樹(shù)脂基復(fù)合材料由于具有高比強(qiáng)、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(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，已發(fā)展成為航空航天結(jié)構(gòu)的基本材料。同時(shí)復(fù)合材料的先進(jìn)性與其質(zhì)量的離散性和高成本并存, 在實(shí)際應(yīng)用中, 即使經(jīng)過(guò)研究和試驗(yàn)制定了合理的工藝, 但在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的制造過(guò)程中還有可能產(chǎn)生缺陷, 引起質(zhì)量問(wèn)題, 甚至導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)件的報(bào)廢, 造成重大經(jīng)濟(jì)損失。

因此復(fù)合材料的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，早期復(fù)合材的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)主要沿用金屬的無(wú)損檢測(cè)，但發(fā)現(xiàn)其不能完全解決復(fù)合材料的無(wú)損檢測(cè)問(wèn)題，20 世紀(jì)80 年代后, 許多適應(yīng)復(fù)合材料特點(diǎn)的無(wú)損檢測(cè)新技術(shù)、新方法相繼誕生。

首先我們來(lái)看一下樹(shù)脂基復(fù)合材料常見(jiàn)缺陷有那些。

分層：基體，纖維，磨具熱膨脹系數(shù)不匹配或存儲(chǔ)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)；

夾雜：操作失誤或預(yù)浸料本身有缺陷或操作不當(dāng)；

脫粘：粘結(jié)劑選擇不當(dāng)或固化不完全；

孔隙：溶劑、低分子雜質(zhì)的揮發(fā)，真空控制不當(dāng)；

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(yù)浸料本身有缺陷或操作不當(dāng)；

纖維斷裂：預(yù)浸料中纖維質(zhì)量不好；

復(fù)合材料常見(jiàn)缺陷

這些缺陷都可以使用那些復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)技術(shù)呢？

1、射線檢測(cè)技術(shù)

射線檢測(cè)技術(shù)( Radiographic Testing，即RT)是利用射線( X 射線、γ 射線、中子射線等)穿過(guò)物體時(shí)的吸收和散射的特性，檢測(cè)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)不連續(xù)性的技術(shù)。

適合于：孔隙、夾雜等體積型缺陷檢測(cè)，對(duì)平行于射線穿透方向的裂紋有比較好的檢測(cè)效果，對(duì)復(fù)合材料中特有的樹(shù)脂聚集與纖維聚集等缺陷也有一定的檢測(cè)能力，在鋪層數(shù)量較少時(shí)，還可發(fā)現(xiàn)鋪層內(nèi)纖維彎曲等缺陷。由于分層缺陷對(duì)射線穿透方向上介質(zhì)并無(wú)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(cè)技術(shù)對(duì)平行于材料表面的裂紋也不敏感。

射線檢測(cè)技術(shù)又分為如下三個(gè)類別：

射線照相

在所有的射線檢測(cè)技術(shù)中，膠片射線照相技術(shù)發(fā)展最早，而數(shù)字式射線實(shí)時(shí)成像檢測(cè)技術(shù)則發(fā)展最快。與膠片照相技術(shù)相比，數(shù)字式射線成像技術(shù)的成像質(zhì)量與膠片照相技術(shù)相當(dāng)，在檢測(cè)的實(shí)時(shí)性、效率、經(jīng)濟(jì)性和易用性等方面則有著無(wú)可比擬的優(yōu)越性，因而得到了快速的發(fā)展。目前，具備一定智能識(shí)別能力的實(shí)時(shí)成像檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于復(fù)合材料產(chǎn)品的在線檢測(cè)，可對(duì)裝配線上的工件進(jìn)行實(shí)時(shí)快速檢測(cè)，成為確保產(chǎn)品合格率的重要檢測(cè)手段。

工業(yè)CT

層析攝影也叫計(jì)算機(jī)斷層掃描成像( ComputedTomography，即CT) ，該技術(shù)是利用X 射線探測(cè)物體的內(nèi)部，通過(guò)測(cè)定射線的衰減系數(shù)，采用數(shù)學(xué)方法，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理，求解出衰減系數(shù)值在某剖面上的二維分布矩陣，轉(zhuǎn)變?yōu)閳D像畫(huà)面上的灰度分布，從而實(shí)現(xiàn)建立斷面圖像的成像技術(shù)。通過(guò)分析斷層面內(nèi)密度的分布，就可以獲得復(fù)合材料內(nèi)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(lái)說(shuō)，CT 照片的對(duì)比度比X 射線照片的對(duì)比度要低，但因消除了不同層面圖像疊加重影問(wèn)題，實(shí)際可讀性強(qiáng)于X 射線照片。不過(guò)CT 成像原理決定了密度高的物質(zhì)會(huì)在一定程度上被放大，這也就導(dǎo)致了分層、孔隙、裂紋等損傷圖像的尺寸比實(shí)際尺寸略小而纖維堆積等密度高的缺陷圖像比實(shí)際尺寸略大的特有現(xiàn)象。

總的來(lái)說(shuō)，CT 掃描成像的技術(shù)具有以下特點(diǎn):

高空間分辨率和密度分辨率( 通常＜0. 5%)

高動(dòng)態(tài)檢測(cè)范圍( 從空氣到復(fù)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(jié)構(gòu)限制。

局限性表現(xiàn)為: 檢測(cè)效率低、檢測(cè)成本高、雙側(cè)透射成像、不適合于平面薄板構(gòu)件的檢測(cè)以及大型構(gòu)件的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。利用CT 成像技術(shù)可以有效檢測(cè)先進(jìn)復(fù)合材料中的孔隙、夾雜、裂紋等缺陷，也可以測(cè)量材料內(nèi)部的密度分布情況，如材料均勻性、微孔隙含量等。在工業(yè)應(yīng)用上，美國(guó)在上世紀(jì)八十年代就研制出了用于檢測(cè)大型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料殼體的工業(yè)CT 設(shè)備，并逐漸將該技術(shù)應(yīng)用于其它復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢測(cè)中，我國(guó)也于上世紀(jì)90 年代后期成功地將工業(yè)CT 技術(shù)應(yīng)用于C /C 復(fù)合材料、碳/酚醛復(fù)合材料等的檢測(cè)，解決了一些關(guān)鍵性的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)難題，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。

康普頓背散射成像檢測(cè)技術(shù)

康普頓背散射成像( CST ) 技術(shù)是一種新的射線檢測(cè)技術(shù)，它具有單側(cè)非接觸、檢測(cè)靈敏度高、快速三維成像的特點(diǎn)，對(duì)低密度材料的檢測(cè)可獲得比透射成像更高的圖像對(duì)比度，非

常適合于復(fù)合材料等原子序數(shù)較低材料的物體。當(dāng)被檢物體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，或無(wú)法進(jìn)行雙側(cè)成像檢測(cè)時(shí)，CST 技術(shù)就顯示出了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。目前，CST 技術(shù)在國(guó)外航空航天領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，在國(guó)內(nèi)，尚處于探索性研究階段。

2、超聲檢測(cè)技術(shù)

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

適用于：超聲波不僅能檢測(cè)復(fù)合材料構(gòu)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(duì)于一般小而薄、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的平面層壓板及曲率不大的構(gòu)件, 宜采用水浸式反射板法;

對(duì)于小或稍厚的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件, 無(wú)法采用水浸式反射板法時(shí), 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(duì)于大型結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)型的復(fù)合材料構(gòu)件的檢測(cè)宜采用噴水穿透法或噴水脈沖反射法。由于復(fù)合材料組織結(jié)構(gòu)具有明顯的各向異性, 而且性能的離散性較大, 因而, 產(chǎn)生缺陷的機(jī)理復(fù)雜且變化多樣, 再加上復(fù)合材料構(gòu)件的聲衰減大, 由此引起的噪聲與缺陷反射信號(hào)的信噪比低,不易分辨,檢測(cè)時(shí)應(yīng)選合適的方法。

具體應(yīng)用：

飛行器零件等大型復(fù)合材料構(gòu)件，蜂窩泡沫夾心等復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，曲面構(gòu)件，波音飛機(jī)復(fù)合材料機(jī)身層合板結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢測(cè)。

超聲檢測(cè)方法分為傳統(tǒng)的超聲波檢測(cè)方法，超聲導(dǎo)波檢測(cè)方法，空氣耦合超聲檢測(cè)技術(shù)，激光超聲檢測(cè)技術(shù)，相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)。

3、紅外熱波檢測(cè)技術(shù)

紅外熱波無(wú)損檢測(cè) ( Thermal Wave Testing)利用主動(dòng)加熱技術(shù)，通過(guò)紅外熱成像系統(tǒng)自動(dòng)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(jìn)而判定被測(cè)物表面及內(nèi)部的損傷。

適用于：該檢測(cè)方法特別適合于檢測(cè)復(fù)合材料薄板與金屬粘接結(jié)構(gòu)中的脫粘、分層類面積型缺陷，尤其是當(dāng)零件或組件不能浸入水中進(jìn)行超聲C-掃描檢測(cè)以及零件表面形狀使得超聲檢測(cè)實(shí)施比較困難時(shí)也可使用紅外熱波檢測(cè)方法，紅外熱波方法能夠準(zhǔn)確確定復(fù)合材料中分層的深度，而且該方法具有非接觸、實(shí)時(shí)、高效、直觀的特點(diǎn)。

4、聲-超聲檢測(cè)技術(shù)

聲-超聲( Acoustic-Ultrasonic)技術(shù)又稱應(yīng)力波因子( SWF) 技術(shù)。

適用于：AU 技術(shù)主要用于檢測(cè)和研究材料中分布的細(xì)微缺陷群及其對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)

性能( 強(qiáng)度或剛度等) 的整體影響，屬于材料的完整性評(píng)估技術(shù)。采用聲-超聲振幅C 掃描技術(shù)也能夠?qū)?fù)合材料與金屬材料間的粘接界面進(jìn)行有效檢測(cè)，而且克服了超聲反射技術(shù)信號(hào)清晰度不高、超聲透射技術(shù)傳感器可達(dá)性差的缺點(diǎn)。

5、聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)

聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)( Acoustic Emission) 是通過(guò)對(duì)復(fù)合材料或結(jié)構(gòu)在加載過(guò)程中產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和分析，對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件的整體質(zhì)量水平進(jìn)行評(píng)價(jià)的一種檢測(cè)技術(shù)。

適用于：反映復(fù)合材料中損傷的發(fā)展與破壞模式，預(yù)測(cè)構(gòu)件的最終承載強(qiáng)度，并能夠確定出構(gòu)件質(zhì)量的薄弱區(qū)域。聲發(fā)射技術(shù)是檢測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量水平的非常實(shí)用的技術(shù)手段，使用簡(jiǎn)單方便，可以在測(cè)試材料力學(xué)性能的同時(shí)獲取材料動(dòng)態(tài)變形損傷過(guò)程中的寶貴信息。

6、渦流檢測(cè)技術(shù)

渦流檢測(cè)技術(shù)( Eddy Current Testing) 是利用導(dǎo)電材料的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，通過(guò)測(cè)量感應(yīng)量的變化進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的方法。

適用于：用于導(dǎo)電材料，可以用于碳-碳復(fù)合材料與金屬基復(fù)

合材料的檢測(cè)。由于端頭效應(yīng)的存在，該方法在邊界處的檢測(cè)效果不好，同時(shí)該技術(shù)需要用標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行對(duì)比，因此其應(yīng)用受到了限制。

7、微波檢測(cè)技術(shù)

微波是指頻率為300MHz ～3000GHz 的電磁波，是無(wú)線電波中一個(gè)有限頻帶的簡(jiǎn)稱，是分米波、厘米波、毫米波和亞毫米波的統(tǒng)稱。微波頻率比一般的無(wú)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(fù)合材料中穿透能力強(qiáng)、衰減小，適合于檢測(cè)厚度較大的材料。對(duì)結(jié)構(gòu)中的孔隙、疏松、基體開(kāi)裂、分層和脫粘等缺陷具有較高的靈敏性。上世紀(jì)60 年代，微波檢測(cè)技術(shù)就已經(jīng)用于大型導(dǎo)彈固體發(fā)動(dòng)機(jī)玻璃鋼殼體中的缺陷和內(nèi)部質(zhì)量的檢測(cè)。實(shí)踐證明，利用反射法測(cè)量的厚度誤差小于0. 125mm，利用穿透法可測(cè)定0. 02mg /cm3 的密度變化。由于微波探傷技術(shù)不能穿透導(dǎo)體，因此這種檢測(cè)方法很難應(yīng)用于整機(jī)檢測(cè)。

8、流體滲透法

流體滲透檢測(cè)法僅僅適用于具有開(kāi)放性傷口的缺陷或損傷，這種方法是采用特制的滲透劑對(duì)缺陷和損傷進(jìn)行染色，但是染色過(guò)程中會(huì)污染材料，在一定程度上會(huì)增加修補(bǔ)難度，目前使用較少。

9、激光全息法

激光全息檢驗(yàn)法( Laser Holography) 是激光全息照相和干涉計(jì)量技術(shù)的綜合運(yùn)用。這種技術(shù)的依據(jù)是物體內(nèi)部缺陷在外力作用下，使它所對(duì)應(yīng)的物體表面產(chǎn)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(jìn)行比較，從而檢驗(yàn)出物體內(nèi)部的缺陷。這種檢驗(yàn)方法由于設(shè)備昂貴、需要沖洗顯影、對(duì)環(huán)境振動(dòng)敏感和需要對(duì)被測(cè)物加載，因此限制了推廣能力，目前主要在實(shí)驗(yàn)室使用。

就是人眼觀察復(fù)合材料表面的肉眼可見(jiàn)的缺陷，主要是表面的裂紋和損傷，優(yōu)勢(shì)在于成本低，效率高，但是具有較大人為因素。

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標(biāo)簽：復(fù)合材料、無(wú)損檢測(cè)、樹(shù)脂、檢測(cè)

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