纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)方法進(jìn)展

黃領(lǐng)才

西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院，西安 710072

復(fù)合材料是由兩種或兩種以上材料通過(guò)復(fù)雜方式組合而成的，這種新型材料具備卓越的綜合性能［1］。這種特殊的組合使材料的強(qiáng)度、硬度和重量都有顯著改善。復(fù)合材料憑借其卓越的性能和獨(dú)特的性質(zhì)，已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，尤其是航空航天、汽車制造、軍事、船舶和建筑等領(lǐng)域，其中最具代表性的是纖維增強(qiáng)聚合物（FRP）復(fù)合材料［2］?，F(xiàn)如今，波音787 客機(jī)中有近一半的材料都采用了復(fù)合材料［3］。

盡管復(fù)合材料在實(shí)踐中的應(yīng)用具有顯著優(yōu)勢(shì)，但在制造和裝配過(guò)程中，F(xiàn)RP 復(fù)合材料容易出現(xiàn)各類復(fù)雜的缺陷或在使用過(guò)程中出現(xiàn)磨損現(xiàn)象［4-5］。這些缺陷主要由低速?zèng)_擊引發(fā)的極難被肉眼察覺(jué)的沖擊損傷（BVID）導(dǎo)致，如裂紋、脫粘、分層及纖維斷裂等［6-7］，這類缺陷可能會(huì)不斷擴(kuò)大，進(jìn)而引發(fā)結(jié)構(gòu)的整體性破壞。因此準(zhǔn)確識(shí)別此類缺陷并制定嚴(yán)格的容限標(biāo)準(zhǔn)以防止此類失效現(xiàn)象的發(fā)生顯得至關(guān)重要［8-9］。在美國(guó)聯(lián)邦航空管理局發(fā)布的飛機(jī)審定指南中，也充分體現(xiàn)了損傷容限的重要性［10］。

無(wú)損測(cè)試和評(píng)估（NDT&E）通過(guò)設(shè)計(jì)周密的測(cè)試程序進(jìn)行有效的檢測(cè)與監(jiān)控，旨在防止損傷的蔓延和相關(guān)的負(fù)面影響。NDT&E 提供了在預(yù)定時(shí)間間隔內(nèi)識(shí)別、定位和量化缺陷的手段。因此為確保無(wú)損檢測(cè)技術(shù)與復(fù)合材料實(shí)際應(yīng)用的高效整合，充分理解損傷表征的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)最新發(fā)展至關(guān)重要。

本研究對(duì)NDT&E 技術(shù)的最新進(jìn)展，特別是針對(duì)FRP 復(fù)合材料的檢測(cè)和評(píng)估進(jìn)行了深入回顧，同時(shí)也概述了相關(guān)后處理技術(shù)及每種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。此外，根據(jù)4 個(gè)關(guān)鍵準(zhǔn)則（測(cè)試對(duì)象尺寸、測(cè)試時(shí)間、測(cè)試成本和測(cè)試方式）對(duì)特定應(yīng)用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的適用性進(jìn)行了評(píng)估。采用層次分析法分析無(wú)損檢測(cè)技術(shù)并根據(jù)文獻(xiàn)中的相關(guān)準(zhǔn)則、基于真實(shí)信息對(duì)備選方案進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 無(wú)損檢測(cè)與評(píng)估技術(shù)

一般而言，在避免對(duì)被測(cè)物體造成損害的前提下，使用無(wú)損檢測(cè)與測(cè)試方法對(duì)其表面和內(nèi)部缺陷進(jìn)行識(shí)別和表征已成為公認(rèn)做法［4］。在無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域中，目視檢測(cè)（VI）被廣泛應(yīng)用，被視作是檢測(cè)的首要步驟。對(duì)缺陷進(jìn)行檢測(cè)的過(guò)程可通過(guò)使用沖擊敏感涂層、液體滲透劑和磁性顆粒等方式進(jìn)行加強(qiáng)［11］。目視檢測(cè)方法不僅簡(jiǎn)單易行且價(jià)格低廉，對(duì)技能的要求也不高，但其適用范圍僅限于可見(jiàn)的近表面缺陷［12］。除此之外，還有其他多種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)可供選擇，如聲發(fā)射檢測(cè)、超聲波檢測(cè)、紅外熱成像檢測(cè)、激光錯(cuò)位散斑干涉檢測(cè)、數(shù)字圖像相關(guān)檢測(cè)、渦流檢測(cè)、太赫茲成像檢測(cè)、微波檢測(cè)、電學(xué)層析成像檢測(cè)和X 射線檢測(cè)等。

1.1 聲發(fā)射檢測(cè)

聲發(fā)射（Acoustic Emission，AE）檢測(cè)是一種獨(dú)特于傳統(tǒng)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的方法，采用無(wú)外施激勵(lì)的聲學(xué)手段進(jìn)行測(cè)量。其基本原理是探知材料在承載過(guò)程中引發(fā)的塑性形變、裂紋生成與擴(kuò)充及剝離等諸多變化引起的區(qū)域源能量高速釋放，進(jìn)而產(chǎn)生的瞬態(tài)彈性波或音爆現(xiàn)象，即聲發(fā)射信號(hào)，并依據(jù)檢獲的聲發(fā)射信號(hào)特征研究判斷材料的破壞起點(diǎn)、損害演進(jìn)過(guò)程及最終失效情況［13］。其核心參數(shù)是從時(shí)域波形聲發(fā)射信號(hào)中提取的最大幅度值（Maximum Amplitude）、上升時(shí)間（Rise Time）、下沉?xí)r間（Decay Time）及振動(dòng)次數(shù)（Counts）等關(guān)鍵指標(biāo)［14］。這一技術(shù)與其他檢測(cè)技術(shù)相比不依賴于缺陷尺寸，因此適用于微觀缺陷檢測(cè)［12，15］。聲發(fā)射技術(shù)具備多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，如對(duì)任何形式的缺陷都具備敏感性、在損傷識(shí)別和定位方面具備很高的準(zhǔn)確性、可提供有關(guān)損傷起始的信息、能準(zhǔn)確識(shí)別分層和裂紋等損傷模式［16-21］。圖1［22］為聲發(fā)射檢測(cè)示意圖。

圖1 聲發(fā)射檢測(cè)示意圖［22］Fig.1 Schematic of acoustic emission test［22］

一些研究已將聲發(fā)射技術(shù)用于監(jiān)測(cè)FRP 復(fù)合材料在拉伸和彎曲等力學(xué)試驗(yàn)中的缺陷，實(shí)驗(yàn)收集的聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)不僅涵蓋振幅，還包括各種其他形式的參數(shù)，這些參數(shù)與各種類型的缺陷密切相關(guān)。然而振幅作為信號(hào)分析中的重要參數(shù)，在檢測(cè)過(guò)程中可能會(huì)受衰減、散射、反射和折射等因素影響［23］。其他聲發(fā)射信號(hào)能量參數(shù)在描述缺陷特征時(shí)展現(xiàn)出更強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，這一點(diǎn)在文獻(xiàn)［24-27］中得到了證實(shí)，研究者們?cè)诓煌臋C(jī)械測(cè)試中使用聲發(fā)射信號(hào)能量參數(shù)預(yù)測(cè)分層的開始和擴(kuò)展，這一現(xiàn)象證明其比振幅更具優(yōu)勢(shì)，因能量參數(shù)對(duì)擴(kuò)展現(xiàn)象的敏感性相對(duì)較低。

然而一些研究在分析因缺陷引起的動(dòng)態(tài)信號(hào)時(shí)采用了不同的后處理方法及基于單一聲發(fā)射參數(shù)的方法［25-27］，使記錄數(shù)據(jù)的處理和分析更具挑戰(zhàn)性。如多個(gè)機(jī)制之間的重疊需仔細(xì)分析以區(qū)分這些機(jī)制［24，28］。此外缺陷以外的聲源會(huì)給信號(hào)帶來(lái)隨機(jī)噪聲［29-30］，從而增加了解碼采集數(shù)據(jù)的復(fù)雜性。

解決將采集到的數(shù)據(jù)與損壞機(jī)制相關(guān)聯(lián)問(wèn)題的常見(jiàn)方法是采用多個(gè)聲發(fā)射參數(shù)或整合聲發(fā)射技術(shù)與其他技術(shù)。當(dāng)采用多個(gè)聲發(fā)射參數(shù)時(shí)，可采用兩個(gè)或多個(gè)聲發(fā)射參數(shù)提高損傷表征的準(zhǔn)確性。許多研究采用從記錄的聲發(fā)射信號(hào)中提取多參數(shù)的方法區(qū)分不同模式損傷［31］。與文獻(xiàn)［25-26］中使用的方法相比，上述方法提供了更精準(zhǔn)的損傷分析，因它可區(qū)分特定的損傷模式。如基體開裂的波形特征主要表現(xiàn)為持續(xù)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)、上升時(shí)間較慢、振幅較低和能量相對(duì)較低。因此采用聲發(fā)射信號(hào)的多個(gè)參數(shù)能有效檢測(cè)、識(shí)別和定位缺陷。然而典型的聲發(fā)射特征會(huì)受聲發(fā)射設(shè)備設(shè)置、聲發(fā)射源與傳感器之間的距離等因素影響，導(dǎo)致與許多損傷模式未知內(nèi)在特征的一致性變得復(fù)雜，尤其是當(dāng)這些損傷模式重疊時(shí)。

此外，環(huán)境干擾（如噪聲）也會(huì)對(duì)這些聲發(fā)射特征產(chǎn)生影響［32-33］。Xu［32］和Friedrich［33］等運(yùn)用基于小波包分解（WPD）的聚類方法解決了這一問(wèn)題，并通過(guò)分析AE 信號(hào)的特征分別計(jì)算出其他全局參數(shù)，包括b值、升角、平均頻率、頻率譜密度和c值，從而能簡(jiǎn)單、精確地呈現(xiàn)損傷演變的不同方面，并減少對(duì)傳感器類型的依賴。此外這些全局參數(shù)還能進(jìn)一步揭示復(fù)合材料中的主要應(yīng)力/應(yīng)變成分。Kalteremidou 等［34］研究了聲發(fā)射技術(shù)在表征損傷發(fā)生前應(yīng)力/應(yīng)變場(chǎng)發(fā)展方面的潛力，研究結(jié)果表明聲發(fā)射特征（包括上升時(shí)間、平均頻率、費(fèi)利西蒂比）可區(qū)分不同的應(yīng)力成分。

在聲發(fā)射技術(shù)與其他技術(shù)的協(xié)同應(yīng)用中，不同的研究將聲發(fā)射技術(shù)與不同的技術(shù)結(jié)合進(jìn)行損傷評(píng)估，提供了一種實(shí)用的損傷監(jiān)測(cè)和定位方法［35-37］。另聲發(fā)射技術(shù)可實(shí)現(xiàn)損傷定位。在確定損傷位置時(shí)，Saeedifar 等［38］成功利用經(jīng)散射還原處理的聲發(fā)射信號(hào)的到達(dá)時(shí)間、速度確定了分層裂紋尖端位置。Eaton 等［39］開發(fā)了一種稱為Delta T-mapping 的損傷定位算法，將定位精度提高了50 mm。此外，Zhou 等［19］開發(fā)了一種改進(jìn)的基于聲發(fā)射的沖擊定位估計(jì)算法，解決了結(jié)構(gòu)邊界反射波形導(dǎo)致定位精度降低的問(wèn)題，該算法可預(yù)測(cè)沖擊位置，估計(jì)誤差為3.7%。

綜上所述，聲發(fā)射技術(shù)是一種卓越的損傷診斷工具，具有實(shí)現(xiàn)損傷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的巨大潛力。表1［24-27，31-33，35，37，39-41］介紹了復(fù)材結(jié)構(gòu)中使用聲發(fā)射技術(shù)進(jìn)行損傷診斷的情況。聲發(fā)射技術(shù)具備靈敏度高、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、早期和迅速的損傷識(shí)別能力，可定位缺陷并對(duì)損傷進(jìn)行分類。然而，它對(duì)環(huán)境噪聲敏感，采集率及測(cè)量值較高，從而導(dǎo)致設(shè)備造價(jià)昂貴，只能在樣品受壓過(guò)程中追蹤損傷動(dòng)態(tài)變化，無(wú)法明確損傷的嚴(yán)重程度（深度、大小、分布）。聲發(fā)射信號(hào)檢測(cè)技術(shù)對(duì)大型構(gòu)件，尤其是那些結(jié)構(gòu)外形復(fù)雜、材質(zhì)混雜且界面豐富的大型復(fù)材構(gòu)件，能精確無(wú)誤地實(shí)時(shí)定位構(gòu)件內(nèi)部可能存在的各種缺損情況及其類型。鑒于當(dāng)下復(fù)合材料在各類工程領(lǐng)域中的廣泛運(yùn)用，這項(xiàng)技術(shù)無(wú)疑具備巨大的發(fā)展?jié)摿?，展示著廣闊的前景。

表1 復(fù)材結(jié)構(gòu)使用聲發(fā)射的損傷診斷Table 1 Damage diagnostics in composite structures using acoustic emission

聲發(fā)射技術(shù)是一項(xiàng)仍處于發(fā)展階段的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，它在缺陷識(shí)別、狀態(tài)監(jiān)測(cè)及結(jié)構(gòu)評(píng)估等多個(gè)領(lǐng)域仍有改進(jìn)之處：首先，針對(duì)復(fù)合材料內(nèi)部各項(xiàng)損傷乃至破壞模式產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)特征參量，需采取更為精確深入的方式獲取，以期能更好地挖掘聲發(fā)射信號(hào)特征值的獨(dú)特性。值得注意的是由于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在不同失效模式下表現(xiàn)出的聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)往往受多種因素綜合影響，其取值范圍相當(dāng)廣泛。同時(shí)各類失效模式對(duì)應(yīng)的聲發(fā)射信號(hào)中往往包含大量噪聲干擾及其他失效模式的混疊信號(hào)，因此如何有效地區(qū)分這些復(fù)雜信號(hào)并提升分析精度就顯得尤為重要和緊迫。其次，應(yīng)積極嘗試將聲發(fā)射信號(hào)與其相關(guān)聯(lián)的復(fù)合材料本身特性及其在加載過(guò)程中展現(xiàn)出的應(yīng)力、應(yīng)變及變形特性結(jié)合，以便能更全面深刻地揭示復(fù)合材料的損傷和破壞機(jī)制［14］。

1.2 超聲波檢測(cè)

超聲波檢測(cè)（UT）是一種基于超聲波在被檢測(cè)結(jié)構(gòu)中傳播的主動(dòng)聲學(xué)無(wú)損評(píng)估技術(shù)。超聲波檢測(cè)的工作原理在某些方面類似于回聲探測(cè)。通過(guò)在壓電晶體上施加電荷產(chǎn)生短脈沖超聲波，壓電晶體在極短的時(shí)間內(nèi)以與晶體厚度相關(guān)的頻率振動(dòng)。在探傷過(guò)程中，這個(gè)頻率通常為1～6 MHz，這個(gè)頻率的振動(dòng)或聲波能在均質(zhì)彈性材料（如許多金屬）中傳播很遠(yuǎn)的距離，且衰減很?。?2］。一般來(lái)說(shuō)，壓電傳感器、電磁聲學(xué)傳感器和激光源皆可產(chǎn)生超聲波［43-44］。由缺陷導(dǎo)致的信號(hào)強(qiáng)度、能量和飛行時(shí)間等形式的超聲波特征變化使該技術(shù)適用于復(fù)合材料和金屬結(jié)構(gòu)的質(zhì)量控制、厚度測(cè)量和損傷檢測(cè)［45-53］。根據(jù)超聲產(chǎn)生源的不同，超聲波檢測(cè)可分為接觸式和非接觸式兩種，包括浸入式系統(tǒng)和空氣耦合系統(tǒng)。圖2［54］為超聲波檢測(cè)示意圖。表2［2，47，55-61］列出了采用不同超聲波檢測(cè)發(fā)生源的相關(guān)文獻(xiàn)。

表2 超聲波測(cè)試損傷表征Table 2 Damage characterization using ultrasonic test

圖2 超聲波檢測(cè)示意圖［54］Fig.2 Schematic of ultrasonic test［54］

接觸式超聲波檢測(cè)是指超聲波傳感器與被測(cè)物體表面緊密接觸的情況。盡管有幾項(xiàng)研究使用接觸式超聲波技術(shù)進(jìn)行損傷評(píng)估，但相位陣列超聲波檢測(cè)（PAUT）被認(rèn)為是一種革命性的接觸式超聲波檢測(cè)系統(tǒng)。與傳統(tǒng)超聲波檢測(cè)傳感器相比，它能改善超聲波信號(hào)的衰減特性和分辨率，從而簡(jiǎn)化復(fù)雜形狀的檢測(cè)工作［29，55-56］。從表2 可看出一些研究人員證明了PAUT 在檢測(cè)、定位和觀察損傷方面的實(shí)用性［47，55-56］。然而由于衰減和聲阻抗失配等傳播現(xiàn)象會(huì)嚴(yán)重影響超聲波傳播，接觸式超聲波系統(tǒng)需校準(zhǔn)信號(hào)以確保測(cè)量準(zhǔn)確性。Rakotonarivo 等［57］為解決這一問(wèn)題提出了一種超聲波接觸方法，只需一個(gè)壓電傳感器，無(wú)需在校準(zhǔn)介質(zhì)中進(jìn)行參考測(cè)量。此外，浸入式超聲波檢測(cè)系統(tǒng)是解決這一問(wèn)題的另一種途徑。在浸入式測(cè)試系統(tǒng)中傳感器和測(cè)試材料都浸入水中。水有助于超聲波在試樣中的傳播，確保了耦合的一致性，并便于操作傳感器和/或材料。如表2 所示，這些研究成功地檢測(cè)到了局部缺陷，但還需進(jìn)一步分析以便將信號(hào)與基體裂紋、纖維斷裂和脫粘等損傷模式關(guān)聯(lián)。然而由于被檢測(cè)結(jié)構(gòu)的尺寸或形狀，導(dǎo)致液體的使用在某些工業(yè)應(yīng)用中具有挑戰(zhàn)性。此外由于需對(duì)水進(jìn)行維護(hù)、過(guò)濾、儲(chǔ)存、噴灑和洪澇防控，因此水的使用會(huì)增加檢測(cè)成本。與其他類型的耦合介質(zhì)相比，空氣具有明顯的成本優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還能提高檢測(cè)效率。氣基超聲波檢測(cè)系統(tǒng)在損傷評(píng)估中的實(shí)用性在Derusova［58］、Shin［59］和Bustamante［62］等的研究中得到了證明，氣基超聲波檢測(cè)與其他超聲波檢測(cè)方法相比成本更低。

綜上所述，基于超聲波檢測(cè)的無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)在表征不同F(xiàn)RP 基材料缺陷方面已展現(xiàn)出其強(qiáng)大的功能。然而超聲波檢測(cè)技術(shù)仍面臨著一些挑戰(zhàn)，表2 突出了這些方法的優(yōu)點(diǎn)和局限性。不同領(lǐng)域的碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）構(gòu)件往往具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、材料特殊、更新迭代迅捷等特點(diǎn)，這就對(duì)先進(jìn)超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)和設(shè)備提出了更高要求。高精度、自動(dòng)化、智能化及工程化逐漸成為未來(lái)超聲檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。在航空航天領(lǐng)域，對(duì)CFRP 各種缺陷的檢測(cè)必須結(jié)合各種先進(jìn)超聲波檢測(cè)及成像技術(shù)進(jìn)行交叉整合，以期提升檢測(cè)效率。此外有必要開展CFRP 復(fù)合材料聲學(xué)特性及檢測(cè)模型的基礎(chǔ)研究，提升CFRP 的檢測(cè)精準(zhǔn)度與可靠性。

針對(duì)先進(jìn)超聲波檢測(cè)技術(shù)，必須依據(jù)復(fù)雜CFRP 構(gòu)件的檢測(cè)研究確定合適的缺陷檢測(cè)方法、位置標(biāo)定、類型判定及并行控制技術(shù)等，進(jìn)一步提高與其他先進(jìn)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合的自動(dòng)檢測(cè)精度和效率。另隨人工智能快速發(fā)展，可結(jié)合多種超聲波技術(shù)檢測(cè)CFRP 缺陷，并利用深度學(xué)習(xí)等方法優(yōu)化相關(guān)參數(shù)。機(jī)器人技術(shù)可幫助檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)、自動(dòng)化、智能化等操作，可用于大型復(fù)雜CFRP 構(gòu)件和高精度區(qū)域的無(wú)損檢測(cè)，達(dá)到更好的檢測(cè)效果［63］。

1.3 紅外熱成像檢測(cè)

紅外熱成像技術(shù)（IRT）是一種快速無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，其工作原理是運(yùn)用熱輻射與溫度間的精確對(duì)應(yīng)性，通過(guò)多種形態(tài)的主動(dòng)熱激勵(lì)使物體表層溫度分布的差異得以呈現(xiàn)，從而對(duì)物體的非均質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確定位和有效識(shí)別。當(dāng)熱信號(hào)作用于物體表面時(shí)，若材料均勻且在其傳播方向上沒(méi)有缺陷，熱波將在材料內(nèi)部平穩(wěn)傳播。最終積聚于表面的熱響應(yīng)信號(hào)將呈現(xiàn)出均勻的分布形式，即試樣表面的溫度分布保持一致且無(wú)任何異?，F(xiàn)象出現(xiàn)。然而若試樣存在缺陷，熱波傳至其位置時(shí)將會(huì)發(fā)生反射，使表面溫度分布產(chǎn)生極大突變［64］。其核心參數(shù)包括熱導(dǎo)率、密度、溫度和比熱容。圖3［65］為熱紅外成像技術(shù)原理。

圖3 熱紅外成像技術(shù)原理［65］Fig.3 Principle of infrared thermography technique［65］

紅外熱成像技術(shù)主要有兩種工作模式：主動(dòng)模式和被動(dòng)模式。主動(dòng)模式測(cè)量使用外部熱源（如光輻射、電磁刺激或機(jī)械超聲波）刺激目標(biāo)物體，并通過(guò)紅外攝像機(jī)收集溫度破壞數(shù)據(jù)進(jìn)行損傷分析［48，66-67］；被動(dòng)模式則通過(guò)測(cè)量試件耗散的能量檢測(cè)和確定損傷位置［68-70］。光學(xué)激發(fā)和電磁刺激等不同激發(fā)源的出現(xiàn)使這項(xiàng)技術(shù)出現(xiàn)了多種變體［71］。不同紅外熱成像技術(shù)見(jiàn)表3［69，71-83］。

表3 利用熱成像技術(shù)進(jìn)行損傷評(píng)估Table 3 Damage evaluation using thermography techniques

基于不同的加熱激勵(lì)形式，紅外熱成像技術(shù)中得以分化出諸如紅外脈沖熱成像、紅外鎖相熱成像及紅外熱波雷達(dá)成像等多種模式。此種分類方式是依據(jù)紅外熱成像技術(shù)的演化進(jìn)程、對(duì)比分析當(dāng)前采用得最廣泛的各種方法后確立的。紅外脈沖熱成像技術(shù)具備較高的探測(cè)效率，但這類技術(shù)通常難以探測(cè)深度較大的內(nèi)部缺陷，無(wú)法滿足對(duì)材料深層次缺陷進(jìn)行精準(zhǔn)識(shí)別的需求。此外檢測(cè)結(jié)果還會(huì)受物體表面加熱分布不勻、表面反射率和發(fā)射率差異等因素干擾，繼而導(dǎo)致瞬間高強(qiáng)度脈沖可能會(huì)引起材料表面熱損害。為解決以上紅外脈沖熱成像技術(shù)中出現(xiàn)的類似問(wèn)題導(dǎo)致的制約，近期誕生了一項(xiàng)全新技術(shù)——紅外鎖相熱成像。然而，此項(xiàng)技術(shù)盡管可實(shí)現(xiàn)在單一調(diào)制頻率熱激勵(lì)條件下于材料內(nèi)部與熱擴(kuò)散長(zhǎng)度相當(dāng)?shù)纳疃确秶鷥?nèi)進(jìn)行探測(cè)，但對(duì)于FRP 復(fù)合材料這類結(jié)構(gòu)中缺陷位于不同深度或不同鋪層界面上的情況，不得不針對(duì)性地選擇相應(yīng)的調(diào)制頻率激勵(lì)實(shí)驗(yàn)樣本。

因此用這種方法進(jìn)行精細(xì)檢測(cè)所需的時(shí)間仍相對(duì)較長(zhǎng)，且還存在遺漏某些重要缺陷的風(fēng)險(xiǎn)。然而紅外熱波雷達(dá)作為一種最新崛起的無(wú)損探測(cè)技術(shù)，展現(xiàn)出了諸如紅外脈沖熱成像及紅外鎖相熱成像技術(shù)無(wú)法匹敵的顯著優(yōu)勢(shì)，如極高的分辨率、遠(yuǎn)超其他技術(shù)的檢測(cè)效率及廣泛的探測(cè)深度等。這項(xiàng)源于近些年的技術(shù)引起了全球范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注。然而，紅外脈沖熱成像和紅外鎖相熱成像的激勵(lì)源在某些情況下可能并不適用，如單面接觸測(cè)試對(duì)象或無(wú)法接觸被檢測(cè)結(jié)構(gòu)某些部分的情況［83］。針對(duì)解決無(wú)法使用外部源的問(wèn)題，自熱振動(dòng)熱像儀（SHVT）無(wú)損檢測(cè)方法極具潛力［84］。自熱振動(dòng)熱像儀先利用缺陷振動(dòng)或超聲激勵(lì)產(chǎn)生的熱量進(jìn)行損傷檢測(cè)和定位［85］，隨后通過(guò)紅外攝像機(jī)捕捉熱響應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步處理。如表3 所示，許多研究采用不同處理方法的自熱振動(dòng)熱像儀增強(qiáng)了損傷可檢測(cè)性，并證明了自熱振動(dòng)熱像儀在損傷評(píng)估的實(shí)用性。

最近，深度學(xué)習(xí)集成熱成像技術(shù)的研究在復(fù)合材料內(nèi)部損傷檢測(cè)領(lǐng)域引起廣泛關(guān)注，其旨在開發(fā)一種自主后處理器，能自動(dòng)檢測(cè)熱圖中的缺陷，無(wú)需任何人工干預(yù)。人工智能工具的最新進(jìn)展對(duì)熱成像數(shù)據(jù)的后期處理起到了顯著的促進(jìn)作用，特別是對(duì)非線性或復(fù)雜的熱成像掃描程序。如表3 所示，一些研究人員應(yīng)用了不同的基于深度學(xué)習(xí)的算法處理熱圖，從而提供了更為精準(zhǔn)的結(jié)果。

綜上所述，熱成像技術(shù)提供了多種無(wú)損檢測(cè)方法。紅外熱成像技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于其簡(jiǎn)便、迅速、非接觸式檢測(cè)方式、多元激勵(lì)源、寬廣的掃描范圍以及強(qiáng)大的損傷檢測(cè)、定位和量化能力；其局限性在于無(wú)法實(shí)現(xiàn)損傷分類功能。在深入探索FRP 復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)方法的過(guò)程中，筆者也觀察到紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)正逐步朝著多元化、智能化、集成化及多源信息融合的方向深化發(fā)展，呈現(xiàn)出以下幾種主要發(fā)展趨勢(shì)：

1）由于待檢樣本的復(fù)雜性及檢測(cè)要求的多樣性日益增加，用于實(shí)現(xiàn)此類檢測(cè)任務(wù)的方法亦趨于多樣化。突出表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：首先，熱激勵(lì)方式已從普通鹵素?zé)?、超聲波與電磁輻射等傳統(tǒng)熱激勵(lì)手段過(guò)渡到采用高性能的半導(dǎo)體激光器及相控陣式超聲波等新型熱激勵(lì)方式；其次，得益于計(jì)算機(jī)及電子信息科技的迅速進(jìn)步，傳統(tǒng)紅外脈沖熱成像和紅外鎖相熱成像等檢測(cè)方法正逐漸轉(zhuǎn)換到更具創(chuàng)新性、更為尖端的激勵(lì)波形脈沖壓縮熱成像或熱波雷達(dá)成像等新型檢測(cè)領(lǐng)域。

2）隨著近些年人工智能科技的飛速發(fā)展，以深度學(xué)習(xí)模式為基礎(chǔ)的紅外目標(biāo)識(shí)別及跟蹤方法已然取得了顯著進(jìn)步，這無(wú)疑為紅外熱像技術(shù)更大范疇的應(yīng)用及發(fā)展開拓了廣闊的空間和機(jī)遇。由于深度學(xué)習(xí)方法具備高識(shí)別準(zhǔn)確度的特性，其在諸如紅外目標(biāo)特點(diǎn)識(shí)別、紅外圖像分割及分類等多個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域展現(xiàn)出卓越的性能，不論是從精確性還是實(shí)時(shí)性的角度看都已超越傳統(tǒng)檢測(cè)手段。將人工智能科技引入紅外熱像技術(shù)中，具有改進(jìn)人工判斷并加速推動(dòng)紅外熱像無(wú)損檢測(cè)技術(shù)向自動(dòng)化檢測(cè)方向發(fā)展的巨大潛力。

3）紅外熱成像檢測(cè)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)往往要配置激勵(lì)熱源、紅外熱像儀、光路等調(diào)節(jié)裝置及固定裝置等模塊，因此整個(gè)系統(tǒng)體積龐大并具有一定的構(gòu)造復(fù)雜性。同時(shí)，手動(dòng)或通過(guò)儀器采集樣本也是此系統(tǒng)不可缺少的環(huán)節(jié)。為滿足在無(wú)損檢測(cè)實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)原位測(cè)量并有效降低能源消耗的實(shí)際需求，紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)需逐步向微型化集成系統(tǒng)方向轉(zhuǎn)型升級(jí)，以期最終達(dá)到可在無(wú)損檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)便捷攜帶并輕松操作的效果。

4）相對(duì)于單一類型熱成像數(shù)據(jù)生成的信息，多源多模態(tài)熱成像數(shù)據(jù)能揭示的關(guān)鍵信息要更為豐富。同時(shí)在信息展示及表達(dá)方面，由多個(gè)來(lái)源和多種模式的紅外熱成像數(shù)據(jù)構(gòu)成的無(wú)損檢測(cè)成果亦能提升其抵抗各種干擾因素的穩(wěn)定性，提高魯棒性。因此在面對(duì)高端檢測(cè)需求時(shí)，通常會(huì)選擇相互補(bǔ)充、組合使用多元化檢測(cè)手段的策略，并通過(guò)對(duì)多源多模態(tài)熱成像數(shù)據(jù)進(jìn)行全面且深入的融合及整合帶來(lái)更優(yōu)秀、高效、安全、可靠的無(wú)損檢測(cè)解決方案。故而紅外熱成像技術(shù)未來(lái)應(yīng)朝向?qū)Χ嘣葱畔⑦M(jìn)行融合處理的方向發(fā)展［86］。

1.4 光學(xué)方法

1.4.1 激光錯(cuò)位散斑干涉檢測(cè)

伴隨著無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的迅猛發(fā)展和非接觸式測(cè)量方法的性能日益改善，研究者們對(duì)光學(xué)檢測(cè)方法的關(guān)注逐漸升溫。最初為全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量而研發(fā)的電子斑點(diǎn)模式剪切干涉測(cè)量（激光錯(cuò)位散斑干涉）現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料缺陷檢測(cè)［87-88］。激光錯(cuò)位散斑干涉乃是一種精密的干涉測(cè)量技術(shù)，其研發(fā)初衷在于突破全息術(shù)的若干局限性。其特性顯著，包括：①無(wú)需參考光束，實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)化的光學(xué)設(shè)置，降低了對(duì)激光相干長(zhǎng)度的要求，增強(qiáng)了振動(dòng)隔離效果；②可直接測(cè)量表面應(yīng)變（即表面位移的一階導(dǎo)數(shù)）。這些無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)使激光錯(cuò)位散斑干涉技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在無(wú)損檢測(cè)中的實(shí)際應(yīng)用，且得到了業(yè)界的高度認(rèn)可［89］。

激光錯(cuò)位散斑干涉的原理是通過(guò)激光等相干光束照射試樣表面，形成干涉儀中的斑點(diǎn)圖，然后由數(shù)碼相機(jī)記錄。當(dāng)測(cè)試樣品上存在缺陷時(shí)，其周邊將形成應(yīng)變集中現(xiàn)象。若缺陷未深入樣品內(nèi)，誘導(dǎo)的應(yīng)變集中便會(huì)導(dǎo)致表面應(yīng)力分布出現(xiàn)異樣。接著比較樣品加載前后的兩個(gè)斑點(diǎn)圖，這些異常便會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)闂l紋異常。因此激光錯(cuò)位散斑干涉技術(shù)通過(guò)識(shí)別條紋圖案中的異常特征揭示物體表面與內(nèi)部的缺陷；此外它還可進(jìn)行非接觸式全域檢測(cè)［89］。圖4［90］為激光錯(cuò)位散斑干涉技術(shù)原理，其核心參數(shù)包括剪切強(qiáng)度、表面位移、相位角、波長(zhǎng)等。

圖4 激光錯(cuò)位斑干涉技術(shù)原理［90］Fig.4 Principle of laser shearography technique［90］

激光錯(cuò)位散斑干涉的記錄機(jī)制主要有3 種：攝影記錄、熱塑性記錄及數(shù)字化記錄。其中攝影記錄的方式在成本方面存在較高要求，因此在測(cè)量過(guò)程中需較大的時(shí)間和精力投入。此種技術(shù)運(yùn)用濕式攝影工藝，采用以高分辨率攝影乳劑為介質(zhì)的人像相機(jī)為記錄設(shè)備。而在熱塑性記錄方法中，拍照板被可反復(fù)使用的熱塑性板替代。數(shù)字激光錯(cuò)位散斑干涉（Digital Shearography，DISH）則是利用電荷耦合器件（CCD）等視頻傳感器作為記錄介質(zhì)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，并通過(guò)數(shù)字化處理技術(shù)深入分析圖像［91］。

De Angelis［92］、Kim［93］、Kadlec［94］等的研究將DISH 用于評(píng)估CFRP 試件的平底孔（FBH）缺陷和沖擊損傷，證明了DISH 在檢測(cè)FBH 缺陷和估計(jì)深度方面的實(shí)用性：誤差小于9%且可檢測(cè)小至5 J 的沖擊造成的缺陷（0.1 mm 深凹痕，輕微分層）。然而這種技術(shù)僅局限于表面損傷檢測(cè)。另一種基于激光錯(cuò)位散斑干涉的技術(shù)稱為相移激光錯(cuò)位散斑干涉，它比傳統(tǒng)的實(shí)時(shí)激光錯(cuò)位散斑干涉技術(shù)具有更高靈敏度。Zhao 等［95］指出基于相移技術(shù)的DISH 靈敏度可比傳統(tǒng)DISH 提高至少10 倍。Sun 等［96］介紹了一種基于空間相移的激光錯(cuò)位散斑干涉缺陷檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)可準(zhǔn)確檢測(cè)出直徑為4 mm 的缺陷。Katunin 等［97］提出了一種新方法，將激光錯(cuò)位散斑干涉技術(shù)與二維未估計(jì)小波變換相結(jié)合，作為一種后處理工具，該方法對(duì)單個(gè)或多個(gè)缺陷（包括邊緣和各種缺陷配置）都具有很高的靈敏度。

綜上所述，激光錯(cuò)位散斑干涉技術(shù)是一種快速非接觸式技術(shù)，但它僅限于表面和次表面缺陷的檢測(cè)，因隨著缺陷的深入，檢測(cè)損傷的能力也會(huì)降低［98］。此外它也無(wú)法提供有關(guān)破壞模式的信息。表4 總結(jié)了激光錯(cuò)位散斑干涉技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和局限性。激光錯(cuò)位散斑干涉技術(shù)不但享有光學(xué)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的諸多優(yōu)勢(shì)，且相對(duì)其他光學(xué)手段具備以下顯著特性：兼具光學(xué)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的全部?jī)?yōu)點(diǎn)（全場(chǎng)性、非接觸式、高靈敏度、堅(jiān)固耐用）。相對(duì)于非相干測(cè)量技術(shù)（如數(shù)字圖像相關(guān)方法），激光錯(cuò)位散斑干涉技術(shù)展現(xiàn)出更高的測(cè)量靈敏度。借助移相技術(shù)的應(yīng)用，激光錯(cuò)位散斑干涉技術(shù)可達(dá)數(shù)十納米級(jí)別的測(cè)量靈敏度。

表4 光學(xué)法對(duì)比Table 4 Comparison of optical methods

相比于其他相關(guān)測(cè)量手段，如全息干涉測(cè)量法，激光錯(cuò)位散斑干涉技術(shù)因其優(yōu)秀穩(wěn)定性而極其適于實(shí)際應(yīng)用。主要原因在于該技術(shù)能直接反映變形的一階導(dǎo)數(shù)，即應(yīng)變信息。因此在對(duì)抗環(huán)境干擾方面，激光錯(cuò)位散斑干涉技術(shù)相較于其他相干方法具備更優(yōu)秀的承受力。借助于自參考干涉裝置，激光錯(cuò)位散斑干涉簡(jiǎn)化了光學(xué)系統(tǒng)。同時(shí)自參考干涉裝置對(duì)激光源的相干長(zhǎng)度并無(wú)特定要求，采用低成本的激光二極管即可實(shí)現(xiàn)照射。

盡管有些阻礙已得到相應(yīng)的解決途徑，然而激光錯(cuò)位散斑干涉技術(shù)在無(wú)損檢測(cè)方面依然面臨挑戰(zhàn)，利用激光錯(cuò)位散斑干涉技術(shù)難以評(píng)估遠(yuǎn)離物體表面的缺陷。盡管定向聲學(xué)剪切成像技術(shù)可探測(cè)表面之下的問(wèn)題，但卻難以察覺(jué)離物體表面較遠(yuǎn)的缺陷，因其無(wú)法在物體表面生成足以被剪切成像技術(shù)檢測(cè)到的異常。盡管針對(duì)鏡面材料研發(fā)了一種創(chuàng)新性的激光錯(cuò)位散斑干涉系統(tǒng)，但其測(cè)量范圍受光路中粗糙表面尺寸的限制。作為一種基于干涉原理的技術(shù)，激光錯(cuò)位散斑干涉技術(shù)對(duì)環(huán)境擾動(dòng)依舊頗為敏感。大的剛性體運(yùn)動(dòng)、強(qiáng)烈的熱氣流等均可能對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響。激光錯(cuò)位散斑干涉技術(shù)獲取的相位圖像依然包含大量噪聲，這將給缺陷的檢測(cè)帶來(lái)困擾。如何在動(dòng)態(tài)測(cè)量過(guò)程中有效提升相位圖像的質(zhì)量無(wú)疑是一項(xiàng)挑戰(zhàn)［95］。

1.4.2 數(shù)字圖像相關(guān)檢測(cè)

數(shù)字圖像相關(guān)方法（DIC）是一種基于圖像的無(wú)接觸式表面形態(tài)、形變及應(yīng)變測(cè)量技術(shù)［99-100］，其最早的研究起始于20 世紀(jì)80 年代［101］。DIC 技術(shù)以獲取試件在不同狀態(tài)（包括機(jī)械載荷與環(huán)境條件等）下的數(shù)字圖像為基礎(chǔ)，通過(guò)運(yùn)用相關(guān)算法追蹤局部區(qū)域的位移變化。此過(guò)程中能獲得成像階段間位移與應(yīng)變變化的全局定量數(shù)據(jù)［102］。DIC 技術(shù)通過(guò)跟蹤圖像中的獨(dú)特特征，可在一組不同變形階段拍攝的照片中獲得全場(chǎng)位移和應(yīng)變圖。DIC 是一種要求不高的方法，其設(shè)置簡(jiǎn)單，靈敏度和分辨率變化范圍大，位移和應(yīng)變測(cè)量自動(dòng)化程度高。圖5［103］為數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)原理示意圖。

圖5 數(shù)字圖像相關(guān)方法原理［103］Fig.5 Principle of digital image correlation technique［103］

DIC 系統(tǒng)根據(jù)測(cè)量對(duì)象的并行視角數(shù)目進(jìn)行分類。2D-DIC 方法采用單一相機(jī)，因此只能對(duì)平面物體的平面內(nèi)變形進(jìn)行測(cè)量［104］。而對(duì)表面外的運(yùn)動(dòng)或曲線形表面，其準(zhǔn)確度大大降低，使2D-DIC 在許多實(shí)際應(yīng)用中不再適用。盡管可用高品質(zhì)的遠(yuǎn)心鏡頭降低2D-DIC 因有限表面外運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的誤差，然而它們龐大的物理尺寸和重量、相對(duì)較高的成本及固定的放大倍數(shù)限制其廣泛應(yīng)用［105］。

更為常見(jiàn)的立體視覺(jué)DIC（也稱為3D-DIC）則采用兩個(gè)視角（即兩臺(tái)相機(jī)）觀察同一區(qū)域，依據(jù)雙目觀察法可針對(duì)物體表面上的各點(diǎn)測(cè)量全場(chǎng)三維位移，同時(shí)還能獲取所有3 個(gè)組件的表面應(yīng)力分布情況。通過(guò)棱鏡、色彩過(guò)濾器或鏡子等設(shè)備可實(shí)現(xiàn)僅利用單個(gè)相機(jī)的立體視覺(jué)DIC 系統(tǒng)。然而在多數(shù)情況下，人們傾向于使用兩臺(tái)以上的相機(jī)。對(duì)超過(guò)單個(gè)相機(jī)傳感器容許的高分辨率圖像拍攝區(qū)域或是高度彎曲的物體［106］，可采用多DIC 系統(tǒng)，多個(gè)相機(jī)圍成一圈。然后通過(guò)相機(jī)之間的結(jié)果進(jìn)行重建，將其拼接起來(lái)，以提供完整的表面視圖［107］。

當(dāng)施加載荷時(shí)，因進(jìn)行檢驗(yàn)的對(duì)象發(fā)生了形變，產(chǎn)生模式變形。由兩臺(tái)DIC 相機(jī)捕捉并記錄在特定加載條件下的結(jié)構(gòu)形變。在整個(gè)成像區(qū)域中通過(guò)初始圖像處理定義獨(dú)特的相關(guān)區(qū)域，通常其面積為5～20 平方像素［108］。用亞像素精度跟蹤每對(duì)連續(xù)照片，測(cè)量點(diǎn)位于每個(gè)小面中心。利用攝影測(cè)量原理，通過(guò)圖像相關(guān)算法監(jiān)測(cè)這些小面的移動(dòng)［108］。圖像相關(guān)軟件設(shè)計(jì)的本質(zhì)是實(shí)現(xiàn)圖案的匹配，這種圖案匹配方式可在彎曲和平面表面同時(shí)執(zhí)行［109］。每次加載階段檢測(cè)前后可確定每個(gè)小面在三維空間中的坐標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)三維位移、平面應(yīng)變張量及三維形狀的測(cè)量［110］。在應(yīng)用常規(guī)圖案的測(cè)量方面，可從測(cè)量小面點(diǎn)跟蹤獲取全場(chǎng)位移數(shù)據(jù)。

Lee等［111］采用DIC 和數(shù)字體積相關(guān)（DVC）技術(shù)研究了CFRP 試樣在拉伸荷載作用下的變形行為，得出了合理的結(jié)果，相關(guān)系數(shù)值普遍大于0.7。此外DIC 還能即時(shí)檢測(cè)缺陷，從而在機(jī)械測(cè)試期間進(jìn)行快速、實(shí)時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量［112-113］。Azadi［114］、Miskdjian［115］和Pannier［116］等分別用DIC 研究了CFRP 試件在模式Ⅰ單調(diào)拉伸加載和疲勞加載下的裂紋生長(zhǎng)行為。在另一項(xiàng)研究中，Zhu 等［117］應(yīng)用DIC 對(duì)雙懸臂梁試驗(yàn)下CFRP 試樣的模式Ⅰ疲勞分層起始和擴(kuò)展進(jìn)行了表征；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明應(yīng)用DIC 方法可監(jiān)測(cè)疲勞分層的擴(kuò)展速率并確定裂紋尖端位置，誤差小于0.5 mm。

綜上所述，數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)試是一種非接觸式全場(chǎng)光學(xué)數(shù)字測(cè)量技術(shù)，能在施加機(jī)械載荷時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。DIC 在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)損傷表征方面顯示出良好的效果［112-113］。然而它并不能提供有關(guān)損傷微觀機(jī)械特征的信息，只能有效識(shí)別表面缺陷或變化。表4 綜述了有關(guān)數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)試的優(yōu)勢(shì)和局限性。

關(guān)于DIC 在處理復(fù)合材料缺陷無(wú)損檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域中應(yīng)用的理論探討仍處于基礎(chǔ)研究階段，尚未取得實(shí)踐應(yīng)用案例；而對(duì)DIC 在探究復(fù)合材料制品性能及預(yù)測(cè)方面的應(yīng)用研究工作剛剛起步，研究成果少且缺乏詳細(xì)的文獻(xiàn)記載。以上兩個(gè)問(wèn)題需投入更多的精力進(jìn)行深入研究。經(jīng)全面系統(tǒng)地總結(jié)，DIC 在未來(lái)復(fù)合材料研究領(lǐng)域會(huì)有以下幾個(gè)發(fā)展趨勢(shì)［118］：①DIC 應(yīng)該積極尋求與其他檢測(cè)方法的聯(lián)合運(yùn)用，如與聲發(fā)射、X 射線斷層成像（CT）及紅外熱成像（IR）等技術(shù)相結(jié)合；②假使DIC 在應(yīng)用于復(fù)合材料缺陷無(wú)損檢測(cè)的原理方面取得重大突破，那么無(wú)疑在檢測(cè)上將會(huì)受到越來(lái)越多的關(guān)注；③DIC 有望與仿真分析軟件（如Ansys、Abaqus 等）及有限元仿真修整技術(shù)有機(jī)結(jié)合，通過(guò)對(duì)復(fù)合材料產(chǎn)品在安全負(fù)載（或非破壞性負(fù)載）下應(yīng)力和應(yīng)變的準(zhǔn)確測(cè)量，推斷出產(chǎn)品可能達(dá)到的破壞負(fù)載（或失效負(fù)載），進(jìn)而對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量進(jìn)行科學(xué)預(yù)測(cè)及評(píng)估；④將DIC引入復(fù)合材料產(chǎn)品生產(chǎn)流程及其質(zhì)量控制狀況的監(jiān)控中，有助于更迅速地識(shí)別生產(chǎn)過(guò)程中的不足之處并提供相應(yīng)改進(jìn)措施。

1.5 電磁方法

1.5.1 渦流檢測(cè)

渦流檢測(cè)（ECT）是捕捉缺陷存在時(shí)渦流變化的非破壞性技術(shù)［119-120］，利用電感線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，若樣品為導(dǎo)電材料則會(huì)生成環(huán)形電流。這一環(huán)形電流有助于鑒別裂紋存在與否、表面損傷情況、樣品成分差異，甚至還能辯識(shí)材料各點(diǎn)的差異［121］。圖6［122］為渦流檢測(cè)示意圖。在ECT 中通過(guò)電感線圈輸送交變電流產(chǎn)生不斷變化的磁場(chǎng)。帶電物質(zhì)附近的線圈會(huì)感應(yīng)出渦流或環(huán)形電流，任何缺陷都會(huì)改變此生成場(chǎng)。集中于樣品上的渦流電流相位和幅值變化監(jiān)測(cè)賦予這一監(jiān)測(cè)試驗(yàn)方法發(fā)現(xiàn)裂紋及腐蝕損傷，測(cè)量涂層厚度、物件厚度及材料導(dǎo)電性的能力，因能識(shí)別過(guò)熱損傷，還可在熱處理監(jiān)測(cè)中發(fā)揮巨大價(jià)值。

圖6 渦流檢測(cè)示意圖［122］Fig.6 Schematic of eddy current test［122］

相較于聲學(xué)及超聲波檢測(cè)等方法，渦流檢測(cè)具備卓越的敏感度，尤其在表層上下微小裂紋及其他表面缺陷檢測(cè)方面展現(xiàn)出優(yōu)越性，其原因在于在這些情況下能迅速記錄渦流集中區(qū)域。另外渦流方法還能檢查表面輪廓特殊的部件，且便攜式設(shè)備所需準(zhǔn)備時(shí)間較短［77］。然而實(shí)際操作中也存在一些局限，包括僅適用于具備導(dǎo)電性的材料（如碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料）、粗糙表面可能會(huì)妨礙檢測(cè)、必須由探頭接觸到表面、操作者需具備高超的檢驗(yàn)技巧和經(jīng)驗(yàn)、無(wú)法滿足大面積檢查需求［123］。

渦流檢測(cè)應(yīng)用的研究主要集中在開發(fā)高效靈敏的檢測(cè)探頭上。Machado 等［124］使用多個(gè)平面渦流陣列探頭檢測(cè)CFRP 試樣，成功檢測(cè)出不同缺陷，包括小于1 mm 的缺陷。Zeng 等［125］研發(fā)出一種橋式探頭用于評(píng)價(jià)CFRP 樣品中的分層現(xiàn)象；使用的探頭在穿過(guò)分層邊緣時(shí)展現(xiàn)出極高的靈敏度，證實(shí)了其在表征分層方面的實(shí)用性。

近期研究采用了新型探測(cè)探頭，即收發(fā)探頭（Tx-激發(fā)線圈和Tx-拾取線圈）［124-125］。收發(fā)探頭的探測(cè)靈敏度受升程（探頭與測(cè)試樣本之間的距離）變化影響。升程變化可能會(huì)產(chǎn)生噪聲，導(dǎo)致缺陷可能被遺漏。Pasadas 等［126］通過(guò)三線圈ECT 探頭解決了升程問(wèn)題。盡管CFRP 試樣表面與探頭底部之間存在0.5 mm 的空氣間隙，但仍可清晰區(qū)分損壞區(qū)域與整個(gè)掃描區(qū)域。

脈沖渦流（PEC）技術(shù)是傳統(tǒng)電渦流技術(shù)的升級(jí)。He 等［119］提出了一種基于PEC 的缺陷檢測(cè)和評(píng)估方法，并在評(píng)估不同類型缺陷（包括4～12 J 的低能量沖擊、導(dǎo)電和非導(dǎo)電插入缺陷）方面展現(xiàn)了卓越性能。盡管PEC 的缺陷檢測(cè)能力優(yōu)于閃光熱成像和激光錯(cuò)位散斑干涉，但其檢測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)，激光錯(cuò)位散斑干涉、閃光熱成像和PEC的檢測(cè)時(shí)間分別約為3 min、幾分鐘和3 h。

綜上所述，ECT 已被證明是一種實(shí)用的無(wú)損檢測(cè)和評(píng)估方法。表5 詳述了此項(xiàng)技術(shù)的總體優(yōu)點(diǎn)和不足之處。然而在使用渦流檢測(cè)技術(shù)對(duì)碳纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的過(guò)程中仍面臨一些挑戰(zhàn)，如對(duì)測(cè)量信號(hào)的解釋、層間裂紋分層的判斷存在困難等。在大多數(shù)情況下，ECT 的探測(cè)深度不足以檢測(cè)表面和次表面的大部分缺陷；該方法僅適用于由導(dǎo)電纖維（如碳纖維）構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，且在大多數(shù)情況下需針對(duì)低導(dǎo)電物質(zhì)進(jìn)行修正。此外在實(shí)際工業(yè)領(lǐng)域中，由于渦流檢測(cè)易受周圍導(dǎo)電部件的影響，因此應(yīng)用受到了諸多限制。最后還需考慮抬升效應(yīng)，這包含由于試樣、探針與表面之間距離改變導(dǎo)致的測(cè)試樣品與激勵(lì)線圈間互感應(yīng)的變化［127］。

表5 電磁法對(duì)比Table 5 Comparison of electromagnetic methods

1.5.2 太赫茲成像檢測(cè)

太赫茲（THz）成像是一種較新的、有前途的、基于電磁的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)技術(shù)［46，128］。圖7［129］為太赫茲成像檢測(cè)實(shí)驗(yàn)示意圖。太赫茲波的頻率范圍 為100 GHz～30 THz［130］，屬于非電離輻射且對(duì)生物組織無(wú)害。自然界廣泛存在太赫茲波源，然而由于生成和檢測(cè)太赫茲波的技術(shù)難度較大，因此多年來(lái)其應(yīng)用范圍較為有限［131］。20 世紀(jì)80 年代，高速激光器和超微加工技術(shù)取得了突破性進(jìn)展，從而推動(dòng)了太赫茲科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展［132］。太赫茲無(wú)損檢測(cè)（NDT）技術(shù)已開始成為一種極具潛力的復(fù)合材料檢測(cè)技術(shù)［133］，相比于其他技術(shù)手段，太赫茲波對(duì)大多數(shù)材料有更高的分辨率、更好的穿透深度［134］。

圖7 太赫茲成像檢測(cè)示意圖［129］Fig.7 Schematic of terahertz imaging test［129］

太赫茲波具有極佳的穿透能力，能良好穿透非金屬和非極性材料（泡沫、陶瓷、玻璃、樹脂、油漆、橡膠及復(fù)合材料等）［135］?；谔掌澕夹g(shù)的NDT 方法充分利用了此種波動(dòng)特性對(duì)材料系統(tǒng)進(jìn)行探測(cè)、分析及評(píng)價(jià)，由此在各領(lǐng)域引起廣泛關(guān)注并得以飛速發(fā)展［136］?；谔掌澕夹g(shù)的NDT 方法將太赫茲短波導(dǎo)入材料中，與不同相位、夾雜物、缺陷或損傷產(chǎn)生交互作用?；谔掌澋腘DT 技術(shù)通過(guò)探測(cè)和分析反射或透射的THz 波確定材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因此非常適合于具有多相和多層次性質(zhì)的復(fù)合材料——它提供了多尺度且更為全面的信息以探測(cè)和揭示復(fù)合材料內(nèi)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和損傷［133］。

太赫茲-時(shí)域光譜（THz-TDS）是太赫茲成像技術(shù)的一種，其工作原理主要為通過(guò)光敏電阻天線（PCA）產(chǎn)生THz 脈沖，THz 脈沖透過(guò)載物臺(tái)反射后被PCA 接收，接收到的信號(hào)將被再次發(fā)射到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行圖像后期處理［137］。Ryu 等［137］應(yīng)用太赫茲-時(shí)域光譜成像系統(tǒng)成功觀測(cè)到 3 個(gè)厚度分別為96.52、109.03、107.40 μm 的點(diǎn)的分層。2019 年，Wang 等［138］將THz-TDS 成像應(yīng)用于缺陷評(píng)估，成功地確定了缺陷的水平尺寸、位置、垂直深度及三維厚度。同 樣，Wang 等［139］將THz-TDS 成像應(yīng)用于玻璃纖維增強(qiáng)聚合物（GFRP）面板的異物檢測(cè)，取得了良好的效果，平均測(cè)量誤差僅為2.26%，驗(yàn)證了THz-TDS 成像在檢測(cè)不同結(jié)構(gòu)方面的實(shí)用性。

偏振分辨太赫茲成像是另一種太赫茲成像方法。Dong 等［140］使用該方法進(jìn)行損傷評(píng)估，成功檢測(cè)和觀察到3 個(gè)不同點(diǎn)的分層，相應(yīng)厚度分別為118.67、139.61、150.08 μm。

上述研究證實(shí)太赫茲成像技術(shù)適用于表征GFRP 表面和內(nèi)部的損傷和缺陷。然而其在CFRP 中的應(yīng)用受一定限制，主要緣由在于碳纖維的導(dǎo)電性阻礙了太赫茲輻射的深度穿透。Dong 等［128］基于太赫茲解卷積技術(shù)、運(yùn)用太赫茲次表面光譜成像技術(shù)揭示了編織CFRP 層壓板的次表面損傷，并檢測(cè)了四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)誘發(fā)的各種缺陷，包括基體開裂、纖維變形/斷裂及層間分層。

綜上所述，太赫茲成像技術(shù)已成為無(wú)損檢測(cè)的新興熱門技術(shù)。此外與X 射線檢測(cè)（keV）相比，太赫茲波的電離輻射（meV）較低，符合未來(lái)無(wú)損檢測(cè)的綠色發(fā)展戰(zhàn)略［141］。表5 匯總了有關(guān)太赫茲研究的綜合評(píng)述及該技術(shù)的主要優(yōu)缺點(diǎn)。總的來(lái)說(shuō)，太赫茲系統(tǒng)為NDT&E 行業(yè)提供了一種有效的檢驗(yàn)和表征復(fù)合材料的工具。然而其技術(shù)仍非常復(fù)雜且設(shè)備成本昂貴，商業(yè)化拓展及確定大范圍的復(fù)雜結(jié)構(gòu)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)較為困難。這項(xiàng)技術(shù)可穿透薄型復(fù)合材料中的缺陷，檢查材料的底層構(gòu)造，從而避免了超聲波技術(shù)的遮蔽效應(yīng)。盡管該技術(shù)在過(guò)去的許多年里由于其發(fā)射和探測(cè)設(shè)備的不足而退步（也被稱為“太赫茲間隙”問(wèn)題），但源于高性能半導(dǎo)體及超快電子學(xué)的發(fā)展，這個(gè)問(wèn)題已得到解決。目前已實(shí)現(xiàn)用于THz 波能量頻率的極短脈沖，這意味著其檢驗(yàn)分辨率已超過(guò)了常用微波系統(tǒng)的水平。太赫茲成像技術(shù)雖已取得顯著進(jìn)展，但還有許多工作仍需完成。至今為止，尚鮮見(jiàn)關(guān)于利用太赫茲輻射檢測(cè)厚層復(fù)合結(jié)構(gòu)中水分吸納或?qū)щ姴牧系难芯繄?bào)告，若能實(shí)現(xiàn)這一里程碑式的成果，無(wú)疑將具有極高學(xué)術(shù)價(jià)值。然而在厚層復(fù)合材料和夾芯結(jié)構(gòu)中，太赫茲系統(tǒng)由于太赫茲波的衰減和散射效應(yīng)，無(wú)法提供可靠的結(jié)果［29］。

1.5.3 微波檢測(cè)

微波檢測(cè)技術(shù)運(yùn)用高頻電磁波檢測(cè)與表征材料結(jié)構(gòu)，電磁波頻率范圍從幾百兆赫茲到幾百吉赫茲不等（波長(zhǎng)約為100 cm～1 mm）。相較于超聲波信號(hào)，微波信號(hào)能穿透介質(zhì)態(tài)材質(zhì)并與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生作用，而不遭受高衰減［142］。檢測(cè)是通過(guò)測(cè)量電磁波在被檢測(cè)材料結(jié)構(gòu)上散射或傳輸時(shí)的各種特性實(shí)現(xiàn)的。微波檢測(cè)系統(tǒng)包括若干組件及設(shè)備，如振蕩器、網(wǎng)絡(luò)分析儀、天線及定向耦合器等。定制設(shè)計(jì)的設(shè)備可做到小型化、模塊化的特定頻率，且具備相對(duì)較高的性價(jià)比，此外可根據(jù)復(fù)合材料和涉及的物料類型選用多種類型的微波傳感器［29］。

近年來(lái)，微波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在復(fù)合材料檢測(cè)中也取得了顯著進(jìn)展，微波信號(hào)能穿透復(fù)合材料并與其表面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生相互作用。文獻(xiàn)［143］詳細(xì)介紹了采用微波傳輸線路（MTL）傳感技術(shù)進(jìn)行微波無(wú)損檢測(cè)的方法。在MTL 技術(shù)中，被檢測(cè)的樣本充當(dāng)微波電路的導(dǎo)電材料。樣本中任何缺陷都會(huì)導(dǎo)致材料介電常數(shù)改變，這會(huì)直接反映在測(cè)量的信號(hào)響應(yīng)中。這些變化可揭示被檢測(cè)樣本的異常情況，如缺陷位置、大小和樣本層間結(jié)構(gòu)變化等。圖8［144］為微波無(wú)損定量檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

圖8 微波無(wú)損定量檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)［144］Fig.8 Microwave nondestructive quantitative test system［144］

Todoroki 等［143］采用銅傳輸線結(jié)構(gòu)，對(duì)CFRP板材表面進(jìn)行損傷檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)中，利用GFRP 作為絕緣體層，置于銅條與CFRP 試驗(yàn)片表面之間。在傳輸線路端部?jī)筛鶎?dǎo)電體（即銅條和CFRP）通過(guò)同軸電纜相連接；輸入信號(hào)在傳輸線上傳播，任何表面損傷（如銅帶和CFRP 表面之間距離的變化）都會(huì)改變?cè)撐恢玫膫鬏斁€阻抗；因此信號(hào)將在輸入端被反射，利用時(shí)域反射計(jì)（TDR）測(cè)量感應(yīng)信號(hào)和反射信號(hào)之間的時(shí)間差以獲得損傷位置；利用近似傳輸速率乘以時(shí)間差的一半推斷出缺陷位置；利用MTL 技術(shù)可成功檢測(cè)到靠近傳輸線的CFRP 缺陷，而遠(yuǎn)處的缺陷由于其影響傳輸線阻抗的能力有限而未能被檢測(cè)出來(lái)；然而，此項(xiàng)技術(shù)在近缺陷檢測(cè)中具有一定的實(shí)用價(jià)值，但若采用接近光速的近似傳輸速度則可能導(dǎo)致誤判缺陷位置；實(shí)際上，因需使用銅帶和GFRP 覆蓋被檢查的結(jié)構(gòu)，這項(xiàng)技術(shù)并不適合用于大型結(jié)構(gòu)檢查；此外基于MTL 的技術(shù)依賴于材料的介電常數(shù)傳輸微波信號(hào)，MTL 的性能會(huì)因低介電常數(shù)材料而降低。

環(huán)狀分離諧振器（SRR）是一種另類的微波傳感器，采用小型結(jié)構(gòu)傳感器，其等效于在低介電基板上蝕刻的LC 諧振電路同心環(huán)對(duì)，其終端分離的構(gòu)造確保了傳感器的高效運(yùn)轉(zhuǎn)。該傳感器需磁場(chǎng)激勵(lì)，并采用微帶傳輸線在基板上方為SRR 傳感器提供能量。在檢測(cè)缺陷的過(guò)程中，傳感器周圍電磁場(chǎng)的擾動(dòng)將引起頻譜位移，從而實(shí)現(xiàn)缺陷的定位與辨識(shí)。該單一傳感器在檢測(cè)金屬表面的微小裂紋方面具有強(qiáng)大的能力，如文獻(xiàn)［145］所述。

此外，SRR 陣列還可被用于檢測(cè)表面裂紋。文獻(xiàn)［146］提出的方法使用了9 個(gè)SRR 與微帶線集成，以檢查鋁樣件；通過(guò)疊加頻率幅度構(gòu)建空間圖像的傳輸系數(shù)，從而引入了一種具有潛在優(yōu)勢(shì)的裂紋表示方式。然而SRR 技術(shù)依賴于傳輸信號(hào)刺激SRR 傳感器的能力，在檢查低介電材料（如GFRP）時(shí)分辨率較差。

總的來(lái)說(shuō)，運(yùn)用微波技術(shù)對(duì)碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)已逐漸發(fā)展為無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域的焦點(diǎn)及挑戰(zhàn)。然而至今微波無(wú)損檢測(cè)方法仍局限于以檢測(cè)碳纖維復(fù)合材料與其他材料間的剝離情況為主，對(duì)復(fù)合材料自身特性的檢測(cè)則仍存在相當(dāng)大的不足之處［147］。盡管傳統(tǒng)的微波在檢測(cè)方面表現(xiàn)優(yōu)秀，然而在面對(duì)定向運(yùn)動(dòng)、空間圖像質(zhì)量不佳、數(shù)據(jù)復(fù)雜性以及最佳頻率選取等問(wèn)題時(shí)，微波無(wú)損檢測(cè)方法斷面幾何缺陷測(cè)量的能力可能受到削弱，從而導(dǎo)致該方法在測(cè)量缺陷形狀時(shí)出現(xiàn)模糊現(xiàn)象。為應(yīng)對(duì)微波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)帶來(lái)的挑戰(zhàn)，推薦采納以下建議［148］：①采用人工智能和信號(hào)預(yù)處理相結(jié)合的混合微波無(wú)損檢測(cè)方法可顯著提升弱空間成像能力；②根據(jù)頻率和遙距距離選擇合適的微波無(wú)損檢測(cè)方法有助于提高傳感器對(duì)CFRP 復(fù)合材料缺陷的探測(cè)靈敏度；③使用低頻配對(duì)螺旋感應(yīng)器傳感器深入導(dǎo)電材料中能顯著改善對(duì)CFRP 分層缺陷的檢測(cè)效果，通過(guò)向傳感器中添加如磁粉芯線圈和鐵氧體軛鐵等含鐵磁性材料可進(jìn)一步提升探測(cè)靈敏度。

1.5.4 電學(xué)層析成像檢測(cè)

電學(xué)層析成像是一種應(yīng)用層析成像技術(shù)的方法，其原理是通過(guò)對(duì)待測(cè)物體施加電激勵(lì)檢測(cè)其邊界值變化，利用特定數(shù)學(xué)手段逆推被測(cè)物體內(nèi)部的電特性參數(shù)分布，從而得到物體內(nèi)部的電極分布情況。與其他多種層析成像技術(shù)相比，電學(xué)層析成像技術(shù)因其無(wú)輻射、響應(yīng)速度快、價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)而表現(xiàn)突出。其主要技術(shù)手段包括電容層析成像、電阻層析成像及電磁層析成像3種基本形式，進(jìn)一步來(lái)說(shuō)，電阻層析成像與電容層析成像可合并為電阻抗層析成像技術(shù)。圖9［149］為電學(xué)層析成像系統(tǒng)。

圖9 電學(xué)層析成像系統(tǒng)［149］Fig.9 Electrical tomograph system［149］

Zhang 等［150］為提高電容層析成像在復(fù)合材料缺陷檢測(cè)中圖像重建的準(zhǔn)確性，提出了一種基于密度聚類噪聲算法（DBSCAN）和自適應(yīng)交替方向乘子法（SADMM）的圖像重建方法；結(jié)果表明使用該算法獲得的重建圖像平均相對(duì)誤差為0.086，遠(yuǎn)低于其他算法，同時(shí)提出的算法具有更強(qiáng)的抗噪聲性能，能提供更精確的重建圖像。Fan 和Wang［151］對(duì)不同平面電容層析成像陣 列及不同損傷位置導(dǎo)致的圖像重建質(zhì)量進(jìn)行研究；模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明平面電容層析成像可有效檢測(cè)CFRP 的表面損傷；平面電容層析成像與CFRP 的靈敏度矩陣及各向異性介電常數(shù)有緊密聯(lián)系；旋轉(zhuǎn)式平面電容層析成像傳感器擁有更出色的均勻度；對(duì)于不同損傷位置的情況，旋轉(zhuǎn)式傳感器在大部分情況下均能獲取更高質(zhì)量的圖像。

Cagáň 和Michalcová［152］研究了電阻層析成像在檢測(cè)幾乎無(wú)法察覺(jué)的沖擊損傷對(duì)CFRP 復(fù)合材料造成損害方面的表現(xiàn)，通過(guò)分析復(fù)原的電導(dǎo)率變化圖像評(píng)估了不同圖像的振幅和位置誤差，此外還將沖擊損傷與相同構(gòu)型試樣上的鉆透孔進(jìn)行了對(duì)比；結(jié)果表明在特定實(shí)驗(yàn)室條件下，通過(guò)測(cè)量振幅的重心，電阻層析成像能檢測(cè)到輕微沖擊損傷造成的分層區(qū)域。Thomas 等［153］將電阻層析成像技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜形狀以實(shí)現(xiàn)損傷檢測(cè)；結(jié)果顯示可在長(zhǎng)徑比為132.4 mm∶66.2 mm（2∶1 的寬高比）的管上精確檢測(cè)直徑為7.94 mm 的多個(gè)貫穿孔，同時(shí)電阻層析成像的敏感性隨著管的寬高比減小而提高；此外電阻層析成像還成功檢測(cè)到了低速?zèng)_擊引起的表面以下?lián)p傷。

Liu 等［154］介紹了在電磁層析成像無(wú)損評(píng)估系統(tǒng)中運(yùn)用有限元法對(duì)CFRP 進(jìn)行仿真的方法；先通過(guò)建立Ansoft Maxwell 3D 模型描述傳感器與單向和交叉編織板樣品之間的相互作用，并對(duì)此進(jìn)行分析；然后設(shè)計(jì)了圓形傳感器陣列，并在CFRP 板上分別鉆取400 個(gè)測(cè)試孔以獲取靈敏度矩陣數(shù)據(jù)，進(jìn)而重構(gòu)板的圖像；計(jì)算結(jié)果顯示該方法可有效檢測(cè)損壞區(qū)域。Zhang 等［155］提出了一種原位CFRP 損傷檢測(cè)框架，該方法設(shè)計(jì)了一種電磁層析成像傳感器，并開發(fā)了用于電磁層析成像的絕對(duì)圖像重構(gòu)方法；仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)局部纖維斷裂比達(dá)40%時(shí)，成像結(jié)果可準(zhǔn)確反映損傷位置；與傳統(tǒng)方法相比，該方法誤差更小，能提供更精確的重構(gòu)圖像。

然而以復(fù)合材料作為檢測(cè)對(duì)象的電學(xué)層析成像技術(shù)尚存在諸多難題：首先必須不斷改進(jìn)此項(xiàng)技術(shù)的監(jiān)測(cè)靈敏度、精確度及響應(yīng)速度；其次務(wù)必融合傳統(tǒng)高精度的離線監(jiān)測(cè)方式，構(gòu)建出一套全面的、無(wú)損傷監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)性評(píng)估體系；同時(shí)必須充分考量碳纖維導(dǎo)電能力對(duì)傳感單元檢測(cè)性能產(chǎn)生的潛在影響。因此為推動(dòng)這項(xiàng)技術(shù)向前發(fā)展，需在未來(lái)科研工作中努力提高該技術(shù)的分辨率水準(zhǔn)，同時(shí)致力于解決由導(dǎo)電復(fù)合材料導(dǎo)致的傳感元件精準(zhǔn)性問(wèn)題［156］。

1.6 X 射線檢測(cè)

X 射線照相術(shù)是一種先進(jìn)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，廣泛應(yīng)用于航空航天工業(yè)中纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的無(wú)損評(píng)估［157-158］。一般而言，X 射線放射攝影利用的是材料對(duì)輻射吸收能力的不同。當(dāng)X 射線光束穿過(guò)特定樣本時(shí)光子會(huì)被吸收，從而降低光束能量。能量吸收率的差異與射線照片中的特定灰度值關(guān)聯(lián)。這項(xiàng)技術(shù)可精細(xì)檢測(cè)從固體物質(zhì)到軟組織的各種結(jié)構(gòu)，主要得益于數(shù)字化影像技術(shù)的日新月異和高能同步輻射設(shè)施的引入。截至目前，X 射線成像可通過(guò)實(shí)驗(yàn)室X 射線裝置或同步輻射源實(shí)施。實(shí)驗(yàn)室X 射線裝置產(chǎn)生的是復(fù)雜多色并擴(kuò)散的X 射線束，而同步輻射X 射線束則呈現(xiàn)出平行性、單色性且更為協(xié)同的輻射特性，具有更高的通量及亮度。

基于X 射線系統(tǒng)的基本操作方式為在真空X射線管的燈絲與金屬靶之間施加偏壓電壓，使燈絲發(fā)射的電子以高速（即高能量）與金屬靶發(fā)生碰撞，從而輻射出X 射線。實(shí)驗(yàn)室X 射線成像系統(tǒng)通常較為便宜且易于獲取，但穿透深度取決于X 射線的波長(zhǎng)和能量，X 射線無(wú)法穿透深度大的結(jié)構(gòu)，從而限制了實(shí)驗(yàn)室X 射線成像系統(tǒng)在較厚材料（如GFRPs）檢驗(yàn)中的應(yīng)用。然而隨同步輻射設(shè)施發(fā)展的蓬勃興起，預(yù)計(jì)一些與穿透深度相關(guān)的挑戰(zhàn)將得到解決，使對(duì)厚復(fù)合材料和低對(duì)比度材料（如CFRPs）進(jìn)行檢測(cè)成為可能。此外伽馬射線由于其具有更強(qiáng)的穿透能力，有潛力替代X 射線在類似環(huán)境中的應(yīng)用。

由于X 射線可提供樣品內(nèi)部幾何形貌的三維呈現(xiàn)，因而被視為是一種功能強(qiáng)大的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。圖10［159］為X 射線直線掃描CT 系統(tǒng)。Chai等［160］的研究提出了一種新型延時(shí)同步加速器X 射線顯微計(jì)算機(jī)斷層掃描（XCT）方法，用于評(píng)估扭轉(zhuǎn)下CFRP 復(fù)合材料管的損傷狀態(tài)，并以三維形式展示了管內(nèi)裂紋和管間脫粘的形成和擴(kuò)展過(guò)程。

圖10 直線掃描CT 系統(tǒng)［159］Fig.10 System of linear scanning CT［159］

然而因XCT 或基于同步加速器的XCT 無(wú)法檢測(cè)低于各自系統(tǒng)物理分辨率的缺陷，其實(shí)用性受限［161］。因其明顯更低的物理分辨率不足以識(shí)別缺陷且需增加掃描時(shí)間，限制了該系統(tǒng)掃描大樣品的能力。此外該系統(tǒng)在分割具有相似X 射線吸收系數(shù)的材料（如碳纖維和環(huán)氧樹脂基體）時(shí)存在問(wèn)題［162］。

暗場(chǎng)成像（DFI）技術(shù)使在更低分辨率的情況下對(duì)試樣的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入分析成為可能［161-162］。如Senck 等［161］采用基于光柵的X 射線暗場(chǎng)成像技術(shù)精確表征了低速?zèng)_擊（LVIs）和彎曲測(cè)試下CFRP 樣品中的微裂紋進(jìn)，并在12.5、22.8、50.0 μm 的像素大小下實(shí)現(xiàn)了2D 和3D 損傷的可視化，展示了該方法在微裂紋識(shí)別方面的卓越能力。此外在材料科學(xué)中X 射線顯微鏡（XRM）被視為無(wú)損檢測(cè)方法，被廣泛用于探測(cè)材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。Lu 等［163］采用X 射線顯微鏡計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)深入檢查不同碳纖維層壓板，證明了其在評(píng)估不同復(fù)合材料損傷行為中的實(shí)用性。

目前，以X 射線成像為核心的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)正圍繞著提高檢測(cè)效率的目標(biāo)展開。深度學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)的運(yùn)用極大地提升了X 射線檢測(cè)各類缺陷的質(zhì)量和效率。Chen 和Juang［164］運(yùn)用快速基于區(qū)域的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（Fast R-CNN）和航空發(fā)動(dòng)機(jī)射線檢測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)（AERTISNet）對(duì)X 射線圖像檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了深入研究；這種方法不僅具備獨(dú)立檢測(cè)能力，且在短時(shí)間內(nèi)就能有效區(qū)分10 種類型的裂紋。

綜上所述，X 射線技術(shù)在無(wú)損檢測(cè)中可提供多種分析功能，包括對(duì)物體內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的無(wú)損表征［162，165-166］和損傷評(píng)估［157-158，161，163］。表6 對(duì)其優(yōu)勢(shì)和局限性進(jìn)行了詳細(xì)介紹?？偟膩?lái)說(shuō)，X 射線成像在檢測(cè)復(fù)合材料中具有不同吸收和散射能力的人工插入物方面具有潛在應(yīng)用價(jià)值。另外最近研究表明，與其他透射技術(shù)相比，背向散射X 射線成像在探測(cè)CFRP 結(jié)構(gòu)中的水和濕度方面展現(xiàn)出極大優(yōu)勢(shì)［136，167］。值得注意的是，同步輻射X 射線成像系統(tǒng)具有更加出色的信噪比（SNR）和相位對(duì)比度，使其非常適用于低對(duì)比度復(fù)合材料的檢查。高能X 射線束生產(chǎn)技術(shù)的不斷進(jìn)步也推動(dòng)了一系列新X 射線成像方法的發(fā)展，這些方法在時(shí)間、空間和能量分辨率上都有顯著提高。然而這種技術(shù)的復(fù)雜性及解讀檢測(cè)結(jié)果所需專業(yè)知識(shí)的要求往往阻礙了非破壞性檢測(cè)領(lǐng)域的X 射線成像推廣。此外由于X 輻射對(duì)人體危害性的額外挑戰(zhàn)，便攜式或手持式系統(tǒng)的開發(fā)仍受限制，即使存在也必須清除整個(gè)工作間或機(jī)庫(kù)以確保不會(huì)對(duì)附近工作的其他人造成意外傷害。Prakash［168］認(rèn)為X 射線成像在顯示孔隙率或纖維體積分?jǐn)?shù)變化方面的能力有限?？紤]到這個(gè)專題的相關(guān)出版物相對(duì)較少，筆者認(rèn)為Prakash 的評(píng)估仍有效。同時(shí)，X 射線成像在厚度方向上無(wú)法識(shí)別缺陷或損傷也是一個(gè)仍需解決的挑戰(zhàn)［29］。

2 基于層次分析法的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

隨著無(wú)損檢測(cè)行業(yè)的日益進(jìn)步和新型無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的持續(xù)涌現(xiàn)，為確保針對(duì)不同F(xiàn)RP 結(jié)構(gòu)選擇最為適宜的技術(shù)，需采用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑u(píng)估與分析方法。技術(shù)適用性得以確定的主要因素包括損傷類型、準(zhǔn)確性、測(cè)試的有效性、應(yīng)用的復(fù)雜性及設(shè)備設(shè)置與檢查的成本［48，169］。采用層次分析法（AHP）分析無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。AHP 是由Wind 和Saaty［170］在20 世紀(jì)70 年代提出的一種全面的分析與決策方法，旨在構(gòu)建目標(biāo)、準(zhǔn)則及備選方案的系統(tǒng)化框架。

層次分析法的步驟如下：先確立非結(jié)構(gòu)化問(wèn)題，建立層次分析法模型，再構(gòu)建成對(duì)比較表，然后估算相對(duì)權(quán)重，檢驗(yàn)一致性，最后得出綜合評(píng)估結(jié)果。首先要確立案例研究的目標(biāo)。在對(duì)已有文獻(xiàn)進(jìn)行回顧后，確立目標(biāo)是根據(jù)指定的標(biāo)準(zhǔn)確定最合適的、用于檢測(cè)特定結(jié)構(gòu)的技術(shù)。層次分析法要求決策者進(jìn)行成對(duì)比較，為做出有力的判斷，學(xué)習(xí)和個(gè)人經(jīng)驗(yàn)至關(guān)重要。由于目標(biāo)是根據(jù)對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)的學(xué)習(xí)確定最合適的技術(shù)，因此選擇這些研究中最常見(jiàn)的標(biāo)準(zhǔn)。

如Meola 等［47］對(duì)相控陣超聲檢測(cè)（PAUT）和紅外熱成像技術(shù)的檢測(cè)精度、檢測(cè)時(shí)間和樣本大小進(jìn)行了比較，Wang 等［139］對(duì)太赫茲成像、X 射線CT 和超聲C 掃描測(cè)量的檢測(cè)精度和檢測(cè)時(shí)間進(jìn)行了定量比較，根據(jù)文獻(xiàn)［47，139］，在選擇最合適的技術(shù)時(shí)，檢測(cè)時(shí)間、準(zhǔn)確性和樣本尺寸都是至關(guān)重要的。此外檢測(cè)成本會(huì)隨試件尺寸的增加而增加。因此考慮4 個(gè)準(zhǔn)則：結(jié)構(gòu)尺寸、測(cè)試精度、時(shí)間和成本。只有具備了能客觀評(píng)估備選方案的有形信息才能科學(xué)地選擇技術(shù)。

接下來(lái)的步驟是將問(wèn)題分解為目標(biāo)、準(zhǔn)則和備選方案的層次結(jié)構(gòu)，如圖11 所示。構(gòu)建準(zhǔn)則間的兩兩比較表/矩陣，同時(shí)比較兩個(gè)準(zhǔn)則并根據(jù)在NDT&E 研究中基于回顧的判斷估計(jì)它們之間的相互影響。在構(gòu)建權(quán)重估計(jì)和兩兩比較矩陣后計(jì)算準(zhǔn)則權(quán)重并檢查判斷的一致性。一致性比率（Consistency Ratio，CR）必須小于0.1 才能認(rèn)為判斷是一致的［131］。然后按之前討論的步驟構(gòu)建可選方案間的兩兩比較表，以便一次基于單個(gè)準(zhǔn)則同時(shí)比較兩個(gè)可選方案。文獻(xiàn)［171］詳述了權(quán)重評(píng)估的計(jì)算方法，如圖12 所示，結(jié)構(gòu)尺寸是確定最佳技術(shù)選擇的最重要參數(shù)。

圖11 層次結(jié)構(gòu)決策示意圖Fig.11 Hierarchical structure of decision

圖12 權(quán)重準(zhǔn)則［171］Fig.12 Weight criteria［171］

3 組合無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

NDT&E 過(guò)程的目的是檢測(cè)缺陷、定位缺陷、對(duì)其類型進(jìn)行分類并確定其嚴(yán)重程度（大小、形狀、分布）。然而根據(jù)已有文獻(xiàn)資料，單一NDT&E 技術(shù)可能無(wú)法涵蓋所有功能，因此需協(xié)同其他技術(shù)進(jìn)行綜合分析。如聲發(fā)射技術(shù)可提供損傷檢測(cè)、定位和分類，但對(duì)損傷嚴(yán)重程度的詳細(xì)信息則無(wú)能為力。此外，IRT、DIC、激光錯(cuò)位散斑干涉等成像技術(shù)雖具備損傷檢測(cè)、定位和嚴(yán)重程度量化等功能，但無(wú)法有效分類不同的損傷模式，且隨著缺陷深度增加其有效性也隨之降低［172］。在非接觸、快速檢測(cè)方面，ECT 技術(shù)類似于IRT、DIC 和激光錯(cuò)位散斑干涉技術(shù)，但存在一些問(wèn)題，主要是不適用于大型結(jié)構(gòu)和復(fù)雜幾何形狀，無(wú)法檢測(cè)深層缺陷。因此，些研究者將不同的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)更好的損傷分析。

Shoukroun 等［173］將邊緣照明X 射線相襯成像（El XPCi）與超聲成像相結(jié)合，用于CFRP 層疊板的沖擊損傷檢測(cè)和表征；結(jié)合El XPCi 與超聲波成像能以優(yōu)良的對(duì)比度檢測(cè)和量化所有缺陷，然而選用的超聲波頻率（20 MHz）對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)與薄片層厚度相當(dāng)，且不光滑的樣品表面阻礙了精確測(cè)量；El XPCi 方法克服了超聲波成像的局限性，可檢測(cè)到超聲波成像無(wú)法看到的內(nèi)部缺陷和特征，特別是試樣厚度方向的裂縫；然而El XPCi 的掃描過(guò)程較長(zhǎng)，僅適用于小型樣品。

在另一項(xiàng)研究中，de Oliveira 等［174］提出了一種基于光學(xué)鎖相熱成像（OLT）和光學(xué)方波激光錯(cuò)位散斑干涉（OSS）圖像的圖像融合方法，用于表征CFRP 板材的沖擊損傷；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明等效直徑測(cè)量誤差減少了72.21%，度量值提高了8.05%；因此采用其中一種融合方法可顯著提高損傷檢測(cè)能力；他們還采用圖像融合降低了測(cè)量不確定度，提高了檢測(cè)的置信度和魯棒性。Djabali 等［175］采用3 種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)：X 射線斷層掃描、DIC 和AE，對(duì)厚碳/環(huán)氧層壓板的疲勞損傷演變進(jìn)行了研究，詳細(xì)并精確地揭示了損傷過(guò)程中涉及的各種機(jī)理。文獻(xiàn)［173-175］揭示多種技術(shù)組合在提供更精準(zhǔn)、全面的損傷特征描述方面潛力巨大，這有助于深入理解不同的損傷機(jī)理。此外使用機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)等人工智能工具處理無(wú)損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可顯著提高損傷診斷和預(yù)后評(píng)估的質(zhì)量。然而，為確保構(gòu)建的系統(tǒng)能達(dá)到高效性和經(jīng)濟(jì)性的要求，必須對(duì)這些技術(shù)方法所需成本加以全面考慮。此外在某些情況下，無(wú)法檢測(cè)結(jié)構(gòu)的特定部分。遠(yuǎn)程操作車輛（ROV）是有效的解決方案［176］。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，可在微米或納米尺度上制造微型、高效的機(jī)器人和小型傳感器。輕型ROV 可配備多種傳感器，具備主動(dòng)傳感、被動(dòng)傳感或主被動(dòng)傳感功能。ROV不受結(jié)構(gòu)幾何形狀的影響，能在整個(gè)結(jié)構(gòu)中航行從而實(shí)現(xiàn)快速、高效的檢測(cè)，不會(huì)對(duì)檢測(cè)人員造成任何危險(xiǎn)。Deane 等［177］提出了一種自動(dòng)飛行器（UAV）熱成像系統(tǒng)，無(wú)需人工干預(yù)即可獲得大型結(jié)構(gòu)（如飛機(jī)等）的完整圖像。這種系統(tǒng)能檢測(cè)多種損傷機(jī)制，如低速?zèng)_擊損傷、幾乎不可見(jiàn)沖擊損傷和熱損傷。

表7 列舉了幾種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的組合，以實(shí)現(xiàn)損傷的檢測(cè)、精準(zhǔn)定位、精細(xì)分類并精確評(píng)估其嚴(yán)重程度。舉例來(lái)說(shuō)，聲發(fā)射與數(shù)字圖像相關(guān)檢測(cè)或聲發(fā)射與激光錯(cuò)位散斑干涉檢測(cè)的組合可實(shí)現(xiàn)4 項(xiàng)中3 項(xiàng)功能，然而未能明確確定損傷的各種模式（即矩陣開裂、分層）。同時(shí)值得注意的是，選擇哪些NDT 技術(shù)進(jìn)行組合還會(huì)受其他因素影響，如檢查的成本及檢查設(shè)定的復(fù)雜度。

表7 潛在無(wú)損檢測(cè)技術(shù)組合Table 7 Possible NDT techniques combinations

4 結(jié)論

綜上所述，每種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)都具備其潛力，但很少能提供全面的缺陷診斷，因此需結(jié)合多種技術(shù)進(jìn)行綜合評(píng)估。如今，結(jié)合多種技術(shù)的趨勢(shì)愈發(fā)流行，因其能提供全面的損傷評(píng)估，包括損傷檢測(cè)、定位、分類和嚴(yán)重程度評(píng)估。另外借助人工智能工具的輔助，混合技術(shù)還可用于預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)損壞后的剩余使用壽命。然而這種方法可能會(huì)延長(zhǎng)檢測(cè)時(shí)間、增加檢測(cè)成本。此外大多涉及組合技術(shù)的研究都未考慮成本因素，也未確定最有效、最經(jīng)濟(jì)的組合技術(shù)。因此基于結(jié)構(gòu)尺寸、檢測(cè)精度、檢測(cè)時(shí)間和檢測(cè)成本4 個(gè)準(zhǔn)則，采用層次分析法對(duì)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行分析，從而證實(shí)了技術(shù)選擇的重要性。

盡管無(wú)損檢測(cè)技術(shù)取得了令人興奮的成就，然而仍需付出大量努力開發(fā)快速且價(jià)格適宜的無(wú)損檢測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)。傳統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)程序需人工干預(yù)，因此勞動(dòng)力成本較高；需借助外部探頭或設(shè)備對(duì)結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行檢測(cè)。未來(lái)應(yīng)著重于研發(fā)高精度、高效率的智能化、自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)。人工智能工具（如機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)）能在無(wú)需檢查員干預(yù)的情況下提供快速?zèng)Q策，因此具有巨大潛力，可用于復(fù)合材料的無(wú)損測(cè)試與評(píng)估。