【正文】 第一篇：復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的無損檢測技術(shù)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)無損檢測技術(shù)研究周廣銀1王中青1童建春2（61255 部隊(duì)航修廠，山西 侯馬 043013陸航學(xué)院機(jī)械工程系北京通州101123）Nondestructive Testing Technology for Aviation Composite Component 摘要：本文首先介紹了航空復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)類型和主要缺陷，研究了現(xiàn)有的復(fù)合材料外場無損檢測方法的技術(shù)特點(diǎn)，最后分析了國內(nèi)外先進(jìn)的無損檢測技術(shù)在應(yīng)用于外場一線維修檢測可行性。關(guān)鍵詞：直升機(jī)、復(fù)合材料、無損檢測 引入語隨著直升機(jī)裝備的不斷發(fā)展，復(fù)合材料以其高的比強(qiáng)度、比剛度及良好的抗疲勞性和耐腐蝕性獲得廣泛的應(yīng)用。由于影響復(fù)合材料結(jié)構(gòu)完整性的因素甚多，許多工藝參數(shù)的微小差異都會(huì)導(dǎo)致其產(chǎn)生缺陷，使得產(chǎn)品質(zhì)量呈現(xiàn)明顯的離散性，這些缺陷嚴(yán)重影響構(gòu)件的機(jī)械性能和完整性，必須通過無損檢測來鑒別產(chǎn)品的內(nèi)部質(zhì)量狀況，以確保產(chǎn)品質(zhì)量，滿足設(shè)計(jì)和使用要求。無損檢測是確保飛行安全的必要手段，對復(fù)合材料部件尤為重要。復(fù)合材料部件的檢測與生產(chǎn)制造中的檢測有較大的差別，其特點(diǎn)為：（1)在位檢測，即檢測對象不動(dòng)，檢測圍繞檢測對象來進(jìn)行，檢測設(shè)備都是移動(dòng)式或者便攜式檢測設(shè)備；（2）檢測對象都是部件，多為中空結(jié)構(gòu)，只能從外部進(jìn)行單側(cè)檢測；（3）外場檢測，空中作業(yè)多，檢測工作實(shí)施不便。航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)類型及其缺陷航空結(jié)構(gòu)中常用的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)主要有纖維增強(qiáng)樹脂層板結(jié)構(gòu)和夾芯結(jié)構(gòu)。纖維增強(qiáng)樹脂層板結(jié)構(gòu)按照材料的不同又分為碳纖維增強(qiáng)樹脂結(jié)構(gòu)(CFRP)和玻璃纖維增強(qiáng)樹脂結(jié)構(gòu)(GFRP)；夾芯結(jié)構(gòu)主要是蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)、泡沫夾芯結(jié)構(gòu)和少量的玻璃微珠夾芯結(jié)構(gòu)。復(fù)合材料構(gòu)件在使用過程中往往會(huì)由于應(yīng)力或環(huán)境因素而產(chǎn)生損傷，以至破壞。復(fù)合材料損傷的產(chǎn)生、擴(kuò)展與金屬結(jié)構(gòu)的損傷擴(kuò)展規(guī)律有比較大的差異，往往在損傷擴(kuò)展到一定的尺度以后，會(huì)迅速擴(kuò)展而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效，所以復(fù)合材料在使用過程中的檢測，就顯得極為重要，也越來越受到人們的重視。 纖維增強(qiáng)樹脂層板結(jié)構(gòu)中存在的主要缺陷纖維增強(qiáng)樹脂層板結(jié)構(gòu)在成型過程中往往會(huì)由于工藝原因而產(chǎn)生缺陷，人為操作的隨機(jī)性會(huì)產(chǎn)生夾雜、鋪層錯(cuò)誤等缺陷；固化程控不好會(huì)產(chǎn)生孔隙率超標(biāo)、分層、脫膠等缺陷；在制孔過程和裝配中會(huì)形成孔邊的分層缺陷；使用中由于受載荷、振動(dòng)、濕熱酸堿等環(huán)境因素的綜合作用會(huì)導(dǎo)致初始缺陷（如分層、脫膠）的擴(kuò)展和分層、脫膠、斷裂等新的損傷和破壞的發(fā)生。 夾芯結(jié)構(gòu)中存在的主要缺陷夾芯結(jié)構(gòu)在成型過程中也會(huì)由于工藝原因而產(chǎn)生某些缺陷；為操作誤差等會(huì)產(chǎn)生蜂窩芯的變形、節(jié)點(diǎn)脫開、因?yàn)榉涓C芯過低導(dǎo)致的弱粘接等缺陷，固化程控不好會(huì)導(dǎo)致局部的貧膠或富膠、弱粘接、發(fā)泡膠空洞等缺陷；使用中會(huì)導(dǎo)致初始缺陷（如弱脫膠）的擴(kuò)展和脫膠、進(jìn)水、蜂窩芯壓塌等新的損傷和破壞的發(fā)生。泡沫夾芯結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生脫膠、芯子開裂等類型的缺陷。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)外場無損檢測方法在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)過程中，為了確定其技術(shù)指標(biāo)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，在生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)中，都會(huì)通過不同的無損檢測手段來檢驗(yàn)產(chǎn)品質(zhì)量，以確保產(chǎn)品的最終質(zhì)量。其中有些方法也被移植應(yīng)用于外場的檢測，這些方法包括目視法、敲擊法、聲阻法、聲諧振法、超聲檢測技術(shù)、射線檢測技術(shù)等。 目視法目視檢查法是使用最廣泛、最直接的無損檢測方法。主要借助放大鏡和內(nèi)窺鏡觀測結(jié)構(gòu)表面和內(nèi)部可達(dá)區(qū)域的表面，觀察明顯的結(jié)構(gòu)變形、變色、斷裂、螺釘松動(dòng)等結(jié)構(gòu)異常。它可以檢查表面劃傷、裂紋、起泡、起皺、凹痕等缺陷；尤其對透光的玻璃鋼產(chǎn)品，可用透射光檢查出內(nèi)部的某些缺陷和定位，如夾雜、氣泡、搭接的部位和寬度、蜂窩芯的位置和狀態(tài)、鑲嵌件的位置等。 敲擊法敲擊檢測是膠接結(jié)構(gòu)的最快捷和有效的檢測方法之一，被廣泛地應(yīng)用于蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)、板板膠接結(jié)構(gòu)的外場檢測，檢測速度快，準(zhǔn)確性高。敲擊檢測分為：硬幣敲擊（Coin Tapping）；專用工具敲擊，如空中客車公司推薦的敲擊工具PN98A57103013；自動(dòng)敲擊檢測工具，如日本三井公司生產(chǎn)的電子敲擊檢測儀WP632。 聲阻法聲阻儀是專為復(fù)合材料板、板膠接結(jié)構(gòu)件與蜂窩結(jié)構(gòu)件的整體性檢測發(fā)展起來的便攜式檢測儀器。聲阻法就是利用聲阻儀，通過蜂窩膠接結(jié)構(gòu)粘接良好區(qū)域與粘接缺陷區(qū)的表面機(jī)械阻抗有明顯差異這一特點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)檢測的，主要用于檢測鋁制單蒙皮和蒙皮加墊板的蜂窩膠接結(jié)構(gòu)的板芯分離缺陷檢測。它能檢測結(jié)構(gòu)件的脫粘缺陷，不能檢測機(jī)械貼緊缺陷。聲阻法被國內(nèi)的西飛公司生產(chǎn)中粘接質(zhì)量檢測和美國波音公司飛機(jī)蜂窩部件的外場檢測廣泛采用。此方法操作簡單，效果良好，能滿足設(shè)計(jì)和使用要求。 聲諧振法聲諧振法是利用膠接檢測儀，通過聲波傳播特性的測試實(shí)現(xiàn)對膠接結(jié)構(gòu)的無損檢測。適用于檢測曲率半徑在500mm以上的金屬蜂窩膠接結(jié)構(gòu)，能檢測單側(cè)蒙皮和帶墊板的金屬蜂窩結(jié)構(gòu)的脫粘缺陷。該方法被國內(nèi)外的多家制造企業(yè)和航空公司作為外場檢測的手段和規(guī)范。 超聲檢測技術(shù)超聲檢測法是無損檢測最主要的手段之一，主要包括脈沖反射法、穿透法、反射板法等，它們各有特點(diǎn)，可根據(jù)材料結(jié)構(gòu)的不同選用合適的檢測方法。超聲檢測技術(shù)，特別是超聲C掃描，由于顯示直觀、檢測速度快，已成為飛行器零件等大型復(fù)合材料構(gòu)件普遍采用的檢測技術(shù)。由于大型超聲C掃描系統(tǒng)需要噴水耦合，且多數(shù)為超聲穿透法檢測，只能在大的檢測實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。而使用中的飛機(jī)復(fù)合材料部件多為中空結(jié)構(gòu)，超聲穿透法對其無能為力。因而外場的復(fù)合材料超聲檢測多數(shù)為傳統(tǒng)的人工超聲波A掃描檢測。人工超聲波A掃描檢測可以逐點(diǎn)覆蓋檢測結(jié)構(gòu)件的所有檢測面，設(shè)備簡單，實(shí)施方便；缺點(diǎn)是檢測可靠性低，主要取決于檢測者的技術(shù)水平和敬業(yè)精神。 射線檢測技術(shù)對于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)而言，射線檢測仍然是最直接、最有效的無損檢測技術(shù)之一，特別適合于檢測纖維增強(qiáng)層板結(jié)構(gòu)中的孔隙和夾雜等體積型缺陷和夾芯結(jié)構(gòu)中的芯子變形、開裂、發(fā)泡膠發(fā)泡不足以及鑲嵌物位置異常等缺陷的檢測。射線檢測對垂直于材料表面的裂紋也具有較高的檢測靈敏度和可靠性，但對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的分層缺陷不敏感。該方法被國內(nèi)外的軍方和多家航空公司作為外場檢測的手段和規(guī)范。4 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)無損檢測新技術(shù)、新方法 外場在位檢測的便攜式超聲C掃描系統(tǒng)IUCSII型便攜式智能超聲C掃描儀由中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所研制，是國內(nèi)研制的唯一可用于外場飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)檢測的設(shè)備。該設(shè)備基于超聲脈沖反射法，一代產(chǎn)品以CTS23A超聲探傷儀為平臺(tái)研制開發(fā)，外加定位系統(tǒng)、專用數(shù)據(jù)采集和處理軟件筆記本電腦等部分組成。外接真空吸盤裝置，可檢測立面、頂面等狀態(tài)的復(fù)合材料。超聲探頭采用自主研發(fā)的聚焦水囊探頭，具有很高的檢測分辨率，可以定位損傷所處的層；且無需噴水耦合，可用于平面、曲面及裝配后結(jié)構(gòu)件的檢測。拉線式大位移傳感器掃描定位系統(tǒng)可在800mm/s的探頭運(yùn)動(dòng)速度下實(shí)現(xiàn)缺陷的精確定位。針對不同的材料和結(jié)構(gòu)形式，可按需要進(jìn)行回波距離方式和回波幅度方式成像，檢測結(jié)果實(shí)時(shí)按照與實(shí)際尺寸1∶1的顯示比例顯示輸出。正研發(fā)中的二代升級(jí)產(chǎn)品，基于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和數(shù)字超聲卡的平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字超聲儀和計(jì)算機(jī)的高度集成，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)字化，縮小產(chǎn)品體積，更便于外場使用。系統(tǒng)緊湊小巧，能精確定位損傷的水平面位置、大小及埋深，適用于在復(fù)雜環(huán)境下工作?？蓹z測復(fù)合材料加筋板結(jié)構(gòu)的分層、脫膠、疏松、氣孔及蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的貧膠、富膠、弱粘接等缺陷。主要應(yīng)用于碳纖維和玻璃纖維的層板、加筋板結(jié)構(gòu)及蜂窩結(jié)構(gòu)的在位檢測。 X射線非膠片成像技術(shù)X射線非膠片成像技術(shù)是近年來無損檢測技術(shù)發(fā)展最快的專業(yè)之一，超小型、電池供電的X射線機(jī)、射線計(jì)算機(jī)照相（Computer Radiography，CR）成像技術(shù)、數(shù)字式輻射成像技術(shù)（Digital Radiation，DR）等逐漸由實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用。用可以反復(fù)使用的CR成像板（IP板）來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的膠片，用CR掃描儀可快捷獲取到結(jié)構(gòu)內(nèi)部信息的數(shù)字影像，省去了暗室處理的過程、時(shí)間和費(fèi)用；由于IP板具有高靈敏度，因而只需要很少的曝光時(shí)間提高了檢測效率。系統(tǒng)由射線機(jī)、IP板、PCS掃描設(shè)備和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成。DR成像系統(tǒng)是一種可以在外場應(yīng)用的X射線實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)，被美國軍方應(yīng)用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)無損檢測，尤其是蜂窩結(jié)構(gòu)的進(jìn)水檢測。它可以直接在計(jì)算機(jī)上成像，沒有中間環(huán)節(jié)。而且系統(tǒng)組成簡單輕巧，靈敏度高，曝光時(shí)間短，檢測效率高，適合外場作業(yè)。電池供電的脈沖式射線機(jī)是射線照相技術(shù)發(fā)展的另一個(gè)新產(chǎn)品，重量只有12lb，輻射總量不大（可滿足CR和DR成像所需），但穿透力卻足夠強(qiáng)（270kV），是外場無損檢測X射線數(shù)字成像檢測的好搭檔。 紅外熱成像技術(shù)紅外熱成像是利用熱像儀以熱圖的方式非接觸地測定被檢工件表面的溫度分布及等溫線輪廓的技術(shù)?？捎跈z測層板結(jié)構(gòu)中存在的分層、沖擊損傷、脫粘和夾芯結(jié)構(gòu)中的板芯脫粘、進(jìn)水等缺陷。由于其非接觸、成片快速檢測、可應(yīng)用于外場和原位檢測等優(yōu)點(diǎn)，近年來受到廣泛關(guān)注。根據(jù)熱激勵(lì)方式的不同，分為脈沖加熱法、調(diào)制加熱法和超聲波激勵(lì)加熱法。其中，美國紅外熱波檢測（TWI）公司的脈沖閃光紅外熱成像檢測系統(tǒng)已經(jīng)被美國軍方等應(yīng)用于飛機(jī)的檢測，主要檢測蜂窩結(jié)構(gòu)的進(jìn)水、脫粘和層板結(jié)構(gòu)的沖擊損傷和分層類損傷。紅外熱成像檢測技術(shù)也被空中客車公司作為其A300系列飛機(jī)的檢測方法之一，它的熱激勵(lì)不僅包括恒溫箱、紅外燈、熱空氣槍、電弧燈等熱激發(fā)方式，還包括冷空氣槍、低溫流體、冰箱等冷卻方式。檢測的損傷類型有層板的分層、脫膠和夾雜，夾芯結(jié)構(gòu)的脫膠和液體滲入，金屬膠接件的脫膠和腐蝕等。結(jié)束語復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在直升機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用比例越來越高，應(yīng)用量的增加帶來了應(yīng)用中損傷的增加。在維修過程中要保證快出飛機(jī)、出好飛機(jī)，這意味著外場的無損檢測時(shí)間不能太長，最好是在原位