航空器復合材料無損檢測技術及評價

孫延軍

摘? ?要：復合材料已經在航空器上得到了大量應用。復合材料在制造和使用過程中的缺陷和損傷將嚴重危害航空器適航性及飛行安全。為了快速準確識別航空器復合材料中的缺陷，業界發展出了多種無損檢測方法。本文介紹了幾種具有代表性的航空器復合材料的無損檢測技術并對其做出評價。

關鍵詞：航空器? 復合材料? 無損檢測

Abstract：Composite materials have been widely used in aircraft. The defects and damages of composite materials in the process of manufacturing and using will seriously endanger the airworthiness and flight safety of aircraft. In order to quickly and accurately identify defects in aircraft composite materials， a variety of nondestructive testing methods have been developed. In this paper， several representative nondestructive testing techniques for aircraft composite materials are introduced and evaluated.

復合材料以其優良的力學性能和物理性能在航空器中得到了廣泛使用。當今世界民用航空器制造技術最高水平的波音B787和空客A350所使用的復合材料質量占比高達 50%和52%[1]。目前大多數用作初級教練機的單發飛機如SR20和DA40，用作中級教練機的雙發飛機如DA42NG，其結構已經全部采用復合材料。復合材料在航空器上得到如此廣泛的應用，在制造及使用過程中不可避免會產生各種缺陷和損傷。如何快速準確檢出這些缺陷和損傷，進而采取措施使航空器持續適航就顯得尤為重要。應用于傳統材料的無損檢測技術有的可直接應用于航空器復合材料的檢測，有的經過改良也能夠發揮一定作用。

1? 航空器復合材料缺陷及損傷

復合材料缺陷和損傷主要包括：層板分層、脫膠、裂紋、氣泡、夾雜、侵蝕、不恰當固化、芯材變形、基體開裂等缺陷。此外在使用過程中也可能產生表面劃傷、表面裂紋、進水、穿透穿孔、芯材壓壞、沖擊損傷等。

這些缺陷和損傷產生的原因多種多樣，復合材料中的缺陷可能表現為一種類型，也可能多種并存。它們的產生和存在將降低材料的物理性能和力學性能甚至造成不可預見的嚴重后果。有的存在于表面，肉眼可見。有的產生于材料內部，必須要借助無損檢測方法才能識別。

2? 航空器復合材料無損檢測技術

2.1 目視檢查

目視檢查是發現材料表面損傷最簡單有效的方法，它可以發現劃痕、剝落、表面開裂、龜裂、近表面的分層、嚴重的脫粘等。配合使用高強度手電、纖維鏡和內窺鏡等可以先行判定損傷發生的區域。然而它的缺點是顯而易見的，無法徹底檢查內部損傷的類型、程度、尺寸等。

2.2 敲擊法

敲擊法是用硬幣、小錘等輕質硬物敲擊材料表面，聲學反饋可以顯現材料內部是否存在損傷。敲擊法可有效地檢測2mm厚復合材料層板的脫粘、脫層等損傷，并且該方法尤其適用于蒙皮結構， 蜂窩結構的損傷檢測[2]。人工敲擊法雖然成本低、速度快，但依賴于操作者主觀經驗，人為因素大。

為了提高檢測效率，消除人為因素發展出了自動敲擊法。其原理是通過采集分析敲擊后的振動信號，與無損傷區域的頻譜特征進行比較來識別損傷。自動敲擊法設備簡單，成本低，使用簡便、快速精確，不受周圍環境影響。但它無法檢測微小損傷，如裂紋。

2.3 超聲無損波檢測

由于復合材料本身及缺陷能夠影響超聲波的傳播和反射，因此通過檢測衰減信號或者回波信號可以確定損傷所在的區域和尺寸。超聲波能夠檢出航空器復合材料中的層板分層、孔隙、裂紋和夾雜等。超聲波檢測，設備便攜便于操作，能夠精確檢出損傷發生的區域和尺寸。但操作者須經專門培訓，對于不同類型的缺陷還需使用不同的探頭和耦合劑，而且對于航空器上經常使用的薄壁結構或者復雜部件難以檢測。

2.4 微波無損檢測技術

微波無損檢測原理與超聲波無損檢測類似，但由于微波相比超聲波穿透性能良好，在復合材料中衰減小。對復合材料結構中的孔隙、疏松、基體結構開裂、層板分層和脫膠等缺陷具有較高的靈敏度，能夠準確檢出復合材料內部較深處的缺陷。微波無損檢測操作方便，無需耦合劑。相比于射線，微波對人體無害。

2.5 射線無損檢測

目前射線檢測主要采用膠片照相法，其原理是當X射線照射被檢工件時，損傷區域對射線吸收率與正常區域不同，比較兩者間差異來判別損傷位置。射線檢測對復合材料中的孔隙、夾雜（特別是金屬夾雜）具有良好的檢出能力。并且可以提供直觀的檢查圖像結果。但它不能檢出與射線垂直方向上的裂紋，并且設備復雜，操作人員須經安全防護，必須經過相關專業培訓。

計算機斷層掃描成像（CT）技術也被廣泛用于復合材料的無損檢測。計算機斷層掃描成像（CT）技術是利用X射線在材料內不同的衰減系數為基礎，采用數學方法經計算機處理，從而重現每個斷層圖像的方法。它能夠顯示出每一個斷層上的結構和組份的分布情況，可以克服一般X射線檢測造成的影像重疊和模糊，利用CT掃描技術可在一定范圍內精準檢出損傷尺寸，但其設備龐大復雜，不適合外場使用。

2.6 紅外熱成像無損檢測技術

紅外熱成像無損檢測技術分析被檢對象的紅外輻射特性，當被檢工件內部存在缺陷或損傷時，將改變其表面溫度分布，通過紅外熱成像可檢出損傷位置。該方法尤其適用于厚度較薄復合材料的檢測，可檢出分層、脫粘、夾雜等，結果直觀，快速、精準、可靠，效率高。但它要求材料表面熱傳導率高。

3? 航空器復合材料無損檢測技術的選用

適用于航空器復合材料的無損檢測有技術很多，但由于不同類型的檢測技術對不同缺陷的檢出靈敏度差別很大，同時還與材料類型、材料生產方式、生產工藝、缺陷損傷所處位置等有關。應當充分考慮檢測效率，檢測成本，設備可達性，對航空器適航性的影響等。所以不可能采用單一類型檢測技術判別航空器復合材料中的缺陷類型、位置、尺寸。應當根據材料中可能存在的缺陷類型以及缺陷所處的大概位置、方向等因素選擇多種適當的方法進行綜合檢測。另外，必須嚴格依據飛機結構修理手冊或者維護手冊的規定來實施無損探傷。比如SR20飛機維護手冊中就規定對可疑區域（包括明顯的損傷），應當首先使用目視法和敲擊法來進行預先檢查[3]。

參考文獻

[1] 馬立敏，張嘉振，岳廣全，等.復合材料在新一代大型民用飛機中的應用[J].復合材料學報，2015，32（2）：317-322.

[2] 冷勁松，杜善義.復合材料結構敲擊法無損檢測的靈敏度研究[J].復合材料學報，1995，12（4）：99-105.

[3] Cirrus Design Corporation. SR20 Airplane Maintenance Manual，2017.