1 復合材料無損檢測NDE技術

近年來，航空航天領域逐漸提高了CFRP在航空航天飛行器中的應用比例，正如波音787大量使用CFRP、美國宇航局的復合材料乘員艙和液態氫（LH2）低溫罐所顯示的那樣，人們正在推動將復合材料用于主要結構部件。

隨著這些CFRP結構越來越大、越來越復雜，一種能夠量化和全面表征損傷的無損評價技術呼之欲出。定量表征CFRP構件損傷的能力是使損傷發展模型能夠產生準確的剩余壽命預測的必要條件。例如，分層損傷的“完整”表征需要超出損傷平面內面積（大?。┑亩慷攘糠秶〒p傷發生的深度/層數。對于多層分層損傷，如果可能的話，全面評估最好包括所有分層的深度和尺寸。

其他損傷類型的“完整”損傷特征可能需要不同的損傷信息，比如微裂紋的最好特征是測量與材料深度相關的微裂紋密度，而纖維波紋度可能需要對意外位置的平面內或平面外對準/波紋角度的受影響位置和相應范圍進行統計測量纖維的數量。

獲得航空航天復合材料無損檢測損傷定量表征的挑戰不僅取決于復合材料的結構尺寸和損傷類型的復雜性，還取決于航空航天應用所需復合材料組件的復雜幾何結構。美國國家航空航天局（NASA）無損評估科學分部（NESB）的研究方法包括常規、導波和相敏超聲方法、紅外熱成像和x射線計算機斷層成像技術，利用仿真工具優化和開發這些方法是一個活躍的研究領域。

2 復合材料NDE技術現狀

2.1 紅外熱成像技術

閃光紅外熱成像技術作為一種大面積快速檢測復合材料結構的技術，已經得到了廣泛的應用。NESB使用的閃光熱成像系統是Thermal Wave Imaging Inc.的市售Echotherm?系統。該系統具有一個閃光燈罩，其中包含一個1280 x 720元件的FLIR A8300scinfrared（紅外）相機和兩個4800焦耳氙照相閃光管。

發動機罩的尺寸為36.8厘米寬、26.7厘米深、40.6厘米高，配置為紅外攝像機可直接觀察檢查表面。閃光燈在發動機罩口產生7.15焦耳/平方厘米的能量密度。閃光燈在24.8 cm x 32.7 cm的區域內提供10%內的均勻照明。閃光燈使檢測表面的初始溫度升高小于10°C。閃光燈熱成像系統的照片所示。

引擎蓋連接到一個基站，該基站容納系統計算機和各種組件的電源。熱成像檢查是通過將遮光罩放在要檢查的材料上來完成的。罩的底部完全圍繞或位于材料的頂部，具體取決于樣本的尺寸。閃光燈由遮光罩上的操作員控制裝置或計算機觸發。樣品的熱像圖由紅外照相機在預定的時間內拍攝并存儲在計算機中以供進一步分析。制造商引用的攝像機噪聲等效溫差為0.025°C。探測器陣列在3至5微米波長范圍內工作。外部光學系統由一個廣角透鏡（25毫米焦距）組成，使用鍺光學元件，用于將系統視場水平增加到21.7?，垂直增加到17.5?。

用于大面積CFRP檢查的快速熱成像技術。試樣是一個直徑為10m、高度為4m的復合材料圓柱體，由五個面板組成，并通過粘合接頭相連。檢查氣缸每側（內部和外部）大約需要10個小時，并產生250 GB的熱數據。熱系統通過一個定制的掃描軌道系統在試樣的整個表面上進行平移，該掃描軌道系統遵循圓柱體的曲率。數據采集包括放置相機和遮光罩，觸發閃光燈加熱，加熱后收集數據15秒鐘，存儲數據以及將掃描儀索引到下一個檢查位置。每個位置的總檢查時間約為45s。使用主成分分析（PCA）和模型導出的特征向量進行數據分析。

這種方法將每個數據集的處理時間（?250 MB）減少到不到1秒，這比將相機和遮光罩移動到下一個檢查位置所需的時間短。作為典型結果的一個示例，PCA處理后的檢查結果的鑲嵌圖，該結果來自樣本內模線上的一個接頭的一部分。圖3的深色區域似乎是接頭中多余的樹脂區域，而淺色區域（其中一些用紅色箭頭指示）與粘合不良的區域一致。

除了對制造零件進行鑒定外，紅外熱成像技術是用于現場檢查的理想候選技術，從而有助于維護在役結構。例如，多年來，美國國家航空航天局一直在使用紅外熱成像技術對載人飛行器進行在軌檢查。配置為供航天員在艙外活動（EVA）期間使用的IR檢查系統。

從國際空間站（ISS）和航天飛機進行的EVA檢查結果。航天飛機EVA處理結果，該航天器使用了IR檢查系統和太陽能加熱系統，用于檢查損壞的增強碳-碳復合材料樣品和NDE平底孔標準。對受損的ISS散熱器進行紅外檢查處理結果，這個例子說明了如何分析紅外圖像溫度數據，以顯示剝離后的面板下方區域的散熱損失。

2.2 大面積超聲波技術

超聲波技術是航空航天結構無損檢測的一項有價值的技術。在大多數情況下，超聲波探頭必須通過物理接觸與結構耦合。流體介質促進聲波與材料的完全耦合。通常，堅固的耦合裝置（如支架或楔塊）可對聲波進入零件提供時間延遲和入射角控制。實心支座和楔塊的形狀可以與平面和固定曲率曲面相匹配。

然而，當表面偏離固體耦合裝置的形狀時，就會出現超聲耦合問題。此外，來自接觸式探頭的超聲波束通常位于換能器的近場且未聚焦。在給定的應用中，獲得的橫向分辨率可能不足以進行所需的測量。因此，對于大面積、高速的應用，NASA Langley選擇了實施捕獲水柱耦合方法，可提供類似于超聲波噴水器系統的耦合，而不需要輸送和捕獲恒定水流的機制。

圖6是一個帶有固定水柱的單元件傳感器的照片。傳感器密封在防水探頭外殼中。水被選擇為產生很少超聲波反射的柔性膜捕獲在探頭外殼中。薄膜直接壓在檢查表面上并進行機械掃描。通常，需要細水霧濕潤表面并促進超聲波耦合。一個大面積、高速、計算機控制的掃描系統允許自動檢查大型標本。掃描速度最大為2 m/s（典型掃描速度為0.3–0.6 m/s），每0.25 mm對超聲波信號進行全波形捕獲（16位）。

圖7顯示了一個脈沖回波C掃描結果的示例，該結果來自一個大約2.4 m x 2.4 m大小的大型復合材料試樣。試驗品為6層高模量碳纖維/環氧樹脂面板和鋁蜂窩芯的復合材料夾層結構。嵌入圖像是對面板和核心之間分層的近距離高分辨率掃描。捕獲水柱超聲波檢測的總采集時間約為每側45分鐘。

2.3 其他檢測技術

其他檢測技術如導波和極性反向散射超聲法、渦流檢測、x射線計算機斷層掃描和后向散射x射線等技術，在復合材料結構檢測以表征特定缺陷類型方面都顯示出良好的前景。這些技術之一的應用示例斜入射脈沖回波超聲（也稱為極性反向散射）技術如圖8所示。

斜入射脈沖回波超聲已被用于測量復雜復合材料結構中發現的許多缺陷，如分層、橫向基體裂紋和纖維取向異常。一個準各向同性復合材料試樣的圖像，該試樣的面內纖維通過層間剪切在近表面形成波浪狀。使用Johnston描述的極性反向散射超聲技術對試樣進行掃描，顯示了該技術表征波紋表面層的能力?，F代相控陣儀器已經證明了足夠快的掃描速度，可以利用陣列技術來實現極性反向散射方法。