航空復(fù)合材料與缺陷的無損檢測(cè)

無損檢測(cè)(Non-Destructive Testing，NDT)即采用非破壞性手段，利用聲、光、電、熱、磁和射線等技術(shù)探測(cè)材料、構(gòu)件內(nèi)部的孔隙、夾雜、裂紋、分層等影響其使用的缺陷及其位置。目前，航空復(fù)合材料無損檢測(cè)方法主要有超聲檢測(cè)、射線檢測(cè)等。本文結(jié)合常見缺陷類型，論述了航空復(fù)合材料對(duì)無損檢測(cè)技術(shù)的需求，介紹了幾種航空復(fù)合材料無損檢測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀及其應(yīng)用，并且針對(duì)航空復(fù)合材料無損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

航空復(fù)合材料與缺陷的無損檢測(cè)

復(fù)合材料具有重量輕、比強(qiáng)度高、比剛度高、耐疲勞、可設(shè)計(jì)性等優(yōu)點(diǎn)，有利于航空飛行的減重，因而獲得越來越廣泛的應(yīng)用。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在物理性能上的各向異性、聲衰減嚴(yán)重等特點(diǎn)使其在無損檢測(cè)方面與傳統(tǒng)金屬材料存在區(qū)別，如何進(jìn)行復(fù)合材料內(nèi)部的質(zhì)量控制成為研究熱點(diǎn)。下面結(jié)合復(fù)合材料常見的缺陷類型，簡(jiǎn)述航空復(fù)合材料對(duì)無損檢測(cè)的技術(shù)需求。

復(fù)合材料中的缺陷類型一般包括：裂紋、樹脂開裂、斷裂、膠接缺陷、空隙、分層、夾雜物、溢膠、脫膠、膠層超厚或超薄、纖維斷裂與卷曲、貧膠、厚度偏離、磨損、劃傷、樹脂堆積、鋪層皺折、凹坑、凸起、積瘤等。其中裂紋、斷裂、空隙、分層等一般是航空復(fù)合材料構(gòu)件上最主要的缺陷。航空復(fù)合材料構(gòu)件常見的缺陷類型、影響及檢測(cè)特點(diǎn)。

微波檢測(cè)

作為一種高頻電磁波，微波的特點(diǎn)是波長短、頻率高、頻帶寬，其波長在1mm~1000mm 之間，頻率通常為300MHz~300GHz。微波在復(fù)合材料中穿透能力強(qiáng)、衰減小，可以克服其它檢測(cè)方法的不足，如超聲波在復(fù)合材料中衰減大、難以檢測(cè)內(nèi)部較深部位的缺陷，射線對(duì)平面型缺陷檢測(cè)靈敏度低等，微波檢測(cè)對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的孔洞、疏松、基體開裂、分層和脫粘等缺陷具有較高的靈敏性。

1967 年，美國空軍燃燒控制工程實(shí)驗(yàn)室使用頻率為9.6GHz(X- 波段) 和35GHz(Ka 波段) 的微波，利用反射法對(duì)塑料薄片厚度進(jìn)行測(cè)量，精度可達(dá)0.125mm。該實(shí)驗(yàn)室對(duì)環(huán)氧樹脂樣品進(jìn)行掃描，能夠檢測(cè)出直徑為1.02mm~5.8mm 的缺陷;掃描纖維纏繞增強(qiáng)塑料，能夠檢測(cè)到內(nèi)部面積小至直徑1.2mm、分別在厚度2.5mm~50mm 的塑料與4.0mm~75mm的橡膠襯墊之間的脫粘;利用穿透法測(cè)定微波的能量變化能夠檢測(cè)到0.02mg/cm3 的密度變化。上世紀(jì)70 年代以來，美國AD 報(bào)告和NASA報(bào)告大量介紹了大型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的微波無損檢測(cè)，主要有駐波干涉法、反射法和散射法。駐波法一般用于測(cè)厚反射法可以發(fā)現(xiàn)固體推進(jìn)劑內(nèi)深600mm 處直徑25mm 的氣孔缺陷。

綜上所述，雖然用于航空復(fù)合材料的無損檢測(cè)技術(shù)有多種，但每種技術(shù)都有其特定的應(yīng)用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)，單一方法難以實(shí)現(xiàn)對(duì)所有類型缺陷的檢測(cè)，通常需要多種方法相結(jié)合。隨著復(fù)合材料在航空結(jié)構(gòu)件上應(yīng)用比例的不斷提高，為保障飛行安全，監(jiān)控復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的內(nèi)部質(zhì)量受到越來越廣泛的關(guān)注。因此，航空復(fù)合材料無損檢測(cè)技術(shù)也越來越多地應(yīng)用于航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)成型、裝配、試驗(yàn)、維護(hù)和使用的全過程中。

無損檢測(cè)(Non-Destructive Testing，NDT)即采用非破壞性手段，利用聲、光、電、熱、磁和射線等技術(shù)探測(cè)材料、構(gòu)件內(nèi)部的孔隙、夾雜、裂紋、分層等影響其使用的缺陷及其位置。目前，航空復(fù)合材料無損檢測(cè)方法主要有超聲檢測(cè)、射線檢測(cè)等。本文結(jié)合常見缺陷類型，論述了航空復(fù)合材料對(duì)無損檢測(cè)技術(shù)的需求，介紹了幾種航空復(fù)合材料無損檢測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀及其應(yīng)用，并且針對(duì)航空復(fù)合材料無損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

航空復(fù)合材料與缺陷的無損檢測(cè)

復(fù)合材料具有重量輕、比強(qiáng)度高、比剛度高、耐疲勞、可設(shè)計(jì)性等優(yōu)點(diǎn)，有利于航空飛行的減重，因而獲得越來越廣泛的應(yīng)用。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在物理性能上的各向異性、聲衰減嚴(yán)重等特點(diǎn)使其在無損檢測(cè)方面與傳統(tǒng)金屬材料存在區(qū)別，如何進(jìn)行復(fù)合材料內(nèi)部的質(zhì)量控制成為研究熱點(diǎn)。下面結(jié)合復(fù)合材料常見的缺陷類型，簡(jiǎn)述航空復(fù)合材料對(duì)無損檢測(cè)的技術(shù)需求。

復(fù)合材料中的缺陷類型一般包括：裂紋、樹脂開裂、斷裂、膠接缺陷、空隙、分層、夾雜物、溢膠、脫膠、膠層超厚或超薄、纖維斷裂與卷曲、貧膠、厚度偏離、磨損、劃傷、樹脂堆積、鋪層皺折、凹坑、凸起、積瘤等。其中裂紋、斷裂、空隙、分層等一般是航空復(fù)合材料構(gòu)件上最主要的缺陷。航空復(fù)合材料構(gòu)件常見的缺陷類型、影響及檢測(cè)特點(diǎn)。

微波檢測(cè)

作為一種高頻電磁波，微波的特點(diǎn)是波長短、頻率高、頻帶寬，其波長在1mm~1000mm 之間，頻率通常為300MHz~300GHz。微波在復(fù)合材料中穿透能力強(qiáng)、衰減小，可以克服其它檢測(cè)方法的不足，如超聲波在復(fù)合材料中衰減大、難以檢測(cè)內(nèi)部較深部位的缺陷，射線對(duì)平面型缺陷檢測(cè)靈敏度低等，微波檢測(cè)對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的孔洞、疏松、基體開裂、分層和脫粘等缺陷具有較高的靈敏性。

1967 年，美國空軍燃燒控制工程實(shí)驗(yàn)室使用頻率為9.6GHz(X- 波段) 和35GHz(Ka 波段) 的微波，利用反射法對(duì)塑料薄片厚度進(jìn)行測(cè)量，精度可達(dá)0.125mm。該實(shí)驗(yàn)室對(duì)環(huán)氧樹脂樣品進(jìn)行掃描，能夠檢測(cè)出直徑為1.02mm~5.8mm 的缺陷;掃描纖維纏繞增強(qiáng)塑料，能夠檢測(cè)到內(nèi)部面積小至直徑1.2mm、分別在厚度2.5mm~50mm 的塑料與4.0mm~75mm的橡膠襯墊之間的脫粘;利用穿透法測(cè)定微波的能量變化能夠檢測(cè)到0.02mg/cm3 的密度變化。上世紀(jì)70 年代以來，美國AD 報(bào)告和NASA報(bào)告大量介紹了大型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的微波無損檢測(cè)，主要有駐波干涉法、反射法和散射法。駐波法一般用于測(cè)厚反射法可以發(fā)現(xiàn)固體推進(jìn)劑內(nèi)深600mm 處直徑25mm 的氣孔缺陷。

綜上所述，雖然用于航空復(fù)合材料的無損檢測(cè)技術(shù)有多種，但每種技術(shù)都有其特定的應(yīng)用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)，單一方法難以實(shí)現(xiàn)對(duì)所有類型缺陷的檢測(cè)，通常需要多種方法相結(jié)合。