淺談飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷檢測及評估方法

摘 要：隨著復(fù)合材料在飛機(jī)上的應(yīng)用增長，其損傷檢測及評估的作用至關(guān)重要。文章介紹了飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷類型，分析了常用的飛機(jī)復(fù)合材料檢測技術(shù)的特點及適用范圍，最后介紹飛機(jī)復(fù)合材料的損傷評估方法。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料結(jié)構(gòu)；損傷；無損檢測；損傷評估

引言

復(fù)合材料由于其高比強度和比剛度、良好的抗腐蝕和抗疲勞性能，在航空制造領(lǐng)域中應(yīng)用越來越多。飛機(jī)復(fù)合材料是一種復(fù)雜的多相體系，并且結(jié)構(gòu)及材料成形同時完成，成型過程中各種不確定的影響因素都難以避免會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生缺陷。飛機(jī)在使用過程中，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)會受到載荷的作用、人為因素和自然環(huán)境條件的影響而導(dǎo)致各類的損傷產(chǎn)生。無論制造缺陷還是使用損傷都會嚴(yán)重威脅飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的安全使用。了解復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件損傷的類型及其檢測和評估方法，對于保障飛機(jī)安全高效運行是十分重要的。

1 飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷類型

飛機(jī)的復(fù)合材料構(gòu)件從制造到服役使用過程都可能會產(chǎn)生各種缺陷和損傷。復(fù)合材料制造過程中缺陷的典型原因包含原材料缺陷、固化過程沒控制好、鋪層錯誤、混入雜質(zhì)，脫模方法錯誤等。缺陷主要有氣孔、分層、層間斷裂、界面分離、夾雜物、固化不佳、鉆孔損傷等。在飛機(jī)使用過程中，伴隨著意外損傷和環(huán)境損傷的產(chǎn)生，例如不當(dāng)操作、疲勞、外來物、撞擊，沙石、冰雹和雷擊、腐蝕等都是產(chǎn)生損傷的原因。損傷形式包括裂紋、劃傷、燒傷、凹坑、分層、穿透損傷、腐蝕坑、表面氧化、夾層結(jié)構(gòu)脫粘等等。

按照飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷的嚴(yán)重程度，可將其分為允許、可修理和不可修理三種損傷?？稍试S損傷是指不影響結(jié)構(gòu)性能或完整性的輕微損傷，界定結(jié)構(gòu)件可允許損傷的范圍和標(biāo)準(zhǔn)（例如具體的尺寸和條件等）應(yīng)由相應(yīng)機(jī)型的結(jié)構(gòu)修理手冊中給出。對可允許損傷，應(yīng)根據(jù)具體情況確定是否修理。如果允許損傷有擴(kuò)展的可能性導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的剩余強度下降并引起設(shè)計壽命的下降，應(yīng)當(dāng)在要求的時限內(nèi)完成修復(fù)。通常對可允許損傷做簡單的修理，以防損傷進(jìn)一步擴(kuò)展。可修理損傷是指損傷的嚴(yán)重程度超過了許可損傷的范圍，致使結(jié)構(gòu)的強度、剛度等性能下降而加強的損傷。不可修理損傷是指超出可修理范圍極限的損傷，對此只能更換損失的原復(fù)合材料構(gòu)件。

2 飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷檢測方法

通過適當(dāng)方法對飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測是發(fā)現(xiàn)缺陷和損傷的重要技術(shù)手段?，F(xiàn)在針對飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷檢測的有效且常用的方式主要有目視檢測、敲擊、超聲波、X射線、渦流、紅外線成像檢測等，下面簡單介紹其基本原理和適用范圍。

2.1 目視檢測

目視檢查是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)完整性檢查的常用檢查方法。所有復(fù)合材料部件在進(jìn)行無損檢測之前，凡是能夠目視檢查到的部位，都必須進(jìn)行目視檢查。這一方法既不包括在無損檢測范圍內(nèi)，也不屬于破壞性檢查，但它是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)維修工作中實際應(yīng)用的重要檢查方法。在目視檢查時，因環(huán)境條件和檢查條件的不同，視線可達(dá)性和視力局限性以及要達(dá)到的檢查目的不同，往往需要借助照明光源、放大鏡和內(nèi)窺鏡等簡單的輔助工具。目視檢查能發(fā)現(xiàn)構(gòu)件常見的沖擊、凹痕、裂紋、外沿分層和脫膠、燒蝕等損傷。

2.2 敲擊檢測

敲擊檢測是基于聲學(xué)原理，用一小錘、硬幣等輕輕敲擊被檢測復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，根據(jù)聲音的變化確定損傷部位。這種方法對于檢查脫膠和分層損傷是最簡單和最通用的方法。當(dāng)用一枚硬幣或其他小的金屬件輕輕敲打沒有脫膠的夾芯結(jié)構(gòu)時，將會聽到清脆的金屬鈴聲。如果出現(xiàn)脫膠，將會聽到鈍的重?fù)袈?。敲擊的速率?yīng)當(dāng)足夠快，以便產(chǎn)生足夠的聲響并用耳朵來辨別任何的聲調(diào)差異。敲擊法可檢出分層、脫粘等損傷；最適合夾層結(jié)構(gòu)中脫粘損傷。最常見的檢測工具是根據(jù)被檢測結(jié)構(gòu)制作的敲擊小錘，敲擊錘可以是由有機(jī)玻璃、木質(zhì)、鋼、銅等制成。智能敲擊檢測是基于普通敲擊法基礎(chǔ)上結(jié)合聲振檢測原理，利用數(shù)字敲擊錘敲擊使待檢結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的機(jī)械振動來判斷構(gòu)件的強度和缺陷等的新型敲擊檢測方法，適用于蜂窩結(jié)構(gòu)檢測。敲擊有可能把結(jié)構(gòu)內(nèi)部原件變化所產(chǎn)生的聲調(diào)改變誤認(rèn)為缺陷。此外，這種方法不適于噪聲較大的環(huán)境，應(yīng)當(dāng)在盡可能安靜的地方，由熟悉零件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的人員進(jìn)行檢測。在檢查薄壁時，應(yīng)避免工作表面產(chǎn)生小的凹坑。

圖1 敲擊檢測實例

2.3 超聲檢測

超聲檢測技術(shù)是通過對超聲波與被檢件的相互作用后的反射或衰減進(jìn)行分析，從而根據(jù)回波或透過波的差異判斷損傷情況的一種檢測方法。用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷檢測的超聲波頻率一般在1～10MHz范圍，常用頻率為5MHz。該檢測方法技術(shù)已較為成熟，具有強穿透力、靈敏度高、方便安全等特點，檢測設(shè)備輕便且成本低，尤其是便攜式超聲波檢測儀，在外場維修檢測中使用十分方便。超聲波檢測技術(shù)目前是復(fù)合材料檢測中使用最廣泛的一種方法，適用于結(jié)構(gòu)的分層、脫膠、層間疏松、膠接氣孔和疏松、孔隙含量等損傷或缺陷的檢測。用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的超聲波檢測法主要有兩種：超聲脈沖反射法和超聲穿透法。超聲脈沖反射法通過超聲波探頭發(fā)射脈沖波到被測構(gòu)件內(nèi)，然后根據(jù)反射波的情況來確定構(gòu)件損傷或缺陷。超聲穿透法是依據(jù)脈沖波或連續(xù)波穿透構(gòu)件之后的能量變化來判斷損傷或缺陷。穿透法常采用兩個探頭，一個用作發(fā)射，另一個用作接收，分別放置在被測構(gòu)件的兩側(cè)進(jìn)行檢測，如圖2所示。

圖2 超聲穿透檢測

2.4 X射線檢測

X射線是一種能量高、波長短、穿透力強的電磁波，當(dāng)穿過某種物體時會由于其被吸收或散射而衰減導(dǎo)致強度下降。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中存在的孔穴、裂紋、疏松等缺陷或者和夾雜物部分對X光的吸收程度都與完好結(jié)構(gòu)部分不同。通過感光膠片對穿過構(gòu)件的X射線顯影并檢驗之后便可以判斷結(jié)構(gòu)中是否存在缺陷。除了上述缺陷外，采用此方法還可檢測復(fù)合材料構(gòu)件中的橫向裂紋。

圖3 射線檢測原理示意圖

2.5 渦流檢測

渦流檢測的基本原理是電磁感應(yīng)，可用于檢測導(dǎo)電材料的缺陷或損傷，檢測靈明度高。因此，采用渦流檢測法只能檢測導(dǎo)電的樹脂基復(fù)合材料的纖維斷裂損傷。渦流檢測能發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料表面的損傷和近表面的內(nèi)部損傷，尤為對斷裂損傷敏感，其最大優(yōu)點是在位檢測方便。渦流檢測分為高頻渦流檢測和低頻渦流檢測。高頻渦流用于檢測復(fù)合材料構(gòu)件表面或近表面的纖維斷裂與裂紋；低頻渦流用于檢測復(fù)合材料表面以下部分的裂紋。圖4所示為渦流檢測原理。渦流檢測除檢測損傷外，還可用于檢測復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)的厚度，例如，采用渦流檢測儀和探頭用于檢測機(jī)頭雷達(dá)罩的厚度，檢測誤差在±0.005in以內(nèi)。

圖4 渦流檢測原理

2.6 紅外線成像

紅外線成像是基于物體的熱輻射特性，利用被檢構(gòu)件的不連續(xù)性的缺陷對熱傳導(dǎo)性能的影響使構(gòu)件表面的紅外輻射能力發(fā)生變化，通過紅外照相將這種變化轉(zhuǎn)化為可見的溫度圖像，從而判斷構(gòu)件缺陷或者損傷的一種非接觸式檢測方法。它具有檢測靈敏度高、檢測效率高、檢測結(jié)果顯示直觀等特點，可用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的脫膠、撞擊損傷和積水的檢測。

其它檢測方法還有激光全息檢測、著色滲透、微波檢測等等。飛機(jī)上不同類型結(jié)構(gòu)、損傷的檢測所采用的方法是不同的。上述檢測方法各有優(yōu)缺點，并且相互之間往往不能完全替代，應(yīng)當(dāng)依據(jù)結(jié)構(gòu)損傷的具體情況和檢測需求選擇合適的一種或者多張方法，從而準(zhǔn)確、完整地檢測構(gòu)件的缺陷和損傷。另外，實際操作過程中還需要考慮資金成本、安全、實施的環(huán)境和工序等問題。

3 飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷評估

飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件的損傷評估是維修過程中重要的一個環(huán)節(jié)。如果飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)檢測出了損傷，就需要對其損傷進(jìn)行評估，并據(jù)此選擇修理方法和制訂修理方案。損傷評估主要從結(jié)構(gòu)（件）的重要程度、損傷的位置、損傷類型、損傷程度等方面綜合考慮。

結(jié)構(gòu)的重要程度可由其重要性確定，飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)包含關(guān)鍵部件、主要部件和次要部件。受損而失效會導(dǎo)致飛機(jī)發(fā)生危險甚至失事的部件為關(guān)鍵部件；主要部件受損而失效則會嚴(yán)重影響飛行正常操縱；次要部件則是指自身受損失效對飛機(jī)正常工作不產(chǎn)生干擾也不會發(fā)生人機(jī)安全問題的部件。修理關(guān)鍵部件時，應(yīng)十分小心謹(jǐn)慎，嚴(yán)格按照結(jié)構(gòu)修理手冊和工卡實施修理工作。損傷的程度包括損傷面積的大小、深淺和數(shù)量。采用相應(yīng)的檢測方法對復(fù)合材料部件的損傷區(qū)域?qū)嵤氐椎貦z測，可以確定損傷的程度。

損傷檢測時應(yīng)以可見損傷的最長軸單邊為中心的半徑100mm內(nèi)的圓形區(qū)域進(jìn)行檢測，如圖5所示。損傷類型根據(jù)產(chǎn)生原因和檢測結(jié)果界定。一個復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件有時會出現(xiàn)幾個相同或者不同性質(zhì)的損傷。對相鄰的損傷可按下面的原則來處理：如果兩個及兩個以上損傷靠得很近，則將它們視為一個整體損傷；具體的損傷距離x值在結(jié)構(gòu)修理手冊相關(guān)章節(jié)中給出，如圖6所示；對于分處不同結(jié)構(gòu)區(qū)域和跨結(jié)構(gòu)區(qū)域的同一種損傷，都應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)更高的結(jié)構(gòu)修理方法修理；相鄰區(qū)域的維修鋪層不可重疊，一般都要求滿足間隙≥5mm。

圖5 最小檢查區(qū)域

圖6損傷之間的距離

4 結(jié)束語

伴隨復(fù)合材料在飛機(jī)上的應(yīng)用范圍和重要性的增加，對其損傷的檢測和評估要求也相應(yīng)提高。通過合適的方法對飛機(jī)復(fù)合材料損傷檢測并按照相關(guān)進(jìn)行準(zhǔn)確的損傷評估，是制定具體維修方案和維修實施的前提和基礎(chǔ)，是保證飛行安全的重要技術(shù)手段。

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