淺談適用于復(fù)合材料的幾種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

賀夢(mèng)悅 黃 梅

（廣州大學(xué)-淡江大學(xué)工程結(jié)構(gòu)災(zāi)害與控制聯(lián)合研究中心 廣州 510006）

1 引言

復(fù)合材料由兩種或多種材料經(jīng)高溫高壓復(fù)合而成，因輕質(zhì)高強(qiáng)、比強(qiáng)度高、耐腐蝕、抗震和可塑性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)船舶、體育器材和建筑加固等行業(yè)，然而在生產(chǎn)加工、運(yùn)輸及服役過(guò)程中，由于材料的自身缺陷、人為因素或環(huán)境因素等將會(huì)帶來(lái)不同類(lèi)型和程度的損傷缺陷，常見(jiàn)缺陷包括分層、脫膠、纖維斷裂、夾雜、孔隙和裂紋等等。復(fù)合材料屬于非均勻各向異性材料，因此其無(wú)損檢測(cè)比各向同性的金屬更為復(fù)雜。人們起初嘗試將適用于金屬的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)用于復(fù)合材料，如超聲波檢測(cè)、射線檢測(cè)及智能敲擊檢測(cè)等。此外，根據(jù)復(fù)合材料的自身特性還發(fā)展了壓力傳感檢測(cè)[1]等新型技術(shù)。

2 國(guó)內(nèi)外主要無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

無(wú)損檢測(cè)通過(guò)觀察局部缺陷對(duì)聲、光、電、磁、熱的變化來(lái)確定缺陷的位置和程度。目前國(guó)內(nèi)外用于復(fù)合材料的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)主要包括超聲波、射線、智能敲擊、壓力傳感、聲發(fā)射和紅外熱成像等，本文將對(duì)其一一列舉。

2.1 超聲檢測(cè)技術(shù)

國(guó)際上，超聲檢測(cè)技術(shù)被用于近80%的無(wú)損檢測(cè)[2]，其優(yōu)點(diǎn)是穿透性強(qiáng)，可對(duì)缺陷進(jìn)行精確定位，但大多數(shù)情況需使用專(zhuān)用耦合劑、油或水等，使得探頭激發(fā)的超聲波能夠傳播至被測(cè)結(jié)構(gòu)。此外，不同的被測(cè)結(jié)構(gòu)需對(duì)應(yīng)不同探頭，尤其是泄露蘭姆波C掃描系統(tǒng)的探頭更需專(zhuān)門(mén)定制。目前空氣耦合超聲系統(tǒng)因無(wú)需耦合和快速檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)成為研究熱點(diǎn)，用于大型復(fù)合材料的無(wú)損檢測(cè)，北京工業(yè)大學(xué)的劉增華等人通過(guò)空氣耦合超聲系統(tǒng)發(fā)射和接收蘭姆波，分別從理論和實(shí)驗(yàn)兩部分對(duì)復(fù)合材料層合板內(nèi)的分層缺陷進(jìn)行了研究[3]。

2.2 射線檢測(cè)技術(shù)

X射線、計(jì)算機(jī)層析照相（CT）、紅外線、激光和微波等無(wú)損檢測(cè)均屬于射線檢測(cè)技術(shù)，此類(lèi)技術(shù)離不開(kāi)昂貴的儀器，操作復(fù)雜，需對(duì)操作人員進(jìn)行專(zhuān)業(yè)培訓(xùn)，且往往產(chǎn)生輻射危及人體健康。其中，X射線和CT掃描技術(shù)最早被應(yīng)用于醫(yī)療事業(yè)，以直觀圖像顯示，成像快速且易保存。X射線適合檢測(cè)體積型缺陷，可有效識(shí)別復(fù)合材料中的夾雜和孔隙，但應(yīng)注意偽象的干擾，對(duì)分層損傷不太敏感。而CT掃描技術(shù)因組成元素與人體相近，可通過(guò)被測(cè)物質(zhì)對(duì)輻射的吸收和衰減來(lái)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，可有效檢測(cè)復(fù)合材料的分層、夾雜和裂紋等，重慶大學(xué)的魏彪[4]指出CT技術(shù)是國(guó)際無(wú)損檢測(cè)界中最佳的無(wú)損檢測(cè)手段，同樣指出了國(guó)外先進(jìn)CT技術(shù)在高科技領(lǐng)域及森林資源檢測(cè)等領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，因此面對(duì)技術(shù)壟斷與封鎖，我國(guó)應(yīng)加大投資力度，發(fā)展和保護(hù)我們的研究成果。

2.3 智能敲擊檢測(cè)技術(shù)

傳統(tǒng)的敲擊技術(shù)是利用錘子、棒或硬幣等剛性物體對(duì)被測(cè)結(jié)構(gòu)施加激勵(lì)，根據(jù)回聲的音色進(jìn)行損傷有無(wú)的辨別。例如鐵路工人通過(guò)對(duì)鐵軌和車(chē)體的關(guān)鍵部位敲擊，當(dāng)回聲比較“悶”時(shí)，說(shuō)明敲擊點(diǎn)處受損，該技術(shù)雖簡(jiǎn)單快速，且無(wú)需龐大昂貴的檢測(cè)儀器，但易受主觀因素影響，過(guò)于依賴(lài)工作經(jīng)驗(yàn)，且往往僅能識(shí)別較大損傷的有無(wú)，對(duì)受損點(diǎn)的局部響應(yīng)難以對(duì)損傷的位置和大小及微小損傷不敏感。

而智能敲擊技術(shù)將傳感器與敲擊錘融合，有效避免了大量傳感器需固定于被測(cè)結(jié)構(gòu)的情形，通過(guò)對(duì)物體機(jī)械振動(dòng)信息的采集、放大和處理得到結(jié)構(gòu)的局部響應(yīng)，故不受背景噪聲的影響，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的冷勁松[5]通過(guò)采用智能敲擊技術(shù)對(duì)CFRP復(fù)合材料進(jìn)行了無(wú)損檢測(cè)，分別提取有損區(qū)和無(wú)損區(qū)的時(shí)域曲線指標(biāo)并進(jìn)行對(duì)比，包括撞擊持續(xù)時(shí)間、峰值力和頻域下的力幅值衰減速度三個(gè)指標(biāo)。然而，該技術(shù)也存在一定的缺陷，敲擊錘在敲擊之前的速度難以控制，且易出現(xiàn)撞擊“拖尾”的現(xiàn)象。

2.4 壓力傳感檢測(cè)技術(shù)

傳感器常用于對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)變、應(yīng)力、位移和速度等物理量的測(cè)量，常見(jiàn)的傳感器有壓電片、電阻應(yīng)變片、位移計(jì)和加速度計(jì)等，它們?cè)跍y(cè)試過(guò)程中往往易受電磁干擾，并需大量的電纜連接，或需要耦合劑。對(duì)此，近年來(lái)興起的光纖光柵傳感器因體積小、質(zhì)量輕、可實(shí)現(xiàn)單根光纖串聯(lián)多個(gè)光纖光柵等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于海洋船舶和地下管道監(jiān)控等，該技術(shù)避免了壓電片等傳統(tǒng)傳感器的線路復(fù)雜情況，可分布式粘貼于被測(cè)結(jié)構(gòu)表面或相嵌于內(nèi)部，尤其是微型光纖光柵傳感器能夠內(nèi)嵌于薄板結(jié)構(gòu)而不影響結(jié)構(gòu)性能。

2.5 其它檢測(cè)技術(shù)

除了以上幾種適用于復(fù)合材料的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，還有聲發(fā)射、紅外熱成像技術(shù)、微波檢測(cè)和渦流檢測(cè)技術(shù)等。其中聲發(fā)射主要用于復(fù)合材料承力結(jié)構(gòu)的檢測(cè)，對(duì)動(dòng)態(tài)缺陷敏感，其原理是當(dāng)結(jié)構(gòu)內(nèi)部或外部產(chǎn)生缺陷時(shí)，在應(yīng)力作用下易發(fā)生缺陷擴(kuò)展，并在缺陷周?chē)尫潘矐B(tài)彈性波。而紅外熱成像主要通過(guò)記錄被測(cè)結(jié)構(gòu)表面紅外輻射發(fā)的變化，分為有源和無(wú)源兩種，前者是通過(guò)對(duì)被測(cè)結(jié)構(gòu)加熱使其表面溫度上升，同時(shí)采用紅外成像儀中的光敏元件記錄被測(cè)結(jié)構(gòu)表面的紅外輻射能量分布，但該技術(shù)對(duì)較深的缺陷不敏感。

3 結(jié)束語(yǔ)

目前，復(fù)合材料的無(wú)損檢測(cè)正朝著智能化、自動(dòng)化、高效化和綜合化的方向發(fā)展，但傳感器的優(yōu)化布置和嵌入技術(shù)還需進(jìn)一步研究。應(yīng)針對(duì)不同的復(fù)合材料需求選擇最佳的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)對(duì)其的成本投入、生產(chǎn)加工、技術(shù)用途、服役環(huán)境和常見(jiàn)缺陷等多方面進(jìn)行綜合分析，最終將人工智能、傳感技術(shù)、信號(hào)采集、圖像處理和計(jì)算機(jī)技術(shù)等板塊充分融合，實(shí)現(xiàn)科學(xué)在役檢測(cè)，并對(duì)結(jié)構(gòu)剩余壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)和損后修復(fù)，從而形成一套成熟完備的標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)體系。

[1]葛 邦，楊 濤，高殿斌，李 明.復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展[J].玻璃鋼/復(fù)合材料，2009（06）：67～71.

[2]高鐵成，郭恒飛，趙傳陣，畢武，張微.航天復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀[J].天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，36（01）：71～76.

[3]Liu Z H，Hongtao Y U，Cunfu H E，et al.Delamination damage detection of laminated composite beams using air-coupled ultrasonic transducers[J].Science China（Physics,Mechanics&Astronomy），2013,56（7）：1269～1279.

[4]魏彪，先武.從14屆世界無(wú)損檢測(cè)會(huì)議看工業(yè)CT技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀[J].無(wú)損檢測(cè)，1997（10）：298～299.

[5]冷勁松，杜善義，王殿富，李全龍.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)敲擊法無(wú)損檢測(cè)的靈敏度研究[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，1995（04）：99～105.