碳纤维复合材料的轻质高强和优良的可设计性使其构件在工程领域得到了广泛应用,受复合材料自身结构特点的影响,其构件在生产和服役过程中极易出现复杂多样的损伤,这对材料结构的整体破坏和失效造成潜在威胁,使得这种新型材料的损伤检测变得尤为迫切。涡流法是一种高效非接触、自动化程度高且无需耦合剂的无损检测技术。与其它无损检测技术相比,它不受材料形态限制影响,对复合材料成型件、干纤维铺层原材料及预浸料半成品中的各类缺陷检测有不可比拟的优势。近年来,随着碳纤维复合材料的大量应用,针对这种新型材料的涡流检测研究才逐渐得到关注。目前为止国内外开展的研究工作仍不是很多,很多关键问题还没有解决,如碳纤维复合材料电学特性的完整表征,层合结构材料的三维电磁场建模分析及涡流场分布特性,涡流耦合系统特性及各参数间的相互作用,一些特殊损伤包括分层、铺层方向等缺陷的特征识别和定量分析等。这些问题的存在极大地制约了涡流法在复合材料损伤检测的应用。本文从碳纤维复合材料的特殊结构形式、各向异性电学特性及独特损伤类型着手,建立了完整描述这种新型材料构件的三维电磁场数值模型,研究了铺层、界面电学行为及宏/细观缺陷对复合材料涡流场分布特性的影响及检测信号的变化特征,揭示了耦合系统中各参数间的影响规律。首次提出采用近共振频率法结合锁相放大技术以提高弱导电材料的微弱信号提取,利用先进信号处理方法和伪三维成像技术等实现了复合材料宏/细观缺陷的可视化检测。论文的主要工作和创新点如下:1.提出了碳纤维复合材料层合结构电学特性的完整表征方法和阻抗模型:研究了层合结构复合材料基本单元在三个方向的阻抗-频率特性和不同铺层复合材料板的界面电学特性,并结合“渗流理论”和“隧道效应”,提出了复合材料层合结构的等效阻抗模型。针对材料各向异性电学特性,采用解析法和数值法对比研究了电极面积对复合材料电参数测量结果的影响。2.建立了碳纤维复合材料的均质电各向异性三维电磁场有限元模型:提出了常规涡流场的一般有限元建模方法,面向JSAEM（the Japan Society of Applied Electromagnetics and Mechanics）基准问题定量验证了有限元建模方法的准确性。定性分析了碳纤维复合材料涡流场的各向异性分布特性,揭示了缺陷及边界效应对复合材料涡流场分布特性的影响规律。提出了多介质交界面处材料厚度方向的网格划分方法,提高了碳纤维复合材料层合结构涡流场的数值计算精度。3.研究了复材涡流检测耦合系统输出特性及系统各参数间的相互作用,得到了弱导电材料涡流检测频率的设计方法:从单个探头阻抗特性出发,建立了互感式涡流探头和涡流耦合系统的电路模型,通过探头提离信号变化验证了模型的适用性。结合实验研究了耦合系统的阻抗特性和幅值特性,提出了涡流检测频率的设计方法。研究了激励源几何尺寸、频率和材料电学特性对涡流场在厚度方向非线性衰减的影响,揭示了复合材料涡流场传播衰减特性的变化规律。4.将接触电阻引入复合材料层间界面,构建了完整描述复合材料层合结构电磁场分布特性的分析方法:首次建立了含界面接触电阻和局部富树脂特性的层合板涡流场有限元模型,深入研究了铺层方向、铺层顺序及界面电学特性对层合结构材料电磁场分布特性的影响。通过探头信号的积分计算和实验评价了不同铺层板的导电能力,验证了界面电学特性引入的必要性。以单向层合板为例,研究了材料基本单元三个方向电导率变化对层合板导电性能的影响,结果表明各方向电导率变化对复合材料导电性能的影响彼此关联,且横向电导率变化的影响最灵敏。5.研究了近共振频率涡流法在碳纤维复合材料宏/细观缺陷检测的应用:基于层合板电磁建模和电学特性研究,首次引入电绝缘特性实现了碳纤维复合材料分层损伤的模拟,获得了裂纹、分层及铺层错误等缺陷引起的特征信号变化规律,建立了损伤参数与检测信号特征量的对应关系。结合探头成像特性和锁相放大技术,在近共振频率下利用T-R型探头实现了碳纤维复合材料损伤检测的微弱信号提取。通过先进信号处理和伪三维成像技术从可视化角度完成了碳纤维复合材料宏/细观损伤几何形貌及位置等信息的直观、快速判断,实现了复合材料近共振频率涡流检测的高精度成像。