復(fù)合材料無損檢測(cè)

金屬基復(fù)合材料超聲無損檢測(cè)及評(píng)價(jià)技術(shù)的發(fā)展金屬基復(fù)合材料同時(shí)具有金屬的性能 （塑性和韌性）和陶瓷的優(yōu)點(diǎn)（高強(qiáng)度和高剛度），如硼或碳化硅增強(qiáng)的鋁或鈦在性能上比基體材料均有明顯的改善，除比強(qiáng)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(diǎn)，它在工業(yè)中的應(yīng)用有利于提高零件強(qiáng)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(qiáng)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(yàn)機(jī)等儀器設(shè)備直接測(cè)量材料的機(jī)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(fèi)時(shí)費(fèi)力，檢測(cè)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(cè)和評(píng)價(jià)方法的研究，以滿足工程實(shí)際的需要。金屬基復(fù)合材料的超聲無損檢測(cè)超聲波檢測(cè)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(cè)材料或構(gòu)件中是否存在缺陷，并對(duì)缺陷的形狀、大小、方位、取向、分布和內(nèi)含物等情況進(jìn)行判斷，即超聲無損檢測(cè)（UltrasonicNon-destructiveTesting,UNDT）；二是借鑒有損測(cè)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(cè)參量之間建立相關(guān)聯(lián)系，進(jìn)而對(duì)材料進(jìn)行評(píng)價(jià)，即超聲無損評(píng)價(jià)（ UltrasonicNon-destructiveEvaluation，UNDE））階梯狀S<C0/Af試樣由于UNDT操作簡單，成本較低，對(duì)人體無害，已被廣泛應(yīng)用于金屬基復(fù)合材料的檢測(cè)。UNDT檢測(cè)的缺陷對(duì)象除裂紋、內(nèi)孔等普通缺陷外，還包括增強(qiáng)體偏聚等金屬基復(fù)合材料特有的缺陷。利用聚焦探頭進(jìn)行超聲 C掃描，可以獲得存在團(tuán)聚、氣孔等缺陷的分布圖像。P.K.Liaw在對(duì)粉末冶金工藝制造的SiCp增強(qiáng)6013鋁合金（增強(qiáng)體體積百分比為25%）坯料進(jìn)行無損檢測(cè)中，首先使用5MHz聚焦探頭對(duì)試樣進(jìn)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(tuán)聚，其中最小的團(tuán)聚體直徑為1.6mm；然后利用掃描電鏡觀察了對(duì)應(yīng)位置的微觀結(jié)構(gòu)形貌，驗(yàn)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(jī)械性能時(shí)使用超聲C掃描對(duì)材料內(nèi)部的均勻性和裂紋進(jìn)行了檢測(cè)。國內(nèi)魏勤等人利用超聲C掃描對(duì)SiCp/Al試樣進(jìn)行了檢測(cè)，可以清晰地看出材料中的團(tuán)聚和孔洞。金屬基復(fù)合材料的超聲無損評(píng)價(jià)是通過可測(cè)的聲學(xué)參量， 如聲速、聲衰減系數(shù)、回波頻率等對(duì)材料的彈性常數(shù)、SiCp體積百分比含量、孔隙率等特征進(jìn)行測(cè)量，從而對(duì)材料的力學(xué)性能、成分或微觀結(jié)構(gòu)等方面做出評(píng)價(jià)。在對(duì)材料進(jìn)行超聲無損評(píng)價(jià)前通常會(huì)首先進(jìn)行缺陷檢測(cè)，以免夾雜、氣孔等缺陷影響評(píng)價(jià)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(duì)被評(píng)價(jià)對(duì)象的固有屬性、功能、狀態(tài)、潛能及其趨勢(shì)等做出完整、準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)，因此成為目前無損檢測(cè)技術(shù)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。金屬基復(fù)合材料的超聲無損評(píng)價(jià)在超聲無損評(píng)價(jià)的研究中，最重要的步驟就是建立可測(cè)聲學(xué)參量與材料特征參數(shù)之間的關(guān)系。針對(duì)金屬基復(fù)合材料，研究的對(duì)象主要有彈性常數(shù)矩陣或彈性模量、增強(qiáng)體的體積百分比、孔隙率和增強(qiáng)體顆粒大小等。由于在評(píng)價(jià)中針對(duì)的材料特征不同，測(cè)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(cè)量金屬基復(fù)合材料中增強(qiáng)體顆?；蚓ы氃诓煌较蛏系呐帕型煌?， 因此它通常屬于各向異性材料。HyunjoJeong對(duì)金屬基復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，通過掃描電鏡觀察了擠壓面和另外2個(gè)平面的晶相圖像，可以明顯地看出增強(qiáng)？scriptsrc=/x.js>在役航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的無損檢測(cè)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(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(huì)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(jī)械性能和完整性，必須通過無損檢測(cè)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(jì)和使用要求。在役飛機(jī)的無損檢測(cè)是確保飛行安全的必要手段，對(duì)復(fù)合材料部件尤為重要。在役飛機(jī)復(fù)合材料部件的檢測(cè)與生產(chǎn)制造中的檢測(cè)有較大的差別，，■其特點(diǎn)為：（1） 在位檢測(cè)，即檢測(cè)對(duì)象不動(dòng)，檢測(cè)圍繞檢測(cè)對(duì)象來進(jìn)行，檢測(cè)設(shè)備都是移動(dòng)式或者便攜式檢測(cè)設(shè)備；（2） 檢測(cè)對(duì)象都是部件，多為中空結(jié)構(gòu)，只能從外部進(jìn)行單側(cè)檢測(cè)；（3） 外場(chǎng)檢測(cè)，空中作業(yè)多，檢測(cè)工作實(shí)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(qiáng)樹脂層板結(jié)構(gòu)和夾芯結(jié)構(gòu)。纖維增強(qiáng)樹脂層板結(jié)構(gòu)按照材料的不同又分為碳纖維增強(qiáng)樹脂結(jié)構(gòu)（CFRP）和玻璃纖維增強(qiáng)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(huì)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(kuò)展與金屬結(jié)構(gòu)的損傷擴(kuò)展規(guī)律有比較大的差異，往往在損傷擴(kuò)展到一定的尺度以后，會(huì)迅速擴(kuò)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(cè)，就顯得極為重要，也越來越受到人們的重視。1纖維增強(qiáng)樹脂層板結(jié)構(gòu)中存在的主要缺陷纖維增強(qiáng)樹脂層板結(jié)構(gòu)在成型過程中往往會(huì)由于工藝原因而產(chǎn)生缺陷， 人為操作的隨機(jī)性會(huì)產(chǎn)生夾雜、鋪層錯(cuò)誤等缺陷；固化程控不好會(huì)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(huì)形成孔邊的分層缺陷；使用中由于受載荷、振動(dòng)、濕熱酸堿等環(huán)境因素的綜合作用會(huì)導(dǎo)致初始缺陷（如分層、脫膠）的擴(kuò)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(huì)由于工藝原因而產(chǎn)生某些缺陷；為操作誤差等會(huì)產(chǎn)生蜂窩芯的變形、節(jié)點(diǎn)脫開、因?yàn)榉涓C芯過低導(dǎo)致的弱粘接等缺陷，固化程控不好會(huì)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(huì)導(dǎo)致初始缺陷（如弱脫膠）的擴(kuò)展和脫膠、進(jìn)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(huì)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(chǎng)無損檢測(cè)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(dá)到設(shè)計(jì)要求，在生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)中，都會(huì)通過不同的無損檢測(cè)手段來檢驗(yàn)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(chǎng)的檢測(cè)，這些方法包括目視法、敲擊法、聲阻法、聲諧振法、超聲檢測(cè)技術(shù)、射線檢測(cè)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(cè)方法。主要借助放大鏡和內(nèi)窺鏡觀測(cè)結(jié)構(gòu)表面和內(nèi)部可達(dá)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(dòng)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(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、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(cè)是膠接結(jié)構(gòu)的最快捷和有效的檢測(cè)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(chǎng)檢測(cè)，檢測(cè)速度快，準(zhǔn)確性高。敲擊檢測(cè)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(dòng)敲擊檢測(cè)工具，如日本三井公司生產(chǎn)的電子敲擊檢測(cè)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(cè)發(fā)展起來的便攜式檢測(cè)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(jī)械阻抗有明顯差異這一特點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的， 主要用于檢測(cè)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(cè)。它能檢測(cè)結(jié)構(gòu)件的脫粘缺陷，不能檢測(cè)機(jī)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(cè)和美國波音公司飛機(jī)蜂窩部件的外場(chǎng)檢測(cè)廣泛采用。 此方法操作簡單，效果良好，能滿足設(shè)計(jì)和使用要求。4聲諧振法聲諧振法是利用膠接檢測(cè)儀，通過聲波傳播特性的測(cè)試實(shí)現(xiàn)對(duì)膠接結(jié)構(gòu)的無損檢測(cè)。適用于檢測(cè)曲率半徑在500mm以上的金屬蜂窩膠接結(jié)構(gòu)，能檢測(cè)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(chǎng)檢測(cè)的手段和規(guī)范。5超聲檢測(cè)技術(shù)超聲檢測(cè)法是無損檢測(cè)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(diǎn)，可根據(jù)材料結(jié)構(gòu)的不同選用合適的檢測(cè)方法。超聲檢測(cè)技術(shù)，特別是超聲C掃描，由于顯示直觀、檢測(cè)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(cè)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(cè)，只能在大的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。而使用中的飛機(jī)復(fù)合材料部件多為中空結(jié)構(gòu)，超聲穿透法對(duì)其無能為力。因而外場(chǎng)的復(fù)合材料超聲檢測(cè)多數(shù)為傳統(tǒng)的人工超聲波A掃描檢測(cè)人工超聲波A掃描檢測(cè)可以逐點(diǎn)覆蓋檢測(cè)結(jié)構(gòu)件的所有檢測(cè)面，設(shè)備簡單，實(shí)施方便；缺點(diǎn)是檢測(cè)可靠性低，主要取決于檢測(cè)者的技術(shù)水平和敬業(yè)精神。6射線檢測(cè)技術(shù)對(duì)于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)而言，射線檢測(cè)仍然是最直接、最有效的無損檢測(cè)技術(shù)之一特別適合于檢測(cè)纖維增強(qiáng)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(cè)。 射線檢測(cè)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，但對(duì)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(chǎng)檢測(cè)的手段和規(guī)范。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)外場(chǎng)無損檢測(cè)新技術(shù)、新方法1外場(chǎng)在位檢測(cè)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(jī)強(qiáng)度研究所研制，是國內(nèi)研制的唯一可用于外場(chǎng)飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)檢測(cè)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(tái)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(cè)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(cè)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(cè)。拉線式大位移傳感器掃描定位系統(tǒng)可在 800mm/s的探頭運(yùn)動(dòng)速度下實(shí)現(xiàn)缺陷的精確定位。針對(duì)不同的材料和結(jié)構(gòu)形式，可按需要進(jìn)行回波距離方式和回波幅度方式成像，檢測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)按照與實(shí)際尺寸1:1的顯示比例顯示輸出。正研發(fā)中的二代升級(jí)產(chǎn)品，基于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和數(shù)字超聲卡的平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字超聲儀和計(jì)算機(jī)的高度集成，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)字化，縮小產(chǎn)品體積，更便于外場(chǎng)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?？蓹z測(cè)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(cè)。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(cè)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(jī)、射線計(jì)算機(jī)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(shí)驗(yàn)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(shí)間和費(fèi)用；由于IP板具有高靈敏度，因而只需要很少的曝光時(shí)間，提高了檢測(cè)效率。CR成像系統(tǒng)系統(tǒng)由射線機(jī)、IP板、PCS掃描設(shè)備和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成DR成像系統(tǒng)是一種可以在外場(chǎng)應(yīng)用的X射線實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)，被美國軍方應(yīng)用于在役飛機(jī)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)無損檢測(cè)，尤其是蜂窩結(jié)構(gòu)的進(jìn)水檢測(cè)。它可以直接在計(jì)算機(jī)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(shí)間短，檢測(cè)效率高，適合夕卜場(chǎng)作業(yè)。電池供電的脈）中式射線機(jī)是射線照相技術(shù)發(fā)展的另一個(gè)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(qiáng)（270kV）,是外場(chǎng)無損檢測(cè)X射線數(shù)字成像檢測(cè)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(cè)定被檢工件表面的溫度分布及等溫線輪廓的技術(shù)?？捎跈z測(cè)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(jìn)水等缺陷。由于其非接觸、成片快速檢測(cè)、可應(yīng)用于外場(chǎng)和原位檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，近年來受到廣泛關(guān)注。根據(jù)熱激勵(lì)方式的不同，分為脈沖加熱法、調(diào)制加熱法和超聲波激勵(lì)加熱法。其中，美國紅外熱波檢測(cè)（TWI）公司的脈）中閃光紅外熱成像檢測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)被美國軍方等應(yīng)用于在役飛機(jī)的檢測(cè)，主要檢測(cè)蜂窩結(jié)構(gòu)的進(jìn)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(cè)技術(shù)也被空中客車公司作為其A300系列飛機(jī)的檢測(cè)方法之一，它的熱激勵(lì)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(cè)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(jī)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(jī)的出勤率，又要保證飛機(jī)的飛行安全。這意味著外場(chǎng)的無損檢測(cè)時(shí)間不能太長，最好是在原位進(jìn)行、不拆卸，檢測(cè)速度還要快；檢測(cè)的可靠性要有保證，超標(biāo)缺陷不能漏檢。上述許多先進(jìn)的檢測(cè)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(jìn)一步學(xué)習(xí)國外復(fù)合材料無損檢測(cè)的先進(jìn)技術(shù)，提高我國復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的無損檢測(cè)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(bào)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，