復(fù)合材料壓力容器無(wú)損檢測(cè)研究(共8頁(yè))

1、 學(xué)院：航空航天工程(gngchng)學(xué)部 班級(jí)(bnj)： 14030102 學(xué)號(hào)：2011040301091 姓名(xngmng)：趙洪暢 復(fù)合材料(f h ci lio)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的分類及研究現(xiàn)狀摘要(zhiyo)： 隨著復(fù)合材料壓力容器的研究及其在航空航天等領(lǐng)域(ln y)的廣泛應(yīng)用,檢測(cè)復(fù)合材料壓力容器內(nèi)部缺陷、損傷的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)也得到迅速的發(fā)展.總結(jié)了用于復(fù)合材料壓力容器無(wú)損檢測(cè)的超聲波技術(shù)、聲發(fā)射技術(shù)、聲-超聲技術(shù)、渦流檢測(cè)技術(shù)、計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)、紅外熱波、數(shù)字散斑等主要無(wú)損檢測(cè)方法,對(duì)上述方法的原理、特點(diǎn)、適用范圍及其在復(fù)合材料壓力容器無(wú)損檢測(cè)中的檢測(cè)特征作了簡(jiǎn)要評(píng)述;并對(duì)

2、復(fù)合材料壓力容器無(wú)損檢測(cè)研究進(jìn)行了展望.關(guān)鍵詞： 復(fù)合材料壓力容器、無(wú)損檢測(cè)方法、超聲波、聲發(fā)射技術(shù)、數(shù)字散斑、無(wú)損檢測(cè)、紅外熱波、 渦流檢測(cè)序言： 隨著新型復(fù)合材料和復(fù)合材料壓力容器的開發(fā)及其在航空航天領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，作為產(chǎn)品缺陷檢測(cè)和質(zhì)量評(píng)價(jià)手段的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)也相應(yīng)得到迅速發(fā)展?？偨Y(jié)了航空航天復(fù)合材料構(gòu)件無(wú)損檢測(cè)的主要方法，即：渦流檢測(cè)法、射線檢測(cè)法、超聲波檢測(cè)法、光學(xué)檢測(cè)法、聲發(fā)射和機(jī)械阻抗分析法等，及用于復(fù)合材料壓力容器無(wú)損檢測(cè)的超聲波技術(shù)、 聲發(fā)射技術(shù)、 聲 超聲技術(shù)、 渦流檢測(cè)技術(shù)、 計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)、 紅外熱波、 數(shù)字散斑等主要無(wú)損檢測(cè)方法， 對(duì)上述方法的原理、 特點(diǎn)、 適用范

3、圍及其在復(fù)合材料壓力容器的無(wú)損檢測(cè)中的檢測(cè)特征作了簡(jiǎn)述，并對(duì)復(fù)合材料壓力容器無(wú)損檢測(cè)研究進(jìn)行了展望.正文(zhngwn)：1、復(fù)合材料壓力容器的發(fā)展(fzhn)簡(jiǎn)介與無(wú)損檢測(cè)意義 金屬壓力容器經(jīng)過(guò)多年的研究與應(yīng)用已成為高可靠性工程(gngchng)結(jié)構(gòu)。由于復(fù)合材料性能的提高，特別是纖維纏繞技術(shù)的發(fā)展，先進(jìn)復(fù)合材料與金屬內(nèi)襯復(fù)合的壓力容器的研究與應(yīng)用有了較大進(jìn)步，金屬內(nèi)襯復(fù)合材料壓力容器廣泛用于航空、 航天等領(lǐng)域。輕質(zhì)高強(qiáng)、 可靠性高、使用疲勞壽命長(zhǎng)的壓力容器已成為各主要工業(yè)國(guó)航空航天壓力容器發(fā)展方向。在航空領(lǐng)域，損傷容限理論已經(jīng)逐步替代了安全壽命設(shè)計(jì)理論。復(fù)合材料壓力容器在制造與使用過(guò)程中產(chǎn)

4、生的缺陷與損傷是導(dǎo)致復(fù)合材料壓力容器失效或事故的主要原因。采用無(wú)損檢測(cè)的方法評(píng)估復(fù)合材料壓力容器的損傷狀態(tài)與損傷發(fā)展規(guī)律。對(duì)評(píng)價(jià)壓力容器的服役性能與鑒定壓力容器的失效具有重要作用.2、復(fù)合材料壓力容器的無(wú)損檢測(cè)方法2. 1超聲波檢測(cè)超聲波是復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)應(yīng)用最廣泛的技術(shù)。超聲無(wú)損檢測(cè)是用換能器向被檢構(gòu)件發(fā)射超聲波，利用材料內(nèi)部缺陷區(qū)域和正常區(qū)域?qū)Τ暡ǖ姆瓷洹?衰減與共振的差異， 來(lái)定材料內(nèi)部缺陷的位置和尺寸， 超聲儀將含損傷信息的超聲波信號(hào)顯示出來(lái)， 無(wú)損檢測(cè)人員可根據(jù)顯示結(jié)果結(jié)合材料特點(diǎn)與實(shí)際檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷缺陷的類型.由于顯示直觀、 檢測(cè)速度快， 超聲 C 掃描已經(jīng)成為大型復(fù)合材料構(gòu)件或

5、結(jié)構(gòu)普遍采用的無(wú)損檢測(cè)技術(shù). S. M. Aceves等采用水浸超聲 C 掃描分別檢測(cè)了經(jīng)歷 1000 次循環(huán)(900 次高壓循環(huán)與 100 次低溫循環(huán))與未經(jīng)任何循環(huán)的兩個(gè)芳綸纖維纏繞鋁內(nèi)襯容器， 反射振幅的灰度顯示經(jīng)歷了 1000 次循環(huán)的壓力容器有幾個(gè)區(qū)域出現(xiàn)了芳綸復(fù)合材料分層損傷， 未經(jīng)過(guò)循環(huán)的作為參照的壓力容器粘接良好。說(shuō)明超聲 C 掃描技術(shù)適用于檢測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部的分層缺陷。超聲檢測(cè)技術(shù)能檢測(cè)出復(fù)合材料構(gòu)件或結(jié)構(gòu)中的孔隙、 裂紋、 界面脫粘、 分層等缺陷。其優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)靈敏度高， 可準(zhǔn)確定位缺陷及其分布，并且操作簡(jiǎn)單； 缺點(diǎn)是檢測(cè)過(guò)程中需要使用耦合劑， 檢測(cè)效率低下， 缺陷類型不同

6、， 需采用的探頭規(guī)格也不同， 并且要求檢測(cè)人員的專業(yè)水平較高與經(jīng)驗(yàn)積累較豐富。超聲檢測(cè)的傳統(tǒng)方法是接觸式的， 即在超聲探頭和待測(cè)試樣之間必須用水或其他液體作為聲耦合介質(zhì). 為了有效便利地檢測(cè)復(fù)合材料構(gòu)件， 現(xiàn)在許多學(xué)者都在研究非接觸空氣耦合式超聲檢測(cè)方法.2. 2聲發(fā)射(fsh)技術(shù)20 世紀(jì) 60 年代， 美國(guó)首次將聲發(fā)射技術(shù)(jsh)應(yīng)用于玻璃鋼固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體檢測(cè)。 隨著聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)與分析方法的改進(jìn)， 聲發(fā)射技術(shù)已經(jīng)(y jing)發(fā)展成為廣泛應(yīng)用的無(wú)損檢測(cè)方法。聲發(fā)射分析通過(guò)參數(shù)分析法與波形分析法來(lái)獲取材料的損傷特征。 聲發(fā)射技術(shù)利用耦合在材料表面上的壓電陶瓷探頭采集材料內(nèi)部的聲發(fā)射信

7、號(hào)，通過(guò)聲發(fā)射信號(hào)的分析， 可獲得材料內(nèi)部的缺陷情況。如果用多通道聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)， 還可以確定聲發(fā)射源即缺陷的具體部位。聲發(fā)射主要是檢測(cè)壓力容器中的活性缺陷，利用少量固定不動(dòng)的換能器， 在容器的加載過(guò)程中， 獲得活性缺陷的動(dòng)態(tài)信息?；钚匀毕?聲發(fā)射源的位置可通過(guò)時(shí)差定位、 區(qū)域定位及次序沖擊方法來(lái)確定， 不必對(duì)整個(gè)構(gòu)件進(jìn)行掃描。 美國(guó)MANSANTO 化學(xué)工業(yè)公司應(yīng)用聲發(fā)射技術(shù)成功地檢測(cè)了數(shù)千臺(tái)大型金屬和復(fù)合材料壓力容器，該項(xiàng)技術(shù)在日本、 意大利、 澳大利亞和中國(guó)等國(guó)家也得到廣泛研究和應(yīng)用.聲發(fā)射探測(cè)到的能量來(lái)自測(cè)試物體本身， 可提供結(jié)構(gòu)隨外部變量(荷載、 溫度等)連續(xù)變化的損傷信號(hào)， 適用于

8、在線監(jiān)測(cè)與破壞預(yù)測(cè)。 其檢測(cè)靈敏度高， 適用范圍廣， 不受被檢構(gòu)件幾何形狀的限制， 適用于檢測(cè)形狀復(fù)雜的構(gòu)件， 并且檢測(cè)不受環(huán)境的影響， 可在惡劣與危險(xiǎn)環(huán)境下進(jìn)行檢測(cè)。 聲發(fā)射檢測(cè)的局限是結(jié)構(gòu)必須承載， 對(duì)缺陷定位的精度有限。將聲發(fā)射技術(shù)和數(shù)據(jù)分析結(jié)合起來(lái)， 實(shí)現(xiàn)檢測(cè)設(shè)備全數(shù)字化、 低噪聲， 并對(duì)缺陷精確定位是聲發(fā)射技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的方向。2. 3聲 超聲檢測(cè)技術(shù) 聲 超聲技術(shù)(Acoustic Ultrasonic， AU)又稱應(yīng)力波因子技術(shù)(Stress Wave Factor， SWF)。 聲 超聲是超聲波與聲發(fā)射技術(shù)相結(jié)合的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。 聲 超聲 C 掃描技術(shù)可有效地檢測(cè)復(fù)合材料與金屬

9、材料間的界面缺陷，并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)性差的缺點(diǎn)。聲 超聲技術(shù)可應(yīng)用于復(fù)合材料制成的非金屬壓力容器的裂紋及接頭的結(jié)合質(zhì)量檢測(cè)。 在聲 超聲檢測(cè)中，用一個(gè)寬帶傳感器在被檢非金屬壓力容器表面發(fā)送一系列可重復(fù)的超聲脈沖波，將另一傳感器置于容器同一側(cè)離發(fā)射傳感器的給定距離處， 以接收由發(fā)射超聲脈沖所形成的沿容器壁傳播的應(yīng)力波. 對(duì)膠粘及多層復(fù)合材料壓力容器， 應(yīng)力波經(jīng)歷了容器材料邊界表面多重反射并與占有顯著比率的膠接層相互作用， 因而會(huì)含有結(jié)構(gòu)中微結(jié)構(gòu)與組織性質(zhì)的信息。聲 超聲測(cè)量結(jié)果會(huì)受到傳感器布置方式、 傳感器的壓緊力、發(fā)送與接收裝置的性能與設(shè)置等有關(guān)因素

10、的影響(yngxing)。 聲 超聲檢測(cè)與聲發(fā)射技術(shù)不同， 它不關(guān)心聲源的位置和特征， 而主要用于檢測(cè)復(fù)合材料構(gòu)件中的細(xì)微缺陷群. 聲 超聲可提供復(fù)合材料分層、 孔隙、 界面脫粘以及膠接結(jié)構(gòu)脫粘、 孔隙等宏觀不連續(xù)與結(jié)構(gòu)不連續(xù)的多種信息， 能指示膠接結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料的整體(zhngt)狀況和極限強(qiáng)度， 適用于復(fù)合材料的完整性評(píng)估. 聲 超聲的局限是對(duì)單個(gè)、 分散缺陷不敏感。2. 4微波(wib)檢測(cè)技術(shù) 20 世紀(jì) 60 年代美國(guó)在大型導(dǎo)彈固體發(fā)動(dòng)機(jī)玻璃鋼殼體中的缺陷檢測(cè)中采用了微波技術(shù)。 經(jīng)過(guò)幾十年的研究， 我國(guó)的微波技術(shù)已向數(shù)字化、 檢測(cè)缺陷尺度精、 從厘米波向毫米波與亞毫米波的方向發(fā)展。微

11、波檢測(cè)技術(shù)可有效檢測(cè)復(fù)合材料構(gòu)件中的孔隙、 裂紋、 分層和界面脫粘等缺陷， 并且操作簡(jiǎn)單， 可自動(dòng)顯示檢測(cè)結(jié)果， 但對(duì)較小缺陷的檢測(cè)靈敏度低。2. 5渦流檢測(cè)技術(shù)渦流檢測(cè)是基于電磁感應(yīng)原理揭示導(dǎo)電材料表面和近表面缺陷的無(wú)損檢測(cè)方法. Y. Hatsukade等采用基于量子干涉儀的渦流檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)了多層復(fù)合材料纏繞鋁內(nèi)襯壓力容器的損傷情況。檢測(cè)結(jié)果顯示， 經(jīng)過(guò)壓力循環(huán)試驗(yàn)的的容器橢圓形封頭處鋁內(nèi)襯含有貫通的裂紋， 復(fù)合材料壓力容器的總厚度為 6 mm， 纖維復(fù)合材料與鋁內(nèi)襯的厚度均為 3 mm. 分別采用 100 Hz 與 7 Hz 兩種頻率檢測(cè)壓力容器， 都能清晰地探測(cè)到因裂紋存在而出現(xiàn)的異常

12、信號(hào)。 測(cè)試結(jié)果表明基于量子干涉渦流無(wú)損檢測(cè)技術(shù)可以用于多層復(fù)合材料纏繞鋁內(nèi)襯高壓容器的無(wú)損檢測(cè)。渦流檢測(cè)技術(shù)可檢測(cè)出碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中碳纖維纖維的含量與界面脫粘、 分層等缺陷， 并可用于檢測(cè)復(fù)合材料與金屬粘接結(jié)構(gòu)中金屬材料的翹曲變形， 但渦流檢測(cè)技術(shù)只適用于導(dǎo)電的復(fù)合材料， 并且需要標(biāo)準(zhǔn)試件對(duì)照。2. 6射線檢測(cè)2. 6. 1工業(yè) CT 技術(shù)計(jì)算機(jī)斷層掃描法 Computed Tomography 起源于 X 射線照相技術(shù)， 它使射線穿過(guò)被攝物體的某一個(gè)斷面而得到該斷面的圖像， 對(duì)每片物體的觀察可獲得該物體的結(jié)構(gòu)和性能方面的大量信息， 從而達(dá)到檢測(cè)缺陷的目的. 工業(yè) CT 作為一種先進(jìn)的無(wú)

13、損檢測(cè)手段， 自 20 世紀(jì) 80 年代以來(lái)取得了迅速(xn s)發(fā)展和廣泛應(yīng)用。將工業(yè) CT 技術(shù)應(yīng)用于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量檢測(cè)， 結(jié)果表明工業(yè) CT 技術(shù)對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的絕熱層和藥柱中的氣孔、 夾雜、 裂紋及脫粘等常見(jiàn)缺陷具有(jyu)很高的檢測(cè)靈敏度， 并能準(zhǔn)確測(cè)定其尺寸和部位。 工業(yè) CT 技術(shù)可用于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)多界面的質(zhì)量檢測(cè). 工業(yè) CT 檢測(cè)結(jié)果直觀可靠. 局限是設(shè)備龐大， 成本高， 效率低， 雙側(cè)透射成像， 不適(bsh)用于大型構(gòu)件的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)， 且射線對(duì)人體有傷害。2. 6. 2射線康普頓散射成像 康普頓散射成像技術(shù)是20 世紀(jì) 80 年代末發(fā)展起來(lái)的一種射線檢測(cè)新技術(shù).

14、 康普頓散射成像具有單側(cè)非接觸、 快速三維成像、 靈敏度高， 并且不受被檢測(cè)構(gòu)件幾何尺寸限制等特點(diǎn)。 康普頓散射成像(CST)技術(shù)在國(guó)外航空航天領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用， 國(guó)內(nèi)由于缺少相關(guān)的技術(shù)與設(shè)備， 尚處于探索性階段。 文獻(xiàn)顯示射線康普頓散射成像檢測(cè)已應(yīng)用于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的分層檢測(cè)， 并可檢測(cè)出0. 15 mm的分層間隙。2. 7光學(xué)檢測(cè)方法2. 7. 1數(shù)字散斑方法數(shù)字散斑相關(guān)方法是在 20 世紀(jì) 80 年代初由 WH-Peters 和 W. F. Ranson 等人提出的， 是一種用于測(cè)量物體面內(nèi)位移的非接觸光學(xué)測(cè)量方法. 與傳統(tǒng)的干涉測(cè)量方法相比， DSCM 直接從物體表面隨機(jī)分布的

15、人工或自然散斑場(chǎng)中提取變形信息， 具有全場(chǎng)測(cè)量、 非接觸等優(yōu)點(diǎn)， 且其光路簡(jiǎn)單，要求的測(cè)量環(huán)境低， 因而在實(shí)際工程測(cè)量中有著廣泛的應(yīng)用前景。散斑是基于激光的全場(chǎng)測(cè)試表面變形的技術(shù)， 它不像全息技術(shù)需要隔振裝置， 因此散斑技術(shù)可應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試. 散斑通過(guò)將異常的變形轉(zhuǎn)換成不規(guī)則的條紋圖案鑒別出現(xiàn)的缺陷， 雖然散斑方法是測(cè)試表面變形， 但它卻可以探測(cè)表面與內(nèi)部的缺陷. 其原因是除了遠(yuǎn)離表面的內(nèi)部缺陷， 其他缺陷也會(huì)影響表面變形。 文獻(xiàn)采用 DSCM(digital speckle correla-tion method) 測(cè)試了直徑為 1400 mm， 軸向長(zhǎng)為1800 mm，呈圓筒狀碳纖維復(fù)合材

16、料壓力容器在水壓下的局部區(qū)域的位移場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)， 測(cè)試結(jié)果顯示在8 MPa 水壓作用下測(cè)試區(qū)域的環(huán)向應(yīng)變大約是軸向應(yīng)變的 4 倍， 其值在 15000 17000 之間. Y. Y. Hung 展示了采用散斑方法檢測(cè)的復(fù)合材料壓力容器在內(nèi)壓作用下分層損傷的變形條紋圖， 分層損傷位置的條紋圖與周圍的條紋圖相比明顯致密且呈閉合區(qū)域， 說(shuō)明散斑方法可直觀有效地檢測(cè)到復(fù)合材料壓力容器在內(nèi)壓作用下的變形、 損傷位置與損傷狀態(tài).采用散斑的方法可探測(cè)構(gòu)件服役時(shí)在應(yīng)力作用下的臨界(ln ji)裂紋， 可忽略虛假的裂紋. 數(shù)字散斑技術(shù)可即刻探測(cè)到復(fù)合材料試樣某部分的裂紋， 并能提供臨界裂紋的方向. 散斑技術(shù)是揭示

17、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分層與疲勞損傷的有效方法. 采用數(shù)字散斑技術(shù)的局限(jxin)是需要對(duì)檢測(cè)對(duì)象施加應(yīng)力， 散斑檢測(cè)方法需要防止測(cè)試物體的剛體運(yùn)動(dòng)， 過(guò)大的剛體運(yùn)動(dòng)將引起變形與未變形散斑圖像失去關(guān)聯(lián)性。 散斑技術(shù)已被復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的無(wú)損(w sn)檢測(cè)行業(yè)認(rèn)可.2. 7. 2紅外熱波檢測(cè)20 世紀(jì) 90 年代， 國(guó)際上積極開展紅外熱波技術(shù)的研究. 自 90 年代中期， 美國(guó)多家大公司(如 GE、 GM、 波音、 福特、 洛克西德和西屋等)及政府機(jī)構(gòu)(如 NASA、 FAA、 空軍、 海軍)等已經(jīng)在廣泛應(yīng)用和推廣該技術(shù)。 紅外熱波技術(shù)的研究在我國(guó)起步較早， 我國(guó)已在復(fù)合材料殼體界面粘接、 蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)脫

18、粘、 設(shè)備檢測(cè)與產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)等方面取得了許多成果.紅外熱波檢測(cè)采用外部熱源加熱被檢試樣，利用被檢材料內(nèi)部熱學(xué)性質(zhì)的差異在試樣表面局部區(qū)域產(chǎn)生的溫度梯度， 產(chǎn)生的表面紅外輻射能力差異， 再借助紅外熱像儀探測(cè)被檢試件的輻射分布， 分析其在熱圖上的反映推斷內(nèi)部的缺陷情況.紅外熱波檢測(cè)方法尤其適合用于檢測(cè)復(fù)合材料薄板與金屬粘接結(jié)構(gòu)中的界面脫粘類缺陷， 能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)出復(fù)合材料中分層的深度. 紅外熱波無(wú)損檢測(cè)適用于各種壓力容器、 承載裝置表面及表面下疲勞裂紋的探測(cè)?？捎糜诖蟮胶教祜w機(jī)， 小到纖維、 薄膜， 不同材料， 不同結(jié)構(gòu)和檢測(cè)環(huán)境的各類探傷和檢測(cè)問(wèn)題.外熱波無(wú)損檢測(cè)具有非接觸、 實(shí)時(shí)、 高效、 直觀的特點(diǎn)， 一次測(cè)量可覆蓋達(dá)平方米量級(jí). 對(duì)大型檢測(cè)對(duì)象能對(duì)結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)拼圖處理. 可直接測(cè)量缺陷的深度與厚度， 并能作表面下的識(shí)別. 檢測(cè)方便， 適用于構(gòu)件的現(xiàn)場(chǎng)與在役檢測(cè). 其局限是對(duì)缺陷的檢測(cè)深度不夠深， 檢測(cè)分辨率低于超聲 C掃描， 對(duì)于某些金屬檢測(cè)， 表面需進(jìn)行抗反射處理， 且受周圍環(huán)境溫度的影響較大.未來(lái)的復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)將更加追求快速高效， 基于干涉原理和溫度場(chǎng)分布原理的