復(fù)合材料因其獨(dú)有的優(yōu)勢正在慢慢取代傳統(tǒng)金屬材料在各種結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。

復(fù)合材料在制造和使用過程中可能會受到疲勞、異物、環(huán)境條件(濕度、溫度)等因素的影響而發(fā)生損傷，即使是低速沖擊，也可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)部的損傷。復(fù)合材料中存在基體開裂、分層、纖維斷裂等損傷，如果沒有在早期檢測到損壞，可能會發(fā)生災(zāi)難性的故障。因此，對復(fù)合材料進(jìn)行有效的內(nèi)部質(zhì)量檢測和早期損傷檢測是非常重要的，但復(fù)合材料的各向異性特性使得損傷評估較為困難。在研究和工程實(shí)踐中的經(jīng)驗(yàn)表明，采用無損檢測技術(shù)對復(fù)合材料的損傷進(jìn)行評估是比較合適的。

本文簡要介紹了各種用于航空航天、汽車和海洋結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料在疲勞載荷和沖擊下發(fā)生的裂紋和分層等損傷的無損檢測技術(shù)和健康監(jiān)測技術(shù)。

根據(jù)檢測和信息處理的原理和方式的不同，目前有70多種無損檢測技術(shù)，主要包括射線檢測(X射線、伽馬射線、粒子射線等)、電、電磁檢測(電阻法、電位法、渦流法、磁粉法、核磁共振、微波法、單獨(dú)激發(fā)電子發(fā)射等)、機(jī)械及光學(xué)檢測(目視法、內(nèi)窺鏡法、熒光法、著色法、脆性涂層和光彈性涂層線法、激光全息、應(yīng)力測試等)、熱力學(xué)方法(熱電動勢法、液晶法、紅外熱圖法等)、化學(xué)分析方法(電解法、激光法、離子散射法、俄歇電子分析等)。


1、超聲檢測


傳統(tǒng)超聲檢測(UT)：UT是各種無損檢測技術(shù)中應(yīng)用最廣泛、最有效的檢測方法。根據(jù)材料中缺陷區(qū)域與正常區(qū)域的超聲反射、衰減和共振的差異來確定缺陷的大小和位置，然后根據(jù)材料的反射特性和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來判斷缺陷的類型。

超聲可以檢測復(fù)合材料中的層狀缺陷、氣孔、裂紋和夾雜物，對材料密度、纖維取向、彈性模量、厚度和幾何形狀的檢測也有重要作用。超聲C掃描以其檢測速度快、顯示直觀、能準(zhǔn)確判斷大型復(fù)合材料構(gòu)件的體積缺陷而被廣泛應(yīng)用。

由于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的矛盾性和性能的離散性，其缺陷機(jī)理較為復(fù)雜。復(fù)合聲衰減大，導(dǎo)致信噪比低。不易區(qū)分，同時耦合劑會對材料造成污染。


超聲導(dǎo)波檢測：超聲導(dǎo)波檢測是近年來一個新的研究熱點(diǎn)。導(dǎo)波是由于介質(zhì)邊界的存在而產(chǎn)生的。介質(zhì)通過多次反射或折射，使縱波和橫波發(fā)生模式轉(zhuǎn)換，形成復(fù)雜的干涉導(dǎo)波。

超聲導(dǎo)波是一種快速寬范圍的初始探測方法，不能進(jìn)行準(zhǔn)確的定量檢測，一些可疑部位還需要使用其他檢測來做出最終的評估。該方法主要用于管道的無損檢測。


超聲相控陣技術(shù)：超聲相控陣是一種多波束掃描成像技術(shù)，它通過控制每個陣列傳感器陣列單元發(fā)射或接收脈沖的時間，使球面波在傳播過程中疊加，實(shí)現(xiàn)光束焦點(diǎn)和方向的變化，然后結(jié)合機(jī)械掃描和電子掃描完成成像。

與UT相比，該技術(shù)具有聲束相位控制和動態(tài)聚焦的特點(diǎn)。無需或稍微移動探頭即可完成復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高速、全方位、多角度檢測。對于不穩(wěn)定的板、管結(jié)構(gòu)，超聲相控陣能有效提高檢測效率，簡化設(shè)計，降低成本。


2、射線檢測


X射線檢測：X射線無損檢測是復(fù)合材料損傷檢測的常用方法，包括X射線膠片照相和X射線數(shù)字射線照相。

膠片照相是檢測復(fù)合材料中孔隙和夾雜物等體積型缺陷的一種很好的方法，但對分層缺陷的檢測非常困難，只能檢測垂直于表面的裂紋。

X射線數(shù)字射線照相技術(shù)應(yīng)用于復(fù)合材料產(chǎn)品檢測的成像質(zhì)量可與X射線膠片照相技術(shù)相媲美，并且在效率、經(jīng)濟(jì)、遠(yuǎn)距離傳輸?shù)确矫娑純?yōu)于X射線膠片照相。但當(dāng)缺陷尺寸小于0.25mm時，膠片照相圖像質(zhì)量遠(yuǎn)優(yōu)于數(shù)字射線照相。


中子輻射成像技術(shù)：通過準(zhǔn)直器照射被測工件的中子源發(fā)出的中子束，由探測器記錄透射中子束的分布圖像。由于不同材料的中子衰減系數(shù)不同，透射中子束的像分布會形成缺陷和雜質(zhì)的像。

中子對水、碳?xì)浠衔?、硼等輕元素的吸收系數(shù)較大，因此該方法對復(fù)合材料中腐蝕、水汽的檢測靈敏度高于X射線。但主要缺點(diǎn)是中子源價格昂貴，使用中子時要特別注意安全保護(hù)。


計算機(jī)斷層掃描(CT)：該技術(shù)通過測量物體內(nèi)部X射線的衰減系數(shù)，求解衰減系數(shù)值在剖面上的二元分布矩陣，建立剖面圖像。其特點(diǎn)是空間分辨率和密度分辨率高(通常小于0.5%)，動態(tài)檢測范圍大，圖像尺寸精度高。

它可以實(shí)現(xiàn)直觀的三維圖像。在足夠的能量下，試樣的幾何結(jié)構(gòu)不受限制。因此，國際無損檢測行業(yè)認(rèn)為工業(yè)CT是無損檢測的最佳手段，但檢測效率低，成本高。

雙邊透射成像不適用于平板元件測試和大型元件的現(xiàn)場測試。


康普頓背散射成像技術(shù)(CST)：CST是一種新型的射線檢測技術(shù)，其特點(diǎn)是單側(cè)非接觸、高靈敏度和快速三維成像。它非常適合于低密度、低原子序數(shù)材料的檢測。當(dāng)檢測到的目標(biāo)結(jié)構(gòu)復(fù)雜或不能進(jìn)行雙側(cè)成像時，CST具有獨(dú)特的優(yōu)勢。

目前，CST在國外航空航天領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，但在中國仍處于探索階段。


3、激光探測


激光全息術(shù)(LH)：LH是最早、應(yīng)用最廣泛的激光無損檢測技術(shù)。根據(jù)缺陷零件和其他零件施加載荷時的不同變形，利用施加載荷前后的全息圖像疊加來判斷材料是否存在不連續(xù)。

LH可以檢測微米級的變形，其優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，無接觸，不受材料和尺寸限制，測試結(jié)果保存方便。


激光錯位散斑(LS)：LS綜合運(yùn)用了現(xiàn)代激光技術(shù)、散斑干涉測量、圖像采集與處理技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和精密測試技術(shù)。其原理是通過加載前后激光散斑圖的疊加，在缺陷部位形成干涉條紋。

與LH相比，LS干擾小、檢出率高，便于現(xiàn)場檢測，易于調(diào)整靈敏度和測量面內(nèi)位移。就LH和LS而言，LS性能更可靠，影響因素更少。


激光超聲檢測（LUT）：LUT的基本原理是使激光和材料直接激發(fā)超聲波測試，或使用被測對象的材料作為介質(zhì)來產(chǎn)生超聲波，然后使用非干涉技術(shù)，如表面網(wǎng)格衍射和反射，或使用干涉測量技術(shù)，如光學(xué)外差來確定材料的缺陷。

LUT不需要耦合劑，能通過不透明材料，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，便于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和在線檢測。它具有快速、非接觸和不受被測物體結(jié)構(gòu)形狀限制的特點(diǎn)。


4、其他檢測技術(shù)


電渦流檢測（ECT）：ECT是一種基于電磁感應(yīng)原理對導(dǎo)電材料表面及近表面缺陷進(jìn)行檢測的無損檢測方法。

ECT具有速度快、自動化程度高的特點(diǎn)，非常適合于管材和棒材的檢測，同時可以檢測電導(dǎo)率、導(dǎo)磁率、熱處理、硬度和幾何尺寸。但ECT只能檢測導(dǎo)電材料，在檢測時邊界效果不佳。


超聲波測試(AU)：AU利用壓電換能器或激光在材料表面產(chǎn)生脈沖應(yīng)力波，應(yīng)力波與材料微觀結(jié)構(gòu)相互作用。通過多次反射和模態(tài)轉(zhuǎn)換，接收并提取應(yīng)力波，找出能夠反映材料性能的因素，稱為應(yīng)力波因子。

AU主要用于檢測微小缺陷簇及其對結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的整體影響，是一種材料完整性評估技術(shù)。


聲發(fā)射測試（AE）：聲發(fā)射是利用損傷部位釋放的瞬態(tài)彈性波進(jìn)行缺陷檢測的一種方法。聲發(fā)射研究的主要問題是如何識別聲發(fā)射源。

與常規(guī)無損檢測相比，它有兩個基本特點(diǎn)：一個是對動態(tài)缺陷敏感的，可以實(shí)時發(fā)現(xiàn)缺陷的產(chǎn)生和擴(kuò)展過程；另一個是高靈敏度和分辨率，由于聲發(fā)射波來自缺陷本身，可以獲得豐富的信息。


微波測試：微波檢測是通過測量微波與材料相互作用后微波基本參數(shù)的變化來檢測材料內(nèi)部缺陷。微波在復(fù)合材料中穿透能力強(qiáng)，衰減小。該方法無需特殊處理即可獲得內(nèi)部缺陷區(qū)域的三維實(shí)時圖像。

微波對復(fù)合材料中不可避免的缺陷如氣孔、裂紋、分層和脫粘具有良好的靈敏度。但由于微波無法穿透導(dǎo)電性能較好的金屬及復(fù)合材料，因此無法檢測該類復(fù)合材料內(nèi)部缺陷。


滲透測試(PT)：PT是最早使用的無損檢測方法之一，該方法是讓液體滲透劑流入工件表面的開口缺陷中，然后用去污劑去除多余的滲透劑，用顯像劑識別缺陷。

該方法可檢測的缺陷類型較多，一次操作可檢測多個產(chǎn)品。但只能檢測出產(chǎn)品表面的開孔缺陷，不適用于多孔材料的檢測。


磁粉檢測（MT）：MT是一種基于磁粉與漏磁場相互作用的表面及近表面缺陷檢測的無損檢測方法。可用于檢測裂紋、褶皺、夾層、夾渣等，尤其對裂紋敏感。

MT具有設(shè)備簡單、操作方便、檢測直觀快速、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。


5、小結(jié)

目前，所有應(yīng)用的復(fù)合材料無損檢測技術(shù)都有其優(yōu)點(diǎn)和局限性。復(fù)合材料無損檢測技術(shù)未來的發(fā)展方向主要是提高材料檢測自動化水平、原位檢測自動化水平、定量檢測自動化水平和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測水平。隨著復(fù)合材料性能要求的不斷提高，多種無損檢測方法的綜合交叉發(fā)展可以更好地提高檢測的有效性。