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復合材料無損檢測研究進展

放大字體  縮小字體 發布日期:2015-06-23  來源:中國檢測網  瀏覽次數:422
  受生產工藝、環境控制和一些隨機因素的影響, 復合材料中總是存在一些缺陷,而制造、裝配和服役過程中,又可能因機械加工、外力沖擊、碰撞和刮擦 的作用出現一些損傷。

這些缺陷和損傷總是存在, 又很難通過目視的方法發現,對結構的承載能力有很大的影響,成為威脅結構安全性的主要隱患。

為發現和排除隱患,科研人員發展了多種無損檢測手段對這些缺陷和損傷進行監測,目前影響比較大的有射線檢測技術、超聲檢測技術、紅外熱波成像檢測 技術、聲-超聲檢測技術、渦流檢測技術、微波檢測技術、激光全息照相檢測技術等。

1無損檢測技術

  1. 1射線檢測技術射線檢測技術( Radiographic Testing,即 RT) 是利用射線( X 射線、γ 射線、中子射線等) 穿過物體時的吸收和散射的特性,檢測其內部結構不連續性的技術。

射線檢測技術比較適合于檢測孔隙、夾雜 等體積型缺陷,對平行于射線穿透方向的裂紋有比較好的檢測效果,對復合材料中特有的樹脂聚集與纖維聚集等缺陷也有一定的檢測能力,在鋪層數量較少時,還可發現鋪層內纖維彎曲等缺陷。

由于分層缺陷對射線穿透方向上介質并無明顯影響,因此分層缺陷在成像上并不明顯。同樣的原因,射線檢測技術對平行于材料表面的裂紋也不敏感。

( 1) 射線照相在所有的射線檢測技術中,膠片射線照相技術發展最早,而數字式射線實時成像檢測技術則發展最快。與膠片照相技術相比,數字式射線成像技術的成像質量與膠片照相技術相當,在檢測的實時性、效率、經濟性和易用性等方面則有著無可比擬的優越性,因而得到了快速的發展。

目前,具備一定智能識別能力的實時成像檢測技術已經應用于復合材料產品的在線檢測,可對裝配線上的工件進行實時快速檢測,成為確保產品合格率的重要檢測手段。

( 2) 工業 CT層析攝影也叫計算機斷層掃描成像( Computed Tomography,即 CT) ,該技術是利用 X 射線探測物體 的內部,通過測定射線的衰減系數,采用數學方法, 經計算機處理,求解出衰減系數值在某剖面上的二維分布矩陣,轉變為圖像畫面上的灰度分布,從而實現建立斷面圖像的成像技術。

通過分析斷層面內密度的分布,就可以獲得復合材料內部密度均勻性、微孔隙體積含量與分布等方面的信息。一般來說, CT 照片的對比度比 X 射線照片的對比度要低,但因消除了不同層面圖像疊加重影問題,實際可讀性強 于 X 射線照片。

不過 CT 成像原理決定了密度高的物質會在一定程度上被放大,這也就導致了分層、孔隙、裂紋等損傷圖像的尺寸比實際尺寸略小而纖維堆積等密度高的缺陷圖像比實際尺寸略大的特有現象。

總的來說,CT 掃描成像的技術具有以下特點:①高空間分辨率和密度分辨率( 通常 < 0. 5% ) ;② 高動態檢測范圍 ( 從空氣到復合材料再到金屬材 料) ;③成像尺寸精度高;④在穿透能量足夠的情況下,不受試件幾何結構限制。

其局限性表現為:檢測效率低、檢測成本高、雙側透射成像、不適合于平面薄板構件的檢測以及大型構件的現場檢測。利用 CT 成像技術可以有效檢測先進復合材料中的孔隙、夾雜、裂紋等缺陷,也可以測量材料內部的密度分布情況,如材料均勻性、微孔隙含量等。

在工業應用上,美國在上世紀八十年代就研制出了用于檢測大型固體火箭發動機復合材料殼體的工業 CT 設備,并逐漸將該技術應用于其它復合材料結構的無損檢測中,我國也于上世紀 90 年代后期成功地將工業 CT 技術應用于 C / C 復合材料、碳 / 酚醛復合材料等的檢測,解決了一些關鍵性的無損檢測技術難題,取得了較好的經濟效益與社會 效益。


  ( 3) 康普頓背散射成像檢測技術康普頓背散射成像( CST ) 技術是一種新的射線檢測技術,它具有單側非接觸、檢測靈敏度高、快速三維成像的特點,對低密度材料的檢測可獲得比透射成像更高的圖像對比度,非常適合于復合材料等原子序數較低材料的物體。

當被檢物體結構復雜,或無法進行雙側成像檢測時,CST 技術就顯示出了獨特的優勢。目前,CST 技術在國外航空航天領域已經得到了廣泛的應用,在國內,尚處于探索性研究階段。

  1. 2超聲檢測技術超聲波檢測( Ultrasonics Testing) 是利用材料的聲學特性和內部組織的變化對超聲波的傳播產生一定影響的物理現象,從而通過對超聲波受影響程度和狀況的分析來了解材料性能和結構變化的技術。通常有穿透法、脈沖反射法、串列法等。
 


 

( 1) 傳統的超聲波檢測方法超聲探頭接收到的脈沖回波有多種圖像顯示方式,常見的有 A 型顯示、B 型顯示和 C 型顯示,所謂 的 A 掃描、B 掃描或 C 掃描就是具有相應顯示功能的探傷方法。

在這些顯示方式中,A 型顯示是基礎, 其橫坐標表示時間,縱坐標表示振幅。其他兩種顯示方式是由 A 型顯示的數據重建得到。

其中,B型顯示給出沿超聲波指向上的橫截面視圖,該方法能夠測得缺陷在截面視圖上的深度位置和截面上的特征尺寸,但是不能給出其相對于掃描 平面的位置。

C型顯示是一種在一定深度探測的顯示方式,圖像上的縱、橫坐標分別表示探頭在被檢體表面上的縱、 橫坐標,所以 C 型顯示的結果是與掃描平面平行的一幅截面圖像,可以給出缺陷關于掃描平面的位置, 但是不能給出缺陷距離掃描平面的深度。

超聲 C 掃描由于顯示直觀,檢測速度快,已成為大型復合材料構件普遍采用的探傷技術,能夠清晰地檢出復合材料結構中體積分布類的缺陷。

由于超聲在交界面上會發生反射,為保證超聲能有效地輸入被測物體內部,除要求安放探頭的平面比較平整外,一般還會在探頭與被測物之間使用耦合劑。

工業上,則采用水浸法或噴水法提高超聲能量的利用率。

一般情況下,對小而薄、結構簡單的平面層壓板及曲率不大的復合材料構件,多采用水浸式反射板 法; 對于小而稍厚的復雜結構件,無法采用水浸式反 射板法時,可采用噴水脈沖反射法或接觸帶延遲塊脈沖發射法; 對于大型復合材料結構宜采用水噴穿透法或水噴脈沖反射法。

復合材料的多層結構 使得聲波在材料中的衰減較大,而航空航天領域多采用薄板結構,由此所引起的噪聲和缺陷反射信號的信噪比較低,不易分辨,對檢測人員的工作經驗有 較高要求。


( 2) 超聲導波檢測方法超聲導波檢測方法( Ultrasonic Guided Wave Testing) 是近年來新的研究熱點。導波是指由于介質邊界的存在而產生的波,在介質尺寸與聲波波長可比的情況下,介質中的波以反射或折射的形式與邊界發生作用并多次來回反射,發生縱波與橫波間的模態轉換,形成復雜的干涉,呈現出了多種傳播形式,形成各種類型的導波。

導波本質上是由縱波、橫波等基本類型的超聲波以各種方式組成的。導波的主要特性包括頻散現象、多模式和傳播距離遠。

超聲導波檢測是一種快速大范圍的初步檢測方法,一般只能對缺陷定性,而定量是近似的,對可疑部位仍需要采用其他檢測方法才能作出最終的評估。該方法主要用在各種管道的無損檢測之中。

  ( 3) 空氣耦合超聲檢測技術傳統超聲無損檢測方法由于需要使用耦合劑,無法適用于某些航空航天用復合材料構件的檢測,主要原因是耦合劑會使試樣受潮或變污,且有可能滲入損傷處,這會嚴重影響構件的力學強度和穩定性。

非接觸空氣耦合超聲檢測技術( Air-coupled Ultrasonic Nondestructive Testing Technology) 是解決這個問題的可行途徑之一。

空氣耦合超聲檢測是以空氣作為耦合介質的一種非接觸超聲檢測方法,它可以實現真正的非接觸檢測,不存在換能器的磨損,可進行快速掃描。

另外,空氣耦合超聲檢測容易實現縱波到橫波、板波和瑞利波等的模式轉換,而研究結果表明,在復合材料檢測中,橫波、板波和瑞利波比縱波的靈敏度高,空氣耦合超聲檢測的這一優點有利于實現復合材料的檢測和材料特性的表征。

目前,國外已開始將空氣耦合超聲檢測技術用于某些復合材料板的檢測,可以檢測出脫粘、脫層、氣孔、夾雜和纖維斷裂等缺陷,可以解決傳統液體耦合超聲檢測方法不能解決的問題。

但是,空氣耦合超聲檢測的信號衰減很大,聲阻抗較高的材料很難實現在線檢測,必須采用特殊機制來改進,而且采用脈沖回波法進行檢測的難度較大,多數采用穿透法檢測和 斜入射檢測。

( 4) 激光超聲檢測技術激光超聲(Laser Ultrasound testing technology) 是目前國內外研究最活躍的非接觸超聲檢測方法之一。

它利用高能量的激光脈沖與物質表面的瞬時熱作用,在固體表面產生熱特性區,形成熱應力,在物體內部產生超聲波。

按超聲波的激發與檢測方式不同,激光超聲檢測可分 3 種: 一種用激光在工件中產 生超聲波,用常規超聲探頭接收檢測; 另一種用常規超聲波探頭激勵超聲波,用激光干涉法檢測工件中 的超聲波; 還有一種用激光激勵超聲波,并用激光干涉法檢測工件中的超聲波,此法是純粹意義上的激光超聲檢測技術。

純粹的激光超聲檢測技術由于不使用常規超聲探頭,因此可以實現遠距離非接觸檢 測,適用于常規壓電檢測技術難以檢測的形狀、結構較復雜或尺寸較小的復合材料以及材料的高溫特性等研究,如飛機上各個部件的定位和成像等。

美國洛克希德·馬丁公司開發的 LaserUT 激光超聲檢測系統,在檢測 F-22 復合材料構件時獲得了清晰的 B 掃描、C 掃描圖像,且不需要使用任何特殊夾具,檢測時間大大縮短,達到了傳統超聲無法達到的效果。

國內在這個領域已經取得重大突破,由西安金波公司研發的激光超聲視頻檢測儀已經在 2010 年投入使用,可對大型復雜結構甚至整架飛機進行快速無損探傷檢測。

( 5) 相控陣超聲檢測技術相控陣超聲檢測技術是一種多聲束掃描成像技術,它所采用的超聲檢測探頭是由多個晶片組成的換能器陣列,陣列單元在發射電路激勵下以可控的相位激發出超聲,產生的球面波在傳播過程中波前相互疊加,形成不同的聲束。

各聲束相位可控,可用軟件控制聚焦焦點,不移動探頭或盡量少移動探頭就能掃查厚、大工件和形狀復雜工件的各個區域。

在分辨力、信噪比、缺陷檢出率等方面具有一定的優越性。 在實際的檢測應用和研究中,一些設計巧妙的探頭已成為解決可達性差和空間限制問題的有效手段。

比如英國 R. J. Freemantle 等人把相控陣陣列安裝在橡膠滾輪中,用于檢測大面積航空復合材料構件,能有效檢出航空復合材料構件中的裂紋及未貼合等缺陷。

Olympus 無損檢測公司的 J. Habermehl 等人設計了專門檢測碳纖維增強聚合物基復合材料彎管的弧形相控陣探頭,為檢測圓角聯接的構件提供了快速可靠的方法。

超聲檢測技術不僅能有效檢測出先進復合材料中的分層、脫粘、孔隙、裂紋和夾雜等缺陷,而且在判斷材料的疏密、密度、纖維取向、屈曲、彈性模量、厚度等特性和幾何形狀等方面也有一定的作用。

  目前 超聲檢測技術的主要方向是進一步提高檢測效率,發展功能更加強大的檢測探頭,缺點是對不同類型的缺陷要使用不同規格的探頭,而且在檢測過程中 需要使用耦合劑。

1. 3紅外熱波檢測技術

紅外熱波無損檢測(Thermal Wave Testing) 利用主動加熱技術,通過紅外熱成像系統自動記錄試件表面缺陷和基體材料由于不同熱特性引起的溫度差異,進而判定被測物表面及內部的損傷。

該檢測方法特別適合于檢測復合材料薄板與金屬粘接結構中的脫粘、分層類面積型缺陷,尤其是當零件或組件不能浸入水中進行超聲C-掃描檢測以及零件表面形狀使得超聲檢測實施比較困難時也可使用紅外 熱波檢測方法,紅外熱波方法能夠準確確定復合材料中分層的深度,而且該方法具有非接觸、實時、高 效、直觀的特點。

1. 4聲-超聲檢測技術

聲-超聲 ( Acoustic-Ultrasonic ) 技術又稱應力波 因子( SWF) 技術。與通常的無損檢測技術不同, AU 技術主要用于檢測和研究材料中分布的細微缺陷群及其對結構力學性能( 強度或剛度等) 的整體影響,屬于材料的完整性評估技術。

采用聲-超聲振幅 C 掃描技術也能夠對復合材料與金屬材料間的粘接界面進行有效檢測,而且克服了超聲反射技術信號清晰度不高、超聲透射技術傳感器可達性差的缺點。

1. 5聲發射檢測技術

聲發射檢測技術( Acoustic Emission) 是通過對復合材料或結構在加載過程中產生的聲發射信號進行檢測和分析,對復合材料構件的整體質量水平進行評價的一種檢測技術。

該方法能夠反映復合材料中損傷的發展與破壞模式,預測構件的最終承載強度,并能夠確定出構件質量的薄弱區域。

聲發射技術是檢測復合材料結構整體質量水平的非常實用的技術手段,使用簡單方便,可以在測試材料力學性能的同時獲取材料動態變形損傷過程中的寶貴信息。

它包括參數分析法與波形分析法兩種。參數分析法是通過記錄和分析聲發射信號的特征參數,如幅度、能量、持續時間、振鈴計數和事件數等,來分析材料的損傷破壞特征,如損傷程度和部位、破壞機制等;

波形分析法是指對聲發射信號的波形進行記錄與分析,得到信號的頻譜及相關函數等, 通過分析材料不同階段和不同機制引起損傷的頻率特征,可以獲取材料的損傷特征。

  1. 6渦流檢測技術

渦流檢測技術( Eddy Current Testing) 是利用導電材料的電磁感應現象,通過測量感應量的變化進 行無損檢測的方法。

該方法僅適用于導電材料,可以用于碳-碳復合材料與金屬基復合材料的檢測。 由于端頭效應的存在,該方法在邊界處的檢測效果不好,同時該技術需要用標準試樣進行對比,因此其 應用受到了限制。

1. 7微波檢測技術

微波是指頻率為 300MHz ~ 3000GHz 的電磁波, 是無線電波中一個有限頻帶的簡稱,是分米波、厘米波、毫米波和亞毫米波的統稱。

微波頻率比一般的 無線電波頻率高,通常也稱為“超高頻電磁波”。微波指向性高,在復合材料中穿透能力強、衰減小,適合于檢測厚度較大的材料。

對結構中的孔隙、疏松、 基體開裂、分層和脫粘等缺陷具有較 高的靈敏性。 上世紀 60 年代,微波檢測技術就已經用于大型導彈固體發動機玻璃鋼殼體中的缺陷和內部質量的檢測。

  實踐證明,利用反射法測量的厚度誤差小于 0. 125mm,利用穿透法可測定 0. 02mg / cm3 的密度變 化。由于微波探傷技術不能穿透導體,因此這種 檢測方法很難應用于整機檢測。

1. 8流體滲透法

流體滲透檢測法僅僅適用于具有開放性傷 口的缺陷或損傷,這種方法是采用特制的滲透劑對缺陷和損傷進行染色,但是染色過程中會污染材料, 在一定程度上會增加修補難度,目前使用較少。

1. 9激光全息法

激光全息檢驗法( Laser Holography) 是激光全息照相和干涉計量技術的綜合運用。這種技術的依據是物體內部缺陷在外力作用下,使它所對應的物體表面產生與其周圍不相同的微量位移差。

然后用激光全息照相的方法進行比較,從而檢驗出物體內部的缺陷。這種檢驗方法由于設備昂貴、需要沖洗顯影、對環境振動敏感和需要對被測物加載,因此限制了推廣能力,目前主要在實驗室使用。

2復合材料無損檢測技術的發展趨勢

  2. 1自動化水平迅速提高為降低成本,航空工業中采取了增大結構,減少零部件數量的策略,這導致復合材料結構件越來越大,傳統的人工操作檢測設備作業的方式已經越來越不適應在線檢測的要求。

為提高檢測設備的效率,多通道自動掃描、分時處理掃描信息、自動識別 缺陷和損傷,自動生成檢測報告的技術被應用到大型的檢測設備之中,這些技術在提高掃描探測速度的同時,大大提高了自動化水平,有效減小了人為誤差。2. 2提高原位檢測能力成了研究重點考慮到復合材料結構件越來越大,安裝與拆卸難度越來越大,越來越多的公司都希望提高復合材料部件的原位檢測能力。

在這方面,目前主要有兩種解決方法: 一種是采用大型設備; 用非接觸的檢測方法,對整架飛機進行無損檢測。

這方面的研究成果有大型的激光超聲檢測設備和能夠連續掃查的滾輪式相控陣超聲檢測設備。

另一種解決方法是發展多功能的小型化檢測設備,直接到外場對整機進行人工檢測。這方面的研究成果主要是具有多種掃描方式的小型超聲檢測設備。2. 3可視化定量檢測水平不斷提高西方發達國家一直致力于提高可視化定量檢測水平,隨著數字成像技術的全面應用,近年來復合材料無損檢測設備的信號處理能力不斷提高,在測量速度大大提高的情況下,測量精度也在穩步提高。

比如超聲檢測技術已經實現對 4 × 4mm 缺陷的有效檢測,分辨率更是提高到微米量級,而微波檢測技術對缺陷的識別精度已經達到 1mm 左右。2. 4結構健康自監控能力將成為可能隨著無損探測手段的豐富和新型傳感器的不斷涌現,可嵌入結構內部的傳感器將成為發展重點。

未來的復合材料結構必將向內置健康監控傳感器方向發展,現行的周期性探傷工作將轉變為可即時告警的狀態監控工作,未來的復合材料結構將成為有 感覺,能響應的智能結構。

3結束語

  對裝備進行定期無損檢測是確保服役安全性的重要手段,從前文的分析中不難看出,不同的檢測方法具有不同的優缺點,依據任務要求選用適當的無損檢測方法不僅能保證檢測效果,還能有效提高工作效率。

從前文的評述中不難看出,超聲檢測方法 因為對人體無害,具有多種掃描方式和較高的分辨率,因而受到廣泛的重視,目前小型的手持式超聲檢測設備已經在外場維護中廣泛使用,而這種檢測方法對檢測人員素質的依賴性也決定了必須加強超聲檢測人員的能力培養。
  在工廠級檢測中,激光超聲檢測方法被認為是最有潛力的檢測方法,我國在該領域的突破必將使我國復合材料制造質量邁上新的臺階。

 
關鍵詞: 復合材料 無損檢測
 
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