無人機復合材料結構件無損檢測技術

陳其泉/杭州牧星科技有限公司，浙江省 杭州市 310024

導讀：通過對無人機常用復合材料結構件缺陷和損傷特點的分析，介紹常用于復合材料結構缺陷包括目視檢查法、射線檢測技術、超聲檢測技術、渦流檢測技術在內的無損檢測技術，并對無損檢測技術的技術關鍵進行剖析，展望常用無損檢測技術在無人機制造領域的未來發展。

隨著航空制造技術的不斷發展，在無人機制造領域先進復合材料具有重量輕、比強度高、比剛度高、可設計性強、抗疲勞斷裂性能好、耐腐蝕、尺寸穩定性好以及便于大面積整體成型等優點，已廣泛應用于無人機結構。同時，采用整體化制造技術可以大幅度減少零件和緊固件數量，減少結構重量，降低生產成本。但無人機領域的競爭日趨激烈，低成本化和質量穩定性存在著矛盾，為有效的控制復合材料生產制造中產生的缺陷和損傷，采用無損檢測技術進行控制是最有效和最經濟的方式。

由于纖維增強復合材料具有導電性差、熱導率低、聲衰減高的特點，在物理性能方面呈顯著的各向異性，使得它對波傳播所引起的作用與普通金屬材料相比具有很大的差異，因而其無損檢測技術與金屬的檢測大不相同，復合材料檢測日益成為該領域的重點和難點。在這種情況下，無人機制造領域檢測迫切需要有一種更有效的手段來提高復合材料構件的生產質量或修理水平。

復合材料構件的成型過程是極其復雜的，其間既有化學反應，又有物理變化，影響性能的因素甚多，許多工藝參數的微小差異會導致其產生諸多缺陷，使產品質量呈現明顯的離散性，這些缺陷嚴重影響構件的機械性能和完整性。由于復合材料結構制造質量的離散性，必須通過無損檢測來鑒別產品的內部質量狀況，以確保產品質量，滿足設計和使用要求。隨著先進復合材料技術研究與應用的高速增長，復合材料無損檢測技術也迅速發展起來，已成為新材料結構能否有效和擴大應用的關鍵。

復合材料結構件缺陷的產生與特點

復合材料中的缺陷類型一般包括：孔隙、夾雜、裂紋、疏松、纖維分層與斷裂、纖維與基體界面開裂、纖維卷曲、富膠或貧膠、纖維體積百分比超差、鋪層或纖維方向誤差、缺層、鋪層搭接過多、厚度偏離、磨損、劃傷等, 其中孔隙、分層與夾雜是最主要的缺陷。材料中的缺陷可能只是一種類型, 也可能是好幾種類型的缺陷同時存在。

缺陷產生的原因是多種多樣的, 有環境控制方面的原因, 有制造工藝方面的原因, 也有運輸、操作以及使用不當的原因, 如外力沖擊、與其他物體碰撞和刮擦等。對缺陷產生原因進行準確分析, 可以有針對性地采取預防與控制措施, 減少缺陷形成的概率,保證結構質量和性能滿足要求。

成型過程中產生的缺陷

復合材料在成型過程中往往會由于工藝原理和理論的非完美性而產生缺陷,人為操作的隨機性會產生夾雜、鋪層錯誤、固化不完全等缺陷,固化過程控制不好會產生孔隙、分層、脫膠等缺陷。復合材料成型在屬于生產制造過程中的特殊過程，過程控制不到位，往往導致缺陷產生，主要因素有，原材料因素, 也是復合材料產生缺陷的一個主要原因。預浸料中局部樹脂含量不均勻、毛團、纖維彎曲會造成復合材料的貧膠、富膠和纖維曲屈。如果預浸料儲存時間過長,則會在固化成型過程中因樹脂的流動性變差而導致貧膠、富膠、纖維脫粘以至分層等缺陷。如果這些缺陷不能及時發現,對復合材料的性能會有很大影響,甚至會造成不可挽回的損失。

使用過程中產生的缺陷

復合材料構件在使用過程中往往會由于應力或環境因素而產生缺陷,以至被破壞。復合材料損傷的產生、擴展與積累會加劇材料的環境與應力腐蝕,加劇材料老化,造成材料的耐濕熱性能嚴重下降,強度與剛度急劇損失,大大降低材料的使用壽命,有時會造成嚴重后果。傳統觀念采取的是發現問題后進行修補(維修或修理) 的辦法,要求在發現危及安全的缺陷后立即進行修復。而新的觀念是預測并管理,要求對可能發生的缺陷、故障進行預報,從而能在某一合適時間段內采取措施。所以復合材料在使用過程中的定期檢測,就顯得極為重要,也越來越受到人們的重視。

復合材料結構件的無損檢測

復合材料中的微觀破壞和內部缺陷, 用常規的機械與物理方法一般不能滿足檢驗精度要求,為保證經濟性和有效性，也不能采用破壞性實驗方法進行檢測, 必須對其進行無損探傷檢測, 即在不損壞結構使用性能的前提下, 采取一定的手段, 檢測其特征質量,確定其是否達到需要的工程使用要求。無損檢測是檢驗產品質量、保證產品使用安全、延長產品壽命必要的有效技術手段。可應用于無人機復合材料結構中缺陷無損檢測的技術很多, 包括目視檢查法、射線檢測技術、超聲檢測技術、渦流檢測技術等。

目視檢查法

目視檢查法是使用最廣泛、最直接的無損檢測方法。它可以檢查出褪色、表面劃傷、裂紋、起泡、表面欠壓、起皺、桔皮、凹痕、富膠、貧膠等缺陷；尤其對透光的玻璃鋼產品，可用透射光檢查出內部的某些缺陷和定位，如夾雜、氣泡、疏松、搭接的部位和寬度、蜂窩芯的位置和狀態、鑲嵌件的位置等。另外，利用反射光、內窺鏡等先進的目視檢測方法還可以檢測結構內腔表面不平和其他缺陷。

射線檢測技術

對于復合材料而言, 射線檢測仍然是最直接、最有效的無損檢測技術之一,特別適合于檢測復合材料中的孔隙和夾雜等體積型缺陷,對垂直于材料表面的裂紋也具有較高的檢測靈敏度和可靠性,對樹脂聚集與纖維聚集也有一定的檢測能力, 也可測量小厚度復合材料鋪層中的纖維彎曲等缺陷,但對復合材料中最為常見的分層缺陷檢測比較困難, 對平行于材料表面的裂紋射線檢測技術也不敏感。在所有的射線檢測技術中, 膠片射線照相技術應用最為廣泛, 經過多年的發展, 該技術已經比較成熟, 許多國家都建立了針對復合材料的膠片射線照相技術規范或標準。近幾年來, 隨著計算機技術的迅速發展, 射線實時成像檢測技術航空用復合材料結構件無損檢測技術分析(RTR 技術) 日趨完善, 并開始應用于結構的無損檢測。RTR 技術利用圖像增強器將穿透材料后的射線信息轉換為可視圖像(即光電轉換)。然后輸入計算機經過計算機處理將可視圖像轉換為數字圖像,在顯示器屏幕上顯示出材料內部缺陷的性質、大小和位置等信息。與膠片照相技術相比, RTR 技術不需要膠片的暗室處理, 縮短了曝光時間, 成像質量與膠片照相技術相當, 但在檢測過程的實時性、檢測效率、經濟性以及遠程傳送和方便實用等方面具有無比的優越性。實時成像技術可應用于先進復合材料產品的在線檢測,可以對裝配線上的工件進行實時快速檢測。康普頓背散射成像(CST) 技術是一種新的射線檢測技術, 它具有單側非接觸、檢測靈敏度高、快速三維成像的特點, 非常適合于復合材料等原子序數較低材料的物體, 對低密度材料的檢測可獲得比透射成像更高的圖像對比度, 特別是當被檢物體結構限制無法進行雙側成像檢測時, CST技術就顯示出明顯的優勢。CST 技術在國外航空航天領域已經得到了廣泛的應用, 在國內, 由于缺少相關的技術設備, 此項技術還尚處于探索性的研究階段, 但鑒于該技術的獨特性能, 可以預見它必將成為航空航天無損檢測領域一個極具開發與應用潛力的檢測手段。

超聲檢測技術

超聲檢測方法主要包括有脈沖反射法、穿透法、反射板法、共振法、阻抗法等,它們各有特點, 可根據材料結構的不同選用合適的檢測方法。對于一般小而薄、結構簡單的平面層壓板及曲率不大的復合材料構件, 宜采用水浸式反射板法； 對于小而稍厚的復雜結構件, 無法采用水浸式反射板法時, 可采用噴水脈沖反射法或接觸帶延遲塊脈沖發射法； 對于大型復合材料結構宜采用水噴穿透法或水噴脈沖反射法。復合材料的多層結構使得聲波在材料中的衰減較大, 而且航空航天領域的先進復合材料構件多為薄形結構, 所引起的噪聲和缺陷反射信號的信噪比低, 不易分辨, 在選擇合適的檢測方法時應進行全面、細致的考慮。

渦流檢測技術

渦流檢測技術的基本原理是利用渦流探頭中線圈通以交變電流后, 能夠在線圈附近的檢測試樣中產生渦流, 該渦流又能產生一個交變反磁場,交變反磁場會改變線圈磁場, 從而使流經線圈中的電流也隨之改變。當線圈上的電壓恒定,線圈中電流變化引起線圈阻抗變化, 通過測量線圈阻抗的變化, 就可以得到試樣內部的缺陷信息。但這種技術只適用于導電復合材料, 對G F R P 和KFRP 不適用, 而對CFRP 是適用的。利用渦流檢測技術可檢測出C F R P 中的纖維含量與缺陷,對復合材料與金屬粘接結構中金屬材料的翹曲變形也具有較高的檢測靈敏度。

技術關鍵

針對無人機復合材料裝機結構件的快速高效無損檢測技術

賦予傳統復合材料無損檢測新的技術內涵,使之更適合未來復合材料的低成本設計、制造和裝機應用主流,通過提高傳統檢測技術的功效,達到提高檢測效率、降低檢測成本的目的。開展無損檢測新技術和新方法的研究,探索研究適合復合材料的快速高效無損檢測技術和方法。美國等復合材料用量較大的國家,自20世紀90年代后期已經開始將復合材料無損檢測技術研究的重點轉移到快速高效的無損檢測方向, 而且有了初步應用成果。

針對無人機復合材料的無損檢測技術

與發達國家相比, 目前我國復合材料無損檢測技術的研究深度和發揮作用的程度還遠遠不夠。復合材料的一個重要結構特征就是內部各組分之間物理界面復雜,如果能利用無損檢測技術得到這些界面的全部信息,將會對材料研究和工藝分析起十分重要的指導作用。

結束語

復合材料無損檢測技術是一門專門的學科，是我們有待提升的新課題，應重視對復合材料無損檢測人員的技術培訓工作，開展復合材料無損檢測技術的實踐，采用工程化，標準化的作業模式，將目前無損檢測最常用其最容易實現和推廣的射線、超聲波、渦流、目視檢驗等無損檢測技術進行實踐、驗證、建標和推廣，進行復合材料結構和無損檢測方法，分析、制訂試驗方案，設計和制備無損檢測標準試樣，編制復合材料無損檢測標準與缺陷驗收規范，并加強與國內外知名廠所、高校的復合材料無損檢測先進技術的合作與交流，進一步學習國外復合材料無損檢測的先進技術，提高無人機應用復合材料結構無損檢測水平。 ■