航空復(fù)合材料無損檢測技術(shù)發(fā)展

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摘要：本文通過分析梳理了航空復(fù)合材料無損檢測及評估領(lǐng)域在最近10年間的重大研究成果，重點解析了航空復(fù)合材料NDT&E技術(shù)及其發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了多種NDT&E方法在航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造、服役及維修中的應(yīng)用實效，最后總結(jié)了航空復(fù)合材料NDT&E技術(shù)當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)，并且分析了未來發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：無損檢測；復(fù)合材料；缺陷評估；超聲檢測

目前，航空領(lǐng)域廣泛應(yīng)用了性能優(yōu)越的復(fù)合材料，從而對復(fù)合材料的無損檢測及評估技術(shù)提出了強(qiáng)烈需求和更高要求，它也由此成為了業(yè)內(nèi)普遍關(guān)注的研究熱點。比如，飛機(jī)機(jī)翼、機(jī)身等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部位大多選用碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，在對此類復(fù)合材料進(jìn)行檢測及評估時優(yōu)選NDT&E技術(shù)，這一現(xiàn)實需求有力推動了復(fù)合材料NDT&E技術(shù)的向前發(fā)展。通過文獻(xiàn)分析發(fā)現(xiàn)，近年來國內(nèi)外陸續(xù)刊出了多篇關(guān)于復(fù)合材料NDT&E技術(shù)的學(xué)術(shù)專著，涉及新的復(fù)合材料成型工藝、新的航空復(fù)合材料、新的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)等多個方面，這意味復(fù)合材料NDT&E技術(shù)已經(jīng)提升到更高的技術(shù)水準(zhǔn)，并且同步推出了復(fù)合材料NDT&E的新儀器、新方法，從而為推廣和應(yīng)用復(fù)合材料NDT&E技術(shù)提供了保障。

1復(fù)合材料NDT&E技術(shù)相關(guān)研究

1.1超聲檢測技術(shù)的研究

查閱相關(guān)資料，發(fā)現(xiàn)學(xué)術(shù)界和工程界都將超聲檢測作為主要的復(fù)合材料NDT&E方法，近年來的研究主要聚焦于以下兩個方面：其一，聲波時域行為的探究和利用，深入探究超聲波在復(fù)合材料中產(chǎn)生的不同聲波信號的時域特性，通過分析穿透信號或超聲回波的傳播時間、幅值、衰減等時域特征，來支撐針對復(fù)合材料的超聲檢測功能；其二，聲波頻域特性的研究與應(yīng)用，分析超聲波在復(fù)合材料中形成的聲波信號的頻域特性，據(jù)此表征及評估復(fù)合材料存在的缺陷。主要分為：以單聲源為基礎(chǔ)的超聲檢測技術(shù)、以陣列聲源為基礎(chǔ)的超聲檢測技術(shù)、激光超聲檢測方法以及超聲導(dǎo)波檢測方法。

1.2X射線檢測技術(shù)的研究與進(jìn)展

當(dāng)前，復(fù)合材料X射線檢測技術(shù)應(yīng)用較為廣泛，包括蜂窩芯的檢測、微結(jié)構(gòu)的表征、特殊復(fù)合材料結(jié)構(gòu)部位的缺陷表征及評估。Dietrich利用μ–CT方法開展了蜂窩夾芯微觀和介觀結(jié)構(gòu)的3D層析試驗，證實了μ–CT方法能夠準(zhǔn)確表征蜂窩芯的微觀、介觀結(jié)構(gòu)和沖擊變形，配合3D圖像分析技術(shù)，還能夠表征面板纖維的取向以及蜂窩芯的幾何形變。目前，μ–CT方法常用于小試樣的微結(jié)構(gòu)表征、變形分析以及微缺陷評估等。

1.3紅外熱像檢測方法的研究

近年來，針對紅外檢測技術(shù)的研究聚焦于脈沖紅外熱像方法，即通過試樣檢測的方法探究脈沖紅外熱像方法對于較大尺寸的人工缺陷、損傷的檢測效果。目前，紅外熱像檢測方法在復(fù)合材料制造階段的適用性不佳，尚未實現(xiàn)應(yīng)用普及。

1.4ESPI檢測方法的研究

創(chuàng)建ESPI檢測技術(shù)的最初目的就是實現(xiàn)對復(fù)合材料或者特別情景的損傷進(jìn)行檢測，國外對此項檢測技術(shù)的研究進(jìn)展較快。比如，Choi利用激光源Nd組織了RDPI檢測試驗，即利用ESPI檢測技術(shù)對復(fù)合材料蜂窩結(jié)構(gòu)中由沖擊造成的分層現(xiàn)象進(jìn)行檢測試驗。

2復(fù)合材料NDT&E技術(shù)應(yīng)用

2.1復(fù)合材料NDT&E技術(shù)的應(yīng)用方向

當(dāng)前，通過對復(fù)合材料NDT&E技術(shù)的探究我們可以總結(jié)出其主要應(yīng)用于如下：（1）探究NDT&E新機(jī)制；（2）探究NDT&E新技術(shù)；（3）NDT&E的利用和研究，包括新工藝準(zhǔn)則的設(shè)置、新裝備的研制等?；诖?，復(fù)合材料NDT&E技術(shù)正朝向以下四個應(yīng)用方向進(jìn)展，具體來說：（1）面向復(fù)合材料研發(fā)過程中的NDT&E。緊隨復(fù)合材料的研發(fā)步調(diào)，基于NDT&E技術(shù)、方法對復(fù)合材料的內(nèi)部缺陷進(jìn)行表征及評估，以及利用超聲NDT&E檢測方法揭示復(fù)合材料的微結(jié)構(gòu)及彈性性能，逐步建立起面向復(fù)合材料研發(fā)過程的NDT&E方法體系，并且為復(fù)合材料缺陷評估提供基礎(chǔ)判據(jù)。（2）面向復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造過程中的NDT&E。選用適當(dāng)?shù)腘DT&E技術(shù)，在復(fù)合材料的加工制造過程中，對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行無損檢測和評估，并未復(fù)合材料的工藝改進(jìn)和質(zhì)量控制提供依據(jù)。面向復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造過程中的NDT&E通常選用技術(shù)成熟的檢測方法，而且必須在制造現(xiàn)場或原位來施行。

2.2超聲檢測技術(shù)的應(yīng)用

目前，超聲檢測技術(shù)是最為常用的復(fù)合材料NDT&E檢測方法，結(jié)合實務(wù)應(yīng)用情況，超聲檢測方法主要應(yīng)用于以下場景：（1）復(fù)合材料的缺陷表征及評估。（2）復(fù)合材料工藝研發(fā)過程中的缺陷檢測及評估。（3）復(fù)合材料結(jié)構(gòu)研制階段的NDT&E。（4）復(fù)合材料工藝制造階段的NDT&E。

2.3X射線檢測技術(shù)的應(yīng)用總結(jié)

X射線檢測技術(shù)在復(fù)合材料檢測領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀，如下：（1）針對試樣試片的微結(jié)構(gòu)分析及表征，比如，利用μ–CT方法對復(fù)合材料的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，以及對復(fù)合材料的微氣孔進(jìn)行分析；（2）測試復(fù)合材料中是否存在高密度夾雜物；（3）揭示復(fù)合材料蜂窩夾芯的結(jié)構(gòu)。歸納來說，經(jīng)過長期的研發(fā)、試驗，X射線檢測技術(shù)現(xiàn)已實現(xiàn)了工業(yè)級應(yīng)用，被認(rèn)為是最具潛力的航空復(fù)合材料蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)檢測方法，而且DR檢測技術(shù)在實踐中已經(jīng)被證實具備良好的檢測效果，并且不會排除廢物廢液，缺陷檢測速度較高，大有取代傳統(tǒng)膠片照相法的勢頭。CT檢測方法通常被認(rèn)為是超聲檢測方法的補充，能夠?qū)δ承┨厥獾膹?fù)合材料結(jié)構(gòu)部位或零部件制品進(jìn)行檢測，可是CT檢測方法并不適用于對較大尺寸的復(fù)合材料板類制件、存在面積型缺陷的復(fù)合材料以及翼身類壁板結(jié)構(gòu)等進(jìn)行檢測。

3復(fù)合材料NDT&E技術(shù)發(fā)展面臨挑戰(zhàn)

3.1復(fù)合材料NDT&E技術(shù)發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)

以下從四個方面解析航空復(fù)合材料NDT&E技術(shù)當(dāng)前發(fā)展所面臨的技術(shù)調(diào)整，具體如下：（1）在超聲檢測技術(shù)方面：超聲檢測技術(shù)是當(dāng)前最為常見的航空復(fù)合材料無損檢測技術(shù)，面向日益更新的復(fù)合材料、材料結(jié)構(gòu)以及制造工藝，需要不斷創(chuàng)新缺陷識別機(jī)理、檢測技術(shù)以及缺陷判據(jù)，這是超聲檢測技術(shù)后續(xù)發(fā)展的重要風(fēng)險；航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)正朝向復(fù)雜化、大型化的分析發(fā)展，傳統(tǒng)超聲檢測技術(shù)在應(yīng)用中效果不佳，而應(yīng)當(dāng)著力研發(fā)具有多維特征的快速可視化檢測技術(shù)，建立起工業(yè)級的智能化、可視化檢測系統(tǒng)，這也是超聲檢測未來發(fā)展所面臨的重要技術(shù)難題。（2）在X射線檢測技術(shù)方面：目前，許多X射線檢測技術(shù)業(yè)已實現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用，但是多數(shù)檢測方法在應(yīng)用中都存在不足，比如排放廢物廢液，損害自然環(huán)境等，因此，后續(xù)研究應(yīng)當(dāng)致力于研發(fā)環(huán)境友好型X射線檢測技術(shù)，比如，大力發(fā)展DR檢測技術(shù)，尤其通過技術(shù)改進(jìn)提高其檢測分辨率，最終取代傳統(tǒng)的膠片照相法。（3）在聲振、ESPI檢測、紅外等檢測技術(shù)方面：針對特定的復(fù)合材料或者特殊的檢測環(huán)境，研制出易于實現(xiàn)、易于控制的加載技術(shù)，在此基礎(chǔ)上提出可以實現(xiàn)快速檢測以及輸出可視化結(jié)果的復(fù)合材料缺陷檢測方法。

3.2復(fù)合材料NDT&E技術(shù)發(fā)展新的探索

根據(jù)復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展趨勢，尤其注意復(fù)合材料智能制造的發(fā)展需求，不斷研發(fā)新的智能化、可視化、環(huán)境友好型的NDT&E技術(shù)、方法及裝備，為未來的復(fù)合材料全壽命設(shè)計和智能制造等實務(wù)工作提供技術(shù)支持。歸納來說，不管何種NDT&E檢測技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用都必將經(jīng)歷一段漫長的發(fā)展時期，期間必將遭遇多重挑戰(zhàn)，其技術(shù)軌跡可以提煉為“檢測→評估→智能檢測→智能評估→智慧檢測→智慧評估→智慧預(yù)測”，這項偉大的工作需要更多地科研人員付出精力和熱情。

4結(jié)語

根據(jù)文獻(xiàn)分析的結(jié)果，超聲檢測是目前最為常見的復(fù)合材料NDT&E檢測技術(shù)，選用適當(dāng)?shù)某暀z測方法，通過分析超聲波在復(fù)合材料中的傳播行為及其變化規(guī)律，能夠揭示出復(fù)合材料可能存在的缺陷、損傷，還能夠快速識別出復(fù)合材料檢的缺陷類型及其損傷程度，超聲檢測技術(shù)符合復(fù)合材料工程智能化、可視化、自動化NDT&E的發(fā)展方向，還能對接于復(fù)合材料的智能制造，這使其表現(xiàn)出著旺盛的研發(fā)活力。面向日益更新的復(fù)合材料新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝以及不斷提高的檢測需求，超聲NDT&E技術(shù)正面臨艱巨的技術(shù)難題，需要通過技術(shù)改進(jìn)、技術(shù)創(chuàng)新的方式予以攻克。

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作者：唐國棟 單位：四川航空股份有限公司工程技術(shù)分公司