民用航空器復合材料的無損檢測技術

摘 要：隨著復合材料在現代飛機的廣泛應用，如何對在役飛機的復合材料進行無損檢測成為一個關乎飛行安全的重要問題，本文簡要介紹了航空復合材料的結構類型、主要缺陷和幾種適用于外場操作的無損檢測方法并淺析了工作原理。

關鍵詞：復合材料 缺陷 無損檢測

中圖分類號：V267 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）10（a）-0082-01

隨著高強度、超高強度材料在飛機結構的應用，復合材料以其優于金屬材料的多項性能而迅速發展成為航天航空工業的基本結構材料。據悉新一代波音787干線客機的復合材料用量超過50%，中國民航飛行學院引進的SR20訓練飛機機身全部采用復合材料。隨著我國大量引進基于損傷容限理念設計的飛機，對在役的復合材料構件進行無損檢測是機務維修中的重要工作，也是一個難點。由于復合材料和金屬材質的缺陷有很大的差異，因此復合材料所的無損檢測方法和傳統的無損檢測方法也有著很大的不同，本文主要介紹航空復合材料無損檢測技術。

1 航空復合材料簡述

復合材料是由兩種或兩種以上不同性質的材料，通過物理或化學的方法，組成新的材料。由于各種材料在性能上互相取長補短，從而使復合材料的綜合性能優于原組成材料。復合材料的基體材料分為金屬和非金屬兩大類。飛機上的復合材料主要是指碳纖維的復合材料，航空結構中常用的復合材料主要是層板結構和夾芯結構。

2 航空復合材料的缺陷

2.1 由于工藝原因而產生缺陷

在復合材料的成型過程中會由于工藝原因而產生各種缺陷：夾雜、分層、脫膠、裂紋、斷裂及蜂窩芯的變形、弱粘接、節點脫開、發泡膠空洞等缺陷。

2.2 使用中產生缺陷

使用中由于受載荷、振動、外來物損傷等環境因素的綜合作用而出現層板表面裂紋、劃傷、層板分層、脫膠、斷裂；夾芯結脫膠、進水、蜂窩芯壓塌等。其中分層和脫膠是復合材料的主要缺陷，也是民航外場無損檢測的主要方面。

3 復合材料結構外場無損檢測方法

3.1 目視法

目視檢查法是依然是復合材料無損檢測中使用最廣泛、最直接的無損檢測方法。可通過放大鏡、內窺鏡、光源、帶視頻的掃描器來增強靈敏度。目視檢查廣泛用于復合材料的缺陷檢查和表面裂紋檢查，比如：表面裂紋、劃傷、腐蝕、表面磨損、粘接脫膠、蒙皮的凸起或凹下等，也被用作對用其它無損檢測方法發現的缺陷的驗證。用目視-鏡子-手電筒組合方式檢查在目視檢測中是簡單且重要的方式，內窺鏡可遠程目視檢查內部表面或其它不易接近的區域。

3.2 聲學方法的無損檢測技術

3.2.1 敲擊法

敲擊檢測是膠接結構的最快捷和有效的檢測方法，用于蜂窩夾芯結構、板膠接結構的分層、脫膠和氣孔外場檢測。優點是檢測速度快、廉價；缺點是在薄的面板上會產生小的凹痕、對大的結構如機翼，人工敲擊比較費時。典型的敲擊檢測是使用硬幣或塑料棒連續不斷地輕敲層壓板表面，其聲學響應反映了復合材料結構的完整性。清晰明亮的聲音表明固體結構粘接良好；沉悶或低沉的聲音表明失效或分層。這種方法類似于日常生活中用拍擊法挑選西瓜。

3.2.2 聲阻法

聲阻法就是又叫機械阻抗法，常用于層板膠接結構或蜂窩結構的脫膠缺陷的檢測。它基本原理是通過測量工件被測點振動力阻抗的變化來確定是否有缺陷的存在。由于檢測時不需要在探頭和被測表面加液體的耦合劑，因此適合于難以維持超聲檢測耦合劑的現場檢測。

3.2.3 聲諧振法

聲諧振法是復合材料膠接結構和蜂窩結構常用的檢測方法，技術實質上是聲阻法的一種特例，它能檢測脫粘、氣孔、分層等缺陷。該方法可作為外場檢測的一種重要手段。它的原理是利用電聲換能器將不同頻率的超聲波入射到試件上，通過掃頻振蕩電路實現頻率連續調整，使試件發生諧振，由于試件的諧振頻率隨工件厚度而改變，當膠接試件上存在未粘合等缺陷時，將只能在試件缺陷上界面到檢測面之間發生厚度共振，因而能夠檢出缺陷所在的位置及深度。

3.2.4 超聲檢測技術

傳統的超聲檢測法仍然是復合材料無損檢測的手段之一，通常采用反射法、穿透法檢查復合材料的分層、破損及蜂窩結構積水。它的基本原理是：定向發射的超聲波束在被測工件中傳播時遇到缺陷，即產生波的反射又產生波的衰減，經過信號處理，如采用反射法可獲得缺陷回波信號，如采用穿透法可憑借透過波的衰減程度獲得缺陷信號。它的優點是：（1）對確定內部缺陷的大小、位置、埋深等參數比其它的無損方法有綜合的優勢；（2）檢測設備簡單，可作為現場檢測。缺點是檢測可靠性低。

3.3 射線檢測技術

射線檢測技術是很有效的復合材料無損檢測技術，通常適用于層板結構中的孔洞類缺陷、夾雜、垂直于表面的裂紋和夾芯結構中的芯子變形、開裂、積水等缺陷的檢測。基本原理是當射線透過被檢工件時，有缺陷部位與無缺陷部位對射線的吸收能力不同，通過有缺陷部位的射線強度高于無缺陷部位的射線強度，因而可以通過射線強度的差異來判斷是否存在缺陷。目前我國民航維修中主要使用的是X射線照相法。

3.4 熱學方法檢測技術

熱學方法檢測技術包括光電檢測、紅外檢測、溫差電檢測等方法。其中紅外熱成像技術在中國民航應用最多，基本原理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，通過溫度分布找出異常發熱點來判斷是否存在缺陷，它對于蜂窩結構內的積水檢測非常有效。紅外熱成像檢測技術被空中客車公司作為其A300系列飛機的檢測方法之一。

3.5 光學方法檢測技術

光學方法檢測技術包括光全息術技術、激光全息技術、錯位散班干涉技術。隨著激光技術的發展，激光全息照相檢測在無損檢測領域的應用越來越多了，它的基本原理是將物體表面和內部的缺陷，通過外界加載的辦法，使其在相應的物體表面造成局部的變形，用全息照相來觀察和比較這種變形，記錄下不同外界載荷作用下的物體表面的變形情況，進行觀察和分析，然后判斷并檢出物體的內部缺陷。可用于檢測蜂窩結構、膠接結構以及薄壁構件的裂紋、脫粘、未粘合等缺陷。

4 結語

復合材料的無損檢測對于我國民航是新生事物，我國民航新引進的飛機多是基于損傷容限理念設計的航空器，對于無損檢測的要求非常高，不僅需要對缺陷進行定性分析，并且要求定量分析。因此我們有必要進一步學習一些的先進的檢測手段，來提高我國民航的復合材料結構的無損檢測水平。

參考文獻

[1]中國機械工程學會無損檢測學會.無損檢測概論[M].北京：機械工業出版社，1993：247.

[2]民航無損檢測人員資格鑒定與認證委員會.航空器無損檢測綜合知識[M].北京：中國民航出版社.

[3]劉琪峰.航空無損檢測診斷標準與新技術應用及規范操作全書[M].中國知識出版社.

[4]肖寧輝.現代無損檢測新技術新工藝與應用技術標準大全[M].銀聲音像出版社.