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航空用纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料無損檢測技術(shù)的應(yīng)用與展望

2018-11-28 11:58:14 作者：何方成來源：無損檢測NDT 分享至：

隨著國防工業(yè)的快速發(fā)展，復(fù)合材料在飛機(jī)和發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用越來越多，使用的部位從尾翼、舵面等次承力結(jié)構(gòu)擴(kuò)展到機(jī)翼等主承力結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)形式從簡單的梁式、板式結(jié)構(gòu)向夾層結(jié)構(gòu)、整體復(fù)雜結(jié)構(gòu)方向發(fā)展，制造工藝也由熱壓罐工藝向RTM（樹脂傳遞模塑成型）、VARI（真空輔助成型工藝）等工藝發(fā)展。航空用纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料制件按結(jié)構(gòu)形式分類，主要有層板結(jié)構(gòu)、板板黏接結(jié)構(gòu)、板芯夾層結(jié)構(gòu)等；按形狀分類，主要有平板、曲面、腔體等；按制作工藝分類，主要有熱壓罐工藝、RTM工藝、纏繞工藝、共固化工藝等。

以大飛機(jī)C919為例，由復(fù)材制成的零件有大尺寸復(fù)合材料壁板結(jié)構(gòu)（水平尾翼、垂直尾翼）、蜂窩三明治夾層結(jié)構(gòu)（活動面）、大曲率變截面（后機(jī)身）等復(fù)雜結(jié)構(gòu)。來源：榮格塑料工業(yè)航空用復(fù)合材料及制件的快速發(fā)展，給無損檢測技術(shù)提出了更高的要求。復(fù)合材料制件中易出現(xiàn)的主要缺陷形式有分層、脫黏、夾雜、孔隙等，然而航空用復(fù)合材料制件種類的多樣化給無損檢測帶來了較大挑戰(zhàn)，主要困難表現(xiàn)在：

1不同結(jié)構(gòu)、不同制作工藝的復(fù)合材料制件中，缺陷信號的表現(xiàn)形式不同；

2復(fù)雜結(jié)構(gòu)制件的無損檢測可達(dá)性差；

3不同種類復(fù)合材料制件有效適用的無損檢測方法不同等。

近十年來，為滿足快速發(fā)展的航空用復(fù)合材料及制件的無損檢測需求，國內(nèi)無損檢測技術(shù)人員經(jīng)過刻苦鉆研，不斷實(shí)踐，參考國外先進(jìn)技術(shù)，提高了國內(nèi)檢測水平，使國內(nèi)航空復(fù)合材料無損檢測技術(shù)水平得到了很大的提升。

超聲檢測技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

超聲檢測技術(shù)在航空復(fù)合材料無損檢測中的應(yīng)用最為廣泛，國外復(fù)合材料制件通常要求100%進(jìn)行超聲檢測，該方法可用于層板、板板膠接、板芯夾層等結(jié)構(gòu)，對分層、夾雜、脫黏、孔隙等缺陷具有較好的檢測效果。

鉚接結(jié)構(gòu)檢測

兩塊復(fù)合材料層板通過鉚接結(jié)合是常見的一種復(fù)合材料組裝結(jié)構(gòu)。

鉚接結(jié)構(gòu)外觀

鉚接過程中容易引起分層、裂紋等缺陷，采用超聲接觸式脈沖反射法或C掃描法，可以有效檢測出該類缺陷。

鉚接結(jié)構(gòu)典型缺陷顯示信號

孔隙率檢測

孔隙率是復(fù)合材料中的主要缺陷之一，對材料強(qiáng)度有較大影響。目前，國內(nèi)外普遍認(rèn)為超聲衰減法的孔隙率檢測靈敏度高、可操作性強(qiáng)。

復(fù)合材料孔隙率層板試件的底波聲衰減幅度與孔隙率對應(yīng)關(guān)系曲線

超聲相控陣檢測技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

在復(fù)合材料檢測中，超聲相控陣檢測技術(shù)主要通過對聲束的控制，實(shí)現(xiàn)常規(guī)超聲對不可達(dá)部位的檢測，以及對大平面的快速檢測。應(yīng)用較多的部位有R角、空腔等復(fù)雜結(jié)構(gòu)及壁板、艙門等大平面結(jié)構(gòu)。

某加筋壁板中R角超聲相控陣檢測系統(tǒng)外觀及檢測結(jié)果

X射線檢測技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

復(fù)合材料的射線檢測主要利用射線檢測對體積型缺陷較為敏感的優(yōu)點(diǎn)，來檢測材料的變形、開裂、夾雜、積膠等缺陷。近年來DR（直接數(shù)字平板X射線技術(shù)）、CR（計(jì)算機(jī)X射線照相技術(shù)）、CT（電子計(jì)算機(jī)斷層掃描）等數(shù)字射線技術(shù)發(fā)展迅速，復(fù)合材料的射線檢測實(shí)現(xiàn)了實(shí)時顯示以及結(jié)果的數(shù)字化存儲效果。

蜂窩結(jié)構(gòu)的射線檢測結(jié)果示例

紅外熱像檢測技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

紅外熱像檢測是近年來發(fā)展起來的無損檢測新技術(shù)，其通過給材料表面施加一定熱激勵，測量物體表面溫度場的分布和變化來檢測缺陷。該技術(shù)主要用于薄板分層、薄蒙皮脫黏及蜂窩積水的檢測，對埋深較大缺陷的檢測靈敏度較低。

紅外檢測技術(shù)的典型缺陷檢測結(jié)果

激光散斑檢測技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

激光散斑檢測是對物體施加不同激勵（熱、真空、震動），通過觀察缺陷部位微小位移變化產(chǎn)生的干涉條紋來判斷制件表面和內(nèi)部的缺陷信息的技術(shù)。該技術(shù)可用于薄層板分層、薄蒙皮脫黏及緊貼型缺陷的檢測。緊貼型缺陷部位雖然無空氣界面，但該處的結(jié)合力降低會使其受載后更易變形，從而可以使用激光散斑檢測技術(shù)檢測。

激光散斑檢測復(fù)合材料的典型缺陷圖像

空氣耦合檢測技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

空氣耦合超聲檢測技術(shù)利用空氣作為超聲波的耦合劑，與工件非接觸、無需耦合、穿透能量高，可以用于多孔材料、蜂窩夾層結(jié)構(gòu)等傳統(tǒng)超聲難以穿透的復(fù)合材料的無損檢測中。

空氣耦合檢測技術(shù)對三層蜂窩膠接結(jié)構(gòu)的檢測結(jié)果

航空復(fù)合材料無損檢測技術(shù)展望

隨著我國國防工業(yè)的快速發(fā)展，復(fù)合材料在航空飛機(jī)中的應(yīng)用不斷增加，其結(jié)構(gòu)形式與制作工藝越來越復(fù)雜多樣，對航空用復(fù)合材料無損檢測技術(shù)的可靠性和先進(jìn)性的需求越來越迫切。今后，航空用復(fù)合材料無損檢測技術(shù)將進(jìn)一步向以下方向發(fā)展，以滿足不斷增長的航空用復(fù)合材料及制件高可靠性、高靈敏度的檢測需求。

現(xiàn)有工程化無損檢測技術(shù)的完善與發(fā)展

應(yīng)研制生產(chǎn)的多種型號飛機(jī)中復(fù)合材料的無損檢測需求，航空用復(fù)合材料的無損檢測技術(shù)已初步進(jìn)入工程化應(yīng)用階段，但仍存在一些問題需要繼續(xù)完善與發(fā)展。

（1）缺陷的定量化評價

航空用復(fù)合材料種類繁多，不同種類材料及制件中出現(xiàn)的缺陷類型也不相同，而目前行業(yè)內(nèi)缺少對缺陷信號統(tǒng)一識別與評判的方法，易造成各廠家檢測及評定的缺陷結(jié)果不一致的問題。針對這一問題，有必要在行業(yè)內(nèi)統(tǒng)一缺陷識別及評定方法，為各廠家檢測時提供一致性指導(dǎo)。

（2）檢測標(biāo)準(zhǔn)體系的完善和健全

國內(nèi)公開發(fā)行的復(fù)合材料無損檢測標(biāo)準(zhǔn)較少，部分標(biāo)準(zhǔn)編制年代較早，已不滿足快速發(fā)展的無損檢測技術(shù)水平。另外，航空行業(yè)內(nèi)部也未建立起系統(tǒng)的復(fù)合材料無損檢測標(biāo)準(zhǔn)體系，如缺少復(fù)合材料檢測用設(shè)備和對比試塊的校驗(yàn)方法、缺少新技術(shù)無損檢測方法等。今后，應(yīng)加強(qiáng)復(fù)合材料無損檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系的完善，特別是行業(yè)內(nèi)部檢測標(biāo)準(zhǔn)體系的完善，為航空用復(fù)合材料無損檢測的可靠性提供依據(jù)。

（3）多種無損檢測技術(shù)融合應(yīng)用

每種無損檢測方法均有其優(yōu)勢和局限性，探索多技術(shù)融合的檢測技術(shù)可實(shí)現(xiàn)各檢測技術(shù)的優(yōu)勢互補(bǔ)，并以更合理的手段達(dá)到質(zhì)量評價的目的，提高檢測能力，這是未來無損檢測技術(shù)發(fā)展的新趨勢。

傳統(tǒng)無損檢測技術(shù)與現(xiàn)代多學(xué)科技術(shù)結(jié)合發(fā)展

采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)、信息融合技術(shù)、人工智能技術(shù)等與無損檢測技術(shù)有機(jī)結(jié)合，提高無損檢測能力、檢測效率和可靠性，使無損檢測技術(shù)的應(yīng)用向規(guī)范化、科學(xué)化和自動化的方向發(fā)展。

1與計(jì)算機(jī)、機(jī)械制造技術(shù)結(jié)合，使自動成像檢測方式替代手動檢測方式。

2與數(shù)字圖像處理技術(shù)結(jié)合，使檢測結(jié)果由單一A掃描顯示向A掃描、B掃描、C掃描聯(lián)合顯示方向發(fā)展。

3與計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)結(jié)合，通過仿真與模擬，設(shè)計(jì)、優(yōu)化復(fù)雜檢測對象的檢測參數(shù)。

無損檢測新技術(shù)的成熟與工程化應(yīng)用

無損檢測新技術(shù)經(jīng)過長期的試驗(yàn)與驗(yàn)證，最終找準(zhǔn)了各自的應(yīng)用方向，實(shí)現(xiàn)了工程化應(yīng)用。無損檢測新技術(shù)的發(fā)展過程如下圖所示：