1 概述
複合材料之所以能夠成爲20 世紀迅速地在工業部門推廣應用的新材料、新結構, 無損檢測技術發揮了十分重要的推動作用, 反過來, 複合材料也爲無損檢測技術的迅速發展帶來了更多的研究空間。一些過去在金屬材料無損檢測中因技術障礙而面臨困境的檢測技術, 在複合材料對無損檢測技術的需求牽引下, 得到了新的飛速發展。如針對初期基於金屬材料及其結構在負載作用下產生應力波的物理現象的聲發射檢測技術、基於物理波相干原理的激光全息干涉檢測技術、激光超聲檢測技術等, 幾乎都是70 年代問世, 80 年代在應用中由於物理信號特徵解釋困難、環境條件要求苛刻或技術上有待進一步突破等原因, 難以在工程上找到用武之地, 自90 年代後則得到了迅速的應用發展。
由於複合材料的先進性與其質量的離散性和高成本並存, 在實際應用中, 即使是經過研究和試驗制訂的合理工藝, 在結構件的製造過程中還可能會產生缺陷,引起質量問題, 嚴重時還會導致整個結構件的報廢, 造成重大經濟損失。因此, 國外自70 年代以來, 就針對複合材料的研究、應用開展了全方位的無損檢測技術研究。早期主要是沿用金屬材料所採取的一些檢測方法, 進行復合材料的無損檢測技術探索, 隨着研究工作的深入, 人們對複合材料的內部規律和缺陷特徵有了更深的認識, 發現完全採用常規金屬材料無損檢測的方法不能解決複合材料的無損檢測問題。因此, 進入80 年代後, 才真正走向複合材料無損檢測, 研究出了許多適應複合材料特點的無損檢測新技術、新方法, 從而爲解決複合材料的無損檢測、促進複合材料的推廣應用發揮了重要作用。
目前複合材料無損檢測已經應用於材料、結構件和服役無損檢測3 個方面。技術上已從初期的檢測方法探索發展到目前的檢測方法研究、信號處理技術、傳感器技術、缺陷識別技術、成像顯示技術、儀器設備技術、結構件檢測技術、定量檢測與評估、服役結構壽命評估、強度評估和性能測試等。無損檢測技術已經成爲複合材料研究和應用中的一項關鍵技術, 融入複合材料從研究到最終裝機應用的全過程。
2 複合材料無損檢測技術的應用範圍
複合材料無損檢測主要應用於以下3 個方面:(1)材料無損檢測;(2)結構無損檢測;(3)服役無損檢測。
2.1 材料無損檢測
材料無損檢測主要解決材料研究中面臨的問題,進行諸如材料內部缺陷表徵、性能測試、缺陷基本判據的建立、無損檢測物理數學模型的建立等研究。其檢測對象主要是試樣、試片, 採用精細無損檢測技術, 面對材料研究過程, 重視無損檢測物理數學模型的建立,重點開展新的檢測方法研究。採用高分辨率超聲成像檢測技術得到的複合材料內部3 個不同深度位置的超聲層析掃描檢測結果, 被檢測試樣爲正交鋪層的碳纖維層壓結構, 厚度爲1 .5 mm 。從圖中可以看出碳纖維束的取向, 即使是一些位於纖維束之間的細小缺陷也能較好地檢測出來,箭頭所指的白色區域即爲纖維束間的細小缺陷。從中還能清晰地看出, 試樣近表面層靠近左側纖維束的走向似乎不如右側有規律。這些資訊的`獲得對材料和工藝研究非常有益, 爲得到這種微細缺陷資訊, 必須採用高精度的超聲掃描檢測技術。
2.2 結構無損檢測
結構無損檢測主要解決結構在工藝制訂、結構件製造過程中面臨的問題, 如對各種結構件進行無損檢測所需的儀器設備等檢測手段的建立、信號處理技術、缺陷判別、標準建立與完善等。檢測的對象是各種裝機應用的工程結構件, 需要工程化檢測技術, 面對結構件製造過程, 重視無損檢測手段的建立, 重點開展高效可靠的檢測技術研究。圖4 是一種典型的針對複合材料結構的超聲檢測設備, 可以用於多種複合材料結構的自動掃描檢測。
2.3 服役無損檢測
服役無損檢測主要研究裝機結構件在服役過程中所需的無損檢測方法、手段等, 包括提供有關結構件殘餘壽命、剩餘強度、損傷擴展等綜合資訊的評估。檢測的對象是裝機後的各種服役結構件, 採用易實現、快速可行的外場檢測技術, 面對產品結構的安全服役全過程, 重視外場檢測技術與結構件的安全服役的質量保證, 重點開展外場檢測技術研究。如中國航空工業製造工程研究所研製生產的FCC 外場複合材料檢測儀,是目前用於外場複合材料服役結構件無損檢測的主要儀器, 具有很高的檢測分辨率。
3 複合材料無損檢測技術現狀
經過不斷的研究、發展和完善, 目前超聲和X 射線照相法檢測已成爲2 種最主要和成熟的複合材料無損檢測技術。特別是超聲檢測技術, 由於被檢測物理量與複合材料內部缺陷存在最爲良好的可精確表述的物理數學關係, 因此, 通常複合材料構件都要求採用超聲方法進行100 %無損檢測。大量的研究和應用也表明, 超聲是目前國內外複合材料無損檢測最爲實用有效、應用最爲廣泛的無損檢測技術, 它能可靠地檢測出複合材料中的分層、疏鬆、孔隙等大部分危害性缺陷。基於超聲反射回波原理, 目前可以檢測到複合材料內部微細缺陷資訊, 採用超聲層析檢測技術還可以得到複合材料結構內部不同深度、不同截面位置的C 掃描、T掃描和B 掃描檢測結果。對於一些特殊的複合材料結構, 或者特殊缺陷(如夾層結構中的芯缺陷)及重要部位(如連接接頭和較爲受力部位), 則採用X 射線照相法輔助檢測。利用X 射線衰減原理, 可以檢測出引起材料厚度或密度1 %～ 2 %變化的缺陷, 但對於碳纖維/樹脂基複合材料, 由於其密度小、缺陷大多位於鋪層之間, 缺陷的存在引起的厚度變化非常小, 因此, X 射線照相法一般不用於這類複合材料的無損檢測, 它主要用於夾層結構的無損檢測。
聲顯微和超聲層析是揭示覆合材料內部微細規律的精細無損檢測技術。
在衆多的無損檢測方法中, 目視檢測、敲擊法檢測、超聲諧振法檢測是最爲廉價的複合材料無損檢測方法。
超聲相關、X 射線背散射、聲-超聲、聲發射等檢測技術, 都在複合材料無損檢測中尋找應用空間, 但在複合材料研究和結構件製造過程中, 目前還較難找到應用場合。
未來的複合材料無損檢測將更加追求快速高效,因此, 基於干涉原理和溫度場分佈原理的激光全息干涉檢測技術和熱/紅外成像檢測技術, 因其具有非接觸、可大面積掃描、快速等特點, 將成爲複合材料結構無損檢測的良好技術。但目前還必須突破一些技術難題, 賦予這些檢測技術新的工程應用內涵, 才能使其廣泛用於複合材料結構的無損檢測。
4 複合材料無損檢測技術的發展
未來複合材料的無損檢測技術應圍繞以下幾個方面開展研究。
(1)針對複合材料裝機結構件的快速高效無損檢測技術。
賦予傳統複合材料無損檢測新的技術內涵, 使之更適合未來複合材料的低成本設計、製造和裝機應用主流, 透過提高傳統檢測技術的功效, 達到提高檢測效率、降低檢測成本的目的。開展無損檢測新技術和新方法的研究, 探索研究適合複合材料的快速高效無損檢測技術和方法。美國等複合材料用量較大的國家,自90 年代後期已經開始將複合材料無損檢測技術研究的重點轉移到快速高效的無損檢測方向, 而且有了初步應用成果。
(2)針對新型複合材料的無損檢測技術。
與發達國家相比, 目前我國複合材料無損檢技術的研究深度和發揮作用的程度還遠遠不夠。在複合材料及其應用研究過程中, 如果能很好地掌握其內部微細規律, 對複合材料工藝制訂、結構製造等將具有重要的作用和意義。複合材料的一個重要結構特徵就是內部各組分之間物理介面複雜, 如果能利用無損檢測技術得到這些介面的全部資訊, 將會對材料研究和工藝分析起十分重要的指導作用。
(3)複合材料無損檢測技術的昇華。
未來複合材料無損檢測只有與材料的性能、結構件的壽命和剩餘強度密切結合, 才能發揮更大的作用。近年來國外已經在這方面開展了大量的研究工作。
(4)國內複合材料無損檢測硬件的自主建設。
複合材料無損檢測也是一個技術產業, 其研究成果和效益在很大程度上是透過爲複合材料應用部門提供無損檢測硬件平臺和技術支援來實現的。必須經過自身的努力和投入才能得到一流的技術, 形成自己的技術產業, 發揮效益, 複合材料無損檢測行業也不例外, 真正的技術和手段必須透過自主研究和開發, 當然, 可以充分利用國際技術平臺, 但不應盲目地採購實物。