復(fù)合材料的無損檢測

周勝蘭

在對飛機(jī)的檢測中，無損檢測是一種非常重要的手段。所謂無損檢測，是指以不損壞目前及將來使用功能和使用可靠性的方式，對材料、制件進(jìn)行宏觀缺陷檢測、幾何特性測量、化學(xué)成分分析、組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能變化表征，并進(jìn)而就材料或制件對特定應(yīng)用的適用性進(jìn)行評價(jià)。

近年來，隨著復(fù)合材料在商用飛機(jī)上的用量不斷增加，復(fù)合材料的無損檢測引起了業(yè)界的高度關(guān)注。

由于具有比強(qiáng)度和比剛度高、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，先進(jìn)復(fù)合材料正成為新一代民用飛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)材料，如波音787、空客A350等機(jī)型的復(fù)合材料設(shè)計(jì)用量已經(jīng)達(dá)到或超過結(jié)構(gòu)重量的50%。從某種程度上說，復(fù)合材料用量已經(jīng)成為現(xiàn)代商用飛機(jī)先進(jìn)性的一個(gè)重要標(biāo)志。

與傳統(tǒng)的金屬材料結(jié)構(gòu)相比，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)是一種通過基體-增強(qiáng)物之間的物理結(jié)合和鋪層設(shè)計(jì)，來達(dá)到預(yù)期性能的集材料和工藝于一體的新型材料結(jié)構(gòu)。因此，復(fù)合材料的無損檢測不能簡單沿用金屬材料檢測的方法，而必須根據(jù)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用新的無損檢測技術(shù)和方法。

近年來，國內(nèi)外對復(fù)合材料的無損檢測主要采用了超聲檢測、空氣耦合超聲檢測、激光超聲檢測、相控陣超聲檢測、紅外熱成像檢測、激光全息（散斑）檢測、聲發(fā)射檢測等方法。作為行業(yè)龍頭，美國波音公司在復(fù)合材料的無損檢測方面積累了較為豐富的經(jīng)驗(yàn)，其在787客機(jī)上的一些創(chuàng)新做法值得我們借鑒。

787在設(shè)計(jì)時(shí)采用了電子化結(jié)構(gòu)，使得更多的系統(tǒng)處于電子監(jiān)控之下，以電子監(jiān)控取代過去的目視檢查，并在復(fù)合結(jié)構(gòu)中嵌入了先進(jìn)的狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，這種結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化大大減輕了運(yùn)營商定期檢修的負(fù)擔(dān)。787的無損檢測除了通用部分外，幾乎沒有涉及具體位置的檢測。

射線檢測部分。787無損檢測的射線檢測部分所涉及的檢查方法與傳統(tǒng)機(jī)型一致。

超聲檢測部分。787無損檢測的超聲檢測部分針對不同的檢測要求和檢測環(huán)境引入了新的檢測技術(shù)。例如，針對BMS 8-276材料的損傷檢測及膠接修補(bǔ)檢測，除了增加A掃描外，還增加了超聲相控陣C掃描；針對BMS 8-276材料蒙皮與加強(qiáng)條的脫膠檢測，引入了一種新的滾輪式探頭，這種探頭可以快速且高質(zhì)量地完成掃查；針對BMS 8-276材料機(jī)身蒙皮、機(jī)翼或者尾部結(jié)構(gòu)等大面積檢測離層，波音引入了件號為MAUS V的檢測系統(tǒng)，該檢測系統(tǒng)為C掃描系統(tǒng)，采用水作為耦合劑；針對BMS 8-276材料大面積檢測離層及蒙皮與加強(qiáng)條脫膠，采用OMNISCAN系列儀器，搭配滾輪式超聲相控陣探頭，可以非常高效地完成大區(qū)域掃查；針對蜂窩結(jié)構(gòu)蒙皮與芯的脫膠檢測，引入了一種C掃描檢測方法，這種檢測方法相比傳統(tǒng)方法具有更高的檢測靈敏度；針對BMS 8-276檢測離層及蒙皮與加強(qiáng)條脫膠的情況，波音還引入了一種超聲相機(jī)檢測技術(shù)，該檢測技術(shù)可以采用多種顯示方式，檢測結(jié)果顯示直觀。

渦流檢測部分。787無損檢測的渦流檢測部分與傳統(tǒng)機(jī)型分別在延展鋁箔表面的漆層厚度測量及鈦合金的近表面裂紋檢測有所不同。對于延展鋁箔表面的漆層厚度測量，波音所使用的儀器為常規(guī)的涂層測厚儀，如福斯特公司生產(chǎn)的FMP系列儀器。該測量的典型應(yīng)用區(qū)域?yàn)榘l(fā)動機(jī)整流罩等有延展鋁箔覆蓋的區(qū)域。對于鈦合金的近表面裂紋檢測，所使用的儀器和探頭與鋁合金近表面裂紋檢測類似。

紅外檢測部分。對于787，由于其鋁合金使用量的大幅減少及復(fù)合材料使用量的大幅增加，其非例行工作將轉(zhuǎn)為復(fù)合材料脫膠、分層、雷擊及意外撞擊等損傷的修復(fù)。除了一般的復(fù)合材料損傷檢測方法外，波音對787的結(jié)構(gòu)檢測還提供了一種新的實(shí)心層壓結(jié)構(gòu)復(fù)合材料損傷快速檢測方法。該方法采用斜坡?lián)p傷檢測儀，可以在目視發(fā)現(xiàn)損傷后，用該儀器快速測量隱藏?fù)p傷或分層的范圍。