隨著航空制造技術(shù)的不斷發(fā)展，復(fù)合材料以其高的比強(qiáng)度、比剛度及良好的抗疲勞性和耐腐蝕性獲得廣泛的應(yīng)用。由于玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料具有導(dǎo)呈現(xiàn)電性差、熱導(dǎo)率低、聲衰減高的特點(diǎn)，性能方面呈顯著地各向?qū)?，使得它?duì)波傳播所引起的作用與普通金屬材料相比具有很大的差異，因而其無(wú)損檢測(cè)技術(shù)與金屬的檢測(cè)大不相同，復(fù)合復(fù)合材料檢測(cè)日益呈為該領(lǐng)域的重點(diǎn)和難點(diǎn)，在這種情況下，航空航天檢測(cè)迫切需要一種更有效的手段來(lái)提高復(fù)合材料構(gòu)件的生產(chǎn)質(zhì)量或修理水平。

復(fù)合材料構(gòu)件的成型過(guò)程是極其復(fù)雜的，期間即有化學(xué)反應(yīng)，又有物理變化，影響性能的因素甚多，許多工藝參數(shù)的微小差異會(huì)導(dǎo)致其產(chǎn)生諸多缺陷，是產(chǎn)品質(zhì)量呈現(xiàn)明顯的離散性，這些缺陷嚴(yán)重影響構(gòu)件的機(jī)械性能和完整性，由于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造質(zhì)量的離散性，必須通過(guò)無(wú)損檢測(cè)來(lái)鑒別產(chǎn)品的內(nèi)部質(zhì)量狀況，以確保產(chǎn)品質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)和使用要求。隨著先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)研究與應(yīng)用的高速增長(zhǎng)，復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)技術(shù)也迅速發(fā)展起來(lái)，已成為新材料結(jié)構(gòu)能否有效和擴(kuò)大應(yīng)用的關(guān)鍵。

一、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件缺陷的產(chǎn)生與特點(diǎn)

先進(jìn)復(fù)合材料中的缺陷類(lèi)型一般包括：孔隙、夾雜、裂紋、疏松、纖維分層與斷裂、纖維與基體界面開(kāi)裂、纖維卷曲、富膠或貧膠、纖維體積百分比超差、鋪層或纖維方向誤差、缺層、鋪層搭接過(guò)多、厚度偏離、磨損、劃傷等，其中孔隙、分層與夾雜是最主要的缺陷。材料中的缺陷可能只是一種類(lèi)型，也可能是好幾種的缺陷同時(shí)存在。

       缺陷產(chǎn)生的原因多種多樣的，有環(huán)境控制方面的原因，有制造工藝方面的原因，也有運(yùn)輸、操作以及使用不當(dāng)?shù)脑?，也有運(yùn)輸操作以及使用不當(dāng)?shù)脑颍缤饬_擊、與其他物體碰撞和刮擦等。對(duì)缺陷產(chǎn)生原因進(jìn)行準(zhǔn)確分析，可以有針對(duì)性地采取預(yù)防與控制措施，減少缺陷形成的概率，保證保證結(jié)構(gòu)質(zhì)量和性能滿足要求。

       1、成型過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷

      復(fù)合材料在成型過(guò)程中往往會(huì)由于工藝原理和理論的非完美性而產(chǎn)生缺陷，人為操作的隨機(jī)性會(huì)產(chǎn)生夾雜、鋪層錯(cuò)誤、固化不完全等缺陷，固化過(guò)程控制不好會(huì)產(chǎn)生孔隙、分層、脫膠等缺陷。原材料因素，也是復(fù)合原材料產(chǎn)生缺陷的一個(gè)主要原因，預(yù)浸料中局部樹(shù)脂含量不均勻。毛團(tuán)、纖維彎曲會(huì)造成復(fù)合材料的貧膠、富膠和纖維曲屈。如果預(yù)浸料儲(chǔ)存時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則會(huì)在固化成型過(guò)程中因樹(shù)脂的流動(dòng)性變差而導(dǎo)致貧膠、富膠、纖維脫粘以至分層等缺陷。如果這些缺陷不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，對(duì)復(fù)合材料的性能會(huì)有很大影響，甚至?xí)斐刹豢赏旎氐膿p失。

        2．使用過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷

       復(fù)合材料構(gòu)件在使用過(guò)程中往往會(huì)由于應(yīng)力或環(huán)境因素而產(chǎn)生缺陷，以至被破壞。復(fù)合材料損傷的產(chǎn)生、擴(kuò)展與積累會(huì)加劇材料的環(huán)境與應(yīng)力腐蝕，加劇材料老化，造成材料的耐濕熱性能?chē)?yán)重下降，強(qiáng)度與剛度急劇損失，大大降低材料的使用壽命，有時(shí)會(huì)造成嚴(yán)重后果。傳統(tǒng)觀念采取的是發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后進(jìn)行修補(bǔ)（維修或修理）的辦法，要求在發(fā)現(xiàn)危及安全的缺陷后立即進(jìn)行修復(fù)。而新的觀念是預(yù)測(cè)并管理，要求對(duì)可能發(fā)生的缺陷、故障進(jìn)行預(yù)報(bào)，從而能在某一合適時(shí)間段內(nèi)采取措施。所以復(fù)合材料在使用過(guò)程中的定期檢測(cè)，就顯得極為
重要，也越來(lái)越受到人們的重視。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)常見(jiàn)的缺陷類(lèi)型及檢測(cè)特點(diǎn)見(jiàn)表1。

       二、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的無(wú)損檢測(cè)

       先進(jìn)復(fù)合材料中的微觀破壞和內(nèi)部缺陷，用常規(guī)的機(jī)械與物理方法一般不能滿足檢驗(yàn)精度要求，也不能采用破壞性實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行檢測(cè)，必須對(duì)其進(jìn)行無(wú)損探傷檢測(cè)，即在不損壞結(jié)構(gòu)使用性能的前提下，采取一定的手段，檢測(cè)其特征質(zhì)量，確定其是否達(dá)到需要的工程使用要求。無(wú)損檢測(cè)是檢驗(yàn)產(chǎn)品質(zhì)量、保證產(chǎn)品使用安全、延長(zhǎng)產(chǎn)品壽命必要的有效技術(shù)手段?？蓱?yīng)用于航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中缺陷無(wú)損檢測(cè)的技術(shù)很多，包括目視檢查法、聲阻法、射線檢測(cè)技術(shù)、超聲檢測(cè)技術(shù)、聲一超聲技術(shù)、渦流檢測(cè)技術(shù)、微波檢測(cè)技術(shù)等。

      1．目視檢查法

       目視檢查法是使用最廣泛、最直接的無(wú)損檢測(cè)方法。它可以檢查出褪色、表面劃傷、裂紋、起泡、表面欠壓、起皺、桔皮、凹痕、富膠、貧膠等缺陷；尤其對(duì)透光的玻璃鋼產(chǎn)品，可用透射光檢查出內(nèi)部的某些缺陷和定位，如夾雜、氣泡、疏松、搭接的部位和寬度、蜂窩芯的位置和狀態(tài)、鑲嵌件的位置等。另外，利用反射光可以觀察到表面不平和其他缺陷。

       2．聲阻法

      聲阻法又稱機(jī)械阻抗分析法，它是通過(guò)測(cè)量結(jié)構(gòu)件被測(cè)點(diǎn)振動(dòng)力阻抗的變化來(lái)確定是否有異常的結(jié)構(gòu)存在。聲阻儀是專(zhuān)為復(fù)合材料與蜂窩結(jié)構(gòu)件的整體性檢測(cè)發(fā)展起來(lái)的便攜式檢測(cè)儀器，可檢測(cè)出板一板膠接結(jié)構(gòu)（或復(fù)合材料）件或蜂窩結(jié)構(gòu)的單層、多層板分離區(qū)域。此方法操作簡(jiǎn)單，效果很好，能滿足設(shè)計(jì)和使用要求。

      3．射線檢測(cè)技術(shù)

      對(duì)于先進(jìn)復(fù)合材料而言，射線檢測(cè)仍然是最直接、最有效的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)之一，特別適合于檢測(cè)先進(jìn)復(fù)合材料中的孔隙和夾雜等體積型缺陷，對(duì)垂直于材料表面的裂紋也具有較高的檢測(cè)靈敏度和可靠性，對(duì)樹(shù)脂聚集與纖維聚集也有一定的檢測(cè)能力，也可測(cè)量小厚度復(fù)合材料鋪層中的纖維彎曲等缺陷，但對(duì)復(fù)合材料中最為常見(jiàn)的分層缺陷檢測(cè)比較困難，對(duì)平行于材料表面的裂紋射線檢測(cè)技術(shù)也不敏感。

       在所有酌射線檢測(cè)技術(shù)中，膠片射線照相技術(shù)應(yīng)用最為廣泛，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，該技術(shù)已經(jīng)比較成熟，許多國(guó)家都建立了針對(duì)復(fù)合材料的膠片射線照相技術(shù)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)。近幾年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，  射線實(shí)時(shí)成像檢測(cè)技術(shù)（RTR技術(shù)）日趨完善，并開(kāi)始應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢測(cè)。RTR技術(shù)利用圖像增強(qiáng)器將穿透材料后的射線信息轉(zhuǎn)換為可視圖像（即光電轉(zhuǎn)換）。然后輸入計(jì)算機(jī)經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理將可視圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像，在顯示器屏幕上顯示出材料內(nèi)部缺陷的性質(zhì)、大小和位置等信息。與膠片照相技術(shù)相比，RTR技術(shù)不需要膠片的暗室處理，縮短了曝光時(shí)間，成像質(zhì)量與膠片照相技術(shù)相當(dāng)，但在檢測(cè)過(guò)程的實(shí)時(shí)性、檢測(cè)效率、經(jīng)濟(jì)性以及遠(yuǎn)程傳送和方便實(shí)用等方面具有無(wú)比的優(yōu)越性。實(shí)時(shí)成像技術(shù)可應(yīng)用于先進(jìn)復(fù)合材料產(chǎn)品的在線檢測(cè)，可以對(duì)裝配線上的工件進(jìn)行實(shí)時(shí)快速檢測(cè)。

             

       康普頓背散射成像(CST)技術(shù)是一種新的射線檢測(cè)技術(shù)，它具有單側(cè)非接觸、檢測(cè)靈敏度高、快速三維成像的特點(diǎn)，非常適合于復(fù)合材料等原子序數(shù)較低材料的物體，對(duì)低密度材料的檢測(cè)可獲得比透射成像更高的圖像對(duì)比度，特別是當(dāng)被檢物體結(jié)構(gòu)限制無(wú)法進(jìn)行雙側(cè)成像檢測(cè)時(shí)，CST技術(shù)就顯示出明顯的優(yōu)勢(shì)。CST技術(shù)在國(guó)外航空航天領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，在國(guó)內(nèi)，由于缺少相關(guān)的技術(shù)設(shè)備，此項(xiàng)技術(shù)還尚處于探索性的研究階段，但鑒于該技術(shù)的獨(dú)特性能，可以預(yù)見(jiàn)它必將成為航空航天無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域一個(gè)極具開(kāi)發(fā)與應(yīng)用潛力的檢測(cè)手段。

       4．超聲檢測(cè)技術(shù)

       超聲檢測(cè)方法主要包括有脈沖反射法、穿透法、反射板法、共振法、阻抗法等，它們各有特點(diǎn)，可根據(jù)材料結(jié)構(gòu)的不同選用合適的檢測(cè)方法。對(duì)于一般小而薄、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的平面層壓板及曲率不大的復(fù)合材料構(gòu)件，宜采用水浸式反射板法；對(duì)于小而稍厚的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，無(wú)法采用水浸式反射板法時(shí)，可采用噴水脈沖反射法或接觸帶延遲塊脈沖發(fā)射法；對(duì)于大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)宜采用水噴穿透法或水噴脈沖反射法。復(fù)合材料的多層結(jié)構(gòu)使得聲波在材料中的衰減較大，而且航空航天領(lǐng)域的先進(jìn)復(fù)合材料構(gòu)件多為薄形結(jié)構(gòu)，所引起的噪聲和缺陷反射信號(hào)的信噪比低．不易分辨，在選擇合適的檢測(cè)方法時(shí)應(yīng)進(jìn)行全面、細(xì)致的考慮。

      5．聲一超聲檢測(cè)技術(shù)

      聲～超聲(AU)技術(shù)又稱應(yīng)力波因子(SWF)技術(shù)。與通常的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)不同，AU技術(shù)主要用于檢測(cè)和研究材料中分布的細(xì)微缺陷群及其對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能（強(qiáng)度或剛度等）的整體影響，屬于材料的完整性評(píng)估技術(shù)。采用聲一超聲振幅C掃描技術(shù)也能夠?qū)?fù)合材料與金屬材料間的粘接界面進(jìn)行有效檢測(cè)，而且克服了超聲反射技術(shù)信號(hào)清晰度不高、超聲透射技術(shù)傳感器可達(dá)（及）性差的缺點(diǎn)。

       復(fù)合材料的聲發(fā)射技術(shù)研究20世紀(jì)70年代始于美國(guó)，80年代在法、日、英等國(guó)得到發(fā)展和廣泛應(yīng)用。先進(jìn)復(fù)合材料中的聲發(fā)射源主要有纖維斷裂、基體微裂紋、基體宏觀裂紋、纖維一基體界面脫開(kāi)、纖維摩擦基體、纖維斷裂松馳等。通過(guò)對(duì)材料或結(jié)構(gòu)在加載過(guò)程中產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和分析，可以對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件的整體質(zhì)量水平進(jìn)行評(píng)價(jià)，反映復(fù)合材料中損傷的發(fā)展與破壞模式，預(yù)測(cè)構(gòu)件的最終承載強(qiáng)度，并能夠確定出構(gòu)件質(zhì)量的薄弱區(qū)域。聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)僅可用于復(fù)合材料承力結(jié)構(gòu)件的整體無(wú)損檢測(cè)，對(duì)單個(gè)缺陷的檢測(cè)準(zhǔn)確性較低。

       聲發(fā)射技術(shù)是檢測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量水平的非常實(shí)用的技術(shù)手段，使用簡(jiǎn)單方便，可以在測(cè)試材料力學(xué)性能的同時(shí)獲取材料動(dòng)態(tài)變形損傷過(guò)程中的寶貴信息。它包括參數(shù)分析法與波形分析法兩種方法。參數(shù)分析法是通過(guò)記錄和弁析聲發(fā)射信號(hào)的特征參數(shù)，如幅度、能量、持續(xù)時(shí)間、振鈴計(jì)數(shù)和事件數(shù)等，來(lái)分析材料的損傷破壞特征，如損傷程度和部位、破壞機(jī)制等；波形分析法是指對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的波形進(jìn)行記錄與分析，得到信號(hào)的頻譜及相關(guān)函數(shù)等，通過(guò)分析材料不同階段和不同機(jī)制引起損傷的頻譜特征，可以獲取材料的損傷特征。

       6．渦流檢測(cè)技術(shù)

       渦流檢測(cè)技術(shù)的基本原理是利用渦流探頭中線圈通以交變電流后，能夠在線圈附近的檢測(cè)試樣中產(chǎn)生渦流，該渦流又能產(chǎn)生一個(gè)交變反磁場(chǎng)，交變反磁場(chǎng)會(huì)改變線圈磁場(chǎng)，從而使流經(jīng)線圈中的電流也隨之改變。當(dāng)線圈上的電壓恒定，線圈中電流變化引起線圈阻抗變化，通過(guò)測(cè)量線圈阻抗的變化，就可以得到試樣內(nèi)部的缺陷信息。但這種技術(shù)只適用于導(dǎo)電復(fù)合材料，對(duì)GFRP和
KFRP不適用，而對(duì)CFRP是適用的。利用渦流檢測(cè)技術(shù)可檢測(cè)出CFRP中的纖維含量與缺陷，對(duì)復(fù)合材料與金屬粘接結(jié)構(gòu)中金屬材料的翹曲變形也具有較高的檢測(cè)靈敏度。

       7．微波檢測(cè)技術(shù)

       微波在復(fù)合材料中穿透能力強(qiáng)、衰減小，適合于復(fù)合材料的無(wú)損檢測(cè)。它可以克服常規(guī)檢測(cè)方法的不足（如超聲波在復(fù)合材料中衰減大、難以檢測(cè)內(nèi)部較深部位缺陷，射線檢測(cè)對(duì)平面型缺陷靈敏度低等），對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的孔隙、疏松、基體開(kāi)裂、分層和脫粘等缺陷具有較高的靈敏性。據(jù)報(bào)道，美國(guó)在20世紀(jì)60年代就采用微波技術(shù)對(duì)大型導(dǎo)彈固體發(fā)動(dòng)機(jī)玻璃鋼殼體中的缺陷和內(nèi)部質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)；我國(guó)的陸榮林等人也采用微波反射技術(shù)對(duì)不同復(fù)合材料中的空洞型缺陷進(jìn)行了檢測(cè)。結(jié)果證明了微波檢測(cè)技術(shù)對(duì)復(fù)合材料中缺陷檢測(cè)的有效性。除上述檢測(cè)技術(shù)外，還有目視法、流體滲透法、激光全息法等其他技術(shù)也可用于先進(jìn)復(fù)合材料的無(wú)損檢測(cè)。

       三，技術(shù)關(guān)鍵
 
      1．針對(duì)復(fù)合材料裝機(jī)結(jié)構(gòu)件的快速高效無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

      賦予傳統(tǒng)復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)新的技術(shù)內(nèi)涵，使之更適合未來(lái)復(fù)合材料的低成本設(shè)計(jì)、制造和裝機(jī)應(yīng)用主流，通過(guò)提高傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)的功效，達(dá)到提高檢測(cè)效率、降低檢瀏成本的目的。開(kāi)展無(wú)損檢測(cè)新技術(shù)和新方法的研究，探索研究適合復(fù)合材料的快速高效無(wú)損檢測(cè)技術(shù)和方法。美國(guó)等復(fù)合材料用量較大的國(guó)家，自20世紀(jì)90年代后期已經(jīng)開(kāi)始將復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究的重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到快速高效的無(wú)損檢測(cè)方向，而且有了初步應(yīng)用成果。

       2．針對(duì)新型復(fù)合材料的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

       與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，目前我國(guó)復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的研究深度和發(fā)揮作用的程度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。復(fù)合材料的一個(gè)重要結(jié)構(gòu)特征就是內(nèi)部各組分之間物理界面復(fù)雜，如果能利用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)得到這些界面的全部信息，將會(huì)對(duì)材料研究和工藝分析起十分重要的指導(dǎo)作用。

        四、結(jié)束語(yǔ)

        復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是一門(mén)專(zhuān)門(mén)的學(xué)科，是我們所面臨的新課題，應(yīng)重視對(duì)復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)人員的技術(shù)培訓(xùn)工作，開(kāi)展復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的建標(biāo)工作，進(jìn)行復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和無(wú)損檢測(cè)方法，分析、制訂試驗(yàn)方案，設(shè)計(jì)和制備無(wú)損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)試樣，編制復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)與缺陷驗(yàn)收規(guī)范，并加強(qiáng)與國(guó)內(nèi)外知名廠所、高校的復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)先進(jìn)技術(shù)的合作與交流，進(jìn)一步學(xué)習(xí)國(guó)外復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)的先進(jìn)技術(shù)，提高我國(guó)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)水平。

資料下載：   航空用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件無(wú)損檢測(cè)技術(shù)分析.pdf