無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在碳纖維復(fù)合材料檢測(cè)中的應(yīng)用

■黃躍娟，孫大權(quán)，周海成 ■齊齊哈爾工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161005

隨著當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的告訴發(fā)展，對(duì)材料的要求越來(lái)越高，由單一物質(zhì)構(gòu)成的材料已經(jīng)無(wú)法滿足人們的要求，因此由兩種及兩種以上的物質(zhì)構(gòu)成的復(fù)合材料逐漸成為當(dāng)今人們關(guān)注的焦點(diǎn)，并在各個(gè)行業(yè)展現(xiàn)出了不可估量的發(fā)展前景。在大力提倡智能環(huán)保的今天，開(kāi)發(fā)高性能、高附加值的復(fù)合材料成為復(fù)合材料發(fā)展的必然趨勢(shì)，碳纖維復(fù)合材料作是一種先進(jìn)復(fù)合材料，對(duì)其研究不可忽視。

1 碳纖維復(fù)合材料

碳纖維復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同元素、不同形裝、不同性質(zhì)的物質(zhì)復(fù)合形成的新型材料。各種物質(zhì)在性質(zhì)和功能上能夠互相補(bǔ)充互相彌補(bǔ)，增強(qiáng)物質(zhì)的功能和效應(yīng)，使碳纖維復(fù)合材料的總體功能和性質(zhì)比組成物質(zhì)優(yōu)越，并且能夠滿足各種不同的場(chǎng)合和場(chǎng)所的要求。碳纖維復(fù)合材料在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用有導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)的殼體、民兵系列發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管擴(kuò)張段等，國(guó)外先進(jìn)戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)等方面都有較多的應(yīng)用，是因其較高的比強(qiáng)度、比模量。碳纖維復(fù)合材料除了在軍事領(lǐng)域有應(yīng)用外，在民用領(lǐng)域也有很多應(yīng)用，如飛機(jī)的外殼構(gòu)件、動(dòng)車組的剎車系統(tǒng)、汽車的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件、汽車的高性能碳纖維軸承、漁桿、滑雪板、球拍等。由于碳纖維生產(chǎn)成本的逐步下降和生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，其應(yīng)用也必將迅速擴(kuò)大，如新型電極材料、增強(qiáng)混凝土、新型取暖裝置乃至日常生活用品等方面。同時(shí)對(duì)其質(zhì)量和性能的要求也會(huì)提高。

2 無(wú)損檢測(cè)

所謂無(wú)損檢測(cè)，就是在不破壞被檢測(cè)物質(zhì)原來(lái)的形狀和大小、不改變被檢測(cè)物質(zhì)的性質(zhì)和功能的基礎(chǔ)上，對(duì)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行檢測(cè)，并能夠保證被檢測(cè)物質(zhì)的可靠性和安全性的檢測(cè)技術(shù)。該技術(shù)是利用聲、光、熱、電、磁等對(duì)物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、存在的缺陷、造成的損傷和物質(zhì)的質(zhì)量等進(jìn)行檢測(cè)，并達(dá)到對(duì)物質(zhì)的判斷和評(píng)價(jià)。

3 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在碳纖維復(fù)合材料檢測(cè)中的應(yīng)用

碳纖維復(fù)合材料在生產(chǎn)工藝過(guò)程中，碳纖維復(fù)合材料在生產(chǎn)制造和使用過(guò)程中之所以存在缺陷和遭受損傷，是由于受到碳纖維的形狀和大小不規(guī)則、制作過(guò)程中的化學(xué)反應(yīng)速率、各種元素的占有量、結(jié)合用的樹(shù)脂的用量和粘度等的影響。為了更好地利用碳纖維復(fù)合材料，在使用前和使用中都要能夠?qū)嵤?duì)其檢測(cè)，因此無(wú)損檢測(cè)技術(shù)成了不可缺少的檢測(cè)方法使其應(yīng)用到碳纖維復(fù)合材料的檢測(cè)中。

碳纖維復(fù)合材料制成后的損傷和缺陷的檢測(cè)是非常重要的，這樣不僅能檢測(cè)出碳纖維復(fù)合材料的損傷和缺陷的所在，還能檢測(cè)和評(píng)估其性能的好壞。無(wú)損檢測(cè)方式很多，針對(duì)碳纖維復(fù)合材料不同的損傷和缺陷形式，應(yīng)采用不同的無(wú)損檢測(cè)手段。碳纖維復(fù)合材料表面有裂紋與損傷可用目視法，表面貫穿裂紋與分層可用滲透法，內(nèi)部缺陷檢測(cè)，厚度測(cè)量，材料性能表征可用超聲波法，表面微裂紋、孔隙、夾雜、貧膠、纖維斷裂等可用X射線法，載荷試驗(yàn)過(guò)程中的裂紋產(chǎn)生與擴(kuò)展可用聲發(fā)射法，膠接構(gòu)件可用激光全息法，不同的檢測(cè)方式都有其優(yōu)缺點(diǎn)。

無(wú)損檢測(cè)技術(shù)被應(yīng)用到碳纖維復(fù)合材料的損傷和缺陷的檢測(cè)中的方法有超聲波檢測(cè)法、X射線檢測(cè)法、聲發(fā)射檢測(cè)法。無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是一門應(yīng)用型技術(shù)學(xué)科并建立在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)之上，它具有較強(qiáng)的工藝性或操作性并著重于科學(xué)技術(shù)的具體應(yīng)用，。操作過(guò)程的熟練程度，在檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性方面有很大程度的決定作用。

4 碳纖維復(fù)合材料的超聲波檢測(cè)

超聲波是可以檢測(cè)但是人耳卻聽(tīng)不到的聲波，頻率范圍在20KHz-103MHz之間，它在介質(zhì)中可以傳播、反射、折射、干涉、衍射、轉(zhuǎn)換波形。超聲波檢測(cè)是利用聲波的傳播、反射、折射、干涉、衍射、轉(zhuǎn)換波形等特性實(shí)現(xiàn)超聲波探傷的目的。若要實(shí)現(xiàn)探測(cè)缺陷的大小和位置可根據(jù)超聲波在被檢測(cè)材料中的衰減、反射與共振的情況來(lái)判斷，若要實(shí)現(xiàn)探測(cè)缺陷的類型可根據(jù)超聲波在被檢測(cè)材料中的傳播的情況和實(shí)際探傷經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷。超聲波在檢測(cè)復(fù)合材料構(gòu)件缺陷的同時(shí)，也能檢測(cè)復(fù)合材料構(gòu)件的質(zhì)量，這對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件應(yīng)用的安全性提供了保障。超聲波檢測(cè)可以分為反射法和穿透法，對(duì)于由碳纖維復(fù)合材料制成的大型結(jié)構(gòu)的構(gòu)件在檢測(cè)時(shí)贏采用水噴穿透法和水噴脈沖反射法，對(duì)于由碳纖維復(fù)合材料制成的較厚結(jié)構(gòu)的構(gòu)件在檢測(cè)時(shí)贏采用直探頭脈沖反射法，，對(duì)于由碳纖維復(fù)合材料制成的薄的曲率不大的構(gòu)件在檢測(cè)時(shí)贏采用帶延遲塊的直探頭脈沖反射法，對(duì)于由碳纖維復(fù)合材料制成的平面層壓板在檢測(cè)時(shí)贏采用帶延遲塊的直探頭脈沖反射法。

碳纖維復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)中應(yīng)用的最為廣泛的無(wú)損檢測(cè)探傷方法之一超聲波法，已經(jīng)有很多人在這方面做出了研究。許有昌利用超聲波檢測(cè)對(duì)碳纖維復(fù)合材料艙體艙體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和缺陷產(chǎn)生的原因進(jìn)行了專門的研究，認(rèn)為對(duì)碳纖維復(fù)合材料艙體縮比件的缺陷檢測(cè)應(yīng)采用超聲波檢測(cè)。魏勤等利用超聲波對(duì)鋁基SiC復(fù)合材料進(jìn)行了研究，研究過(guò)程中Al/SiC材料中的裂痕或凝聚物直觀地顯示出來(lái)，便于我們判定工件的缺陷的位置。

5 結(jié)束語(yǔ)

碳纖維復(fù)合材料在投入使用前和使用中出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷是無(wú)法避免，這是由碳纖維復(fù)合材料本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和成型方法決定的。但是當(dāng)碳纖維復(fù)合材料制成的構(gòu)件要被應(yīng)用到非常重要的航空、航天領(lǐng)域時(shí)，對(duì)其結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性的要求就非常高。所以由碳纖維復(fù)合材料制成的構(gòu)件的缺陷和損傷的檢測(cè)就顯得十分重要。近年來(lái)，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在碳纖維復(fù)合材料檢測(cè)中的應(yīng)用已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，它不僅能檢測(cè)構(gòu)件的缺陷和損傷，還能檢測(cè)構(gòu)件的質(zhì)量。無(wú)損檢測(cè)技術(shù)中超聲波檢測(cè)法是應(yīng)用最廣泛、使用頻率最高的一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，體現(xiàn)在保證產(chǎn)品可靠性和安全性上。

［1］魏勤，等超聲C掃描成像系統(tǒng)在鋁基復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用［J］．華東船舶丁業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，14．

［2］許有昌．碳纖維復(fù)合材料艙體超聲波檢測(cè)工藝研究［D］．南京:南京理工大學(xué)，2006．

［3］王小永，錢華．先進(jìn)復(fù)合材料中的主要缺陷與無(wú)損檢測(cè)技術(shù)評(píng)價(jià)［J］．無(wú)損探傷，2006，30．

［4］唐桂云，等先進(jìn)復(fù)合材料的無(wú)損檢測(cè)［J］．纖維復(fù)合材料，2006，3．