樹脂基復合材料由于具有高比強、高比模、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、阻尼減震性好、破損安全性好、性能可設計等優點，已發展成為航空航天結構的基本材料。同時復合材料的先進性與其質量的離散性和高成本并存， 在實際應用中， 即使經過研究和試驗制定了合理的工藝， 但在復合材料結構件的制造過程中還有可能產生缺陷， 引起質量問題， 甚至導致整個結構件的報廢， 造成重大經濟損失。因此復合材料的無損檢測技術應運而生，早期復合材的無損檢測技術主要沿用金屬的無損檢測，但發現其不能完全解決復合材料的無損檢測問題，20 世紀80 年代后， 許多適應復合材料特點的無損檢測新技術、新方法相繼誕生。

    首先我們來看一下樹脂基復合材料常見缺陷有那些。

    分層：基體，纖維，磨具熱膨脹系數不匹配或存儲時間過長；

    夾雜：操作失誤或預浸料本身有缺陷或操作不當；

    脫粘：粘結劑選擇不當或固化不完全；

    孔隙：溶劑、低分子雜質的揮發，真空控制不當；

    沖擊、撞擊損傷：工具脫落或其他外物體碰撞引起；

    纖維曲屈：預浸料本身有缺陷或操作不當；

    纖維斷裂：預浸料中纖維質量不好；

    復合材料常見缺陷

    這些缺陷都可以使用那些復合材料無損檢測技術呢？

    1、射線檢測技術

    射線檢測技術（ Radiographic Testing，即RT）是利用射線（ X 射線、γ 射線、中子射線等）穿過物體時的吸收和散射的特性，檢測其內部結構不連續性的技術。

    適合于：孔隙、夾雜等體積型缺陷檢測，對平行于射線穿透方向的裂紋有比較好的檢測效果，對復合材料中特有的樹脂聚集與纖維聚集等缺陷也有一定的檢測能力，在鋪層數量

    較少時，還可發現鋪層內纖維彎曲等缺陷。由于分層缺陷對射線穿透方向上介質并無明顯影響，因此分層缺陷在成像上并不明顯。同樣的原因，射線檢測技術對平行于材料表面的裂紋也不敏感。

    射線檢測技術又分為如下三個類別：

    射線照相

    在所有的射線檢測技術中，膠片射線照相技術發展最早，而數字式射線實時成像檢測技術則發展最快。與膠片照相技術相比，數字式射線成像技術的成像質量與膠片照相技術相當，在檢測的實時性、效率、經濟性和易用性等方面則有著無可比擬的優越性，因而得到了快速的發展。目前，具備一定智能識別能力的實時成像檢測技術已經應用于復合材料產品的在線檢測，可對裝配線上的工件進行實時快速檢測，成為確保產品合格率的重要檢測手段。

    工業CT

    層析攝影也叫計算機斷層掃描成像（ ComputedTomography，即CT） ，該技術是利用X 射線探測物體的內部，通過測定射線的衰減系數，采用數學方法，經計算機處理，求解出衰減系數值在某剖面上的二維分布矩陣，轉變為圖像畫面上的灰度分布，從而實現建立斷面圖像的成像技術。通過分析斷層面內密度的分布，就可以獲得復合材料內部密度均勻性、微孔隙體積含量與分布等方面的信息。一般來說，CT 照片的對比度比X 射線照片的對比度要低，但因消除了不同層面圖像疊加重影問題，實際可讀性強于X 射線照片。不過CT 成像原理決定了密度高的物質會在一定程度上被放大，這也就導致了分層、孔隙、裂紋等損傷圖像的尺寸比實際尺寸略小而纖維堆積等密度高的缺陷圖像比實際尺寸略大的特有現象。

    總的來說，CT 掃描成像的技術具有以下特點：

    高空間分辨率和密度分辨率（ 通常＜0. 5%）

    高動態檢測范圍（ 從空氣到復合材料再到金屬材料） ;

    成像尺寸精度高；

    在穿透能量足夠的情況下，不受試件幾何結構限制。

    局限性表現為： 檢測效率低、檢測成本高、雙側透射成像、不適合于平面薄板構件的檢測以及大型構件的現場檢測。利用CT 成像技術可以有效檢測先進復合材料中的孔隙、夾雜、裂紋等缺陷，也可以測量材料內部的密度分布情況，如材料均勻性、微孔隙含量等。在工業應用上，美國在上世紀八十年代就研制出了用于檢測大型固體火箭發動機復合材料殼體的工業CT 設備，并逐漸將該技術應用于其它復合材料結構的無損檢測中，我國也于上世紀90 年代后期成功地將工業CT 技術應用于C /C 復合材料、碳/酚醛復合材料等的檢測，解決了一些關鍵性的無損檢測技術難題，取得了較好的經濟效益與社會效益。

    康普頓背散射成像檢測技術

    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，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，非常適合于復合材料等原子序數較低材料的物體。當被檢物體結構復雜，或無法進行雙側成像檢測時，CST 技術就顯示出了獨特的優勢。目前，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，尚處于探索性研究階段。

    2、超聲檢測技術

    超聲波是指頻率20kHz 的聲波， 其波長與材料內部缺陷的尺寸相匹配。根據超聲波在材料內部缺陷區域和正常區域的反射、衰減與共振的差異來確定缺陷的位置與大小。超聲波檢測主要分為脈沖反射法、穿透法和反射板法， 根據不同的缺陷來選擇合適的檢測方法。

    適用于：超聲波不僅能檢測復合材料構件中的分層、孔隙、裂紋和夾雜物等， 而且在判斷材料的疏密、密度、纖維取向、曲屈、彈性模量、厚度等特性和幾何形狀等方面的變化也有一定作用。

    對于一般小而薄、結構簡單的平面層壓板及曲率不大的構件， 宜采用水浸式反射板法；

    對于小或稍厚的復雜結構件， 無法采用水浸式反射板法時， 可采用水浸或噴水脈沖反射法和接觸延遲塊脈沖反射法；

    對于大型結構和生產型的復合材料構件的檢測宜采用噴水穿透法或噴水脈沖反射法。由于復合材料組織結構具有明顯的各向異性， 而且性能的離散性較大， 因而， 產生缺陷的機理復雜且變化多樣， 再加上復合材料構件的聲衰減大， 由此引起的噪聲與缺陷反射信號的信噪比低，不易分辨，檢測時應選合適的方法。

    具體應用：

    飛行器零件等大型復合材料構件，蜂窩泡沫夾心等復雜結構件，曲面構件，波音飛機復合材料機身層合板結構的無損檢測。

    超聲檢測方法分為傳統的超聲波檢測方法，超聲導波檢測方法，空氣耦合超聲檢測技術，

    激光超聲檢測技術，相控陣超聲檢測技術。

    3、紅外熱波檢測技術

    紅外熱波無損檢測 （ Thermal Wave Testing）利用主動加熱技術，通過紅外熱成像系統自動記錄試件表面缺陷和基體材料由于不同熱特性引起的溫度差異，進而判定被測物表面及內部的損傷。

    適用于：該檢測方法特別適合于檢測復合材料薄板與金屬粘接結構中的脫粘、分層類面積型缺陷，尤其是當零件或組件不能浸入水中進行超聲C-掃描檢測以及零件表面形狀使得超聲檢測實施比較困難時也可使用紅外熱波檢測方法，紅外熱波方法能夠準確確定復合材料中分層的深度，而且該方法具有非接觸、實時、高效、直觀的特點。

    4、聲-超聲檢測技術

    聲-超聲（ Acoustic-Ultrasonic）技術又稱應力波因子（ SWF） 技術。

    適用于：AU 技術主要用于檢測和研究材料中分布的細微缺陷群及其對結構力學性能（ 強度或剛度等） 的整體影響，屬于材料的完整性評估技術。采用聲-超聲振幅C 掃描技術也能夠對復合材料與金屬材料間的粘接界面進行有效檢測，而且克服了超聲反射技術信號清晰度不高、超聲透射技術傳感器可達性差的缺點。

    5、聲發射檢測技術

    聲發射檢測技術（ Acoustic Emission） 是通過對復合材料或結構在加載過程中產生的聲發射信號進行檢測和分析，對復合材料構件的整體質量水平進行評價的一種檢測技術。

    適用于：反映復合材料中損傷的發展與破壞模式，預測構件的最終承載強度，并能夠確定出構件質量的薄弱區域。聲發射技術是檢測復合材料結構整體質量水平的非常實用的技術手段，使用簡單方便，可以在測試材料力學性能的同時獲取材料動態變形損傷過程中的寶貴信息。

    6、渦流檢測技術

    渦流檢測技術（ Eddy Current Testing） 是利用導電材料的電磁感應現象，通過測量感應量的變化進行無損檢測的方法。

    適用于：用于導電材料，可以用于碳-碳復合材料與金屬基復合材料的檢測。由于端頭效應的存在，該方法在邊界處的檢測效果不好，同時該技術需要用標準試樣進行對比，因此其應用受到了限制。

    7、微波檢測技術

    微波是指頻率為300MHz ～3000GHz 的電磁波，是無線電波中一個有限頻帶的簡稱，是分米波、厘米波、毫米波和亞毫米波的統稱。微波頻率比一般的無線電波頻率高，通常也稱為“超高頻電磁波”。

    適用于：微波指向性高，在復合材料中穿透能力強、衰減小，適合于檢測厚度較大的材料。對結構中的孔隙、疏松、基體開裂、分層和脫粘等缺陷具有較高的靈敏性。上世紀60 年代，微波檢測技術就已經用于大型導彈固體發動機玻璃鋼殼體中的缺陷和內部質量的檢測。實踐證明，利用反射法測量的厚度誤差小于0. 125mm，利用穿透法可測定0. 02mg /cm3 的密度變化。由于微波探傷技術不能穿透導體，因此這種檢測方法很難應用于整機檢測。

    8、流體滲透法

    流體滲透檢測法僅僅適用于具有開放性傷口的缺陷或損傷，這種方法是采用特制的滲透劑對缺陷和損傷進行染色，但是染色過程中會污染材料，在一定程度上會增加修補難度，目前使用較少。

    9、激光全息法

    激光全息檢驗法（ Laser Holography） 是激光全息照相和干涉計量技術的綜合運用。這種技術的依據是物體內部缺陷在外力作用下，使它所對應的物體表面產生與其周圍不相同的微量位移差。然后用激光全息照相的方法進行比較，從而檢驗出物體內部的缺陷。這種檢驗方法由于設備昂貴、需要沖洗顯影、對環境振動敏感和需要對被測物加載，因此限制了推廣能力，目前主要在實驗室使用。

    10、目測法

    就是人眼觀察復合材料表面的肉眼可見的缺陷，主要是表面的裂紋和損傷，優勢在于成本低，效率高，但是具有較大人為因素。

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責任編輯：劉洋

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