美國加利福尼亞圣地亞國家實驗室的研究人員David Moore正面對著一塊長方形的硬碳復(fù)合材料，這個樣品看起來像是正常磨損，直到Moore將其翻轉(zhuǎn)過來才發(fā)現(xiàn)有一個帶裂縫的圓形沖擊痕跡。現(xiàn)在對于Moore以及他的同事Timothy Briggs而言，最大的問題則在于了解該沖擊造成的影響是否顯著，是否會在復(fù)合材料內(nèi)部造成損傷。因此，他們正在研究利用無損檢測技術(shù)檢測復(fù)合材料內(nèi)部損傷情況，包括傳統(tǒng)的X射線檢測、磁粉檢測、超聲檢測以及先進的紅外成像檢測和計算機斷層掃描檢測等。

    圣地亞國家實驗室在很早之前就已經(jīng)開始對復(fù)合材料進行研究，主要研究方向為輕質(zhì)復(fù)合材料在國家安全領(lǐng)域的應(yīng)用。“一般用于手機中的復(fù)合材料的性能只需要維持幾年內(nèi)穩(wěn)定即可，但是用于國家安全領(lǐng)域的復(fù)合材料則往往需要具有幾十年的使用壽命；使用壽命的不同要求我們?nèi)プ屑?xì)思考這些復(fù)合材料適用于哪些方面，以及為何適合用于這些方面”，從事結(jié)構(gòu)動力學(xué)與X射線無損檢測技術(shù)研究的Moore說道：“我們需要研究材料的使用周期，并且深入研究材料斷裂和變形帶來的后果，以及我們應(yīng)當(dāng)如何對其進行檢測”。

    “圣地亞國家實驗室的研究工作已經(jīng)在許多國家安全領(lǐng)域取得了應(yīng)用，包括提高能源使用效率、輕量化汽車的性能提升以及風(fēng)力機葉片性能的改善等”，從事輕量化結(jié)構(gòu)組織研究的Briggs說道：“復(fù)合材料通常是將許多具有不同性質(zhì)的單獨材料結(jié)合在一起而形成的，例如，高分子復(fù)合材料就是以聚合物材料作為基體材料，以增強型纖維作為增強體（例如碳纖維、凱芙拉纖維以及玻璃纖維等）結(jié)合形成的”。復(fù)合材料能夠通過加入束狀的、比頭發(fā)絲還細(xì)的碳材料提高整體材料的強重比；最后通過在工業(yè)烤爐中對復(fù)合材料進行熱處理能夠得到具有特定形狀以及優(yōu)異性能的復(fù)合材料成品。

    由于具有較好的機械強度，并且比金屬材料更輕，復(fù)合材料在航空航天以及許多工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用變得越來越為重要；在某些方面可以結(jié)合金屬甚至代替金屬材料使用，例如用作飛機機翼材料，能夠使得飛機質(zhì)量更輕，性能更好，還有助于減少飛機的飛行成本。

    復(fù)合材料的外表面特征并不能揭示內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息

    “我們對于金屬材料及其失效機理已經(jīng)有了非常廣泛的研究”，Moore說道：“但是，復(fù)合材料與金屬材料完全不一樣”。如果機場的一輛服務(wù)汽車撞到了飛機的復(fù)合材料機身，只對撞擊位置進行檢查并不會檢測出表面以下的內(nèi)部可能造成的損傷。因此，在不同的環(huán)境下都能夠?qū)?fù)合材料的損傷進行檢測及評估的無損檢測技術(shù)就顯得越發(fā)重要了。Moore所在的研究小組正在評估無損檢測技術(shù)的準(zhǔn)確性以及如何將這些技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)車間內(nèi)。

    “在材料的加工工藝中，你需要知道最可能會出問題的步驟以及如何避免這些步驟，這樣才能確定生產(chǎn)出的成千上萬件產(chǎn)品都是性能一致、符合標(biāo)準(zhǔn)的”。Moore說道：“一旦我們了解了這些無損檢測技術(shù)的檢測準(zhǔn)確性以及檢測極限，我們就能夠輕易的對產(chǎn)品的質(zhì)量進行檢測及控制，對于某一類特殊的產(chǎn)品能夠快速的選擇一種最合適的檢測方法”。

    在制備好復(fù)合材料后，研究人員從上述材料中取下部分樣品進行儀器分析實驗——小心取下部分樣品并對其進行變形、斷裂以及損傷機理研究。“對樣品進行拉伸、彎曲以及壓縮等機械處理以便于我們能夠更好的研究及理解復(fù)合材料的斷裂機理”，Moore說道：“我們試圖檢測其中的一些失效模式”。

    材料表征有助于計算機建模及模擬

    “對復(fù)合材料進行基本的性能及結(jié)構(gòu)表征能夠提供一些有效的信息進行計算機建模和仿真驗證”，Briggs說道。從一些破壞性測試中獲取的數(shù)據(jù)與研究小組利用無損評估方法獲取的結(jié)果密切相關(guān)。

    復(fù)合材料通常需要能夠支撐起一定的體積及重量。“設(shè)計出一種能夠載重的結(jié)構(gòu)并不難，但是我們需要設(shè)計出一種符合特定形狀且輕量化的結(jié)構(gòu)，而且需要具有長期的穩(wěn)定性，”Briggs說道。不同的材料在工業(yè)烤爐中進行熱處理時通常會具有不同的熱膨脹率，例如鋁材料的膨脹要超過纖維增強型高分子復(fù)合材料。一旦熱處理結(jié)束后，在復(fù)合材料的冷卻過程中，材料的內(nèi)部會產(chǎn)生殘余應(yīng)力，尤其是集中于材料的內(nèi)表面區(qū)域，如果沒有對這些殘余應(yīng)力進行有效的處理，將會對材料的性能產(chǎn)生巨大的影響，所以圣地亞國家實驗室也在研究針對殘余應(yīng)力的新型快速無損檢測，在某些情況下，希望能實現(xiàn)5分鐘內(nèi)完成全部檢測工作。

    無損檢測技術(shù)研究

    超聲檢測技術(shù)從起源到現(xiàn)在已經(jīng)有將近60年的歷史，隨著計算機以及其他相關(guān)技術(shù)的改善，超聲檢測技術(shù)如今可以用于檢測一些更加復(fù)雜的樣品。該研究小組成員Andrew Lentfer利用一種類似于油漆輥的手持式超聲檢測裝置對復(fù)合材料進行了檢測研究，當(dāng)他利用這種裝置對復(fù)合材料的進行掃描時，連接的計算機屏幕會出現(xiàn)相應(yīng)的具有不同顏色的圖像：黃-綠色表示ok，藍色則代表缺陷或者不連續(xù)處。這種手持式超聲裝置還能夠檢測材料的曲面以及體型較大的樣品，如飛機機翼等。

    圣地亞國家實驗室的研究人員Andrew Lentfer（右）和David Moore（左）正在利用一種手持式超聲檢測裝置對復(fù)合材料進行檢測；

    復(fù)合材料中的纖維和界面會將注入的超聲波分散開；Moore將這種現(xiàn)象類比為海洋中的波浪現(xiàn)象；“如果海洋中的海浪撞上了巖石，海浪將會繞過巖石；如果海浪撞上了沙灘，則會被沙灘吸收，如果撞上了防波堤，海浪的能量將會快速的重新發(fā)生變化。這些現(xiàn)象與我們研究的超聲檢測技術(shù)有許多相似之處。根據(jù)材料表征獲取的知識信息有助于研發(fā)出新型的無損檢測技術(shù)，而且，當(dāng)我們建立了相關(guān)的檢測標(biāo)準(zhǔn)，就能夠更好的判斷出哪種樣品可以進行檢測以及采取何種檢測技術(shù)”。

    計算機斷層掃描技術(shù)對于檢測復(fù)合材料內(nèi)的小缺陷同樣非常高效。這種技術(shù)利用輻射（通常為X射線）產(chǎn)生掃描件的三維圖形；X射線直接照射到測試件上，捕獲測試件內(nèi)部和外部的完整、精確的圖像。其工作原理可以簡單概括為：從X射線源發(fā)射出來的X射線對在X射線源和檢測器之間做平移運動的被檢測物體進行掃描，在一次掃描結(jié)束后，被檢測物體旋轉(zhuǎn)一個角度再進行下一次掃描，如此反復(fù)操作，即可得到被檢測物體的某一斷面的若干組數(shù)據(jù)。這些信息數(shù)據(jù)經(jīng)過計算機計算、處理，重新建立一個完整的斷面圖像顯示在監(jiān)視器上，而所有的斷面就可以組成一個完整的三維立體圖像，類似于醫(yī)學(xué)上的CT掃描。

    此外，隨著計算機技術(shù)的進步以及相關(guān)附件的改良，紅外熱成像技術(shù)以及聲發(fā)射檢測技術(shù)在復(fù)合材料檢測方面也起著越來越重要的作用。Moore說道：“一旦建立了相關(guān)的檢測標(biāo)準(zhǔn)以及檢測精度要求，我們將能夠快速的選取合適的無損檢測技術(shù)對復(fù)合材料產(chǎn)品進行有效的檢測”。

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