复合材料无损检测技术的现状与展望

复合材料无损检测技术的现状与展望

Present Situ ation and Prospects of Nondestructive T esting

and Evalu ation T echnology for Composites

中国航空工业制造工程研究所　研究员 刘松平　郭恩明

[摘要]　回顾了复合材料无损检测技术的发展,

从材料、结构和服役3个方面介绍了复合材料无损检测技术的现状及今后的发展趋势。

关键词:复合材料　无损检测　超声

[ABSTRACT]　The development of nondestruc 2tive testing and evaluation (ND T &E )technology for composites is reviewed in this paper.The present situa 2tion and the development trends of this technology are introduced in aspects of composite material ,structure and service.

K eyw ords :Composites N DT &E U ltrasonic

1　概述

复合材料之所以能够成为20世纪迅速地在工业部门推广应用的新材料、新结构,无损检测技术发挥了十分重要的推动作用,反过来,复合材料也为无损检测技术的迅速发展带来了更多的研究空间。一些过去在金属材料无损检测中因技术障碍而面临困境的检测技术,在复合材料对无损检测技术的需求牵引下,得到了新的飞速发展。如针对初期基于金属材料及其结构在负载作用下产生应力波的物理现象的声发射检测技术、基于物理波相干原理的激光全息干涉检测技术、激光超声检测技术等,几乎都是70年代问世,80年代在应用中由于物理信号特征解释困难、环境条件要求苛刻或技术上有待进一步突破等原因,难以在工程上找到用武之地,自90年代后则得到了迅速的应用发展。

由于复合材料的先进性与其质量的离散性和高成本并存,在实际应用中,即使是经过研究和试验制订的合理工艺,在结构件的制造过程中还可能会产生缺陷,引起质量问题,严重时还会导致整个结构件的报废,造成重大经济损失。因此,国外自70年代以来,就针对复合材料的研究、应用开展了全方位的无损检测技术研究。早期主要是沿用金属材料所采取的一些检测方法,进行复合材料的无损检测技术探索,随着研究工作的深入,人们对复合材料的内部规律和缺陷特征有了更深的认识,发现完全采用常规金属材料无损检测的方法不能解决复合材料的无损检测问题。因此,进入80年代后,才真正走向复合材料无损检测,研究出了许多适应复合材料特点的无损检测新技术、新方法,从而为解决复合材料的无损检测、促进复合材料的推广应用发挥了重要作用。

目前复合材料无损检测已经应用于材料、结构件和服役无损检测3个方面。技术上已从初期的检测方法探索发展到目前的检测方法研究、信号处理技术、传感器技术、缺陷识别技术、成像显示技术、仪器设备技术、结构件检测技术、定量检测与评估、服役结构寿命评估、强度评估和性能测试等。无损检测技术已经成为复合材料研究和应用中的一项关键技术,融入复合材料从研究到最终装机应用的全过程,如图1所示

。

图1　复合材料与无损检测Fig.1　Composites and ND T &E

2　复合材料无损检测技术的应用范围

复合材料无损检测主要应用于以下3个方面:(1)

材料无损检测;(2)结构无损检测;(3)服役无损检测,如图2所示

。

图2　复合材料无损检测的应用Fig.2　Applications of ND T &E for composites

3第十三届国际复合材料学术会议专辑

2001年第3期

211　材料无损检测

材料无损检测主要解决材料研究中面临的问题,进行诸如材料内部缺陷表征、性能测试、缺陷基本判据的建立、无损检测物理数学模型的建立等研究。其检测对象主要是试样、试片,采用精细无损检测技术,面对材料研究过程,重视无损检测物理数学模型的建立,重点开展新的检测方法研究。图3是采用高分辨率超声成像检测技术得到的复合材料内部3个不同深度位置的超声层析扫描检测结果,被检测试样为正交铺层的碳纤维层压结构,厚度为1.5mm 。从图中可以看出碳纤维束的取向,即使是一些位于纤维束之间的细小缺陷也能较好地检测出来,如图3(b )中箭头所指的白色区域即为纤维束间的细小缺陷。从图3(a )中还能清晰地看出,

试样近表面层靠近左侧纤维束的走向似

(a )近表面层

(b )中间层

(c )近底面层

图3　典型的复合材料超声显微层析检测结果

Fig.3　Typical ultrasonic T-scan results for composites 乎不如右侧有规律。这些信息的获得对材料和工艺研究非常有益,为得到这种微细缺陷信息,必须采用高精度的超声扫描检测技术。212　结构无损检测

结构无损检测主要解决结构在工艺制订、结构件制造过程中面临的问题,如对各种结构件进行无损检测所需的仪器设备等检测手段的建立、信号处理技术、缺陷判别、标准建立与完善等。检测的对象是各种装机应用的工程结构件,需要工程化检测技术,面对结构件制造过程,重视无损检测手段的建立,重点开展高效可靠的检测技术研究。图4是一种典型的针对复合材料结构的超声检测设备,

可以用于多种复合材料结构的自动扫描检测。

图4　典型复合材料结构无损检测设备Fig.4　Typical ND T &E equipment

for composites structure

213　服役无损检测

服役无损检测主要研究装机结构件在服役过程中所需的无损检测方法、手段等,包括提供有关结构件残余寿命、剩余强度、损伤扩展等综合信息的评估。检测的对象是装机后的各种服役结构件,采用易实现、快速可行的外场检测技术,面对产品结构的安全服役全过程,重视外场检测技术与结构件的安全服役的质量保证,重点开展外场检测技术研究。如中国航空工业制造工程研究所研制生产的FCC 外场复合材料检测仪,是目前用于外场复合材料服役结构件无损检测的主要仪器,具有很高的检测分辨率。

3　复合材料无损检测技术现状

经过不断的研究、发展和完善,目前超声和X 射线照相法检测已成为2种最主要和成熟的复合材料无损检测技术。特别是超声检测技术,由于被检测物理量与复合材料内部缺陷存在最为良好的可精确表述的

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