的原理、特点以及用于碳纤维复合材料损伤检测的研究现状。综述了最具有代表性的损伤诊断成像算法，包括全聚焦成像、三维可视化成像、层析成像、逆时偏移成像和概率成像方法，这些成像方法能够有效地实现碳纤维复合材料各种类型的损伤形貌图像。从建立复杂构件的碳纤维复合材料层合板的阵列声场模型、优化损伤成像算法、构建智能/高效/实时化的结构健康监测成像系统、建立损伤定量评估标准、结合机器学习和数字孪生技术实施损伤诊断评估和寿命预测等方面进行了展望。碳纤维复合材料具有高强度，高模量，良好的抗疲劳性能和抗腐蚀性能等,被广泛应用于航空、航天、汽车工业等领域。在航空领域，碳纤维复合材料有利于飞机结构的轻质化性能的提高，是民用飞机的主要组成材料之一。在航天领域，碳纤维复合材料的隔热、耐高温等特殊功能在飞行器、卫星、宇航器、固体火箭发动机和导弹壳体结构中，发挥着重要的作用。在汽车工业领域，随着低成本的制作工艺的发展，使得具有减震效果和大规模整体成型等优点的先进碳纤维复合材料，在汽车工业领域呈现出蓬勃发展的势头。然而，由于碳纤维复合材料在制作工艺过程中的不稳定性与服役时易受载荷和复杂环境的影响，不可避免地产生分层、孔隙、纤维断裂、纤维屈曲等损伤，如图1所示。这些损伤将严重地影响碳纤维复合材料层合板的力学性能。
图1碳纤维复合材料常见损伤
Fig. 1 Common damage in carbon fiber composite materials
超声无损检测技术因其检测设备便携、无污染危害以及检测效率高等优点，是目前检测复合材料损伤最为实用、有效的技术手段之一。
图2损伤检测与成像的主要环节
Fig. 2 Main links of damage detection and imaging
然而，因碳纤维复合材料的各向异性和层状结构的影响，增加了超声检测技术检测复合材料层状结构中损伤的难度。如图2所示，利用超声检测技术围绕四个环节实现碳纤维复合材料中损伤的检测与成像：（1）建立碳纤维复合材料的声场模型，研究损伤处的声散射机理、声传播特性和声能量衰减规律；（2）设计先进换能器的参数和传感网络的布设方式；（3）采用高效率高分辨率的超声成像算法；（4）构建碳纤维复合材料层合板中损伤的评估标准与智能化损伤识别体系。
本文将全面系统地介绍不同的超声检测技术的原理、特点和这些技术用于检测碳纤维复合材料损伤的发展现状。为能够更加精确和直观地呈现出损伤的形态，基于这些检测技术发展了超声成像算法，本文列举了其中最具有代表的成像算法，包括全聚焦成像、三维可视化成像、层析成像、逆时偏移成像、概率成像等成像算法。本文总结了这些成像算法应用于碳纤维复合材料损伤诊断的国内外研究现状，并对比分析了这些成像算法的特点以及适用范围。从建立不同材料结构的声场模型、优化损伤成像算法、构建智能/高效/实时化的检测和成像系统、建立损伤定量评估标准、结合机器学习和数字孪生技术实施损伤诊断评估和寿命预测等方面进行了展望。
