美國艦船復合材料的無損檢測技術及評價

錢　江，趙　滿，何遠玲（. 海軍裝備部，北京 0007；. 中國船舶重工集團公司第七一四研究所，北京 000）

美國艦船復合材料的無損檢測技術及評價

錢江1，趙滿2，何遠玲2
（1. 海軍裝備部，北京 100071；2. 中國船舶重工集團公司第七一四研究所，北京 100101）

由于艦船特殊的服役環(huán)境，艦船復合材料在水中環(huán)境下的無損檢測技術顯得尤為重要。本文研究了美國海軍在水中環(huán)境和非水中環(huán)境下的艦船復合材料無損檢測技術，對這些技術進行了評價，并歸納了不同技術的適用范圍。最后，介紹了美國海軍為艦船復合材料檢測開發(fā)的“結構損傷評估系統”。

復合材料；無損檢測；水中環(huán)境

0　引　言

未來艦船裝備發(fā)展追求更大的有效負載，更高的效率、更強的綜合隱身能力、更低的全壽期費用，因此質量輕、可設計性強、耐腐蝕的復合材料成為未來艦船裝備設計使用的最佳選擇之一。復合材料上艦應用的一項關鍵技術是對復合材料結構進行有效的檢測，以及時發(fā)現材料存在的缺陷。艦船復合材料的無損檢測技術可分為水中檢測和非水中檢測兩類，其中水中檢測體現了艦船復合材料所面臨的特殊使用環(huán)境。

美國海軍在艦船復合材料的研制和使用方面處于世界領先位置，其復合材料無損檢測技術同樣走在世界前列。在水中環(huán)境時，美國海軍目前采用的復合材料無損檢測方法主要是目視檢測法、磁粉檢測法和超聲檢測法，渦流檢測法和X射線檢測法也在某些場合得到應用。而在非水中環(huán)境，除以上方法外，還有更多的無損檢測方法可供選擇。

1　復合材料在水中環(huán)境的無損檢測技術及評價

1）目視檢測法

雖然目視檢測法只能檢測材料的表面缺陷，且在艦船材料上應用時受到海水環(huán)境的影響，但仍是艦船復合材料無損檢測的首選方法，在很多場合下發(fā)揮著重要作用。

處于海洋環(huán)境中的材料存在滲濕問題，尤其在水中環(huán)境，比如 DDG-1000 驅逐艦上使用的E型玻璃纖維-乙烯基酯復合材料曲面舵和軸套就直接暴露于海水中。在水下進行目視檢測時，水下能見度、溫度梯度、潛水員面罩上的水霧和通過面罩觀測導致的失真等一些因素，會給觀測帶來不利影響。

2）磁粉檢測法

磁粉檢測法是在水中環(huán)境下廣泛使用的一種無損檢測方法。通過對被檢工件施加磁場使其磁化，在工件的表面和近表面缺陷處將有磁力線逸出工件表面而形成漏磁場，這些漏磁場會吸附施加在工件表面的磁粉形成聚集磁痕，從而顯示出缺陷的存在。

該方法能檢測出大部分金屬材料的裂紋和孔隙度，尤其適用于鐵磁性焊縫的缺陷檢測。該方法能夠檢測出與電磁鐵磁場方向垂直的裂紋，如圖 1 所示。當在水中應用時，需要使用在水下清晰可見的大顆粒磁粉。

圖 1　磁粉檢測法檢測焊縫缺陷Fig. 1　Magnetic particle weld inspection

磁粉檢測法應用在復合材料上有幾個局限。首先，也是最為重要的是，該方法要求被檢材料能夠被磁化，并產生較強的磁場。雖然它能夠檢測到碳纖維增強樹脂基復合材料的缺陷，但成功率并不高。其次，由于每次檢測只能磁化很小的面積，因而該方法在大面積檢測時非常耗時。最后，由于被檢材料表面涂層會使磁場減弱，為了得到較準確的缺陷檢測結果，有時需要將涂層去除，檢測完畢再重新涂覆，這無疑加大了檢測的工作量。

3）超聲檢測法

超聲檢測法是諸多復合材料無損檢測技術中應用最廣泛的。由于超聲波波長與材料內部缺陷的尺寸相匹配，可根據超聲波在材料內部缺陷區(qū)域和正常區(qū)域的反射、衰減與共振的差異，來確定缺陷的位置和大小。相對于其他檢測方法，超聲檢測法檢測深度較大，能檢測材料內部的缺陷。在檢測玻璃纖維復合材料時，常用 0.2～1.5 MHz 頻率的超聲波；在檢測碳纖維復合材料時，常采用更高頻率的 5 MHz 超聲波。

超聲檢測法可分為 A 掃描、B 掃描和 C 掃描 3 種顯像方式。其中，A 掃描方式最簡單，可用于檢測材料厚度和缺陷位置。將 A 掃描和檢測一定面積范圍內缺陷相結合的方式，稱為 B 掃描。C 掃描是最為復雜的方式，通過改變數據采集時間，C 掃描可以顯示距材料表面不同深度的材料內部結構的圖像。

超聲檢測法可分為反射法和透射法。超聲脈沖反射法特別適合于檢測材料基體裂紋和內部孔隙，此外還能測量缺陷深度和材料厚度。圖 2 為用超聲脈沖反射法A掃描方式檢測材料缺陷位置的示意圖。

圖 2　超聲脈沖反射檢測法示意圖Fig. 2　Pulse-echo inspection method

超聲透射法則通過分析穿透材料的透射波來獲得材料和缺陷信息，該方法特別適合于檢測纖維破損和分層缺陷。不過，由于透射法需要在被檢材料兩側分別布置超聲發(fā)射器和接收器，在許多情況做不到這一點，因而其應用受到較大限制。

超聲檢測法雖然應用廣泛，但也有一些缺點。當材料內部的缺陷在超聲波行進路線上相互遮擋時，被遮擋的缺陷將會難以檢測到，如圖 3 所示。蜂窩結構復合材料中由于存在大量空氣，也會造成對材料缺陷的遮擋，故難以應用超聲法。此外，超聲檢測法難以檢測粘連（分層但層間無空氣）缺陷。當材料滲濕后，由于水會吸收超聲波，造成反射或透射波減弱，也給檢測帶來困難。

圖 3　超聲脈沖反射檢測法中，缺陷可能相互遮掩而漏檢Fig. 3　Pulse-echo dedect masking

4）渦流檢測法

渦流檢測法是利用交流電磁線圈在工件表面感應出的渦流遇到缺陷會產生變化的原理，來檢測構件缺陷的一種無損檢測技術。這是一種非接觸檢測技術，只適用于導電材料。

該方法被成功用于檢測金屬材料缺陷，檢測結果與磁粉檢測法得到的結果高度一致。磁粉檢測法要求被檢材料表面干凈，以便于磁粉分布的觀測，而且經常需要去除表面涂層。而渦流檢測法對材料表面清潔度無要求，也不需要去除表面涂層，因為渦流可以穿透大多數被檢材料的涂層。

不過，渦流檢測法每次檢測的區(qū)域比磁粉檢測法還要小得多。由于應用該方法要求被檢材料具有導電性，故在復合材料中只限于檢測碳纖維層狀復合材料或金屬基復合材料。由于渦流不能深入穿透到層狀復合材料內部，因而只能檢測材料表層缺陷，尤其適用于定位材料表層的不可見裂紋、纖維破損和沖擊損傷，并可以檢測分層的位置。由于檢測深度限制，在應用中，渦流檢測法經常同其他能探測更深層缺陷的方法共用，如超聲檢測法。

5）X 射線檢測法

X 射線檢測的基本原理是使 X 射線穿過受檢材料，其透射強度被部分衰減，以一定形式的強度分布圖形投射在二維平面上。如果工件的厚度或密度有所變化，或存在密度與基材不同的缺陷而影響了射線源發(fā)送的透射強度，在顯影底片上就會呈現不同的對比度，從而得到缺陷的圖像。

在復合材料無損檢測領域，X 射線檢測是應用很普遍的方法。由于復合材料的密度遠比金屬小，其 X射線透射特性也與金屬材料有很大差別。

X 射線用于水中環(huán)境的材料檢測已有多年。該方法適合檢測復合材料中的裂紋、夾芯板中的蜂窩結構損傷和滲濕損傷，但難以檢測出分層，且裂紋一般只有當其平面與射線束大致平行時才能被檢出，故通常只能檢測與工件表面垂直的裂紋。該方法適合檢測玻璃纖維和硼纖維復合材料，但不適合檢測碳纖維復合材料。這是因為碳纖維和樹脂對X射線的吸收率接近，成像質量低。

2　復合材料在非水中環(huán)境的無損檢測技術及評價

1）敲擊檢測法

敲擊檢測法是最常用的復合材料無損檢測方法之一。最早是利用硬幣、棒、小錘等硬物敲擊材料表面，通過仔細辨聽聲音來查找材料體內缺陷。若復合材料層壓板或夾芯板中存在分層，敲擊的聲響則與完好結構不同。當材料存在分層或滲濕時，聲音頻率較低；而材料結構完好時，聲音頻率較高。在此基礎上發(fā)展起來的智能敲擊法，是利用聲振檢測原理，通過數字敲擊錘激勵被檢材料引起機械振動，然后測量被檢材料的振動特征，來判定是否存在缺陷。

敲擊法主要用于一些分層、脫粘等平面狀、較大缺陷的粗檢，多用于薄板結構，或者上下層聲阻抗差別明顯的復合材料結構、蜂窩結構的檢測以及非受力結構的檢測。敲擊法操作簡便，比較適合于粗檢，并常作為其他無損檢測方法的補充。

敲擊法的主要缺點有：首先，敲擊動作本身可能帶來負面影響，如造成被檢材料內部產生分層缺陷或裂紋擴展、被檢材料表面產生小的凹坑等。其次，該方法容易檢測出敲擊表面下較淺處的分層，對于位置較深的缺陷則難以發(fā)現。最后，該方法在很大程度上依賴于檢驗人員的經驗。

敲擊檢測法不適用于水中環(huán)境。由于在水中聲音衰減迅速，加上潛水員在水中換氣時產生的噪聲，分辨出敲擊音調的細微變化是困難的。

2）浸染檢測法

浸染檢測法是利用染色劑對被檢復合材料表面進行染色，然后用水沖洗被檢材料表面，而在表面裂紋、鼓泡或表層剝落等有缺陷部位，染色劑則會附著其上，從而顯示出缺陷位置。該方法可以檢驗那些不適用于磁粉檢測法的非鐵磁性復合材料的表面缺陷。由于需要染色過程，故該方法不太適用于水中環(huán)境。

3）聲發(fā)射檢測法

對復合材料工件施加壓力、溫度等使之產生應力時，由于工件內部存在缺陷或微觀組織的不均勻性，會導致材料內部局部應力集中，造成不穩(wěn)定的應力分布。這種不穩(wěn)定的高能狀態(tài)必然要過渡到穩(wěn)定的低能狀態(tài)。這一過程會導致塑性流變、快速相變、裂紋與分層的產生與擴展。在這一過程中，工件會產生某種程度的變形，同時以聲波或應力波的形式釋放出應變能，即所謂聲發(fā)射。聲發(fā)射波的頻率范圍很寬，從次聲波、聲波到超聲波，其幅度從微觀的位錯運動到大規(guī)模的宏觀斷裂。彈性波在經介質傳播后到達被檢工件表面，引起工件表面的機械振動。傳感器將表面的瞬態(tài)位移轉換成電信號，經放大、處理后形成其特征參數，被記錄與顯示。經過數據分析，即可評定聲發(fā)射源的特征。

聲發(fā)射檢測法是一種實時檢測方法，限于探測缺陷周圍的應力場改變所暴露出來的活動性缺陷。因此，復合材料結構件必須在承受應力的狀態(tài)下才能采用聲發(fā)射檢測。作為動態(tài)檢測技術，聲發(fā)射檢測法是直接用于研究復合材料微觀破壞過程的少數方法之一。

聲發(fā)射檢測法的缺點在于不能檢測靜態(tài)缺陷。為了精確定位缺陷產生的位置，需要布置眾多傳感器來接收實時信號。該方法在水中環(huán)境還未得到普遍應用，原因是水中大量的環(huán)境噪聲會對接收信號造成干擾，嚴重影響判斷的準確性。

4）紅外熱成像檢測法

紅外熱成像檢測的基本原理是利用被檢工件的不連續(xù)性缺陷對熱傳導性能的影響，在物體表面的局部區(qū)域產生溫度梯度，導致物體表面紅外輻射能力產生差異，根據這種差異即可推斷工件內部是否存在缺陷。該方法又分為有源和無源檢測法 2 種。有源紅外檢測法又稱主動紅外檢測法，它利用外部熱源將被檢工件加熱，然后通過測量工件表面各處熱輻射分布來判別缺陷。而無源紅外檢測法又稱被動紅外檢測法，其特征是通過捕捉工件本身的熱輻射進行測量，無需任何外加熱源。

紅外熱成像檢測法不適用于水中環(huán)境，原因有 2個：一是由于水的熱傳導作用，使得在水下加熱工件比較困難；二是由于熱輻射大部分被水吸收，使得紅外熱相機難以捕捉到足夠的分析信號。

3　復合材料無損檢測方法的適用范圍

上述無損檢測方法在水中環(huán)境中的適用復合材料和金屬材料的情況歸納在表 1 中。

表 1　各種無損檢測方法在水中環(huán)境的適用范圍Tab. 1　Application scopes of the discussed underwater inspection methods

表 2 則總結了上述無損檢測方法檢測各種缺陷時的適用情況。

表 2　各種無損檢測方法所適用的復合材料缺陷類型Tab. 2　Applicable defect types of the discussed nondestructive inspection methods

4　美國海軍新型復合材料“結構損傷評估系統”

以前，美國海軍采用的無損檢測技術，包括應用最廣的點對點超聲波測量技術在內，存儲和采集生成數據的方法較為笨拙，且很少結合分析工具（分析工具能夠量化損傷程度，評估損傷對整個結構的影響）。為此，美國海軍海上系統司令部卡迪洛克分部投資，由美國材料科學公司（MSC）主導研制了“結構損傷評估系統（SDAS）”。2009 年時，該技術的成熟度已經達到 6 級（TRL 6），據說應用到 DDG-1000 驅逐艦首艦上。

“結構損傷評估系統”專門用于評估大尺寸海軍復合材料結構。由于艦船復合材料結構的復雜性和大尺度，單一的檢測設備無法執(zhí)行復雜的掃描過程。“結構損傷評估系統”包括一整套傳統接觸式傳感器和先進的用于大面積掃描（標稱 2 × 2 m）的非接觸式檢測裝置。“結構損傷評估系統”允許用戶根據實際情況選擇合適的檢測技術。該系統具有以下特性：

1）能與多種無損檢測技術相兼容，如非接觸式熱敏成像法、剪切或傳統的超聲波傳感器裝置；

2）利用綜合損傷評估算法，判斷損傷位置和程度；

3）在檢測過程中采用無線數據傳輸，以減少在結構上布置設備的數量。

對于大面積檢測，材料科學公司與物理聲學公司合作改進熱敏成像技術，用于評估復合材料結構。熱敏成像技術利用單線加熱，執(zhí)行統一、快速、有效的掃描，并結合紅外成像裝置采集溫度圖像。存在缺陷的地方會引起不同的反應，應用專業(yè)分析軟件詮釋和表征損傷的位置、類型和程度。“結構損傷評估系統”還提供一個傳感器包，這些傳感器應用到不連續(xù)或較難接近的區(qū)域，如交疊區(qū)域和連接部位的拐角處。無線傳輸特性使網絡基陣能夠采用無線或手動方式激活。該系統中也包括了更傳統的檢測裝置，例如超聲波傳感器，用于更細致的復合材料結構檢測。“結構損傷評估系統”采用的軟件可提供簡潔的損傷信息，用于快速評估，也可以針對復合材料表面及表面下缺陷，通過啟用先進損傷分析算法來計算損傷類型及輪廓等參數。

“結構損傷評估系統”的優(yōu)勢包括降低成本（減少時間和勞動量），增加復合材料結構檢測的可靠性（使關鍵缺陷不被漏檢）。該系統可為 DDG-1000 甲板艙室和其他海軍大型復合材料結構提供快速、可靠的無損檢測手段。該系統可與“綜合情況評估系統”（ICAS）相兼容，用于美國海軍艦載關鍵系統的“視情維修”（Condition-based maintenance），同時具有很強的適應性和可升級空間。表 3 列出了“結構損傷評估系統”的特征、優(yōu)勢和效果。

表 3　“結構損傷評估系統”的特征、優(yōu)勢及效果Tab. 3　Characteristics，advantages and effectivenesses of the SDAS

5　結　語

本文研究了美國海軍在水中環(huán)境和非水中環(huán)境下的艦船復合材料無損檢測技術，對這些技術進行了評價，并歸納了不同技術的適用范圍。最后，介紹了美國海軍針對艦船復合材料檢測開發(fā)的“結構損傷評估系統”。

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Nondestructive inspection technology and evaluation of composite materials in U.S. naval ships

QIAN Jiang1，ZHAO Man2，HE Yuan-ling2
（1. Naval Armament Department，Beijing 100071，China；2. The 714 Research Institute of CSIC，Beijing 100101，China）

Acounting for the special service environment，underwater environmental nondectructive inspection technologies are very important to naval ships composite materials. This thesis focused on the nondectructive inspection technologies and evaluations both in underwater environment and atmosphere environment. The range of use for those nondectructive inspection technologies were also discussed in this paper. At last，the Structural Damage Assessment System （SDAS）used in U.S. Navy were introduced.

composite Materials；nondestructive inspection；underwater environment

U688.5

A

1672 - 7619（2016）08 - 0141 - 05

10.3404/j.issn.1672 - 7619.2016.08.030

2016 - 06 - 07；

2016 - 06 - 12

錢江（1975 - ），男，工程師，研究方向為艦船裝備管理。