航空器復(fù)合材料無損檢測技術(shù)及評價

孫延軍

摘? ?要：復(fù)合材料已經(jīng)在航空器上得到了大量應(yīng)用。復(fù)合材料在制造和使用過程中的缺陷和損傷將嚴(yán)重危害航空器適航性及飛行安全。為了快速準(zhǔn)確識別航空器復(fù)合材料中的缺陷，業(yè)界發(fā)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(fù)合材料的無損檢測技術(shù)并對其做出評價。

關(guān)鍵詞：航空器? 復(fù)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(fù)合材料以其優(yōu)良的力學(xué)性能和物理性能在航空器中得到了廣泛使用。當(dāng)今世界民用航空器制造技術(shù)最高水平的波音B787和空客A350所使用的復(fù)合材料質(zhì)量占比高達(dá) 50%和52%[1]。目前大多數(shù)用作初級教練機的單發(fā)飛機如SR20和DA40，用作中級教練機的雙發(fā)飛機如DA42NG，其結(jié)構(gòu)已經(jīng)全部采用復(fù)合材料。復(fù)合材料在航空器上得到如此廣泛的應(yīng)用，在制造及使用過程中不可避免會產(chǎn)生各種缺陷和損傷。如何快速準(zhǔn)確檢出這些缺陷和損傷，進而采取措施使航空器持續(xù)適航就顯得尤為重要。應(yīng)用于傳統(tǒng)材料的無損檢測技術(shù)有的可直接應(yīng)用于航空器復(fù)合材料的檢測，有的經(jīng)過改良也能夠發(fā)揮一定作用。

1? 航空器復(fù)合材料缺陷及損傷

復(fù)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(dāng)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(chǎn)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(chǎn)生的原因多種多樣，復(fù)合材料中的缺陷可能表現(xiàn)為一種類型，也可能多種并存。它們的產(chǎn)生和存在將降低材料的物理性能和力學(xué)性能甚至造成不可預(yù)見的嚴(yán)重后果。有的存在于表面，肉眼可見。有的產(chǎn)生于材料內(nèi)部，必須要借助無損檢測方法才能識別。

2? 航空器復(fù)合材料無損檢測技術(shù)

2.1 目視檢查

目視檢查是發(fā)現(xiàn)材料表面損傷最簡單有效的方法，它可以發(fā)現(xiàn)劃痕、剝落、表面開裂、龜裂、近表面的分層、嚴(yán)重的脫粘等。配合使用高強度手電、纖維鏡和內(nèi)窺鏡等可以先行判定損傷發(fā)生的區(qū)域。然而它的缺點是顯而易見的，無法徹底檢查內(nèi)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(zhì)硬物敲擊材料表面，聲學(xué)反饋可以顯現(xiàn)材料內(nèi)部是否存在損傷。敲擊法可有效地檢測2mm厚復(fù)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(jié)構(gòu)， 蜂窩結(jié)構(gòu)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(jīng)驗，人為因素大。

為了提高檢測效率，消除人為因素發(fā)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(qū)域的頻譜特征進行比較來識別損傷。自動敲擊法設(shè)備簡單，成本低，使用簡便、快速精確，不受周圍環(huán)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(fù)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(qū)域和尺寸。超聲波能夠檢出航空器復(fù)合材料中的層板分層、孔隙、裂紋和夾雜等。超聲波檢測，設(shè)備便攜便于操作，能夠精確檢出損傷發(fā)生的區(qū)域和尺寸。但操作者須經(jīng)專門培訓(xùn)，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(jīng)常使用的薄壁結(jié)構(gòu)或者復(fù)雜部件難以檢測。

2.4 微波無損檢測技術(shù)

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(fù)合材料中衰減小。對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的孔隙、疏松、基體結(jié)構(gòu)開裂、層板分層和脫膠等缺陷具有較高的靈敏度，能夠準(zhǔn)確檢出復(fù)合材料內(nèi)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(dāng)X射線照射被檢工件時，損傷區(qū)域?qū)ι渚€吸收率與正常區(qū)域不同，比較兩者間差異來判別損傷位置。射線檢測對復(fù)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(jié)果。但它不能檢出與射線垂直方向上的裂紋，并且設(shè)備復(fù)雜，操作人員須經(jīng)安全防護，必須經(jīng)過相關(guān)專業(yè)培訓(xùn)。

計算機斷層掃描成像（CT）技術(shù)也被廣泛用于復(fù)合材料的無損檢測。計算機斷層掃描成像（CT）技術(shù)是利用X射線在材料內(nèi)不同的衰減系數(shù)為基礎(chǔ)，采用數(shù)學(xué)方法經(jīng)計算機處理，從而重現(xiàn)每個斷層圖像的方法。它能夠顯示出每一個斷層上的結(jié)構(gòu)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(shù)可在一定范圍內(nèi)精準(zhǔn)檢出損傷尺寸，但其設(shè)備龐大復(fù)雜，不適合外場使用。

2.6 紅外熱成像無損檢測技術(shù)

紅外熱成像無損檢測技術(shù)分析被檢對象的紅外輻射特性，當(dāng)被檢工件內(nèi)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(fù)合材料的檢測，可檢出分層、脫粘、夾雜等，結(jié)果直觀，快速、精準(zhǔn)、可靠，效率高。但它要求材料表面熱傳導(dǎo)率高。

3? 航空器復(fù)合材料無損檢測技術(shù)的選用

適用于航空器復(fù)合材料的無損檢測有技術(shù)很多，但由于不同類型的檢測技術(shù)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(chǎn)方式、生產(chǎn)工藝、缺陷損傷所處位置等有關(guān)。應(yīng)當(dāng)充分考慮檢測效率，檢測成本，設(shè)備可達(dá)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(shù)判別航空器復(fù)合材料中的缺陷類型、位置、尺寸。應(yīng)當(dāng)根據(jù)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(dāng)?shù)姆椒ㄟM行綜合檢測。另外，必須嚴(yán)格依據(jù)飛機結(jié)構(gòu)修理手冊或者維護手冊的規(guī)定來實施無損探傷。比如SR20飛機維護手冊中就規(guī)定對可疑區(qū)域（包括明顯的損傷），應(yīng)當(dāng)首先使用目視法和敲擊法來進行預(yù)先檢查[3]。

參考文獻

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

[2] 冷勁松，杜善義.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)敲擊法無損檢測的靈敏度研究[J].復(fù)合材料學(xué)報，1995，12（4）：99-105.

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