_无损检测技术在复合材料检测中的应用

Vol.49No 12工程与试验EN GIN EERIN G &TEST J une 2009

[收稿日期]　2009-03-30[作者简介]　郁青(1980-),女,硕士研究生,主要研究方向:新型工程材料及应用。

无损检测技术在复合材料检测中的应用

郁　青,何春霞

(南京农业大学工学院,江苏南京210031)

摘　要:介绍了复合材料在制造和使用过程中产生的缺陷和损伤的形式,讨论和分析了复合材料检测中各种无损检测技术的特点及适用范围,并对其优、缺点进行了比较和评价。关键词:无损检测技术;复合材料;应用

中图分类号:TB303 文献标识码:B doi :1013969/j.issn.167423407.2009.02.008

Application of Nondestructive T esting in Composite Materials

Yu Qing ,He Chunxia

(College of Engi neeri n g ,N anj i n g A g ricult ural U ni versit y ,N anj i ng 210031,J i an gs u ,Chi na )Abstract :This article int roduces t he forms of defect s and damages which are brought during p ro 2cessing and operation of composite materials.The characteristic and applicability of different

techniques of nondest ructive testing (ND T )used for compo sites are described and analyzed.Mo 2reover ,t heir merit s and drawbacks are compared and estimated.K eyw ords :no ndest ructive testing ;compo site material ;application

1　概　述

无损检测是不破坏产品原来的形状、不改变其使用性能,对产品进行检测(或抽检),以确保其可靠性和安全性的检测技术。在不损伤被检测对象的条件下,利用材料内部结构异常或缺陷存在所引起的对热、声、光、电、磁等反应的变化,来探测各种工程材料、零部件、结构件等内部和表面缺陷,对缺陷的类型、性质、数量、形状、位置、尺寸、分布及其变化做出判断和评价。

随着科学技术的迅速发展,对材料的性能提出了更苛刻的要求,传统的材料因其性能单一而不能满足需要。复合材料是由两种或两种以上异质、异形、异性的材料复合形成的新型材料。各种材料在性能上互相取长补短,产生协同效应,使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求,因此被越来越广泛地用于航空航天、汽车工业、化工、纺织、机械制造以及生命科学和医学等各个领

域。复合材料在工艺过程中,由于增强纤维的表面

状态、树脂粘度、低分子物含量、线性高聚物向体型高聚物转化的化学反应速度、树脂与纤维的浸渍性、组分材料热膨胀系数的差异以及工艺参数控制的影响等,使复合材料结构在生产制造和使用过程中不可避免地会存在缺陷和遭受损伤[1]。无损检测技术可对复合材料在不破坏的情况下有效地检测出各种缺陷和损伤形式,因此被广泛地应用于工程中。

2　无损检测技术在复合材料检测中的应用

复合材料的缺陷和损伤检测是复合材料结构修理的基础和前提,也是其性能评估的依据。针对不同的缺陷和损伤形式,可以采用不同的无损检测手段。目前,对于复合材料无损检测的常用方法有X 射线、超声波、计算机层析照相(CT )、红外热成像检测、声发射、微波、激光检测法、中子照相法、敲击法以及声-超声检测法等。211　X 射线无损检测技术

X 射线无损检测中目前常用的是胶片照相法,

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它是检查复合材料中孔隙和夹杂物等体积型缺陷的优良方法[2],对疏松、贫胶、纤维断裂、增强剂分布不匀也有一定的检出能力。该方法灵敏度高,检测结果直观,但检测分层缺陷困难,不易发现与射线垂直方向上的裂纹,且设备复杂庞大,需要安全防护。随着计算机技术的飞速发展,新型的“X射线实时成像检测技术”和“X射线C T”已应运而生,并开始应用于结构的无损探伤。此两种方法无论在检测效率、经济、表现力、远程传送、方便实用等方面都比照相底片更胜一筹,因而具有良好的发展前景。

徐翔星[3]分别运用X射线照相、X射线实时成像和X射线C T三种方式对C纤维预制体及C/SiC 复合材料进行了检测和研究。结果表明X射线照相对C/SiC复合材料中SiC或C/SiC缺陷的形状和方向参数敏感,检测出了C纤维预制体的编织缺陷、C/SiC中由于编织错误产生的的孔洞、纤维的编织纹路和较大范围内密度的变化等。用X射线工业CT(B T-400)对C/SiC构件进行了断层扫描成像检测,能精确检测出C/SiC复合材料截面密度分布,且能够清楚地显示出纤维束间孔隙的形状、相对大小、位置等信息,能检测出C/SiC中编织缺陷造成的孔洞。

212　超声波无损检测技术

超声波检测法主要利用复合材料本身或缺陷声学性质对超声波传播的影响,来检测材料内部或表面的缺陷。超声波能检测复合材料构件中的分层、孔隙、裂纹、夹杂等缺陷,能判断材料的疏密、纤维取向曲屈、弹性模量、厚度等特性和几何形状等方面的变化[4]。超声检测灵敏度高,可精确确定缺陷的位置与分布,且操作简单。但缺点是检测效率低,对不同类型的缺陷要使用不同规格的探头。对小、薄和复杂零件难以检测,且在检测过程中需要使用耦合剂。随着计算机的发展,超声C扫描,由于显示直观、检测速度快,已成为飞行器零件等大型复合材料构件普遍采用的无损检测技术。

魏勤等[5]研究表明,铝基SiC复合材料中通过超声波C扫描可以直观地显示Al/SiC材料中的凝聚物或裂痕,根据缺陷在显示图形中的位置可判定工件中所对应缺陷的位置。另外,许有昌[6]针对碳纤维复合材料舱体缺陷产生的原因和舱体结构特点进行了专门的超声波检测的研究,认为采用C扫描超声波检测法为主,A型脉冲反射超声波检测法为辅可有效实施对碳纤维复合材料舱体缩比件的缺陷检测。图(1)[7]是美国Sandia国家实验室的John H.G ieske等人采用超声C扫描方法对一个边长305mm的正方形复合材料———金属粘接结构试样进行检测所得到的结果,从图中可以清晰看到试样中存在两个大面积的脱粘缺陷(图中的高亮显示区域)及其它一些零星的脱粘不良缺陷

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图(1)　复合材料2金属粘结构试件超声C扫描检测结果

213　计算机层析照相技术(C T)

工业C T(简称IC T),即工业计算机断层扫描成像,具有直观、准确、无损伤等特点,主要用于工业构件的无损检测。其原理主要是:通过扫描工件得到断层投影值,然后通过图像重建算法重建出断层图像。CT的图像清晰,与一般透视照相法相比不存在影像重叠与模糊,图像对比灵敏度比透视照相要高出两个数量级。因此,国际无损检测界把工业C T称为最佳的无损检测手段。对产品的检测结果表明,工业CT设备对复合材料的气孔、夹杂、空隙、疏松、分层、裂纹以及密度分布不均匀等各种常见缺陷具有很高的探测灵敏度,在一定范围内能够精确地测定缺陷的几何尺寸

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图(2)　一种新型复合材料的CT断层图像

图(2)[8]是一种新型复合材料的C T断层图像,图中可清楚地看到该复合材料内部的微裂纹。金虎等[9]利用C T技术对C/C复合材料的内部缺陷进

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No2.2009 郁　青,等:无损检测技术在复合材料检测中的应用