航空用复合材料结构件无损检测技术分析

      随着航空制造技术的不断发展，复合材料以其高的比强度、比刚度及良好的抗疲劳性和耐腐蚀性获得广泛的应用。由于玻纤增强复合材料具有导呈现电性差、热导率低、声衰减高的特点，性能方面呈显著地各向导性，使得它对波传播所引起的作用与普通金属材料相比具有很大的差异，因而其无损检测技术与金属的检测大不相同，复合复合材料检测日益呈为该领域的重点和难点，在这种情况下，航空航天检测迫切需要一种更有效的手段来提高复合材料构件的生产质量或修理水平。

复合材料构件的成型过程是极其复杂的，期间即有化学反应，又有物理变化，影响性能的因素甚多，许多工艺参数的微小差异会导致其产生诸多缺陷，是产品质量呈现明显的离散性，这些缺陷严重影响构件的机械性能和完整性，由于复合材料结构制造质量的离散性，必须通过无损检测来鉴别产品的内部质量状况，以确保产品质量满足设计和使用要求。随着先进复合材料技术研究与应用的高速增长，复合材料无损检测技术也迅速发展起来，已成为新材料结构能否有效和扩大应用的关键。

一、复合材料结构件缺陷的产生与特点

先进复合材料中的缺陷类型一般包括：孔隙、夹杂、裂纹、疏松、纤维分层与断裂、纤维与基体界面开裂、纤维卷曲、富胶或贫胶、纤维体积百分比超差、铺层或纤维方向误差、缺层、铺层搭接过多、厚度偏离、磨损、划伤等，其中孔隙、分层与夹杂是最主要的缺陷。材料中的缺陷可能只是一种类型，也可能是好几种的缺陷同时存在。

       缺陷产生的原因多种多样的，有环境控制方面的原因，有制造工艺方面的原因，也有运输、操作以及使用不当的原因，也有运输操作以及使用不当的原因，如外力冲击、与其他物体碰撞和刮擦等。对缺陷产生原因进行准确分析，可以有针对性地采取预防与控制措施，减少缺陷形成的概率，保证保证结构质量和性能满足要求。

       1、成型过程中产生的缺陷

      复合材料在成型过程中往往会由于工艺原理和理论的非完美性而产生缺陷，人为操作的随机性会产生夹杂、铺层错误、固化不完全等缺陷，固化过程控制不好会产生孔隙、分层、脱胶等缺陷。原材料因素，也是复合原材料产生缺陷的一个主要原因，预浸料中局部树脂含量不均匀。毛团、纤维弯曲会造成复合材料的贫胶、富胶和纤维曲屈。如果预浸料储存时间过长，则会在固化成型过程中因树脂的流动性变差而导致贫胶、富胶、纤维脱粘以至分层等缺陷。如果这些缺陷不能及时发现，对复合材料的性能会有很大影响，甚至会造成不可挽回的损失。

        2．使用过程中产生的缺陷

       复合材料构件在使用过程中往往会由于应力或环境因素而产生缺陷，以至被破坏。复合材料损伤的产生、扩展与积累会加剧材料的环境与应力腐蚀，加剧材料老化，造成材料的耐湿热性能严重下降，强度与刚度急剧损失，大大降低材料的使用寿命，有时会造成严重后果。传统观念采取的是发现问题后进行修补（维修或修理）的办法，要求在发现危及安全的缺陷后立即进行修复。而新的观念是预测并管理，要求对可能发生的缺陷、故障进行预报，从而能在某一合适时间段内采取措施。所以复合材料在使用过程中的定期检测，就显得极为
重要，也越来越受到人们的重视。复合材料结构常见的缺陷类型及检测特点见表1。

       二、复合材料结构件的无损检测

       先进复合材料中的微观破坏和内部缺陷，用常规的机械与物理方法一般不能满足检验精度要求，也不能采用破坏性实验方法进行检测，必须对其进行无损探伤检测，即在不损坏结构使用性能的前提下，采取一定的手段，检测其特征质量，确定其是否达到需要的工程使用要求。无损检测是检验产品质量、保证产品使用安全、延长产品寿命必要的有效技术手段。可应用于航空复合材料结构中缺陷无损检测的技术很多，包括目视检查法、声阻法、射线检测技术、超声检测技术、声一超声技术、涡流检测技术、微波检测技术等。

      1．目视检查法

       目视检查法是使用最广泛、最直接的无损检测方法。它可以检查出褪色、表面划伤、裂纹、起泡、表面欠压、起皱、桔皮、凹痕、富胶、贫胶等缺陷；尤其对透光的玻璃钢产品，可用透射光检查出内部的某些缺陷和定位，如夹杂、气泡、疏松、搭接的部位和宽度、蜂窝芯的位置和状态、镶嵌件的位置等。另外，利用反射光可以观察到表面不平和其他缺陷。

       2．声阻法

      声阻法又称机械阻抗分析法，它是通过测量结构件被测点振动力阻抗的变化来确定是否有异常的结构存在。声阻仪是专为复合材料与蜂窝结构件的整体性检测发展起来的便携式检测仪器，可检测出板一板胶接结构（或复合材料）件或蜂窝结构的单层、多层板分离区域。此方法操作简单，效果很好，能满足设计和使用要求。

      3．射线检测技术

      对于先进复合材料而言，射线检测仍然是最直接、最有效的无损检测技术之一，特别适合于检测先进复合材料中的孔隙和夹杂等体积型缺陷，对垂直于材料表面的裂纹也具有较高的检测灵敏度和可靠性，对树脂聚集与纤维聚集也有一定的检测能力，也可测量小厚度复合材料铺层中的纤维弯曲等缺陷，但对复合材料中最为常见的分层缺陷检测比较困难，对平行于材料表面的裂纹射线检测技术也不敏感。

       在所有酌射线检测技术中，胶片射线照相技术应用最为广泛，经过多年的发展，该技术已经比较成熟，许多国家都建立了针对复合材料的胶片射线照相技术规范或标准。近几年来，随着计算机技术的迅速发展，  射线实时成像检测技术（RTR技术）日趋完善，并开始应用于结构的无损检测。RTR技术利用图像增强器将穿透材料后的射线信息转换为可视图像（即光电转换）。然后输入计算机经过计算机处理将可视图像转换为数字图像，在显示器屏幕上显示出材料内部缺陷的性质、大小和位置等信息。与胶片照相技术相比，RTR技术不需要胶片的暗室处理，缩短了曝光时间，成像质量与胶片照相技术相当，但在检测过程的实时性、检测效率、经济性以及远程传送和方便实用等方面具有无比的优越性。实时成像技术可应用于先进复合材料产品的在线检测，可以对装配线上的工件进行实时快速检测。

             

       康普顿背散射成像(CST)技术是一种新的射线检测技术，它具有单侧非接触、检测灵敏度高、快速三维成像的特点，非常适合于复合材料等原子序数较低材料的物体，对低密度材料的检测可获得比透射成像更高的图像对比度，特别是当被检物体结构限制无法进行双侧成像检测时，CST技术就显示出明显的优势。CST技术在国外航空航天领域已经得到了广泛的应用，在国内，由于缺少相关的技术设备，此项技术还尚处于探索性的研究阶段，但鉴于该技术的独特性能，可以预见它必将成为航空航天无损检测领域一个极具开发与应用潜力的检测手段。

       4．超声检测技术

       超声检测方法主要包括有脉冲反射法、穿透法、反射板法、共振法、阻抗法等，它们各有特点，可根据材料结构的不同选用合适的检测方法。对于一般小而薄、结构简单的平面层压板及曲率不大的复合材料构件，宜采用水浸式反射板法；对于小而稍厚的复杂结构件，无法采用水浸式反射板法时，可采用喷水脉冲反射法或接触带延迟块脉冲发射法；对于大型复合材料结构宜采用水喷穿透法或水喷脉冲反射法。复合材料的多层结构使得声波在材料中的衰减较大，而且航空航天领域的先进复合材料构件多为薄形结构，所引起的噪声和缺陷反射信号的信噪比低．不易分辨，在选择合适的检测方法时应进行全面、细致的考虑。

      5．声一超声检测技术

      声～超声(AU)技术又称应力波因子(SWF)技术。与通常的无损检测技术不同，AU技术主要用于检测和研究材料中分布的细微缺陷群及其对结构力学性能（强度或刚度等）的整体影响，属于材料的完整性评估技术。采用声一超声振幅C扫描技术也能够对复合材料与金属材料间的粘接界面进行有效检测，而且克服了超声反射技术信号清晰度不高、超声透射技术传感器可达（及）性差的缺点。

       复合材料的声发射技术研究20世纪70年代始于美国，80年代在法、日、英等国得到发展和广泛应用。先进复合材料中的声发射源主要有纤维断裂、基体微裂纹、基体宏观裂纹、纤维一基体界面脱开、纤维摩擦基体、纤维断裂松驰等。通过对材料或结构在加载过程中产生的声发射信号进行检测和分析，可以对复合材料构件的整体质量水平进行评价，反映复合材料中损伤的发展与破坏模式，预测构件的最终承载强度，并能够确定出构件质量的薄弱区域。声发射检测技术仅可用于复合材料承力结构件的整体无损检测，对单个缺陷的检测准确性较低。

       声发射技术是检测复合材料结构整体质量水平的非常实用的技术手段，使用简单方便，可以在测试材料力学性能的同时获取材料动态变形损伤过程中的宝贵信息。它包括参数分析法与波形分析法两种方法。参数分析法是通过记录和弁析声发射信号的特征参数，如幅度、能量、持续时间、振铃计数和事件数等，来分析材料的损伤破坏特征，如损伤程度和部位、破坏机制等；波形分析法是指对声发射信号的波形进行记录与分析，得到信号的频谱及相关函数等，通过分析材料不同阶段和不同机制引起损伤的频谱特征，可以获取材料的损伤特征。

       6．涡流检测技术

       涡流检测技术的基本原理是利用涡流探头中线圈通以交变电流后，能够在线圈附近的检测试样中产生涡流，该涡流又能产生一个交变反磁场，交变反磁场会改变线圈磁场，从而使流经线圈中的电流也随之改变。当线圈上的电压恒定，线圈中电流变化引起线圈阻抗变化，通过测量线圈阻抗的变化，就可以得到试样内部的缺陷信息。但这种技术只适用于导电复合材料，对GFRP和
KFRP不适用，而对CFRP是适用的。利用涡流检测技术可检测出CFRP中的纤维含量与缺陷，对复合材料与金属粘接结构中金属材料的翘曲变形也具有较高的检测灵敏度。

       7．微波检测技术

       微波在复合材料中穿透能力强、衰减小，适合于复合材料的无损检测。它可以克服常规检测方法的不足（如超声波在复合材料中衰减大、难以检测内部较深部位缺陷，射线检测对平面型缺陷灵敏度低等），对复合材料结构中的孔隙、疏松、基体开裂、分层和脱粘等缺陷具有较高的灵敏性。据报道，美国在20世纪60年代就采用微波技术对大型导弹固体发动机玻璃钢壳体中的缺陷和内部质量进行检测；我国的陆荣林等人也采用微波反射技术对不同复合材料中的空洞型缺陷进行了检测。结果证明了微波检测技术对复合材料中缺陷检测的有效性。除上述检测技术外，还有目视法、流体渗透法、激光全息法等其他技术也可用于先进复合材料的无损检测。

       三，技术关键
 
      1．针对复合材料装机结构件的快速高效无损检测技术

      赋予传统复合材料无损检测新的技术内涵，使之更适合未来复合材料的低成本设计、制造和装机应用主流，通过提高传统检测技术的功效，达到提高检测效率、降低检浏成本的目的。开展无损检测新技术和新方法的研究，探索研究适合复合材料的快速高效无损检测技术和方法。美国等复合材料用量较大的国家，自20世纪90年代后期已经开始将复合材料无损检测技术研究的重点转移到快速高效的无损检测方向，而且有了初步应用成果。

       2．针对新型复合材料的无损检测技术

       与发达国家相比，目前我国复合材料无损检测技术的研究深度和发挥作用的程度还远远不够。复合材料的一个重要结构特征就是内部各组分之间物理界面复杂，如果能利用无损检测技术得到这些界面的全部信息，将会对材料研究和工艺分析起十分重要的指导作用。

        四、结束语

        复合材料无损检测技术是一门专门的学科，是我们所面临的新课题，应重视对复合材料无损检测人员的技术培训工作，开展复合材料无损检测技术的建标工作，进行复合材料结构和无损检测方法，分析、制订试验方案，设计和制备无损检测标准试样，编制复合材料无损检测标准与缺陷验收规范，并加强与国内外知名厂所、高校的复合材料无损检测先进技术的合作与交流，进一步学习国外复合材料无损检测的先进技术，提高我国复合材料结构无损检测水平。

资料下载：   航空用复合材料结构件无损检测技术分析.pdf