淺析復(fù)合材料的無損檢測(cè)技術(shù)

摘 要：無損檢測(cè)技術(shù)在對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行檢測(cè)的過程中，不會(huì)損壞材料的結(jié)構(gòu)以及形狀，不影響其使用性能，通過抽樣檢查或者逐漸檢查的方式，來獲取材料的結(jié)構(gòu)信息以及缺陷狀況。由于具有高的強(qiáng)度重量比和模量重量比，復(fù)合材料是十分有用結(jié)構(gòu)材料，不論微觀上還是宏觀上，復(fù)合材料都是多層的，非均勻的和各向異性的，復(fù)合材料中大部分不連續(xù)性與金屬中不同，而且斷裂機(jī)理要復(fù)雜得多。因此復(fù)合材料無損檢測(cè)形成了一套特有理論基礎(chǔ)及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。本文對(duì)于復(fù)合材料的無損檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了探討和研究，希望為以后的具體工作起到一定的參考作用。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；無損檢測(cè)；檢測(cè)系統(tǒng)；驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

1 無損檢測(cè)技術(shù)在復(fù)合材料檢測(cè)中的應(yīng)用概述

為了保證復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的完整性，必須對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確的缺陷以及損傷的檢測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)修復(fù)，進(jìn)而對(duì)材料的性能進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)和判斷。不同的復(fù)合材料，其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)各不相同，所選取的無損檢測(cè)方法也存在著差異，現(xiàn)階段，被廣泛應(yīng)用的無損檢測(cè)方法包括：X射線檢測(cè)無損檢測(cè)法、超聲波無損檢測(cè)法、計(jì)算機(jī)層析檢測(cè)法、紅外熱成像檢測(cè)法、聲發(fā)射法等，各種不同那個(gè)的無損檢測(cè)方法也都有自身的應(yīng)用范圍、優(yōu)點(diǎn)和缺陷。

2 無損檢測(cè)研究

由于高強(qiáng)度、高模量.脆性的增強(qiáng)劑均勻的與低強(qiáng)度、低模量、韌性的基體相結(jié)合而組成的纖維增強(qiáng)型塑料復(fù)合材料具有綜合優(yōu)良性能，近年來已獲得迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用.但由于制造工藝上的原因，使產(chǎn)品的質(zhì)量保證成了關(guān)鍵問題。

所有工程結(jié)構(gòu)都必須滿足一定工程任務(wù)的各項(xiàng)技術(shù)性能的要求。因而，當(dāng)設(shè)計(jì)某一結(jié)構(gòu)時(shí)，首先需要掌握該結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)度、模量、疲勞壽命等數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)又都是以一定的機(jī)械試驗(yàn)為基礎(chǔ)的.實(shí)際使用的結(jié)構(gòu)如果只是幾何形狀等項(xiàng)與設(shè)計(jì)要求相符，那是不夠的，更重要的是，工程結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量性能應(yīng)比試驗(yàn)件的質(zhì)量性能好。只有這樣，該工程結(jié)構(gòu)才能滿足使用要求而不會(huì)出現(xiàn)意外損壞，才算達(dá)到了構(gòu)件的質(zhì)量保證。無疑要做到這一點(diǎn)，使用的構(gòu)件必須不存在超過試驗(yàn)件的缺陷。

復(fù)合材料構(gòu)件的缺陷主要有三類：一是與纖維有關(guān)的缺陷；二是與樹脂基體有關(guān)的缺陷；三是由制造過程造成的缺陷，如纖維的損傷、纖維的不齊平、樹脂過多或過少、欠固化或過固化等等。

3 復(fù)合材料工藝的特點(diǎn)

一次成形制成組件或部件，二次加工量很少，因而材料缺陷總是呈現(xiàn)于完工的構(gòu)件中。保證質(zhì)量的手段之一是對(duì)纖維原料和基體材料的驗(yàn)收以及對(duì)制造工藝過程建立嚴(yán)格的技術(shù)條件.進(jìn)一步的措施是隨機(jī)的選取某一百分比的成件，按設(shè)計(jì)條件進(jìn)行抽樣破壞檢驗(yàn)。人們往往認(rèn)為，完善的從工藝上控制結(jié)構(gòu)的缺陷是最積極的措施。但是，因?yàn)槔w維增強(qiáng)塑料內(nèi)部構(gòu)造非常復(fù)雜，從結(jié)構(gòu)質(zhì)量的可靠性和經(jīng)濟(jì)性上分析，可以清楚的了解到這樣做是很不經(jīng)濟(jì)的，甚至是不可能的。由于復(fù)合材料的各向異性和工藝條件很難完全一致，抽檢件也難以代表批量整體。此外，還由于復(fù)合材料質(zhì)量的離散性，要使每個(gè)抽檢試件破損數(shù)據(jù)都在設(shè)計(jì)水平以上，只有在設(shè)計(jì)中取過于保守的安全系數(shù)。而這將使成本急劇增加，尤其是在結(jié)構(gòu)件的比強(qiáng)度有一定要求的場(chǎng)合下，難免會(huì)限制它的使用價(jià)值。

4 復(fù)合材料無損檢測(cè)的方法及理論分析

4.1 目視檢查

目視檢查是最廣泛使用的無損檢測(cè)方法。一般可觀察到的缺陷有褪色（由于過熱引起），表面劃傷，裂紋，起泡，標(biāo)皮表面，凹痕，表面起皺，不平度等。若材料是透明或半透明的，則可以發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件內(nèi)部的缺陷，如外來物夾雜、氣泡、疏松等。

4.2 聽音聽

音檢查是利用頻率范圍大約10HZ到20HZ的可聽音進(jìn)行，是一種用于檢測(cè)分層缺陷的常用技術(shù)。可以使用合適的物體敲擊任何需要檢查的區(qū)域，敲擊聲音清脆像鈴聲一般，表明復(fù)合材料結(jié)構(gòu)密實(shí)膠良好；若敲擊聲沉悶，像重?fù)袈?，表明?fù)合材料結(jié)構(gòu)有分層。現(xiàn)已研制出敲擊速度和敲擊力均一定測(cè)音裝置，用于損傷檢測(cè)。

4.3 射線照相

射線照相常用軟X射線透過復(fù)合材料（厚度方向）在底片成像，進(jìn)行缺陷檢測(cè)?？蓹z查外來夾雜、脫粘、空穴及內(nèi)部零件位置蜂窩蕊缺陷等。

4.4 超聲檢測(cè)

超聲檢測(cè)是以超聲波幾何及物理聲學(xué)中的各種特性為基礎(chǔ)，發(fā)展起來的一種無損檢測(cè)方法。在研究和實(shí)際應(yīng)用中超聲技術(shù)在復(fù)合材料的無損檢測(cè)中起著主要作用。超聲方法提供的許多參數(shù)可用以測(cè)試和表征不連續(xù)性，并決定復(fù)合材料的彈性性質(zhì)。反常和性質(zhì)變化將會(huì)影響透射入試件的超聲波束的強(qiáng)度、速度、散射、波型轉(zhuǎn)換以及反射特性。

當(dāng)聲波升垂直或按一定角度入射材料表面時(shí)，可得到不同類型的信息，為理解和預(yù)測(cè)波在復(fù)合材料中的行為及特點(diǎn)，需要發(fā)展一種理論來分析波在各向異性介質(zhì)層中的行為。文獻(xiàn)中已提出一種關(guān)于波在多層復(fù)合材料中傳播的一般理論。理論內(nèi)容在這里不詳細(xì)敘述。（圖1）給出了復(fù)合材料測(cè)試中的一般結(jié)構(gòu)，復(fù)合材料層壓包含N層（叫做“層狀體”），總厚為H，每一疊層都是同一取向纖維增強(qiáng)層，覆層之間取向可以不同，這取決于設(shè)計(jì)需要。假設(shè)層狀體在它們的界面上完整粘結(jié)。

4.4.1 頻譜分析

傳統(tǒng)的超聲測(cè)試是建立在將時(shí)間閾聲強(qiáng)對(duì)換能器面積積分的研究基礎(chǔ)上的。如果這些數(shù)據(jù)按頻閾用信號(hào)處理技術(shù)進(jìn)行分析就可得到頻率相關(guān)特征。超聲波與不連續(xù)性的相互作用，例如散射、吸收、特別是不連續(xù)性不同部位散射的弱波的干涉，都依賴于波的頻率，由寬頻換能器測(cè)得的信號(hào)的頻率包含著表征不連續(xù)性的有用信息，現(xiàn)已采用頻譜分析法研究諸如脫層之類不連續(xù)性。但目前頻譜分析用于不連續(xù)性測(cè)試仍受到限制，這是因?yàn)榇罅恳蛩兀ㄈ珩詈虾捅砻娲植诙龋┒加绊戭l譜，而這些影響又難以預(yù)料。解析方法已被用于從換能器特征信號(hào)分辨相關(guān)信號(hào)，這樣可減少損害不連續(xù)性信號(hào)散射因素的數(shù)量。進(jìn)一步困難是現(xiàn)在尚無可用的分析方法來估計(jì)復(fù)合材料中作為頻率函數(shù)的不連續(xù)性散射場(chǎng)。

4.4.2 諧振

當(dāng)復(fù)合板層厚為半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)。就形成諧振條件。為此，常使用低頻以減少測(cè)量中的衰減效應(yīng)。一般諧振法用于測(cè)試粘結(jié)結(jié)構(gòu)或探測(cè)結(jié)合層。諧振法也可用于測(cè)量不連續(xù)性深度，但它不如其它別的方法實(shí)用。深度測(cè)試需要制造大量的帶有不同尺寸及濃度的不連續(xù)性的校準(zhǔn)標(biāo)樣。另外測(cè)試結(jié)果受到加于探頭上的壓力，材料表面粗糙度的變化及彈性性質(zhì)變化的強(qiáng)烈影響。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，不同種類的無損檢測(cè)技術(shù)都有其自身的優(yōu)勢(shì)以及弊端，適用范圍也有所不同，對(duì)于大型復(fù)合材料的分層、裂紋、內(nèi)部缺陷都可以通過采用適當(dāng)?shù)臒o損檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)、判定和評(píng)價(jià)。技術(shù)人員可需要不斷的將檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行更新與優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的穩(wěn)步提高。

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作者簡(jiǎn)介：

王凱（1984- ），男，漢族，河南滎陽(yáng)人，碩士研究生，現(xiàn)任中國(guó)民航飛行學(xué)院洛陽(yáng)分院工程師，從事航空器工程技術(shù)管理工作。