無損檢測技術在飛機纖維增強樹脂層板結構上的應用

齊曉虎 李田宇

【摘 要】自20世紀中期以來復合材料在航空領域得到了廣泛的應用，目前波音787飛機的復合材料設計用量達到結構重量的百分之五十。進入21世紀以來，復合材料在飛機領域的應用達到了空前的規(guī)模，復合材料的大范圍應用不僅帶來了明顯的減重效益，而且使飛機的耐腐蝕、抗疲勞和雷達隱身等性能得到了改善和提高。而航空業(yè)對產品有著高質量、高可靠性、長壽命和高性能的嚴格要求，所以必須對復合材料進行嚴格的無損檢測來確保飛行安全。因此，發(fā)展先進可靠的復合材料無損檢測技術極其重要。

【關鍵詞】航空;復合材料;無損檢測

引言

在飛機結構中，使用最多的復合材料是纖維增強樹脂基復合材料，一般采用層壓工藝制成，也稱之為纖維增強層合復合材料，典型的結構形式有層壓板結構和三維編織結構，分別采用單向纖維或立體纖維按照一定方向鋪設并固化成型。與金屬材料相比，它具有比強度高，比剛度大，耐腐蝕，抗疲勞性能好等特點。纖維增強樹脂層板結構具有質量輕、強度高的特性。比如碳纖維增強樹脂基復合材料的強度相對鋁合金和鋼要高很多倍，并且擁有良好的穩(wěn)定性、減小摩擦、耐磨擦、不需要潤滑、不怕高溫、抗疲勞、消除聲音、不導電等特性。纖維增強樹脂層板結構還具有一個重要特性為各向異性，所以可以根據物體各個位置的強度剛度需要完成纖維的鋪設。

本文首先對無損檢測技術進行簡單概述，然后列舉出纖維增強樹脂層板結構在航空領域的應用及常見的損傷和缺陷類型，最后選擇出適合纖維復合材料使用的無損檢測方法。

1. 無損檢測技術

無損檢測是指在不損害或不影響被檢測對象使用性能，不傷害被檢測對象內部組織的前提下，利用材料內部結構異常或缺陷存在引起的熱、聲、光、電、磁等反應的變化。以物理或化學方法為手段，借助現(xiàn)代化的技術和設備器材，對試件內部及表面的結構、性質、狀態(tài)及缺陷的類型、性質、數(shù)量、形狀、位置、尺寸、分布及其變化進行檢查和測試的方法。無損檢測的方法很多，據美國國家宇航局調研分析，其認為可以分為六類約70余種。但是在實際應用中X射線和γ射線檢測技術、超聲波檢測技術、渦流檢測技術、液體滲透檢測技術和磁粉檢測技術是五種最常用、最成熟的檢測方法，通常被稱為常規(guī)無損檢測技術。

無損檢測是工業(yè)發(fā)展不可缺少的高效實用工具，在很大程度上反映了一個國家的工業(yè)發(fā)展水平，其重要性已獲得大家的公認。無損檢測的最大優(yōu)點就是可以在不破壞對象材質、結構的前提下進行探測。

2. 纖維增強樹脂基復合材料在飛機上的應用

目前，復合材料在飛機上的應用已非常廣泛，從國外情況看，各種先進的飛機都與復合材料的應用密不可分。復合材料在飛機上的用量和應用部位已成為衡量飛機結構先進性的重要指標之一[10]。

由于纖維復合材料的獨特制造工藝及應力區(qū)域情況復雜、各向異性等特點，與傳統(tǒng)的金屬材料相比，常見的缺陷類型和失效形式都有不同，纖維增強樹脂層板結構的常見缺陷有：纖維斷裂、基體擠壓、基體開裂和分層。為了避免復合材料構件失效帶來的損失，就必須采用適當?shù)募夹g來對微觀缺陷進行有效的檢測。

纖維增強復合材料在飛機上的使用由最開始的整流罩、艙門、安定面等次承力結構，目前已經廣泛地應用在機身、機翼等部位，往主承力部位發(fā)展。

機身、機翼都是飛機上的主要承力部位，在高速并且長時間受到交變應力的作用下，容易導致發(fā)生疲勞損傷，常見的損傷有微觀裂紋和分層，這種情況在飛機上的經常出現(xiàn)的。但是如果對這樣的損傷不及時發(fā)現(xiàn)并按規(guī)定要求進行處理，會使得裂紋擴大甚至導致整個構件斷裂。

本文主要針對纖維增強樹脂層板結構在飛機上出現(xiàn)的缺陷：裂紋、分層、孔隙進行無損檢測。

3.無損檢測方法的選擇

常規(guī)的無損檢測方法包括：射線檢測、超聲波檢測、渦流檢測、液體滲透檢測和磁粉檢測。選擇時需要對材料損傷類型、原因有了解，其次根據各種無損檢測方法的優(yōu)缺點、適用范圍選出最佳的檢測方法。

3.1射線檢測

射線檢測技術是采用射線，基于射線與物質相互作用的吸收與散射等，實現(xiàn)對被檢工件的材料質量與工藝質量等進行檢測的技術。射線檢測具有以下特點：生成的圖片能夠一直儲存，方便以后隨時查看。但檢測費用較大，探測時間較長，而且射線檢測時有輻射會影響人的身體。

3.2超聲波檢測

超聲波檢測就是通過發(fā)射超聲波到物體內部，對反射、散射和投射回來的超聲波進行分析，從而實現(xiàn)對物體缺陷尺寸、位置等的檢測。超聲波檢測可對金屬、非金屬、復合材料進行探測。而且檢測時只需要從物體其中一面靠近對象，檢測方便，對人身體無害，參數(shù)和相關波形均可存貯，以便以后調用。

3.3渦流檢測

渦流檢測的基礎為電磁感應，它的基本原理為：當載有交變電流的檢測線圈靠近導電試件時，由于線圈中交變的電流產生交變的磁場，從而試件中會感生出渦流。渦流的大小，相位及流動形式受到試件導電性能等的影響，而渦流的反作用磁場又使檢測線圈的阻抗發(fā)生變化。因此，通過測定檢測線圈阻抗的變化，就可以得出被測試件的導電性差別及有無缺陷等方面的結論。

渦流檢測時，被檢測的試件可以不與檢測線圈接觸，因此可以用于高速檢測，可以實現(xiàn)自動化處理。但對于一些外形復雜的零件則不易檢測，而且被測試件必須具有導電性，僅能用于檢測試件表面和近表面附近的缺陷，有一定的局限性，同時檢測結果易受其它外界因素干擾。

3.4磁粉檢測

磁粉檢測是當被磁化的鐵磁性物質外表或者近表面有損傷，導致這個地方的磁阻變得足夠大時，在物質外表產生漏磁場。將細微的磁粉施加在這個表面上，漏磁場吸附磁粉生成磁痕可以顯示出損傷的存在和形狀。

磁粉檢測可以直觀觀察出損傷的位置、形狀和大小，具有較高的靈敏度，較快的探測速度、檢測過程簡單、檢測成本較低。但磁粉檢測只能檢查鐵磁性材料，而且只能發(fā)覺表面和近表面缺陷，對于寬而淺的缺陷難以檢出。同時檢測時較難確定缺陷深度，檢測完通常要還需要退磁和清洗，有較大的局限性。

3.5滲透檢測

液體滲透法檢測的基礎是毛細作用，該方法可以探測非疏孔性金屬與非金屬物體外表面的裂紋損傷。讓參雜有熒光劑或有色染料的滲透液鋪放在物體外表，根據毛細作用原理，滲透液可以流入所有有裂紋的損傷中。等待一段時候后清除附著在試件表面上多余的滲透液，在紫外光或白光下的照射下，損傷處可分別發(fā)射出黃綠色的熒光或呈現(xiàn)紅色，采用目視檢測就可以觀察其形狀、大小和分布情況。滲透檢測檢測速度快，操作容易，缺陷顯示較為直接，靈敏度較高。但只能檢測非多孔性材料的表面開口缺陷。同時對工件和環(huán)境有污染。

綜合比較和考慮之后，針對纖維增強樹脂層板結構的復合材料，超聲波檢測是最佳的無損檢測方法。檢測時選擇脈沖反射單探頭直接接觸的方式。

4.結語

隨著科技的發(fā)展，復合材料結構在飛機上的使用比例越來越高，相應的復合材料的各類損傷也會越來越多。航空公司既要保證飛機的安全，確保飛機的適航性，同時還要提高飛機的使用率。這就意味著飛機維修的時間要盡可能縮短，以便增加收益。這就需要一種對損傷檢測又快又準的方法，無損檢測便很好的解決了這個問題。

無損檢測技術在國外已經運用多年，而在我國還處于起步階段。我們要加大科研力度，提高對無損檢測人才的培養(yǎng)，進而提高我國的無損檢測水平。

參考文獻：

[1]郁青，何春霞. 無損檢測技術在復合材料檢測中的應用[J]. 工程與試驗，2009（02）：24-29.

[2]張麗華，范玉青. 復合材料在飛機上的應用評述[J]. 航空制造技術，2006（03）：64-66.

[3]安治永，李應紅，梁華，等. 無損檢測在航空維修中的應用[J]. 無損檢測，2006（11）：598-601.