复合体系、引入这种体系的制品、原位非破坏性测试它们的方法和用于所述方法的阵列探针的制作方法

专利名称：复合体系、引入这种体系的制品、原位非破坏性测试它们的方法和用于所述方法的阵列探针的制作方法
技术领域：
本文公开的主题总体上涉及复合体系、引入这种复合体系的制品和原位非破坏性
测试该复合体系的方法。
背景技术：
在许多(如果不是全部)制造工业中，制造的物品和制造它们的方法经常受与部
件和其运输相关的成本影响。例如，在许多工业中，可能希望尽可能大规模地生产部件，例
如用于钻探应用的管线、或风机叶片，但是这么做将存在或许无法克服的运输挑战或成本。
另一方面，以较小规模制造用于这类应用的部件则提出了不得不在现场组装它们的挑战，
并有与其相随的困难，包括至少最终产品装配中形成的任何结合失效的可能性。 从强度、完整性和持久性观点出发，结合的许多物理方法对于形成这类结合可能
是优选的，但对于部件本身则会存在不想要的成本以及其运输成本。而且，物理结合方法不
是绝对可靠。 在物理结合方法证实是不最理想的那些应用中，化学结合方法能够证实是有利 的。但是，化学结合通常不太可靠，并因此在使用引入这种结合的制品前可能需要彻底的非 破坏性评价。在其中在现场出现装配和化学结合的应用中，结合的强度和/或完整性的非 破坏性评价能够非常困难。此外，这么做的常规方法通常耗时或昂贵，经常要求在非破坏性 试验(NDT)中利用高度熟练的专家。在一些应用中，正被结合的材料会干扰常规NDT方法。 另外，由于许多常规NDT方法不适合原位测试，所以任何检测异常的实时校正都不可能，因 此在过程进行、制造和接头装配期间使用NDT不可行。 因此会希望提供能利用现场场合中有用的手段有效质询的化学-结合体系 (chemical-bonding system)，从而可原位评价它们的完整性。进行原位评价(例如在树脂 施加或固化期间)的能力提供了使用期间实施实时校正策略或评估结合完整性的机会。如 果不需要专家实施，这种体系将提供相比于常规体系的附加优点，和/或它们适用于通常 NDT方法不适合的各种材料。

发明内容
在第一个方面中，本发明提供复合体系(composite system)，其包括可固化树脂， 还包括至少一种大量可检测颗粒。 在另一个方面中，本发明提供引入复合体系的制品，其中复合体系包括可固化树 脂，还包括至少一种大量可检测颗粒。在一些实施方案中，制品可包括包含大量纤维的第一 部件，在其它实施方案中，制品还可包括第二部件。在任何一种实施方案中，所述复合体系 合意地有效地相对于至少第一部件布置。 在第三个方面中，本发明提供进行复合体系非破坏性测试的方法。更具体地，方法 包括提供包括可固化树脂并还包括至少一种大量可检测颗粒的复合体系，以及制品。还提供能检测所述复合体系内所述大量可检测颗粒的至少一个传感器。所述复合体系相对于所 述制品和用于检测所述复合体系内可检测颗粒的传感器而有效地布置。
在第四个方面中，提供用于测量复合体系的涡流传感器阵列(eddy current sensor array)。更特别地，阵列包括至少两组驱动线(driveline)禾卩传感线圈(sense coil)。


当参考附图阅读下面的详细描述时将更好地理解本发明的这些和其它特征、方面
和优点，其中在全部图中，相同的附图标记代表相同的部件，其中 图1为根据本发明一种实施方案的引入了复合体系的制品的横截面图； 图2为根据本发明一种实施方案的引入了复合体系的制品的横截面图； 图3A为反向平行驱动(anti-parallel drive)的示意图； 图3B描绘了对于图3A中所示反向平行驱动而言不同深度处典型电流密度的图；
图3C为平行驱动(parallel drive)的示意图； 图3D描绘对于图3D中所示平行驱动而言不同深度处典型电流密度的图；
图4A为根据一种实施方案的包括二个偏置层(offset layer)的涡流阵列探针的 示意性顶视图； 图4B为图4A中所示双层涡流阵列探针的仅仅一个层的示意顶视图； 图5显示图4所示阵列中来自各个传感元件的响应以及来自三个传感线圈的联合
响应； 图6为根据另一种实施方案的涡流阵列探针的示意图； 图7A为涡流阵列探针的一种实施方案的示意图，其中返回路径正交于驱动线圈， 从而磁通平行于由所述驱动产生的那个； 图7B为其中返回路径位于驱动线圈平面内的涡流阵列探针的一种实施方案的示 意图； 图8为本发明制品的另一种实施方案的示意图； 图9为描绘使用常规圆形探针、具有所述常规探针作为传感探针的平行驱动和具 有所述常规探针作为传感探针的反向平行驱动测量从类似于图8中所示的制品得到的涡 流信号所得结果的图； 图10为本发明制品的另一种实施方案的示意图； 图11A为复合体系包括以重量计比例为9 : 1的可固化树脂和可检测组分时图10 所示制品的涡流扫描图像； 图11B为复合体系包括以重量计比例为9 : 2的可固化树脂和可检测组分时图10 所示制品的涡流扫描图像； 图12A显示了本发明制品的另一种实施方案，该制品仅仅包括第一部件，并还包 括导电材料； 图12B显示了本发明制品的另一种实施方案，该制品仅仅包括第一部件，并还包 括导电材料，在所述第一部件和所述复合体系之间布置有气隙；禾口
图13A为图12A所示制品的涡流扫描图像；禾口
图13B为图12B所示制品的涡流扫描图像。
具体实施例方式
除非另外定义，本文使用的技术和科学术语具有与本发明所属领域的技术人员通 常理解相同的含义。本文使用的术语"第一"、"第二"等不代表任何顺序、数量或重要性，而 是用于区分一个元素与另一个。另外，术语"某(a，an)"不代表数量限制，而是表示存在至 少一个所提到的项目；除非另外说明，术语"前"、"后"、"底"和/或"顶"仅仅用于描述方便， 不局限于任何一个位置或空间取向。如果公开了范围，则涉及相同组分或性质的所有范围 的端点都包括在内，并可独立地组合(例如，"不超过约25wt^，或更具体地，约5wt^至约 20wt^"的范围包括端点和"约5wt^至约25wt^"范围的所有中间值等)。与数量关联使 用的修饰语"约"包括所提到的值，并具有上下文指示的含义(例如，包括与具体数量测量 相关的误差度)。 在一个方面中，本发明涉及复合体系，其包括可固化树脂，还包括至少一种大量可 检测颗粒。可固化树脂的例子包括可被引入到其它物体或制品中或者可以和其它物品或 制品合并的那些，包括例如粘合剂、密封剂、堵缝剂(caulk)、填隙材料、涂料、共形包装物 (conforming wrap)等。 合适的可固化树脂因此包括热塑性聚合物组合物，包括聚苯乙烯、聚对苯二甲酸 乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚丙烯、聚乙酸乙烯酯、聚酰胺、聚氯乙烯、聚丙烯 腈、聚酯、聚氯乙烯、聚萘二酸乙二醇酯、聚醚酮、聚砜、聚碳酸酯和它们的共聚物。其它有用 的热塑性塑料包括工程热塑性塑料和热塑性弹性体。如果合意地使用热塑性聚合物组合物 作为可固化树脂，可通过加热热塑性树脂至高于其熔点或玻璃转变温度直到达到合适的粘 度、添加所述大量可检测颗粒、混合、然后使复合体系冷却来组合所述热塑性树脂与所述大 量可检测颗粒。 在本发明的复合体系中有利地使用的一类可固化树脂的一个例子包括粘合剂和 预粘合剂(pre-adhesive)组合物。使用这些可固化树脂的复合体系可有利地被分配，其中 的颗粒在分配、聚合或交联期间或后来使用过程中被查询/检测。 特别适用于本发明的粘合剂组合物包括交联的热固性体系，如聚酯、乙烯基酯环 氧化物(包括酸、碱和加成固化环氧化物)、聚氨酯、硅树脂、丙烯酸酯聚合物、聚硅氧烷、聚 有机硅氧烷和酚醛树脂，以及这些中任意的掺混物或混杂物。 有用的热熔粘合剂包括各种聚烯烃聚酯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚氨酯、聚乙酸乙烯 酯、较高分子量蜡和相关的共聚物和混合物。其它合适的粘合剂包括形成为膜或带的那些， 包括在使用时在任意时刻都对压力敏感的那些。 结构粘合剂(包括环氧树脂)可尤其用于本发明的复合体系。在结合应用中在许 多制造情况下使用结构粘合剂以减少焊接需求，减少噪音振动剌耳性或提高制品的整体刚度。 典型地通过使二种或更多种预聚合物试剂彼此反应形成中间或B-阶段树脂、随 后进一步使其固化形成最终产品来制备结构粘合剂。在这些实施方案中，可监测所述颗粒 的可检测性质以提供组分是否以正确比例混合的指示。在这种实施方案中，粘合剂的每种 组分可包括大量可检测颗粒，各自的相应可检测性质被监测以提供类似的指示，并且这种测量用于例如调整正施加的每种组分的数量，如果需要的话。用于本发明复合体系的优选 结构粘合剂包括聚酯、甲基丙烯酸甲酯等。 可固化树脂可包含被设计以在固化前或后增强树脂性能的各种添加剂，包括反应 性和非反应性稀释剂、增塑剂、增韧剂和偶联剂。可加入到组合物中的其它材料包括提供流 动控制的触变剂(例如火成二氧化硅)、颜料、填料(例如滑石、碳酸钙、二氧化硅、镁、硫酸 钙等)、粘土、玻璃和陶瓷颗粒(例如珠、泡和纤维)和增强材料(例如有机和无机纤维和粒 状或球状颗粒)。 可固化树脂还包括至少大量可检测颗粒。理想地，所述颗粒包括有别于树脂体系 的相同材料性质的一种或多种材料性质，也即，所述颗粒的材料性质可不同于所述树脂体 系的材料性质(或者是在潜在状态或者是激发状态)，或所述材料性质可能不会被树脂体 系表现出来，从而颗粒的性质在树脂体系的该性质缺乏的情况下可辨别。期望在树脂体系 和可检测颗粒之间不同的材料性质的例子将随颗粒的组成变化，但可能包括至少磁导率、 介电常数、电导率、热导率、密度或透光率。 优选地，当原位监测时，即当施加树脂体系时、其固化时或使用引入复合体系的制 品期间，使用的颗粒将具有有别于树脂体系性质的性质。 颗粒可包含具有在复合体系内可检测的至少一种性质的任何材料或材料的组合。 理想地，颗粒在相关条件下在所选的可固化树脂内基本化学惰性并且在降解和浸出方面稳 定。合适的颗粒材料将取决于用于复合体系的所选可固化树脂和需要测量的性质。适合通 过介电常数测量来检测的材料例子包括但不限于环氧树脂、玻璃和陶瓷。适合通过电导率 测量来检测的材料例子包括但不限于金属(如铜、铝和银)、金属合金和金属化合物，如碳 化物、氧化物、氮化物、硅化物和季铵盐。适合通过热导率测量来检测的材料例子包括但不 限于金属(如铜、铝、钢和银)、玻璃、碳和陶瓷。适合通过密度测量来检测的材料例子包括 但不限于玻璃、陶瓷、金属、铅氧化物和氧化硅。适合通过核四级共振测量来检测的材料例 子包括但不限于基于铜、钛、氮、氯等的一些化合物。适合通过压电传导率测量来检测的材 料例子包括但不限于压电陶瓷，如钛酸锆铅(PZT)、石英和聚偏二氟乙烯(PVDF)。适合通过 光学方法检测的材料例子包括但不限于金属、碳、氧化钛和陶瓷。颗粒当然可包括具有多于 一种性质与可固化树脂有别的材料，具有可能与大多数可固化树脂区别的至少二种性质的 材料的一个例子为钢，其既导电，又具铁磁性。 磁性材料包括铁磁和亚铁磁(ferrimagnetic)材料由于其通常低的价格和易得 到性而可以有利地用在本发明的一些实施方案中。例如，适合通过磁导率方法检测的颗粒 一般可以包括铁磁或铁氧体材料，以及磁铁矿、磁赤铁矿、锰铁矿、铁镍矿(trevorite)和 镁铁矿的矿物氧化物，磁黄铁矿和greigite的硫化物，和铁、镍、钴、awaruite和wairauite 的金属/合金。在这些中，铁磁或铁氧体材料最容易得到和在经济上有吸引力，因此用在本 发明的许多实施方案中。 颗粒可包括二种或更多种材料的组合，即颗粒可包括涂敷的或以其它方式表面处 理的材料，或可包括复合材料。唯一的标准在于不管选择何种材料和选择何种形式，颗粒都 具有至少一种能够与可固化树脂的性质区别的性质。 在本发明的一些实施方案中，可选择、设计和/或处理颗粒以便得到可固化树脂 增强的机械或化学性质。期望能这样的颗粒的例子包括但不限于具有设计的几何形状、磁
6性和/或机械性质的磁性纳米颗粒。如果需要，可用例如硅烷或其它偶联剂进一步处理颗 粒以增强颗粒对可固化树脂的结合。 如果合意地涂敷，涂层、颗粒或两者可包括可检测的性质。如果存在，涂层可具有 约0. 1纳米(nm)至约500nm之间的平均厚度，或约0. 5nm至约250nm，或约lnm至约100nm， 和其间的所有子范围。另外，涂层可以但不必覆盖一个颗粒或几乎所有颗粒的整个表面，可 以以重叠层形式提供多个涂层，或作为基本离散的孤岛提供在颗粒(一个或多个)表面上。
如果合意地在涂层中提供可检测性质，则颗粒本身可相对惰性，并典型地可以包 括典型地用作可固化树脂中的颜料、增强剂、流变改性剂、密度控制剂或其它添加剂的材 料。包括惰性材料的颗粒的例子包括但不限于玻璃泡、玻璃珠、玻璃纤维、火成二氧化硅颗 粒、熔融二氧化硅颗粒、云母片、单和多组分聚合物颗粒和它们的组合。 术语"颗粒"的使用不意味着指示具体所需的形式或形状，颗粒可为可以被引入到 所选复合体系内的任何合适形式。理想地，选择的颗粒和其形式不会对树脂的材料性质有 不利影响。 一般而言，颗粒可为各种形状中的任何一种，包括基本球形、狭长或平板形状，并 且，在复合体系内具有选择浓度的可检测颗粒的情况下，可以选择形状以赋予相应复合体 系所需的流动性质。 期望合适的颗粒具有约1A (0. lnm)至约5000A (500nm)的平均最大尺寸，或约 10A(lnm)至约1000A(100nm)，或甚至约100A(10nm)至约500A(50nm)以及其间的所有子范 围。在一些实施方案中，颗粒合意地被研磨，并在这些实施方案中期望具有至少约5微米 (5000nm)的平均最大尺寸。还可利用颗粒尺寸的混合，所述颗粒尺寸的混合可以有助于性 质的可检测性或其在树脂体系内表达的一致性，和/或允许可固化或已固化树脂内颗粒的 优化分散。 另外，可以以任意浓度提供可检测颗粒，只要不管使用何种浓度都基本不会干扰 可固化树脂的性能即可。在其中可固化树脂包括可检测官能团的那些实施方案中，不需要 包括可检测颗粒，具有0%可检测颗粒的复合体系被认为在本发明的范围内。
合适的颗粒载量或颗粒密度将取决于使用的颗粒和要被测量的可区分性质。 一般 而言，树脂内的颗粒密度不应使得树脂的性质受到大的负面影响，具体地说，不需要超过如 下密度所述密度是提供在可检测水平下被检测的性质所需的颗粒密度。基于复合体系的 总重量，期望合适的可检测颗粒体积分数为约0. 001wt^至约80wt^，或约0. 01wt^至约 50wt^，或甚至约0. lwt^至约10wt^，和其间的所有子范围。在其中可检测颗粒为磁性的 那些本发明实施方案中，低于1%的颗粒体积分数可足以引起可检测的响应。尽管在可固化
树脂内可利用所述大量可检测颗粒和官能团的组合作为可检测组分，但一些官能团自身可
提供可检测响应，在这种实施方案中，复合体系无需包括任何可检测颗粒。 利用近似于液体树脂材料密度的颗粒密度可能有助于获得适当的浮性，从而不发
生颗粒的分离，或可使用特征颗粒尺寸(包括但不限于纳米级颗粒)的混合物以允许实现
颗粒在树脂中的浮性悬浮优化和复合体系的最佳储存期。还可用密度改性剂处理颗粒以确
保最优分散。例如，可增加蜡涂层到磁性颗粒上以获得与例如环氧树脂相同的总密度，从而
实现磁性颗粒在复合体系中的均匀和非分离悬浮。 本发明的复合体系可有利地被引入到制品内。任何合意地具有可检测性质的制品 都可受益于复合体系的引入。而且，合意地现场装配的制品可能合意地被装配以引入本发明的复合体系并通过本发明的方法来测试，因为二者都提供实时监测和可由非NDT专家测 试的优点。 合意地有利地引入复合体系的制品的例子可以包括包含大量纤维的制品，或引入 有合意地具有可检测组分(相对其有效布置)的一个或多个部件的制品。也就是说，复合 体系可被引入到复合制品内，即，包括布置在已固化复合体系的基质内的纤维的制品。这种 制品显示在图1中。更具体地，图1显示了制品100，基质101包括该复合体系和布置在其 中的纤维102。尽管纤维102被显示类似地取向并且相对均匀地分散，但无需是这样，纤维 102在基质101内的任何排列都被认为在本发明的范围内。 或者，可利用该复合体系来提供制品所述制品包括结合在一起的二个部件、或者 合意地以叠层物形式提供的多个部件。这种制品的一种实施方案显示在图2中，其中制品 200包括第一部件203和第二部件204，在其中间具有有效布置的复合体系201。
不管什么制品，它们的纤维(例如图1中所示的纤维102)或部件(例如图2中所 示的部件203和204)都可有利地包括传导性材料，如碳或碳复合材料。尽管包括这种材料 的制品能够在用常规粘合剂结合时和/或用常规方法测试时难以进行测试，但它们容易被 引入到本发明的制品中，事实上，能用在一些实施方案中增强由可检测颗粒提供的测量信 号。 更具体地，但只是作为一个例子，在其中可检测颗粒包括铁氧体粉末且可固化树 脂包括粘合剂的本发明的那些实施方案中，制品可包括可以增强因铁氧体粉末存在而产生 的涡流信号测量值的一种或多种导电材料。这个结果是令人惊奇和未预料到的，因为导电 材料通常用作屏障，并因此可以典型地降低涡流测量敏感度。本领域那些普通技术人员注 意到，在本发明的这些实施方案中，制品的导电率、要被检查的复合体系的磁导率、涡流传 感器条件如尺寸和工作频率，都可被利用和调整以便增强测量敏感度。 本发明的复合体系有利地被用在非破坏性测试方法中，并且本文也提供这种方 法。这种测试可用于确定相对于制品一旦被引入的复合体系的各种性质，包括厚度、完整 性、取向和连续性。类似地，可得到指示复合体系位置的地图。 仅仅作为一个具体例子，在其中可固化树脂包括形成结合以将制品部件连接到一 起的结构粘合剂的情况下，可检查结合线的性质。可利用可固化树脂和因而复合体系内可 检测颗粒的探询来定量复合体系内可检测颗粒的数量，其进而可被用于确定例如是否组合 了二元粘合剂(twopart adhesive)的每一元的适宜数量。如果包括可检测颗粒的复合体 系在移动，则由可检测颗粒得到的信息还可用于确定复合体系的流量和沉积速率。如果复 合体系被固定，则可检测颗粒的探询可提供关于复合体系在整个制品内、在结合空间内等 等的分布方面的信息。 在本发明的一些实施方案中，可检测颗粒的测量可有利地用作可固化树脂或复合 体系中应力的指示。应力水平进而可用于例如确定粘合剂或其它热固性或可交联可固化树 脂的固化程度、施加到复合体系或其中引入复合体系的制品上的外力水平、粘合剂复合体 系对制品粘合的数量或质量、复合体系的热历史等。 测量的具体性质将取决于复合体系中使用/引入的可检测颗粒。表现出电磁性质 的颗粒能够具有被利用进行所需测量的这种性质。例如，某些金属能够充分散射x-射线， 因而可利用x-射线透射测量来定量材料内这类颗粒的数量，其进而能够用于确定例如是否应用了适宜数量的二元粘合剂。 如果颗粒具有充分高的介电常数，则它们会增加它们被引入其中的可固化树脂的 介电常数，增加量和颗粒载量相关。可通过测量包含所述颗粒的平行板电容器的电容确定 颗粒/官能团的介电常数。 还可使用微波或感应加热方法加热颗粒，然后能够测量相关的红外发射来定量可
固化树脂中可检测颗粒的数量，和因此定量例如二元粘合剂的某元的数量。 如果可检测组分表现出磁性性质，则典型地可以通过测量感应系数或感抗确定导
磁率，并用作树脂体系内或施加到树脂体系上的应力水平的指示。磁导率被定义为样品中
总磁通密度与外部施加磁场的比，因而将是树脂体系内磁性颗粒数量的函数。 具体测量方法将取决于合意被测量的可检测性质。测量可检测性质的方法是已
知的，并通常包括用于测量热导率的温度计或热电偶、用于测量磁导率的磁力计如霍耳效
应传感器、巨磁阻传感器、各向异性磁阻传感器、原子磁力计、超导量子干涉器件(SQUID)
或涡流线圈、用于测量介电常数的电容板或带状线(stripline)、用于测量电导率的欧姆计
和涡流线圈、用于测量密度的密度计、超声或x-射线、用于测量核四极共振频率(nuclear
quadruple resonance)的磁力计(如上面所述)和线圈。在其中可检测颗粒包括铁磁材料
的那些实施方案中，传感器或传感器阵列可以理想地包括例如射频(RF)线圈，具有测量复
合体系材料性质分布的适宜驱动仪表。 不管需要什么测量方法，合适的传感器或传感器阵列因此合意地相对于合意地引 入了复合体系的制品有效布置。在一些实施方案中，传感器或传感器阵列可有利地附着到 制品中，并紧靠着合意地施加复合体系的地方。例如，在其中复合体系用于将制品部件结合 到一起的那些实施方案中，传感器和/或传感器阵列可被安装在和该结合相邻的表面上。
如果需要并取决于正进行的测量，可与传感器/阵列一起使用一个或多个传送器 从而提供增强的检测能力和/或穿透深度。还可以证实利用外部源(例如机械振动或电磁 激发)来有效激发可检测颗粒以改变它们的性质从而进一步反映可固化树脂结构完整性 是有利的。 为了进行本发明的非破坏性测试方法，将选择的可固化树脂和大量可检测颗粒进 行组合以提供复合体系。施加复合体系到所需制品上，典型地以比如将制品的二个部件结 合在一起的方式施加，并且相对于其有效布置传感器和/或传感器阵列。在复合体系被施 加时、固化时、固化后或施加复合体系的制品的使用期间，可以用传感器/传感器阵列进行 测量。测量值被方便地转送到能实时检测复合体系中缺陷如空隙、孔隙、裂纹等的数据处理 和/或图像显示元件中。结果可有利地展示从而使得它们容易被非NDT专家解释。这种解 释又可用于改变复合体系的性质、复合体系的施加、施加复合体系的条件或能影响已固化 复合体系完整性的任何其它参数。 可参考图2进一步理解非破坏性测试方法的一种实施方案。如上所述，图2显示 了制品200，包括第一部件203和第二部件204，第一部件203和第二部件204之间散布有 复合体系201。传感器205被相对于复合体系201有效布置，并可在复合体系201被施加 或固化时或制品200使用期间接受来自其中可检测组分的信号，指示复合体系201内的应 力水平、复合体系201 (在复合体系201包括多元粘合剂的那些实施方案中)内各元的比例 等。在图2中，示出了空隙206，其用传感器205检测。传感器205接受的信号将合意地被转送到能实时检测复合体系204内缺陷例如空隙(如空隙206)、孔隙、裂纹等的数据处理和 /或图像显示元件中。 尽管本发明的复合体系和方法被期望用于各种应用，但期望它们尤其有利地用在 其中合意地进行现场部件装配的领域，从而能够避免运输完全装配的制品。这种能力可以 有利的工业例子包括能源工业，其中合意地运输大段例如管线或其它工厂装置，而不是要 利用的实际长度或完整部件。能源工业中的一个其它例子在风能工业中，其中风机叶片或 风能装置的其它部件可合意地分部分运输。风机叶片凸缘斜接接头(wind bladespar c即 scarf joint)可合意地在现场被装配/完成，并有证实其完整性有利的能力。本发明的方 法会提供这种能力以及在使用期间进行风机叶片前缘、尾缘和抗剪腹板接头(shear web joint)以及风机叶片关键复合区域如根部、凸缘和尖端的检查。本发明的方法还允许在现 场装配期间通过在风机叶片上永久安装传感器或传感器阵列对风机叶片进行结构健康监 在一些实施方案中，本发明合意地提供能在复合体系被施加时、固化期间、固化后 和/或施加了该复合体系的制品使用期间原位监测复合体系的优点。在这种实施方案中， 当可检测材料包括传导性(conductive)或铁磁材料时，典型地可通过传导率或磁导率测 量完成复合体系的原位监测，传导率或磁导率测量可使用涡流传感器进行。
更具体地说，涡流传感器可用于检测来自复合体系中感应的涡流的磁场。在缺陷 存在时，涡流和相应的磁场会被扰乱，这导致传感器响应变化，指示所述缺陷。当大的制品 被结合时，可使用反向平行(也称为迂回)驱动线圈，因为它们能在大面积内产生驱动场和 相应涡流。但是，由于电流在相邻线路中以相反方向流动，因此场/涡流可能不深入穿透到 制品/复合体系内，检测可能被限制到基本在或接近表面处的缺陷。 为了解决这个问题，在本发明的一些实施方案中，用于检测可检测组分的涡流传 感器可以具有平行排列的驱动线(如图3C中所示)，与反向平行驱动线(图3A中所示)相 比，这导致高得多的场和深得多的穿透。图3显示了对于四条线的简单情形，对于相同电流 流过平行线和反向平行驱动线中每一个，反向平行(图3B)和平行驱动(图3D)在不同穿 透深度处的电流密度。可看出，平行线路不仅峰值电流密度较高，而且平行驱动的衰减慢得 多。另外，在较大深度处，对于平行驱动激发，电流密度变得更均匀。 阵列探针的基本构造会是一组平行驱动线和在驱动线之间的传感(或接受)线圈 的阵列。但是，传感线圈对缺陷的响应将依赖于所述缺陷相对于驱动和传感线圈的位置。如 果例如在二个相邻驱动线之间存在传感线圈的l-D阵列，并且如果缺陷碰巧大致居中位于 传感线圈下方，则将具有非常低的响应，这是因为传感线圈中诱导的电压往往互相抵消。这 些区域被称为盲区，因为在这个区域中缺陷可能被错过。即使不是在驱动线之间而是在驱 动线上方放置传感线圈，也存在盲区。 为了确保用合理的信号水平检测任意位置处的缺陷，本发明方法中使用的阵列探 针的一种实施方案可包括与第一层相同但与第一层偏置的第二层的驱动线和传感线圈，以 使来自一个传感线圈的零响应被来自相邻层中的二个传感线圈的高响应补偿。该方法中使 用的阵列探针还可具有多于2个的层，在这种情况下，所述层将被相应偏置。图4显示了阵 列400的一种这样的实施方案。或者，如果空间不是约束并且阵列被扫描，则可代替多个层 而存在彼此偏置的二行或更多行驱动和传感元件。
10
如前所述，来自恒定深度处同一缺陷的响应会基于所述缺陷相对于驱动线和传感 线圈的位置而有很大不同。理想地，这种响应会是平的，即将提供恒定响应，与缺陷位置无 关。在图4A所示的设计中，来自二个层410和412中的传感线圈的响应可被组合以得到相 当平的经过补偿的响应，即所述经过补偿的响应不再依赖于缺陷的位置。为了图示清楚，图 4B只显示了一个层412。 图5显示了来自阵列400的各个传感元件的响应以及三个最靠近传感线圈的经补 偿(组合)的响应。这个经补偿的响应为所述三个传感线圈在每一位置处的绝对值的和 (Sum_Abs)。表显示了对每个传感线圈而言缺陷响应以及经补偿的响应的标准偏差。可看到 经补偿的响应的E显著低于各个线圈的E 。还可以通过将信号组合的替代手段获得补偿。
在本发明方法的一个具体示例性应用中，可利用涡流(EC)阵列系统检测可检测 颗粒，其中所述阵列由单个或多个电流回路形式的驱动以及在相邻驱动线之间的一个或多 个传感线圈的线性一维(l-D)阵列构成。在这种实施方案中，所述驱动将被直接连接到涡 流仪器上，而线圈阵列会被连接到连接它们到涡流仪器的多路转接器电路上。然后会将EC 阵列放在合意地和所述复合体系结合的已连接结构的外表面上。例如，在风机叶片中，这可 为凸缘的斜接接头、抗剪腹板的双搭接接头(double str即joint)或表层的对接接头。阵 列还会被连接到编码器上以在表面被扫描时记录。扫描可手动或机械完成。会制备所需复 合体系，例如包括粘合剂作为可固化树脂和铁氧体颗粒。可有利地选择粒度、表面处理和体 积分数以足以产生可检测信号以及保持粘合剂的化学和物理性质，例如粘度、固化速度、固 化后杨氏模量、最终剪切强度、疲劳强度、贮存期限等或这些的组合。可在复合体系被注入 时、被注入后、固化期间、固化后、再加工后或使用期间进行扫描。处理由线圈阵列和编码器 收集的数据以形成结合空间内复合体系的分布的2-D图像。 或者，涡流阵列可由单个或多个电流回路形式的驱动和在两个相邻驱动线之间的
二维(2-D)传感线圈阵列组成。阵列会用于在复合体系被注入时、被注入后、固化期间、固
化后、再加工后或如上所述使用期间扫描并产生所述复合体系的图像。 在另一种实施方案中，可提供在相邻驱动线之间具有l-D或2-D阵列或传感线圈
的涡流阵列，所述涡流阵列具有检查区域的完全尺寸，从而不需要人工或机械化扫描就产
生图像。驱动线可为多匝以增加涡流密度和信号水平。 图6图示了用在本发明方法中的阵列探针，其具有反向平行驱动构造，其中驱动 线以多匝和多层形式设置，这使相邻二组驱动线之间的交替磁通方向成为可能。这种构造 确实产生比平行情况低的净通量，但仍允许和常规EC探针中所用圆形驱动线圈相比穿透 深度的相当大提高。 如果在电流阵列探针中使用平行驱动，则完成回路的返回路径必须在与驱动线圈 平面垂直的平面内(如图7A和7B所示)，否则整个结构象圆形回路一样起作用(除非使回 路与平行驱动区域的面积相比非常大)。另一方面，反向平行回路(loop)使它们自身能很 好地用于空间紧凑的情况，风机叶片内的接头(例如抗剪腹板接头)可能就是这样。具有 反向平行驱动线的阵列探针还可具有具有驱动和传感偏置的多个层/行以避免任何盲区 和获得平稳的经补偿的响应。 根据一种实施方案的制品显示在图8中。如所示，制品800包括第一部件803和 第二部件804，其间散布有复合体系801。第一部件803、第二部件804或两者都可包括碳复合材料。复合体系801可合意地包括粘合剂作为可固化树脂和铁氧体粉末作为可检测颗粒。传感器805，在这种实施方案中即阵列，相对于复合体系801有效布置，并可在复合体系801施加或固化的同时或制品800使用期间接受来自其中可检测颗粒的信号。传感器阵列805接受的信号会合意地被传送到能经仪器界面807实时检测缺陷的数据处理和/或图像显示元件。 如果需要，上述阵列中的任何可被有效布置在要被结合的制品的部件的内表面(即结合表面)上，使得阵列更靠近复合体系。在这种实施方案中，阵列将合意地被制造在薄衬底上，并包括充分结合到结构内表面以及复合体系的材料，从而不会引入外来缺陷到复合体系内。 另外，上述阵列的任何都可被布置在要被结合的制品的任何层内。例如，要被结合
的制品可为玻璃纤维或碳纤维复合材料。阵列于是可为薄膜聚酰亚胺印刷电路，其在层叠
期间被放在复合材料层之间或放在结构的内表面(即结合表面)上，然后用与所述结构相
同材料的附加层或可增强阵列和粘合剂之间结合的不同材料的附加层覆盖。 当然，在上述例子中的任何中，可使用利用上述涡流探针可测量的替代可检测颗粒。 上述实施方案中的任何还可应用于通过复合纤维检查复合体系的流动，例如，在真空辅助树脂转移成型或树脂转移成型过程中。在这种实施方案中，可固化树脂可合意地包括特定尺寸、形状的可检测颗粒和表面处理剂如硅烷或其它偶联剂。本发明方法的这种实施方案可合意地应用于检查风机叶片玻璃或碳复合材料部件，如叶片根部预制造部分、凸缘、前缘、尾缘、尖部或芯。
实施例1 使用包括粘合剂作为可固化树脂和TSC International的铁氧体粉末TSF-50ALL作为所述大量可检测颗粒的根据一种实施方案的复合体系来结合碳复合材料的样品，其中粘合剂对铁氧体的重量比为9 : 1。这样产生的制品800类似于图8中所显示的，并包括第一部件803和第二部件804，它们之间散布有复合体系801 。第二部件804包括碳复合材料，并以不同的厚度制备。图9显示了使用常规圆形探针、具有常规探针作为传感探针的平行驱动(图9中的设计2)和具有常规探针作为传感探针的反向平行驱动(图9中的设计1)测量制品800的涡流信号得到的实验结果，制品800各自包括具有不同厚度的第二部件804。为了比较目的，使用常规探针作为传感元件进行所有测量。
实施例2 使用包括粘合剂作为可固化树脂和TSC International的铁氧体粉末TSF-50ALL作为所述大量可检测颗粒的根据一种实施方案的复合体系来结合碳复合材料的样品。这样产生的制品1000显示在图10中，并包括第一部件1003、第二部件1004，它们之间散布有复合体系1001。第一和第二部件1003和1004可有利地包括碳复合材料。通过在复合体系1001中在施加期间放置1. 5"塑料盘1008，在复合体系1001内引入人造空隙。
固化后，用GE Inspection Technologies的涡流探针700P24A4扫描样品。在粘合剂对铁氧体粉末混合比不同的2个样品上进行试验，比例以质量计为9比1和9比2的粘合剂对铁氧体粉末。这个实验的结果分别显示在图IIA和图IIB中。如所示，在可检测颗粒的两个浓度下，方便并容易地观察到由塑料盘1008引入造成的空隙。
12
实施例3 根据又一种实施方案，制备包括作为可固化树脂的粘合剂和作为所述大量可检测颗粒的铁氧体粉末的根据一种实施方案的复合体系，并用在包括导电材料例如碳复合材料的制品中。如图12A所示，对于一个样品，第一部件1203为35mm厚，复合体系1201被直接施加到其上。对于图12B中显示的第二个样品，相对于复合体系1201布置厚度为5mm的第一部件1203，其间具有30mm气隙1209。对于两个样品，都将传感器1205放在第一部件1203的与复合体系1201相对的表面上。 图13显示了要被检查的在传感器和铁氧体_粘合剂复合物之间具有5mm和35mm
碳复合材料的常规涡流探针的涡流信号。如所示，由35mm碳复合材料提供的信号大于具有
30mm气隙的5mm碳复合材料提供的信号，说明导电组分可用在本文描述的制品中，而不是
在按照本发明的方法测量时导致降低的敏感度，实际上提供了增强的信号。 尽管本文只说明和描述了本发明的一些特征，但许多改进和变化对于本领域那些
技术人员而言是能想到的。因此，应认识到，附加权利要求旨在覆盖落在本发明真实精神内
的所有这种改进和变化。
0098]元件列表0099]100制品
0100]101包括复合体系的基体
0101]102纤维
0102]200制品
0103]201复合体系
0104]203第一部件
0105]204第二部件
0106]205传感器
0107]206空隙
0108]400阵列
0109]410第一层
0110]412第二层
0111 ]■制品
0112]801复合体系
0113]803第一部件
0114]804第二部件
0115]805传感器
0116]807仪器界面
0117]1000制品
0118]1001复合体系
0119]1003第一部件
0120]1004第二部件
0121]1008塑料盘
0122]1200制品
1201 复合体系 1203 第一部件 1204 第二部件 1209 气隙
权利要求
复合体系，包括可固化树脂，还包括至少一种大量可检测颗粒。
2. 根据权利要求l的复合体系，其中所述可固化树脂包括粘合剂。
3. 根据权利要求1的复合体系，其中所述大量可检测颗粒表现出在潜在状态下可检测 的性质。
4. 根据权利要求3的复合体系，其中所述可检测颗粒包括铁磁材料，如铁氧体粉末。
5. 根据权利要求4的复合体系，其中所述至少一种大量可检测颗粒能够通过应用热 的、电的、传导的、磁的、压电的、电容的、光的、磁共振或核四极共振测量或这些的组合来检
6. 制品(100)，引入了复合体系，所述复合体系包括可固化树脂(101)，还包括至少一 种大量可检测颗粒(102)。
7. 根据权利要求6的制品，其中所述制品包括至少第一部件，所述复合体系相对于所述第一部件有效地布置。
8. 根据权利要求7的制品，其中所述第一部件包括至少一种大量纤维。
9. 根据权利要求7的制品，还包括至少第二部件。
10. 根据权利要求8或9的制品，还包括碳复合材料组分。
11. 根据权利要求10的制品，其中以散布在所述制品的第一和第二部件之间的层的形 式提供所述碳复合材料组分。
12. 进行复合体系的非破坏性测试的方法，包括提供包括可固化树脂并还包括至少一种大量可检测颗粒的复合体系； 提供制品；提供至少一个能检测所述复合体系内所述可检测组分的传感器； 相对于所述制品有效布置所述复合体系；禾口 使用所述传感器检测所述复合体系内的所述可检测组分。
13. 根据权利要求12的方法，其中所述传感器在所述复合体系被施加时、所述复合体 系固化时、所述复合体系固化后或这些中任意的组合时检测所述可检测颗粒。
14. 根据权利要求12的方法，其中所述可检测组分能够通过涡流传感器检测。
15. 根据权利要求14的方法，其中所述传感器包括l-D或2-D阵列探针，进一步包括一 个或多个驱动和一个或多个接受元件。
16. 涡流阵列探针，用于测量复合体系，所述复合体系包括可固化树脂并进一步包括至 少一种大量可检测颗粒，所述探针包括至少二组驱动线和传感线圈。
17. 根据权利要求16的涡流阵列探针，包括1-D阵列，其中所述至少二组驱动线和传感 线圈彼此偏置。
18. 根据权利要求16的涡流阵列探针，包括2-D阵列，其中所述至少二层驱动线和传感 线圈叠置并彼此偏置。
全文摘要
本发明提供复合体系、结合复合体系的制品(100)、原位非破坏性测试制品和/或复合体系的方法以及用在方法中的阵列探针。复合体系包括可固化树脂和至少一种大量可检测颗粒。
文档编号C08K3/22GK101747646SQ20091022585
公开日2010年6月23日 申请日期2009年11月30日 优先权日2008年11月29日
发明者A·C·谢拉-瓦德, C·王, N·特拉沙瓦拉, P·J·弗里茨, S·雷诺, W·I·费迪, 郭书敬 申请人:通用电气公司