復(fù)合材料因其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)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(guò)程中可能會(huì)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?zèng)_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(kāi)裂、分層、纖維斷裂等損傷，如果沒(méi)有在早期檢測(cè)到損壞，可能會(huì)發(fā)生災(zāi)難性的故障。因此，對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行有效的內(nèi)部質(zhì)量檢測(cè)和早期損傷檢測(cè)是非常重要的，但復(fù)合材料的各向異性特性使得損傷評(píng)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(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)復(fù)合材料的損傷進(jìn)行評(píng)估是比較合適的。

本文簡(jiǎn)要介紹了各種用于航空航天、汽車(chē)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(wú)損檢測(cè)技術(shù)和健康監(jiān)測(cè)技術(shù)。

根據(jù)檢測(cè)和信息處理的原理和方式的不同，目前有70多種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，主要包括射線檢測(cè)(X射線、伽馬射線、粒子射線等)、電、電磁檢測(cè)(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(cè)(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(cè)試等)、熱力學(xué)方法(熱電動(dòng)勢(shì)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(cè)


傳統(tǒng)超聲檢測(cè)(UT)：UT是各種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)中應(yīng)用最廣泛、最有效的檢測(cè)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(lái)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(lái)判斷缺陷的類(lèi)型。

超聲可以檢測(cè)復(fù)合材料中的層狀缺陷、氣孔、裂紋和夾雜物，對(duì)材料密度、纖維取向、彈性模量、厚度和幾何形狀的檢測(cè)也有重要作用。超聲C掃描以其檢測(cè)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(shí)耦合劑會(huì)對(duì)材料造成污染。


超聲導(dǎo)波檢測(cè)：超聲導(dǎo)波檢測(cè)是近年來(lái)一個(gè)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(guò)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(cè)方法，不能進(jìn)行準(zhǔn)確的定量檢測(cè)，一些可疑部位還需要使用其他檢測(cè)來(lái)做出最終的評(píng)估。該方法主要用于管道的無(wú)損檢測(cè)。


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(guò)控制每個(gè)陣列傳感器陣列單元發(fā)射或接收脈沖的時(shí)間，使球面波在傳播過(guò)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(dòng)態(tài)聚焦的特點(diǎn)。無(wú)需或稍微移動(dòng)探頭即可完成復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高速、全方位、多角度檢測(cè)。對(duì)于不穩(wěn)定的板、管結(jié)構(gòu)，超聲相控陣能有效提高檢測(cè)效率，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，降低成本。


2、射線檢測(cè)


X射線檢測(cè)：X射線無(wú)損檢測(cè)是復(fù)合材料損傷檢測(cè)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(cè)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(duì)分層缺陷的檢測(cè)非常困難，只能檢測(cè)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(cè)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(shí)，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(guò)準(zhǔn)直器照射被測(cè)工件的中子源發(fā)出的中子束，由探測(cè)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(huì)形成缺陷和雜質(zhì)的像。

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


計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)：該技術(shù)通過(guò)測(cè)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(dòng)態(tài)檢測(cè)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(guó)際無(wú)損檢測(cè)行業(yè)認(rèn)為工業(yè)CT是無(wú)損檢測(cè)的最佳手段，但檢測(cè)效率低，成本高。

雙邊透射成像不適用于平板元件測(cè)試和大型元件的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。


康普頓背散射成像技術(shù)(CST)：CST是一種新型的射線檢測(cè)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(cè)。當(dāng)檢測(cè)到的目標(biāo)結(jié)構(gòu)復(fù)雜或不能進(jìn)行雙側(cè)成像時(shí)，CST具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

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


3、激光探測(cè)


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

LH可以檢測(cè)微米級(jí)的變形，其優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，無(wú)接觸，不受材料和尺寸限制，測(cè)試結(jié)果保存方便。


激光錯(cuò)位散斑(LS)：LS綜合運(yùn)用了現(xiàn)代激光技術(shù)、散斑干涉測(cè)量、圖像采集與處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和精密測(cè)試技術(shù)。其原理是通過(guò)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(chǎng)檢測(cè)，易于調(diào)整靈敏度和測(cè)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(cè)（LUT）：LUT的基本原理是使激光和材料直接激發(fā)超聲波測(cè)試，或使用被測(cè)對(duì)象的材料作為介質(zhì)來(lái)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(cè)量技術(shù)，如光學(xué)外差來(lái)確定材料的缺陷。

LUT不需要耦合劑，能通過(guò)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(cè)。它具有快速、非接觸和不受被測(cè)物體結(jié)構(gòu)形狀限制的特點(diǎn)。


4、其他檢測(cè)技術(shù)


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

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


超聲波測(cè)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(guò)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(chēng)為應(yīng)力波因子。

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


聲發(fā)射測(cè)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(cè)的一種方法。聲發(fā)射研究的主要問(wèn)題是如何識(shí)別聲發(fā)射源。

與常規(guī)無(wú)損檢測(cè)相比，它有兩個(gè)基本特點(diǎn)：一個(gè)是對(duì)動(dòng)態(tài)缺陷敏感的，可以實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷的產(chǎn)生和擴(kuò)展過(guò)程；另一個(gè)是高靈敏度和分辨率，由于聲發(fā)射波來(lái)自缺陷本身，可以獲得豐富的信息。


微波測(cè)試：微波檢測(cè)是通過(guò)測(cè)量微波與材料相互作用后微波基本參數(shù)的變化來(lái)檢測(cè)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(wú)需特殊處理即可獲得內(nèi)部缺陷區(qū)域的三維實(shí)時(shí)圖像。

微波對(duì)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(wú)法穿透導(dǎo)電性能較好的金屬及復(fù)合材料，因此無(wú)法檢測(cè)該類(lèi)復(fù)合材料內(nèi)部缺陷。


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

該方法可檢測(cè)的缺陷類(lèi)型較多，一次操作可檢測(cè)多個(gè)產(chǎn)品。但只能檢測(cè)出產(chǎn)品表面的開(kāi)孔缺陷，不適用于多孔材料的檢測(cè)。


磁粉檢測(cè)（MT）：MT是一種基于磁粉與漏磁場(chǎng)相互作用的表面及近表面缺陷檢測(cè)的無(wú)損檢測(cè)方法?？捎糜跈z測(cè)裂紋、褶皺、夾層、夾渣等，尤其對(duì)裂紋敏感。

MT具有設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、檢測(cè)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(wú)損檢測(cè)技術(shù)都有其優(yōu)點(diǎn)和局限性。復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)技術(shù)未來(lái)的發(fā)展方向主要是提高材料檢測(cè)自動(dòng)化水平、原位檢測(cè)自動(dòng)化水平、定量檢測(cè)自動(dòng)化水平和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)水平。隨著復(fù)合材料性能要求的不斷提高，多種無(wú)損檢測(cè)方法的綜合交叉發(fā)展可以更好地提高檢測(cè)的有效性。