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为发现和排除隐患,科研人员发展了多种无损检测手段对这些缺陷和损伤进行监测,目前影响比较大的有射线检测技术、超声检测技术、红外热波成像检测 技术、声-超声检测技术、涡流检测技术、微波检测技术、激光全息照相检测技术等。

1 无损检测技术

1. 1 射线检测技术

射线检测技术( Radiographic Testing,即 RT) 是利用射线( X 射线、γ 射线、中子射线等) 穿过物体时的吸收和散射的特性,检测其内部结构不连续性的技术。

射线检测技术比较适合于检测孔隙、夹杂等体积型缺陷,对平行于射线穿透方向的裂纹有比较好的检测效果,对复合材料中特有的树脂聚集与纤维聚集等缺陷也有一定的检测能力,在铺层数量较少时,还可发现铺层内纤维弯曲等缺陷。

由于分层缺陷对射线穿透方向上介质并无明显影响,因此分层缺陷在成像上并不明显。同样的原因,射线检测技术对平行于材料表面的裂纹也不敏感。

(1) 射线照相

在所有的射线检测技术中,胶片射线照相技术发展最早,而数字式射线实时成像检测技术则发展最快。与胶片照相技术相比,数字式射线成像技术的成像质量与胶片照相技术相当,在检测的实时性、效率、经济性和易用性等方面则有着无可比拟的优越性,因而得到了快速的发展。

目前,具备一定智能识别能力的实时成像检测技术已经应用于复合材料产品的在线检测,可对装配线上的工件进行实时快速检测,成为确保产品合格率的重要检测手段。

(2) 工业 CT

层析摄影也叫计算机断层扫描成像( Computed Tomography,即 CT) ,该技术是利用 X 射线探测物体 的内部,通过测定射线的衰减系数,采用数学方法, 经计算机处理,求解出衰减系数值在某剖面上的二维分布矩阵,转变为图像画面上的灰度分布,从而实现建立断面图像的成像技术。

通过分析断层面内密度的分布,就可以获得复合材料内部密度均匀性、微孔隙体积含量与分布等方面的信息。一般来说, CT 照片的对比度比 X 射线照片的对比度要低,但因消除了不同层面图像叠加重影问题,实际可读性强 于 X 射线照片。

不过 CT 成像原理决定了密度高的物质会在一定程度上被放大,这也就导致了分层、孔隙、裂纹等损伤图像的尺寸比实际尺寸略小而纤维堆积等密度高的缺陷图像比实际尺寸略大的特有现象。

总的来说,CT 扫描成像的技术具有以下特点:

①高空间分辨率和密度分辨率( 通常<0. 5% ) ;

② 高动态检测范围 ( 从空气到复合材料再到金属材料) ;

③成像尺寸精度高;

④在穿透能量足够的情况下,不受试件几何结构限制。

其局限性表现为:

检测效率低、检测成本高、双侧透射成像、不适合于平面薄板构件的检测以及大型构件的现场检测。利用CT成像技术可以有效检测先进复合材料中的孔隙、夹杂、裂纹等缺陷,也可以测量材料内部的密度分布情况,如材料均匀性、微孔隙含量等。

在工业应用上,美国在上世纪八十年代就研制出了用于检测大型固体火箭发动机复合材料壳体的工业CT设备,并逐渐将该技术应用于其它复合材料结构的无损检测中,我国也于上世纪 90 年代后期成功地将工业 CT 技术应用于C / C复合材料、碳 / 酚醛复合材料等的检测,解决了一些关键性的无损检测技术难题,取得了较好的经济效益与社会 效益。

(3) 康普顿背散射成像检测技术

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,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,非常适合于复合材料等原子序数较低材料的物体。

当被检物体结构复杂,或无法进行双侧成像检测时,CST 技术就显示出了独特的优势。目前,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,尚处于探索性研究阶段。

1. 2 超声检测技术

超声波检测( Ultrasonics Testing) 是利用材料的声学特性和内部组织的变化对超声波的传播产生一定影响的物理现象,从而通过对超声波受影响程度和状况的分析来了解材料性能和结构变化的技术。通常有穿透法、脉冲反射法、串列法等。

(1) 传统的超声波检测方法

超声探头接收到的脉冲回波有多种图像显示方式,常见的有 A 型显示、B 型显示和 C 型显示,所谓 的 A 扫描、B 扫描或 C 扫描就是具有相应显示功能的探伤方法。

在这些显示方式中,A 型显示是基础, 其横坐标表示时间,纵坐标表示振幅。其他两种显示方式是由 A 型显示的数据重建得到。

其中,B型显示给出沿超声波指向上的横截面视图,该方法能够测得缺陷在截面视图上的深度位置和截面上的特征尺寸,但是不能给出其相对于扫描 平面的位置。

C型显示是一种在一定深度探测的显示方式,图像上的纵、横坐标分别表示探头在被检体表面上的纵、 横坐标,所以 C 型显示的结果是与扫描平面平行的一幅截面图像,可以给出缺陷关于扫描平面的位置, 但是不能给出缺陷距离扫描平面的深度。

超声 C 扫描由于显示直观,检测速度快,已成为大型复合材料构件普遍采用的探伤技术,能够清晰地检出复合材料结构中体积分布类的缺陷。

由于超声在交界面上会发生反射,为保证超声能有效地输入被测物体内部,除要求安放探头的平面比较平整外,一般还会在探头与被测物之间使用耦合剂。

工业上,则采用水浸法或喷水法提高超声能量的利用率。

一般情况下,对小而薄、结构简单的平面层压板及曲率不大的复合材料构件,多采用水浸式反射板 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,而航空航天领域多采用薄板结构,由此所引起的噪声和缺陷反射信号的信噪比较低,不易分辨,对检测人员的工作经验有 较高要求。

(2)超声导波检测方法

超声导波检测方法( Ultrasonic Guided Wave Testing) 是近年来新的研究热点。导波是指由于介质边界的存在而产生的波,在介质尺寸与声波波长可比的情况下,介质中的波以反射或折射的形式与边界发生作用并多次来回反射,发生纵波与横波间的模态转换,形成复杂的干涉,呈现出了多种传播形式,形成各种类型的导波。

导波本质上是由纵波、横波等基本类型的超声波以各种方式组成的。导波的主要特性包括频散现象、多模式和传播距离远。

超声导波检测是一种快速大范围的初步检测方法,一般只能对缺陷定性,而定量是近似的,对可疑部位仍需要采用其他检测方法才能作出最终的评估。该方法主要用在各种管道的无损检测之中。

(3)空气耦合超声检测技术

传统超声无损检测方法由于需要使用耦合剂,无法适用于某些航空航天用复合材料构件的检测,主要原因是耦合剂会使试样受潮或变污,且有可能渗入损伤处,这会严重影响构件的力学强度和稳定性。

非接触空气耦合超声检测技术( Air-coupled Ultrasonic Nondestructive Testing Technology) 是解决这个问题的可行途径之一。

空气耦合超声检测是以空气作为耦合介质的一种非接触超声检测方法,它可以实现真正的非接触检测,不存在换能器的磨损,可进行快速扫描。

另外,空气耦合超声检测容易实现纵波到横波、板波和瑞利波等的模式转换,而研究结果表明,在复合材料检测中,横波、板波和瑞利波比纵波的灵敏度高,空气耦合超声检测的这一优点有利于实现复合材料的检测和材料特性的表征。

目前,国外已开始将空气耦合超声检测技术用于某些复合材料板的检测,可以检测出脱粘、脱层、气孔、夹杂和纤维断裂等缺陷,可以解决传统液体耦合超声检测方法不能解决的问题。

但是,空气耦合超声检测的信号衰减很大,声阻抗较高的材料很难实现在线检测,必须采用特殊机制来改进,而且采用脉冲回波法进行检测的难度较大,多数采用穿透法检测和 斜入射检测。

(4)激光超声检测技术

激光超声(Laser Ultrasound testing technology) 是目前国内外研究最活跃的非接触超声检测方法之一。

它利用高能量的激光脉冲与物质表面的瞬时热作用,在固体表面产生热特性区,形成热应力,在物体内部产生超声波。

按超声波的激发与检测方式不同,激光超声检测可分 3 种: 一种用激光在工件中产 生超声波,用常规超声探头接收检测; 另一种用常规超声波探头激励超声波,用激光干涉法检测工件中 的超声波; 还有一种用激光激励超声波,并用激光干涉法检测工件中的超声波,此法是纯粹意义上的激光超声检测技术。

纯粹的激光超声检测技术由于不使用常规超声探头,因此可以实现远距离非接触检 测,适用于常规压电检测技术难以检测的形状、结构较复杂或尺寸较小的复合材料以及材料的高温特性等研究,如飞机上各个部件的定位和成像等。

美国洛克希德&middot;马丁公司开发的 LaserUT 激光超声检测系统,在检测 F-22 复合材料构件时获得了清晰的 B 扫描、C 扫描图像,且不需要使用任何特殊夹具,检测时间大大缩短,达到了传统超声无法达到的效果。

国内在这个领域已经取得重大突破,由西安金波公司研发的激光超声视频检测仪已经在 2010 年投入使用,可对大型复杂结构甚至整架飞机进行快速无损探伤检测。

(5) 相控阵超声检测技术

相控阵超声检测技术是一种多声束扫描成像技术,它所采用的超声检测探头是由多个晶片组成的换能器阵列,阵列单元在发射电路激励下以可控的相位激发出超声,产生的球面波在传播过程中波前相互叠加,形成不同的声束。

各声束相位可控,可用软件控制聚焦焦点,不移动探头或尽量少移动探头就能扫查厚、大工件和形状复杂工件的各个区域。

在分辨力、信噪比、缺陷检出率等方面具有一定的优越性。 在实际的检测应用和研究中,一些设计巧妙的探头已成为解决可达性差和空间限制问题的有效手段。

比如英国 R. J. Freemantle 等人把相控阵阵列安装在橡胶滚轮中,用于检测大面积航空复合材料构件,能有效检出航空复合材料构件中的裂纹及未贴合等缺陷。

Olympus 无损检测公司的 J. Habermehl 等人设计了专门检测碳纤维增强聚合物基复合材料弯管的弧形相控阵探头,为检测圆角联接的构件提供了快速可靠的方法。

超声检测技术不仅能有效检测出先进复合材料中的分层、脱粘、孔隙、裂纹和夹杂等缺陷,而且在判断材料的疏密、密度、纤维取向、屈曲、弹性模量、厚度等特性和几何形状等方面也有一定的作用。

目前 超声检测技术的主要方向是进一步提高检测效率,发展功能更加强大的检测探头,缺点是对不同类型的缺陷要使用不同规格的探头,而且在检测过程中 需要使用耦合剂。

1. 3 红外热波检测技术

红外热波无损检测(Thermal Wave Testing) 利用主动加热技术,通过红外热成像系统自动记录试件表面缺陷和基体材料由于不同热特性引起的温度差异,进而判定被测物表面及内部的损伤。

该检测方法特别适合于检测复合材料薄板与金属粘接结构中的脱粘、分层类面积型缺陷,尤其是当零件或组件不能浸入水中进行超声C-扫描检测以及零件表面形状使得超声检测实施比较困难时也可使用红外 热波检测方法,红外热波方法能够准确确定复合材料中分层的深度,而且该方法具有非接触、实时、高 效、直观的特点。

1. 4 声-超声检测技术

声-超声 ( Acoustic-Ultrasonic ) 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-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性差的缺点。

1. 5 声发射检测技术

声发射检测技术( Acoustic Emission) 是通过对复合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,对复合材料构件的整体质量水平进行评价的一种检测技术。

该方法能够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。参数分析法是通过记录和分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率特征,可以获取材料的损伤特征。

1. 6 涡流检测技术

涡流检测技术( Eddy Current Testing) 是利用导电材料的电磁感应现象,通过测量感应量的变化进 行无损检测的方法。

该方法仅适用于导电材料,可以用于碳-碳复合材料与金属基复合材料的检测。 由于端头效应的存在,该方法在边界处的检测效果不好,同时该技术需要用标准试样进行对比,因此其 应用受到了限制。

1. 7微波检测技术

微波是指频率为 300MHz ~ 3000GHz 的电磁波, 是无线电波中一个有限频带的简称,是分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波的统称。

微波频率比一般的 无线电波频率高,通常也称为“超高频电磁波”。微波指向性高,在复合材料中穿透能力强、衰减小,适合于检测厚度较大的材料。

对结构中的孔隙、疏松、 基体开裂、分层和脱粘等缺陷具有较 高的灵敏性。 上世纪 60 年代,微波检测技术就已经用于大型导弹固体发动机玻璃钢壳体中的缺陷和内部质量的检测。

实践证明,利用反射法测量的厚度误差小于 0. 125mm,利用穿透法可测定 0. 02mg / cm3 的密度变 化。由于微波探伤技术不能穿透导体,因此这种 检测方法很难应用于整机检测。

1. 8 流体渗透法

流体渗透检测法仅仅适用于具有开放性伤 口的缺陷或损伤,这种方法是采用特制的渗透剂对缺陷和损伤进行染色,但是染色过程中会污染材料, 在一定程度上会增加修补难度,目前使用较少。

1. 9 激光全息法

激光全息检验法( Laser Holography) 是激光全息照相和干涉计量技术的综合运用。这种技术的依据是物体内部缺陷在外力作用下,使它所对应的物体表面产生与其周围不相同的微量位移差。

然后用激光全息照相的方法进行比较,从而检验出物体内部的缺陷。这种检验方法由于设备昂贵、需要冲洗显影、对环境振动敏感和需要对被测物加载,因此限制了推广能力,目前主要在实验室使用。

2 复合材料无损检测技术的发展趋势

2. 1 自动化水平迅速提高

为降低成本,航空工业中采取了增大结构,减少零部件数量的策略,这导致复合材料结构件越来越大,传统的人工操作检测设备作业的方式已经越来越不适应在线检测的要求。

为提高检测设备的效率,多通道自动扫描、分时处理扫描信息、自动识别 缺陷和损伤,自动生成检测报告的技术被应用到大型的检测设备之中,这些技术在提高扫描探测速度的同时,大大提高了自动化水平,有效减小了人为误差。

2. 2 提高原位检测能力成了研究重点

考虑到复合材料结构件越来越大,安装与拆卸难度越来越大,越来越多的公司都希望提高复合材料部件的原位检测能力。

在这方面,目前主要有两种解决方法: 一种是采用大型设备; 用非接触的检测方法,对整架飞机进行无损检测。

这方面的研究成果有大型的激光超声检测设备和能够连续扫查的滚轮式相控阵超声检测设备。

另一种解决方法是发展多功能的小型化检测设备,直接到外场对整机进行人工检测。这方面的研究成果主要是具有多种扫描方式的小型超声检测设备。

2. 3 可视化定量检测水平不断提高

西方发达国家一直致力于提高可视化定量检测水平,随着数字成像技术的全面应用,近年来复合材料无损检测设备的信号处理能力不断提高,在测量速度大大提高的情况下,测量精度也在稳步提高。

比如超声检测技术已经实现对 4 &times; 4mm 缺陷的有效检测,分辨率更是提高到微米量级,而微波检测技术对缺陷的识别精度已经达到 1mm 左右。

2. 4结构健康自监控能力将成为可能

随着无损探测手段的丰富和新型传感器的不断涌现,可嵌入结构内部的传感器将成为发展重点。

未来的复合材料结构必将向内置健康监控传感器方向发展,现行的周期性探伤工作将转变为可即时告警的状态监控工作,未来的复合材料结构将成为有 感觉,能响应的智能结构。

3 结束语

对装备进行定期无损检测是确保服役安全性的重要手段,从前文的分析中不难看出,不同的检测方法具有不同的优缺点,依据任务要求选用适当的无损检测方法不仅能保证检测效果,还能有效提高工作效率。

从前文的评述中不难看出,超声检测方法因为对人体无害,具有多种扫描方式和较高的分辨率,因而受到广泛的重视,目前小型的手持式超声检测设备已经在外场维护中广泛使用,而这种检测方法对检测人员素质的依赖性也决定了必须加强超声检测人员的能力培养。

在工厂级检测中,激光超声检测方法被认为是最有潜力的检测方法,我国在该领域的突破必将使我国复合材料制造质量迈上新的台阶。