航空用纖維增強聚合物基復(fù)合材料無損檢測技術(shù)的應(yīng)用與展望

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(1.北京航空材料研究院，北京 100095;2.航空材料檢測與評價北京市重點實驗室，北京 100095;3.材料檢測與評價航空科技重點實驗室，北京 100095)

隨著國防工業(yè)的快速發(fā)展，復(fù)合材料在飛機和發(fā)動機上的應(yīng)用越來越多，使用的部位從尾翼、舵面等次承力結(jié)構(gòu)擴展到機翼等主承力結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)形式從簡單的梁式、板式結(jié)構(gòu)向夾層結(jié)構(gòu)、整體復(fù)雜結(jié)構(gòu)方向發(fā)展，制造工藝也由熱壓罐工藝向RTM(樹脂傳遞模塑成型)、VARI(真空輔助成型工藝)等工藝發(fā)展。航空用纖維增強聚合物基復(fù)合材料制件按結(jié)構(gòu)形式分類，主要有層板結(jié)構(gòu)、板板黏接結(jié)構(gòu)、板芯夾層結(jié)構(gòu)等；按形狀分類，主要有平板、曲面、腔體等；按制作工藝分類，主要有熱壓罐工藝、RTM工藝、纏繞工藝、共固化工藝等。

航空用復(fù)合材料及制件的快速發(fā)展，給無損檢測技術(shù)提出了更高的要求。復(fù)合材料制件中易出現(xiàn)的主要缺陷形式有分層、脫黏、夾雜、孔隙等，然而航空用復(fù)合材料制件種類的多樣化給無損檢測帶來了較大挑戰(zhàn)，主要困難表現(xiàn)在：① 不同結(jié)構(gòu)、不同制作工藝的復(fù)合材料制件中，缺陷信號的表現(xiàn)形式不同；② 復(fù)雜結(jié)構(gòu)制件的無損檢測可達性差；③ 不同種類復(fù)合材料制件有效適用的無損檢測方法不同等。近10年來，為滿足快速發(fā)展的航空用復(fù)合材料及制件的無損檢測需求，國內(nèi)無損檢測技術(shù)人員經(jīng)過刻苦鉆研，不斷實踐，參考國外先進技術(shù)，提高了國內(nèi)檢測水平，使國內(nèi)航空復(fù)合材料無損檢測技術(shù)水平得到了很大的提升。

1 無損檢測技術(shù)在航空復(fù)合材料及制件中的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 超聲檢測技術(shù)

超聲檢測技術(shù)在航空復(fù)合材料無損檢測中的應(yīng)用最為廣泛，國外復(fù)合材料制件通常要求100%進行超聲檢測，該方法可用于層板、板板膠接、板芯夾層等結(jié)構(gòu)，對分層、夾雜、脫黏、孔隙等缺陷具有較好的檢測效果。

1.1.1 鉚接結(jié)構(gòu)的檢測

兩塊復(fù)合材料層板通過鉚接結(jié)合是常見的一種復(fù)合材料組裝結(jié)構(gòu)。鉚接結(jié)構(gòu)外觀如圖1所示，鉚接過程中容易引起分層、裂紋等缺陷，采用超聲接觸式脈沖反射法或C掃描法，可以有效檢測出該類缺陷，其典型缺陷顯示信號如圖2所示。

圖1 鉚接結(jié)構(gòu)外觀

圖2 鉚接結(jié)構(gòu)典型缺陷顯示信號

1.1.2 孔隙率檢測

孔隙率是復(fù)合材料中的主要缺陷之一，對材料強度有較大影響。目前,國內(nèi)外普遍認為超聲衰減法的孔隙率檢測靈敏度高、可操作性強。圖3為復(fù)合材料孔隙率層板試件的底波聲衰減幅度與孔隙率對應(yīng)關(guān)系曲線。

圖3 復(fù)合材料孔隙率層板試件的底波聲衰減幅度與孔隙率對應(yīng)關(guān)系曲線

1.2 超聲相控陣檢測技術(shù)

在復(fù)合材料檢測中，超聲相控陣檢測技術(shù)主要通過對聲束的控制，實現(xiàn)常規(guī)超聲對不可達部位的檢測，以及對大平面的快速檢測[1-4]。應(yīng)用較多的部位有R角、空腔等復(fù)雜結(jié)構(gòu)及壁板、艙門等大平面結(jié)構(gòu)。圖4為某加筋壁板中R角結(jié)構(gòu)的超聲相控陣檢測系統(tǒng)外觀及檢測結(jié)果。

圖4 R角超聲相控陣檢測系統(tǒng)外觀及檢測結(jié)果

1.3 X射線檢測技術(shù)

復(fù)合材料的射線檢測主要利用射線檢測對體積型缺陷較為敏感的優(yōu)點，來檢測材料的變形、開裂、夾雜、積膠等缺陷。近年來DR(直接數(shù)字平板X射線技術(shù))、CR(計算機X射線照相技術(shù))、CT(電子計算機斷層掃描)等數(shù)字射線技術(shù)發(fā)展迅速，復(fù)合材料的射線檢測實現(xiàn)了實時顯示以及結(jié)果的數(shù)字化存儲效果。圖5為蜂窩結(jié)構(gòu)的X射線檢測結(jié)果示例。

圖5 蜂窩結(jié)構(gòu)的射線檢測結(jié)果示例

1.4 紅外熱像檢測技術(shù)

紅外熱像檢測是近年來發(fā)展起來的無損檢測新技術(shù)，其通過給材料表面施加一定熱激勵，測量物體表面溫度場的分布和變化來檢測缺陷。該技術(shù)主要用于薄板分層、薄蒙皮脫黏及蜂窩積水的檢測[5]，對埋深較大缺陷的檢測靈敏度較低。圖6為紅外檢測技術(shù)的典型缺陷檢測結(jié)果。

圖6 紅外檢測技術(shù)的典型缺陷檢測結(jié)果

1.5 激光散斑檢測技術(shù)

激光散斑檢測是對物體施加不同激勵(熱、真空、震動)，通過觀察缺陷部位微小位移變化產(chǎn)生的干涉條紋來判斷制件表面和內(nèi)部的缺陷信息的技術(shù)。該技術(shù)可用于薄層板分層、薄蒙皮脫黏及緊貼型缺陷的檢測。緊貼型缺陷部位雖然無空氣界面，但該處的結(jié)合力降低會使其受載后更易變形，從而可以使用激光散斑檢測技術(shù)檢測。圖7為激光散斑檢測復(fù)合材料的典型缺陷圖像。

圖7 激光散斑檢測復(fù)合材料的典型缺陷圖像

1.6 空氣耦合檢測技術(shù)

空氣耦合超聲檢測技術(shù)利用空氣作為超聲波的耦合劑，與工件非接觸、無需耦合、穿透能量高，可以用于多孔材料、蜂窩夾層結(jié)構(gòu)等傳統(tǒng)超聲難以穿透的復(fù)合材料的無損檢測中。圖8為采用空氣耦合技術(shù)對三層蜂窩膠接結(jié)構(gòu)的檢測結(jié)果。

圖8 空氣耦合檢測技術(shù)對三層蜂窩膠接結(jié)構(gòu)的檢測結(jié)果

2 航空復(fù)合材料無損檢測技術(shù)展望

隨著我國國防工業(yè)的快速發(fā)展，復(fù)合材料在航空飛機中的應(yīng)用不斷增加，其結(jié)構(gòu)形式與制作工藝越來越復(fù)雜多樣，對航空用復(fù)合材料無損檢測技術(shù)的可靠性和先進性的需求越來越迫切。今后，航空用復(fù)合材料無損檢測技術(shù)將進一步向以下方向發(fā)展[5-10]，以滿足不斷增長的航空用復(fù)合材料及制件高可靠性、高靈敏度的檢測需求。

2.1 現(xiàn)有工程化無損檢測技術(shù)的完善與發(fā)展

應(yīng)研制生產(chǎn)的多種型號飛機中復(fù)合材料的無損檢測需求，航空用復(fù)合材料的無損檢測技術(shù)已初步進入工程化應(yīng)用階段，但仍存在一些問題需要繼續(xù)完善與發(fā)展。

(1) 缺陷的定量化評價

航空用復(fù)合材料種類繁多，不同種類材料及制件中出現(xiàn)的缺陷類型也不相同，而目前行業(yè)內(nèi)缺少對缺陷信號統(tǒng)一識別與評判的方法，易造成各廠家檢測及評定的缺陷結(jié)果不一致的問題。針對這一問題，有必要在行業(yè)內(nèi)統(tǒng)一缺陷識別及評定方法，為各廠家檢測時提供一致性指導。

(2) 檢測標準體系的完善和健全

國內(nèi)公開發(fā)行的復(fù)合材料無損檢測標準較少，部分標準編制年代較早，已不滿足快速發(fā)展的無損檢測技術(shù)水平。另外，航空行業(yè)內(nèi)部也未建立起系統(tǒng)的復(fù)合材料無損檢測標準體系，如缺少復(fù)合材料檢測用設(shè)備和對比試塊的校驗方法、缺少新技術(shù)無損檢測方法等。今后，應(yīng)加強復(fù)合材料無損檢測技術(shù)標準體系的完善，特別是行業(yè)內(nèi)部檢測標準體系的完善，為航空用復(fù)合材料無損檢測的可靠性提供依據(jù)。

(3) 多種無損檢測技術(shù)融合應(yīng)用

每種無損檢測方法均有其優(yōu)勢和局限性，探索多技術(shù)融合的檢測技術(shù)可實現(xiàn)各檢測技術(shù)的優(yōu)勢互補，并以更合理的手段達到質(zhì)量評價的目的，提高檢測能力，這是未來無損檢測技術(shù)發(fā)展的新趨勢。

2.2 傳統(tǒng)無損檢測技術(shù)與現(xiàn)代多學科技術(shù)結(jié)合發(fā)展

采用計算機控制技術(shù)、機器人技術(shù)、先進制造技術(shù)、信息融合技術(shù)、人工智能技術(shù)等與無損檢測技術(shù)有機結(jié)合，提高無損檢測能力、檢測效率和可靠性，使無損檢測技術(shù)的應(yīng)用向規(guī)范化、科學化和自動化的方向發(fā)展。

(1) 與計算機、機械制造技術(shù)結(jié)合，使自動成像檢測方式替代手動檢測方式。

(2) 與數(shù)字圖像處理技術(shù)結(jié)合，使檢測結(jié)果由單一A掃描顯示向A掃描、B掃描、C掃描聯(lián)合顯示方向發(fā)展。

(3) 與計算機仿真技術(shù)結(jié)合，通過仿真與模擬，設(shè)計、優(yōu)化復(fù)雜檢測對象的檢測參數(shù)。

2.3 無損檢測新技術(shù)的成熟與工程化應(yīng)用

無損檢測新技術(shù)經(jīng)過長期的試驗與驗證，最終找準了各自的應(yīng)用方向，實現(xiàn)了工程化應(yīng)用。無損檢測新技術(shù)的發(fā)展過程如圖9所示。

圖9 無損檢測新技術(shù)發(fā)展過程