隨著航空制造技術(shù)的不斷發(fā)展，復合材料以其高的比強度、比剛度及良好的抗疲勞性和耐腐蝕性獲得廣泛應(yīng)用。由于纖維增強復合材料具有導電性差、熱導率低、聲衰減高的特點，在物理性能方面呈顯著的各向異性，使得它對波傳播所引起的作用與普通金屬材料相比具有很大的差異，因而其無損檢測技術(shù)與金屬的檢測大不相同，復合材料檢測日益成為該領(lǐng)域的重點和難點。在這種情況下，航空航天檢測迫切需要有一種更有效的手段來提高復合材料構(gòu)件的生產(chǎn)質(zhì)量或修理水平。

復合材料構(gòu)件的成型過程是極其復雜的，其間既有化學反應(yīng)，又有物理變化，影響性能的因素甚多，許多工藝參數(shù)的微小差異會導致其產(chǎn)生諸多缺陷，使產(chǎn)品質(zhì)量呈現(xiàn)明顯的離散性，這些缺陷嚴重影響構(gòu)件的機械性能和完整性。由于復合材料結(jié)構(gòu)制造質(zhì)量的離散性，必須通過無損檢測來鑒別產(chǎn)品的內(nèi)部質(zhì)量狀況，以確保產(chǎn)品質(zhì)量，滿足設(shè)計和使用要求。隨著先進復合材料技術(shù)研究與應(yīng)用的高速增長，復合材料無損檢測技術(shù)也迅速發(fā)展起來，已成為新材料結(jié)構(gòu)能否有效和擴大應(yīng)用的關(guān)鍵。

一、復合材料結(jié)構(gòu)件缺陷的產(chǎn)生與特點

先進復合材料中的缺陷類型一般包括: 孔隙、夾雜、裂紋、疏松、纖維分層與斷裂、纖維與基體界面開裂、纖維卷曲、富膠或貧膠、纖維體積百分比超差、鋪層或纖維方向誤差、缺層、鋪層搭接過多、厚度偏離、磨損、劃傷等, 其中孔隙、分層與夾雜是最主要的缺陷。材料中的缺陷可能只是一種類型, 也可能是好幾種類型的缺陷同時存在。

缺陷產(chǎn)生的原因是多種多樣的, 有環(huán)境控制方面的原因, 有制造工藝方面的原因, 也有運輸、操作以及使用不當?shù)脑?/span>, 如外力沖擊、與其他物體碰撞和刮擦等。對缺陷產(chǎn)生原因進行準確分析, 可以有針對性地采取預防與控制措施, 減少缺陷形成的概率,保證結(jié)構(gòu)質(zhì)量和性能滿足要求。

1.成型過程中產(chǎn)生的缺陷

復合材料在成型過程中往往會由于工藝原理和理論的非完美性而產(chǎn)生缺陷,人為操作的隨機性會產(chǎn)生夾雜、鋪層錯誤、固化不完全等缺陷,固化過程控制不好會產(chǎn)生孔隙、分層、脫膠等缺陷。原材料因素, 也是復合材料產(chǎn)生缺陷的一個主要原因。預浸料中局部樹脂含量不均勻、毛團、纖維彎曲會造成復合材料的貧膠、富膠和纖維曲屈。如果預浸料儲存時間過長,則會在固化成型過程中因樹脂的流動性變差而導致貧膠、富膠、纖維脫粘以至分層等缺陷。如果這些缺陷不能及時發(fā)現(xiàn),對復合材料的性能會有很大影響,甚至會造成不可挽回的損失。

2.使用過程中產(chǎn)生的缺陷

復合材料構(gòu)件在使用過程中往往會由于應(yīng)力或環(huán)境因素而產(chǎn)生缺陷,以至被破壞。復合材料損傷的產(chǎn)生、擴展與積累會加劇材料的環(huán)境與應(yīng)力腐蝕,加劇材料老化,造成材料的耐濕熱性能嚴重下降,強度與剛度急劇損失,大大降低材料的使用壽命,有時會造成嚴重后果。傳統(tǒng)觀念采取的是發(fā)現(xiàn)問題后進行修補(維修或修理) 的辦法,要求在發(fā)現(xiàn)危及安全的缺陷后立即進行修復。而新的觀念是預測并管理,要求對可能發(fā)生的缺陷、故障進行預報,從而能在某一合適時間段內(nèi)采取措施。所以復合材料在使用過程中的定期檢測,就顯得極為重要,也越來越受到人們的重視。

二、復合材料結(jié)構(gòu)件的無損檢測

先進復合材料中的微觀破壞和內(nèi)部缺陷, 用常規(guī)的機械與物理方法一般不能滿足檢驗精度要求,也不能采用破壞性實驗方法進行檢測, 必須對其進行無損探傷檢測, 即在不損壞結(jié)構(gòu)使用性能的前提下, 采取一定的手段, 檢測其特征質(zhì)量,確定其是否達到需要的工程使用要求。無損檢測是檢驗產(chǎn)品質(zhì)量、保證產(chǎn)品使用安全、延長產(chǎn)品壽命必要的有效技術(shù)手段?？蓱?yīng)用于航空復合材料結(jié)構(gòu)中缺陷無損檢測的技術(shù)很多, 包括目視檢查法、聲阻法、射線檢測技術(shù)、超聲檢測技術(shù)、聲-超聲技術(shù)、渦流檢測技術(shù)、微波檢測技術(shù)等。

1.目視檢查法

目視檢查法是使用最廣泛、最直接的無損檢測方法。它可以檢查出褪色、表面劃傷、裂紋、起泡、表面欠壓、起皺、桔皮、凹痕、富膠、貧膠等缺陷；尤其對透光的玻璃鋼產(chǎn)品，可用透射光檢查出內(nèi)部的某些缺陷和定位，如夾雜、氣泡、疏松、搭接的部位和寬度、蜂窩芯的位置和狀態(tài)、鑲嵌件的位置等。另外，利用反射光可以觀察到表面不平和其他缺陷。

2.聲阻法

聲阻法又稱機械阻抗分析法，它是通過測量結(jié)構(gòu)件被測點振動力阻抗的變化來確定是否有異常的結(jié)構(gòu)存在。聲阻儀是專為復合材料與蜂窩結(jié)構(gòu)件的整體性檢測發(fā)展起來的便攜式檢測儀器，可檢測出板—板膠接結(jié)構(gòu)（或復合材料）件或蜂窩結(jié)構(gòu)的單層、多層板分離區(qū)域。此方法操作簡單，效果很好，能滿足設(shè)計和使用要求。

3.射線檢測技術(shù)

對于先進復合材料而言, 射線檢測仍然是最直接、最有效的無損檢測技術(shù)之一, 特別適合于檢測先進復合材料中的孔隙和夾雜等體積型缺陷,對垂直于材料表面的裂紋也具有較高的檢測靈敏度和可靠性, 對樹脂聚集與纖維聚集也有一定的檢測能力, 也可測量小厚度復合材料鋪層中的纖維彎曲等缺陷,但對復合材料中最為常見的分層缺陷檢測比較困難, 對平行于材料表面的裂紋射線檢測技術(shù)也不敏感。在所有的射線檢測技術(shù)中, 膠片射線照相技術(shù)應(yīng)用最為廣泛, 經(jīng)過多年的發(fā)展, 該技術(shù)已經(jīng)比較成熟, 許多國家都建立了針對復合材料的膠片射線照相技術(shù)規(guī)范或標準。近幾年來, 隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展, 射線實時成像檢測技術(shù)航空用復合材料結(jié)構(gòu)件無損檢測技術(shù)分析 (RTR 技術(shù)) 日趨完善, 并開始應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的無損檢測。RTR 技術(shù)利用圖像增強器將穿透材料后的射線信息轉(zhuǎn)換為可視圖像(即光電轉(zhuǎn)換)。然后輸入計算機經(jīng)過計算機處理將可視圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像, 在顯示器屏幕上顯示出材料內(nèi)部缺陷的性質(zhì)、大小和位置等信息。與膠片照相技術(shù)相比, RTR 技術(shù)不需要膠片的暗室處理, 縮短了曝光時間, 成像質(zhì)量與膠片照相技術(shù)相當, 但在檢測過程的實時性、檢測效率、經(jīng)濟性以及遠程傳送和方便實用等方面具有無比的優(yōu)越性。實時成像技術(shù)可應(yīng)用于先進復合材料產(chǎn)品的在線檢測,可以對裝配線上的工件進行實時快速檢測?？灯疹D背散射成像(CST) 技術(shù)是一種新的射線檢測技術(shù), 它具有單側(cè)非接觸、檢測靈敏度高、快速三維成像的特點, 非常適合于復合材料等原子序數(shù)較低材料的物體, 對低密度材料的檢測可獲得比透射成像更高的圖像對比度, 特別是當被檢物體結(jié)構(gòu)限制無法進行雙側(cè)成像檢測時, CST技術(shù)就顯示出明顯的優(yōu)勢。CST 技術(shù)在國外航空航天領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用, 在國內(nèi), 由于缺少相關(guān)的技術(shù)設(shè)備, 此項技術(shù)還尚處于探索性的研究階段, 但鑒于該技術(shù)的獨特性能, 可以預見它必將成為航空航天無損檢測領(lǐng)域一個極具開發(fā)與應(yīng)用潛力的檢測手段。

4.超聲檢測技術(shù)

超聲檢測方法主要包括有脈沖反射法、穿透法、反射板法、共振法、阻抗法等, 它們各有特點, 可根據(jù)材料結(jié)構(gòu)的不同選用合適的檢測方法。對于一般小而薄、結(jié)構(gòu)簡單的平面層壓板及曲率不大的復合材料構(gòu)件, 宜采用水浸式反射板法; 對于小而稍厚的復雜結(jié)構(gòu)件, 無法采用水浸式反射板法時, 可采用噴水脈沖反射法或接觸帶延遲塊脈沖發(fā)射法; 對于大型復合材料結(jié)構(gòu)宜采用水噴穿透法或水噴脈沖反射法。復合材料的多層結(jié)構(gòu)使得聲波在材料中的衰減較大, 而且航空航天領(lǐng)域的先進復合材料構(gòu)件多為薄形結(jié)構(gòu), 所引起的噪聲和缺陷反射信號的信噪比低, 不易分辨, 在選擇合適的檢測方法時應(yīng)進行全面、細致的考慮。

5.聲- 超聲檢測技術(shù)

聲- 超聲(AU) 技術(shù)又稱應(yīng)力波因子(SWF)技術(shù)。與通常的無損檢測技術(shù)不同,AU 技術(shù)主要用于檢測和研究材料中分布的細微缺陷群及其對結(jié)構(gòu)力學性能(強度或剛度等) 的整體影響, 屬于材料的完整性評估技術(shù)。采用聲- 超聲振幅C 掃描技術(shù)也能夠?qū)秃喜牧吓c金屬材料間的粘接界面進行有效檢測, 而且克服了超聲反射技術(shù)信號清晰度不高、超聲透射技術(shù)傳感器可達(及) 性差的缺點。

復合材料的聲發(fā)射技術(shù)研究20 世紀70 年代始于美國, 80 年代在法、日、英等國得到發(fā)展和廣泛應(yīng)用。先進復合材料中的聲發(fā)射源主要有纖維斷裂、基體微裂紋、基體宏觀裂紋、纖維- 基體界面脫開、纖維摩擦基體、纖維斷裂松馳等。通過對材料或結(jié)構(gòu)在加載過程中產(chǎn)生的聲發(fā)射信號進行檢測和分析, 可以對復合材料構(gòu)件的整體質(zhì)量水平進行評價, 反映復合材料中損傷的發(fā)展與破壞模式, 預測構(gòu)件的最終承載強度, 并能夠確定出構(gòu)件質(zhì)量的薄弱區(qū)域。聲發(fā)射檢測技術(shù)僅可用于復合材料承力結(jié)構(gòu)件的整體無損檢測, 對單個缺陷的檢測準確性較低。聲發(fā)射技術(shù)是檢測復合材料結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量水平的非常實用的技術(shù)手段, 使用簡單方便, 可以在測試材料力學性能的同時獲取材料動態(tài)變形損傷過程中的寶貴信息。它包括參數(shù)分析法與波形分析法兩種方法。參數(shù)分析法是通過記錄和分析聲發(fā)射信號的特征參數(shù), 如幅度、能量、持續(xù)時間、振鈴計數(shù)和事件數(shù)等, 來分析材料的損傷破壞特征, 如損傷程度和部位、破壞機制等; 波形分析法是指對聲發(fā)射信號的波形進行記錄與分析,得到信號的頻譜及相關(guān)函數(shù)等, 通過分析材料不同階段和不同機制引起損傷的頻譜特征, 可以獲取材料的損傷特征。

       6.渦流檢測技術(shù)

渦流檢測技術(shù)的基本原理是利用渦流探頭中線圈通以交變電流后, 能夠在線圈附近的檢測試樣中產(chǎn)生渦流, 該渦流又能產(chǎn)生一個交變反磁場,交變反磁場會改變線圈磁場, 從而使流經(jīng)線圈中的電流也隨之改變。當線圈上的電壓恒定, 線圈中電流變化引起線圈阻抗變化, 通過測量線圈阻抗的變化, 就可以得到試樣內(nèi)部的缺陷信息。但這種技術(shù)只適用于導電復合材料, 對G F R P 和KFRP 不適用, 而對CFRP 是適用的。利用渦流檢測技術(shù)可檢測出C F R P 中的纖維含量與缺陷,對復合材料與金屬粘接結(jié)構(gòu)中金屬材料的翹曲變形也具有較高的檢測靈敏度。

7.微波檢測技術(shù)

微波在復合材料中穿透能力強、衰減小, 適合于復合材料的無損檢測。它可以克服常規(guī)檢測方法的不足(如超聲波在復合材料中衰減大、難以檢測內(nèi)部較深部位缺陷, 射線檢測對平面型缺陷靈敏度低等) , 對復合材料結(jié)構(gòu)中的孔隙、疏松、基體開裂、分層和脫粘等缺陷具有較高的靈敏性。據(jù)報道, 美國在20 世紀60 年代就采用微波技術(shù)對大型導彈固體發(fā)動機玻璃鋼殼體中的缺陷和內(nèi)部質(zhì)量進行檢測; 我國的陸榮林等人也采用微波反射技術(shù)對不同復合材料中的空洞型缺陷進行了檢測。結(jié)果證明了微波檢測技術(shù)對復合材料中缺陷檢測的有效性。除上述檢測技術(shù)外, 還有目視法、流體滲透法、激光全息法等其他技術(shù)也可用于先進復合材料的無損檢測。

   三、技術(shù)關(guān)鍵

1.針對復合材料裝機結(jié)構(gòu)件的快速高效無損檢測技術(shù)

賦予傳統(tǒng)復合材料無損檢測新的技術(shù)內(nèi)涵,使之更適合未來復合材料的低成本設(shè)計、制造和裝機應(yīng)用主流,通過提高傳統(tǒng)檢測技術(shù)的功效,達到提高檢測效率、降低檢測成本的目的。開展無損檢測新技術(shù)和新方法的研究,探索研究適合復合材料的快速高效無損檢測技術(shù)和方法。美國等復合材料用量較大的國家,自20世紀90年代后期已經(jīng)開始將復合材料無損檢測技術(shù)研究的重點轉(zhuǎn)移到快速高效的無損檢測方向, 而且有了初步應(yīng)用成果。

2.針對新型復合材料的無損檢測技術(shù)

與發(fā)達國家相比, 目前我國復合材料無損檢測技術(shù)的研究深度和發(fā)揮作用的程度還遠遠不夠。復合材料的一個重要結(jié)構(gòu)特征就是內(nèi)部各組分之間物理界面復雜,如果能利用無損檢測技術(shù)得到這些界面的全部信息,將會對材料研究和工藝分析起十分重要的指導作用。

四、結(jié)束語

復合材料無損檢測技術(shù)是一門專門的學科，是我們所面臨的新課題，應(yīng)重視對復合材料無損檢測人員的技術(shù)培訓工作，開展復合材料無損檢測技術(shù)的建標工作，進行復合材料結(jié)構(gòu)和無損檢測方法，分析、制訂試驗方案，設(shè)計和制備無損檢測標準試樣，編制復合材料無損檢測標準與缺陷驗收規(guī)范，并加強與國內(nèi)外知名廠所、高校的復合材料無損檢測先進技術(shù)的合作與交流，進一步學習國外復合材料無損檢測的先進技術(shù)，提高我國復合材料結(jié)構(gòu)無損檢測水平。