航空用纖維增強聚合物基復合材料無損檢測技術的應用與展望

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(1.北京航空材料研究院，北京 100095;2.航空材料檢測與評價北京市重點實驗室，北京 100095;3.材料檢測與評價航空科技重點實驗室，北京 100095)

隨著國防工業的快速發展，復合材料在飛機和發動機上的應用越來越多，使用的部位從尾翼、舵面等次承力結構擴展到機翼等主承力結構，結構形式從簡單的梁式、板式結構向夾層結構、整體復雜結構方向發展，制造工藝也由熱壓罐工藝向RTM(樹脂傳遞模塑成型)、VARI(真空輔助成型工藝)等工藝發展。航空用纖維增強聚合物基復合材料制件按結構形式分類，主要有層板結構、板板黏接結構、板芯夾層結構等；按形狀分類，主要有平板、曲面、腔體等；按制作工藝分類，主要有熱壓罐工藝、RTM工藝、纏繞工藝、共固化工藝等。

航空用復合材料及制件的快速發展，給無損檢測技術提出了更高的要求。復合材料制件中易出現的主要缺陷形式有分層、脫黏、夾雜、孔隙等，然而航空用復合材料制件種類的多樣化給無損檢測帶來了較大挑戰，主要困難表現在：① 不同結構、不同制作工藝的復合材料制件中，缺陷信號的表現形式不同；② 復雜結構制件的無損檢測可達性差；③ 不同種類復合材料制件有效適用的無損檢測方法不同等。近10年來，為滿足快速發展的航空用復合材料及制件的無損檢測需求，國內無損檢測技術人員經過刻苦鉆研，不斷實踐，參考國外先進技術，提高了國內檢測水平，使國內航空復合材料無損檢測技術水平得到了很大的提升。

1 無損檢測技術在航空復合材料及制件中的應用現狀

1.1 超聲檢測技術

超聲檢測技術在航空復合材料無損檢測中的應用最為廣泛，國外復合材料制件通常要求100%進行超聲檢測，該方法可用于層板、板板膠接、板芯夾層等結構，對分層、夾雜、脫黏、孔隙等缺陷具有較好的檢測效果。

1.1.1 鉚接結構的檢測

兩塊復合材料層板通過鉚接結合是常見的一種復合材料組裝結構。鉚接結構外觀如圖1所示，鉚接過程中容易引起分層、裂紋等缺陷，采用超聲接觸式脈沖反射法或C掃描法，可以有效檢測出該類缺陷，其典型缺陷顯示信號如圖2所示。

圖1 鉚接結構外觀

圖2 鉚接結構典型缺陷顯示信號

1.1.2 孔隙率檢測

孔隙率是復合材料中的主要缺陷之一，對材料強度有較大影響。目前,國內外普遍認為超聲衰減法的孔隙率檢測靈敏度高、可操作性強。圖3為復合材料孔隙率層板試件的底波聲衰減幅度與孔隙率對應關系曲線。

圖3 復合材料孔隙率層板試件的底波聲衰減幅度與孔隙率對應關系曲線

1.2 超聲相控陣檢測技術

在復合材料檢測中，超聲相控陣檢測技術主要通過對聲束的控制，實現常規超聲對不可達部位的檢測，以及對大平面的快速檢測[1-4]。應用較多的部位有R角、空腔等復雜結構及壁板、艙門等大平面結構。圖4為某加筋壁板中R角結構的超聲相控陣檢測系統外觀及檢測結果。

圖4 R角超聲相控陣檢測系統外觀及檢測結果

1.3 X射線檢測技術

復合材料的射線檢測主要利用射線檢測對體積型缺陷較為敏感的優點，來檢測材料的變形、開裂、夾雜、積膠等缺陷。近年來DR(直接數字平板X射線技術)、CR(計算機X射線照相技術)、CT(電子計算機斷層掃描)等數字射線技術發展迅速，復合材料的射線檢測實現了實時顯示以及結果的數字化存儲效果。圖5為蜂窩結構的X射線檢測結果示例。

圖5 蜂窩結構的射線檢測結果示例

1.4 紅外熱像檢測技術

紅外熱像檢測是近年來發展起來的無損檢測新技術，其通過給材料表面施加一定熱激勵，測量物體表面溫度場的分布和變化來檢測缺陷。該技術主要用于薄板分層、薄蒙皮脫黏及蜂窩積水的檢測[5]，對埋深較大缺陷的檢測靈敏度較低。圖6為紅外檢測技術的典型缺陷檢測結果。

圖6 紅外檢測技術的典型缺陷檢測結果

1.5 激光散斑檢測技術

激光散斑檢測是對物體施加不同激勵(熱、真空、震動)，通過觀察缺陷部位微小位移變化產生的干涉條紋來判斷制件表面和內部的缺陷信息的技術。該技術可用于薄層板分層、薄蒙皮脫黏及緊貼型缺陷的檢測。緊貼型缺陷部位雖然無空氣界面，但該處的結合力降低會使其受載后更易變形，從而可以使用激光散斑檢測技術檢測。圖7為激光散斑檢測復合材料的典型缺陷圖像。

圖7 激光散斑檢測復合材料的典型缺陷圖像

1.6 空氣耦合檢測技術

空氣耦合超聲檢測技術利用空氣作為超聲波的耦合劑，與工件非接觸、無需耦合、穿透能量高，可以用于多孔材料、蜂窩夾層結構等傳統超聲難以穿透的復合材料的無損檢測中。圖8為采用空氣耦合技術對三層蜂窩膠接結構的檢測結果。

圖8 空氣耦合檢測技術對三層蜂窩膠接結構的檢測結果

2 航空復合材料無損檢測技術展望

隨著我國國防工業的快速發展，復合材料在航空飛機中的應用不斷增加，其結構形式與制作工藝越來越復雜多樣，對航空用復合材料無損檢測技術的可靠性和先進性的需求越來越迫切。今后，航空用復合材料無損檢測技術將進一步向以下方向發展[5-10]，以滿足不斷增長的航空用復合材料及制件高可靠性、高靈敏度的檢測需求。

2.1 現有工程化無損檢測技術的完善與發展

應研制生產的多種型號飛機中復合材料的無損檢測需求，航空用復合材料的無損檢測技術已初步進入工程化應用階段，但仍存在一些問題需要繼續完善與發展。

(1) 缺陷的定量化評價

航空用復合材料種類繁多，不同種類材料及制件中出現的缺陷類型也不相同，而目前行業內缺少對缺陷信號統一識別與評判的方法，易造成各廠家檢測及評定的缺陷結果不一致的問題。針對這一問題，有必要在行業內統一缺陷識別及評定方法，為各廠家檢測時提供一致性指導。

(2) 檢測標準體系的完善和健全

國內公開發行的復合材料無損檢測標準較少，部分標準編制年代較早，已不滿足快速發展的無損檢測技術水平。另外，航空行業內部也未建立起系統的復合材料無損檢測標準體系，如缺少復合材料檢測用設備和對比試塊的校驗方法、缺少新技術無損檢測方法等。今后，應加強復合材料無損檢測技術標準體系的完善，特別是行業內部檢測標準體系的完善，為航空用復合材料無損檢測的可靠性提供依據。

(3) 多種無損檢測技術融合應用

每種無損檢測方法均有其優勢和局限性，探索多技術融合的檢測技術可實現各檢測技術的優勢互補，并以更合理的手段達到質量評價的目的，提高檢測能力，這是未來無損檢測技術發展的新趨勢。

2.2 傳統無損檢測技術與現代多學科技術結合發展

采用計算機控制技術、機器人技術、先進制造技術、信息融合技術、人工智能技術等與無損檢測技術有機結合，提高無損檢測能力、檢測效率和可靠性，使無損檢測技術的應用向規范化、科學化和自動化的方向發展。

(1) 與計算機、機械制造技術結合，使自動成像檢測方式替代手動檢測方式。

(2) 與數字圖像處理技術結合，使檢測結果由單一A掃描顯示向A掃描、B掃描、C掃描聯合顯示方向發展。

(3) 與計算機仿真技術結合，通過仿真與模擬，設計、優化復雜檢測對象的檢測參數。

2.3 無損檢測新技術的成熟與工程化應用

無損檢測新技術經過長期的試驗與驗證，最終找準了各自的應用方向，實現了工程化應用。無損檢測新技術的發展過程如圖9所示。

圖9 無損檢測新技術發展過程