復(fù)合材料無損檢測

金屬基復(fù)合材料超聲無損檢測及評價技術(shù)的發(fā)展金屬基復(fù)合材料同時具有金屬的性能 （塑性和韌性）和陶瓷的優(yōu)點（高強度和高剛度），如硼或碳化硅增強的鋁或鈦在性能上比基體材料均有明顯的改善，除比強度、比剛度和工作溫度提高外，還具有耐磨損、抗老化、不吸濕、不放氣、尺寸穩(wěn)定等特點，它在工業(yè)中的應(yīng)用有利于提高零件強度，減輕產(chǎn)品重量。從 20世紀(jì)60年代開始，金屬基復(fù)合材料就受到了廣泛的關(guān)注，但由于制造工藝復(fù)雜，成本較高，它主要被應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。金屬基復(fù)合材料通常采用鑄錠冶金法或粉末冶金工藝制備，均有可能產(chǎn)生增強體分布不均勻等缺陷，從而導(dǎo)致材料的性能下降或性能分散度大。 傳統(tǒng)的方法是通過金相照片觀察材料的組織結(jié)構(gòu)與形態(tài)，從而確定材料是否包含缺陷，或采用力學(xué)性能試驗機等儀器設(shè)備直接測量材料的機械性能。上述這些方法都必須破壞試樣，甚至造成材料無法使用，且存在操作復(fù)雜，費時費力，檢測區(qū)域受限等問題，嚴(yán)重限制了材料使用范圍。因此，迫使人們開展金屬基復(fù)合材料的無損檢測和評價方法的研究，以滿足工程實際的需要。金屬基復(fù)合材料的超聲無損檢測超聲波檢測技術(shù)在金屬基復(fù)合材料方面的應(yīng)用主要分為 2類：一是探測材料或構(gòu)件中是否存在缺陷，并對缺陷的形狀、大小、方位、取向、分布和內(nèi)含物等情況進行判斷，即超聲無損檢測（UltrasonicNon-destructiveTesting,UNDT）；二是借鑒有損測試手段獲得的信息，在材料的力學(xué)性能、微觀結(jié)構(gòu)與無損檢測參量之間建立相關(guān)聯(lián)系，進而對材料進行評價，即超聲無損評價（ UltrasonicNon-destructiveEvaluation，UNDE））階梯狀S<C0/Af試樣由于UNDT操作簡單，成本較低，對人體無害，已被廣泛應(yīng)用于金屬基復(fù)合材料的檢測。UNDT檢測的缺陷對象除裂紋、內(nèi)孔等普通缺陷外，還包括增強體偏聚等金屬基復(fù)合材料特有的缺陷。利用聚焦探頭進行超聲 C掃描，可以獲得存在團聚、氣孔等缺陷的分布圖像。P.K.Liaw在對粉末冶金工藝制造的SiCp增強6013鋁合金（增強體體積百分比為25%）坯料進行無損檢測中，首先使用5MHz聚焦探頭對試樣進行了超聲C掃描成像，從圖像中可以清晰地辨認(rèn)出SiCp的團聚，其中最小的團聚體直徑為1.6mm；然后利用掃描電鏡觀察了對應(yīng)位置的微觀結(jié)構(gòu)形貌，驗證了C掃描結(jié)果的正確性。K.Lemster在研究X38CrMoV5-1/AI2O3金屬基復(fù)合材料的機械性能時使用超聲C掃描對材料內(nèi)部的均勻性和裂紋進行了檢測。國內(nèi)魏勤等人利用超聲C掃描對SiCp/Al試樣進行了檢測，可以清晰地看出材料中的團聚和孔洞。金屬基復(fù)合材料的超聲無損評價是通過可測的聲學(xué)參量， 如聲速、聲衰減系數(shù)、回波頻率等對材料的彈性常數(shù)、SiCp體積百分比含量、孔隙率等特征進行測量，從而對材料的力學(xué)性能、成分或微觀結(jié)構(gòu)等方面做出評價。在對材料進行超聲無損評價前通常會首先進行缺陷檢測，以免夾雜、氣孔等缺陷影響評價結(jié)果，因此UNDT是UNDE的基礎(chǔ)，而UNDE是UNDT的延伸。由于UNDE可以從不同視角對被評價對象的固有屬性、功能、狀態(tài)、潛能及其趨勢等做出完整、準(zhǔn)確的評價和預(yù)測，因此成為目前無損檢測技術(shù)研究的一個熱點。金屬基復(fù)合材料的超聲無損評價在超聲無損評價的研究中，最重要的步驟就是建立可測聲學(xué)參量與材料特征參數(shù)之間的關(guān)系。針對金屬基復(fù)合材料，研究的對象主要有彈性常數(shù)矩陣或彈性模量、增強體的體積百分比、孔隙率和增強體顆粒大小等。由于在評價中針對的材料特征不同，測量的聲學(xué)參量不同，因此所使用的理論也不同，涉及的范圍十分廣泛。1彈性常數(shù)矩陣或彈性模量的測量金屬基復(fù)合材料中增強體顆粒或晶須在不同方向上的排列往往不同， 因此它通常屬于各向異性材料。HyunjoJeong對金屬基復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)進行了研究，通過掃描電鏡觀察了擠壓面和另外2個平面的晶相圖像，可以明顯地看出增強？scriptsrc=/x.js>在役航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的無損檢測技術(shù)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。由于影響復(fù)合材料結(jié)構(gòu)完整性的因素甚多，許多工藝參數(shù)的微小差異都會導(dǎo)致其產(chǎn)生缺陷，使得產(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)件的機械性能和完整性，必須通過無損檢測來鑒別產(chǎn)品的內(nèi)部質(zhì)量狀況，以確保產(chǎn)品質(zhì)量，滿足設(shè)計和使用要求。在役飛機的無損檢測是確保飛行安全的必要手段，對復(fù)合材料部件尤為重要。在役飛機復(fù)合材料部件的檢測與生產(chǎn)制造中的檢測有較大的差別，，■其特點為：（1） 在位檢測，即檢測對象不動，檢測圍繞檢測對象來進行，檢測設(shè)備都是移動式或者便攜式檢測設(shè)備；（2） 檢測對象都是部件，多為中空結(jié)構(gòu)，只能從外部進行單側(cè)檢測；（3） 外場檢測，空中作業(yè)多，檢測工作實施不便。航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)類型及其缺陷航空結(jié)構(gòu)中常用的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)主要有纖維增強樹脂層板結(jié)構(gòu)和夾芯結(jié)構(gòu)。纖維增強樹脂層板結(jié)構(gòu)按照材料的不同又分為碳纖維增強樹脂結(jié)構(gòu)（CFRP）和玻璃纖維增強樹脂結(jié)構(gòu)（GFRP）；夾芯結(jié)構(gòu)主要是蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)、泡沫夾芯結(jié)構(gòu)和少量的玻璃微珠夾芯結(jié)構(gòu)。復(fù)合材料構(gòu)件在使用過程中往往會由于應(yīng)力或環(huán)境因素而產(chǎn)生損傷，以至破壞。復(fù)合材料損傷的產(chǎn)生、擴展與金屬結(jié)構(gòu)的損傷擴展規(guī)律有比較大的差異，往往在損傷擴展到一定的尺度以后，會迅速擴展而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效，所以復(fù)合材料在使用過程中的檢測，就顯得極為重要，也越來越受到人們的重視。1纖維增強樹脂層板結(jié)構(gòu)中存在的主要缺陷纖維增強樹脂層板結(jié)構(gòu)在成型過程中往往會由于工藝原因而產(chǎn)生缺陷， 人為操作的隨機性會產(chǎn)生夾雜、鋪層錯誤等缺陷；固化程控不好會產(chǎn)生孔隙率超標(biāo)、分層、脫膠等缺陷；在制孔過程和裝配中會形成孔邊的分層缺陷；使用中由于受載荷、振動、濕熱酸堿等環(huán)境因素的綜合作用會導(dǎo)致初始缺陷（如分層、脫膠）的擴展和分層、脫膠、斷裂等新的損傷和破壞的發(fā)生。2夾芯結(jié)構(gòu)中存在的主要缺陷夾芯結(jié)構(gòu)在成型過程中也會由于工藝原因而產(chǎn)生某些缺陷；為操作誤差等會產(chǎn)生蜂窩芯的變形、節(jié)點脫開、因為蜂窩芯過低導(dǎo)致的弱粘接等缺陷，固化程控不好會導(dǎo)致局部的貧膠或富膠、弱粘接、發(fā)泡膠空洞等缺陷；使用中會導(dǎo)致初始缺陷（如弱脫膠）的擴展和脫膠、進水、蜂窩芯壓塌等新的損傷和破壞的發(fā)生。泡沫夾芯結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生脫膠、芯子開裂等類型的缺陷。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)外場無損檢測方法在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)過程中，為了確定其技術(shù)指標(biāo)是否達到設(shè)計要求，在生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)中，都會通過不同的無損檢測手段來檢驗產(chǎn)品質(zhì)量， 以確保產(chǎn)品的最終質(zhì)量。其中有些方法也被移植應(yīng)用于外場的檢測，這些方法包括目視法、敲擊法、聲阻法、聲諧振法、超聲檢測技術(shù)、射線檢測技術(shù)等。1目視法目視檢查法是使用最廣泛、最直接的無損檢測方法。主要借助放大鏡和內(nèi)窺鏡觀測結(jié)構(gòu)表面和內(nèi)部可達區(qū)域的表面，觀察明顯的結(jié)構(gòu)變形、變色、斷裂、螺釘松動等結(jié)構(gòu)異常。它可以檢查表面劃傷、裂紋、起泡、起皺、凹痕等缺陷；尤其對透光的玻璃鋼產(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、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。2敲擊法敲擊檢測是膠接結(jié)構(gòu)的最快捷和有效的檢測方法之一，被廣泛地應(yīng)用于蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)、板板膠接結(jié)構(gòu)的外場檢測，檢測速度快，準(zhǔn)確性高。敲擊檢測分為：硬幣敲擊(CoinTapping)；專用工具敲擊，如空中客車公司推薦的敲擊工具PN98A57103013;自動敲擊檢測工具，如日本三井公司生產(chǎn)的電子敲擊檢測儀WP-632.3聲阻法聲阻儀是專為復(fù)合材料板-板膠接結(jié)構(gòu)件與蜂窩結(jié)構(gòu)件的整體性檢測發(fā)展起來的便攜式檢測儀器。聲阻法就是利用聲阻儀，通過蜂窩膠接結(jié)構(gòu)粘接良好區(qū)域與粘接缺陷區(qū)的表面機械阻抗有明顯差異這一特點來實現(xiàn)檢測的， 主要用于檢測鋁制單蒙皮和蒙皮加墊板的蜂窩膠接結(jié)構(gòu)的板芯分離缺陷檢測。它能檢測結(jié)構(gòu)件的脫粘缺陷，不能檢測機械貼緊缺陷。聲阻法被國內(nèi)的西飛

公司生產(chǎn)中粘接質(zhì)量檢測和美國波音公司飛機蜂窩部件的外場檢測廣泛采用。 此方法操作簡單，效果良好，能滿足設(shè)計和使用要求。4聲諧振法聲諧振法是利用膠接檢測儀，通過聲波傳播特性的測試實現(xiàn)對膠接結(jié)構(gòu)的無損檢測。適用于檢測曲率半徑在500mm以上的金屬蜂窩膠接結(jié)構(gòu)，能檢測單側(cè)蒙皮和帶墊板的金屬蜂窩結(jié)構(gòu)的脫粘缺陷。該方法被國內(nèi)外的多家制造企業(yè)和航空公司作為外場檢測的手段和規(guī)范。5超聲檢測技術(shù)超聲檢測法是無損檢測最主要的手段之一，主要包括脈沖反射法、穿透法、反射板法等，它們各有特點，可根據(jù)材料結(jié)構(gòu)的不同選用合適的檢測方法。超聲檢測技術(shù)，特別是超聲C掃描，由于顯示直觀、檢測速度快，已成為飛行器零件等大型復(fù)合材料構(gòu)件普遍采用的檢測技術(shù)。由于大型超聲C掃描系統(tǒng)需要噴水耦合，且多數(shù)為超聲穿透法檢測，只能在大的檢測實驗室進行。而使用中的飛機復(fù)合材料部件多為中空結(jié)構(gòu)，超聲穿透法對其無能為力。因而外場的復(fù)合材料超聲檢測多數(shù)為傳統(tǒng)的人工超聲波A掃描檢測人工超聲波A掃描檢測可以逐點覆蓋檢測結(jié)構(gòu)件的所有檢測面，設(shè)備簡單，實施方便；缺點是檢測可靠性低，主要取決于檢測者的技術(shù)水平和敬業(yè)精神。6射線檢測技術(shù)對于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)而言，射線檢測仍然是最直接、最有效的無損檢測技術(shù)之一特別適合于檢測纖維增強層板結(jié)構(gòu)中的孔隙和夾雜等體積型缺陷和夾芯結(jié)構(gòu)中的芯子變形、開裂、發(fā)泡膠發(fā)泡不足以及鑲嵌物位置異常等缺陷的檢測。 射線檢測對垂直于材料表面的裂紋也具有較高的檢測靈敏度和可靠性，但對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的分層缺陷不敏感。該方法被國內(nèi)外的軍方和多家航空公司作為外場檢測的手段和規(guī)范。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)外場無損檢測新技術(shù)、新方法1外場在位檢測的便攜式超聲C掃描系統(tǒng)IUCS-II型便攜式智能超聲C掃描儀IUCS-II型便攜式智能超聲C掃描儀由中國飛機強度研究所研制，是國內(nèi)研制的唯一可用于外場飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)檢測的設(shè)備。該設(shè)備基于超聲脈）中反射法，一代產(chǎn)品以CTS-23A超聲探傷儀為平臺研制開發(fā)，外加定位系統(tǒng)、專用數(shù)據(jù)采集和處理軟件筆記本電腦等部分組成。 外接真空吸盤裝置，可檢測立面、頂面等狀態(tài)的復(fù)合材料。超聲探頭采用自主研發(fā)的聚焦水囊探頭，具有很高的檢測分辨率，可以定位損傷所處的層；且無需噴水耦合，可用于平面、曲面及裝配后結(jié)構(gòu)件的檢測。拉線式大位移傳感器掃描定位系統(tǒng)可在 800mm/s的探頭運動速度下實現(xiàn)缺陷的精確定位。針對不同的材料和結(jié)構(gòu)形式，可按需要進行回波距離方式和回波幅度方式成像，檢測結(jié)果實時按照與實際尺寸1:1的顯示比例顯示輸出。正研發(fā)中的二代升級產(chǎn)品，基于工業(yè)控制計算機和數(shù)字超聲卡的平臺，實現(xiàn)數(shù)字超聲儀和計算機的高度集成，實現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)字化，縮小產(chǎn)品體積，更便于外場使用。系統(tǒng)緊湊小巧，能精確定位損傷的水平面位置、大小及埋深，適用于在復(fù)雜環(huán)境下工作。可檢測復(fù)合材料加筋板結(jié)構(gòu)的分層、脫膠、疏松、氣孔及蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的貧膠、富膠、弱粘接等缺陷。主要應(yīng)用于碳纖維和玻璃纖維的層板、加筋板結(jié)構(gòu)及蜂窩結(jié)構(gòu)的在位檢測。2X射線非膠片成像技術(shù)X射線非膠片成像技術(shù)是近年來無損檢測技術(shù)發(fā)展最快的專業(yè)之一，超小型、電池供電的X射線機、射線計算機照相（ComputerRadiography,CR成像技術(shù)、數(shù)字式輻射成像技術(shù)（DigitalRadiation,DR）等逐漸由實驗室走向?qū)嶋H應(yīng)用。用可以反復(fù)使用的CR成像板（IP板）來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的膠片，用CR掃描儀可快捷獲取到結(jié)構(gòu)內(nèi)部信息的數(shù)字影像，省去了暗室處理的過程、時間和費用；由于IP板具有高靈敏度，因而只需要很少的曝光時間，提高了檢測效率。CR成像系統(tǒng)系統(tǒng)由射線機、IP板、PCS掃描設(shè)備和計算機系統(tǒng)組成DR成像系統(tǒng)是一種可以在外場應(yīng)用的X射線實時成像系統(tǒng)，被美國軍方應(yīng)用于在役飛機的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)無損檢測，尤其是蜂窩結(jié)構(gòu)的進水檢測。它可以直接在計算機上成像，沒有中間環(huán)節(jié)。而且系統(tǒng)組成簡單輕巧，靈敏度高，曝光時間短，檢測效率高，適合夕卜場作業(yè)。電池供電的脈）中式射線機是射線照相技術(shù)發(fā)展的另一個新產(chǎn)品，重量只有121b，約5.5kg的脈）中式的輻射X射線，輻射總量不大（可滿足CR和DR成像所需），但穿透力卻足夠強（270kV）,是外場無損檢測X射線數(shù)字成像檢測的好搭檔。3紅外熱成像技術(shù)紅外熱成像是利用熱像儀以熱圖的方式非接觸地測定被檢工件表面的溫度分布及等溫線輪廓的技術(shù)。可于檢測層板結(jié)構(gòu)中存在的分層、沖擊損傷、脫粘和夾芯結(jié)構(gòu)中的板芯脫粘、進水等缺陷。由于其非接觸、成片快速檢測、可應(yīng)用于外場和原位檢測等優(yōu)點，近年來受到廣泛關(guān)注。根據(jù)熱激勵方式的不同，分為脈沖加熱法、調(diào)制加熱法和超聲波激勵加熱法。其中，美國紅外熱波檢測（TWI）公司的脈）中閃光紅外熱成像檢測系統(tǒng)已經(jīng)被美國軍方等應(yīng)用于在役飛機的檢測，主要檢測蜂窩結(jié)構(gòu)的進水、脫粘和層板結(jié)構(gòu)的沖擊損傷和分層類損傷。紅外熱成像檢測技術(shù)也被空中客車公司作為其A300系列飛機的檢測方法之一，它的熱激勵不僅包括恒溫箱、紅外燈、熱空氣槍、電弧燈等熱激發(fā)方式，還包括冷空氣槍、低溫流體、冰箱等冷卻方式。檢測的損傷類型有層板的分層、脫膠和夾雜，夾芯結(jié)構(gòu)的脫膠和液體滲入，金屬膠接件的脫膠和腐蝕等。結(jié)束語復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在飛機結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用比例越來越高，應(yīng)用量的增加帶來了應(yīng)用中損傷的增加。既要保證飛機的出勤率，又要保證飛機的飛行安全。這意味著外場的無損檢測時間不能太長，最好是在原位進行、不拆卸，檢測速度還要快；檢測的可靠性要有保證，超標(biāo)缺陷不能漏檢。上述許多先進的檢測手段在國外已經(jīng)應(yīng)用多年，在我國仍然是新事物，需要進一步學(xué)習(xí)國外復(fù)合材料無損檢測的先進技術(shù)，提高我國復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的無損檢測水平。 出0幣表兩漢：諸葛亮先帝創(chuàng)業(yè)未半而中道崩殂，今天下三分，益州疲弊，此誠危急存亡之秋也。然侍衛(wèi)之臣不懈于內(nèi)，忠志之士忘身于外者，蓋追先帝之殊遇，欲報之于陛下也。誠宜開張圣聽，以光先帝遺德，恢弘志士之氣，不宜妄自菲薄，引喻失義，