复合材料的无损检测技术

复合材料的无损检测技术

复合材料(composite materials)是指由两种或两种以上不同性能、不同形态的组分通过复合工艺组合而成的一种多相材料，它既保持了原组分材料的主要特点又显示了原组分材料所没有的新性能。复合材料是应用现代技术发展涌现出的具有极大生命力的材料，具有刚度大、强度高、重量轻的优点，而且可根据使用条件的要求进行设计和制造，以满足各种特殊用途，从而极大地提高工程结构的效能，已成为一种当代新型的工程材料。

然而由于复合材料的非均质性和各项异性，在制造过程中工艺不稳定，极易产生缺陷。在应用过程中，由于疲劳累积、撞击、腐蚀等物理化学的因素影响，复合材料也容易产生缺陷，这些缺陷很大一部分还是产生在复合材料内部。

复合材料在制造过程中的主要缺陷有: 气孔、分层、疏松、越层裂纹、界面分离、夹杂、树脂固化不良、钻孔损伤；在使用过程中的主要缺陷有:疲劳损伤和环境损伤,损伤的形式有脱胶、分层、基本龟裂、空隙增长、纤维断裂、皱褶变形、腐蚀坑、划伤、下陷、烧伤。

由于复合材料在使用工程中承担着重要作用，因此在材料进入市场前，应该进行严格的缺陷检测，这是对使用者和加工者负责的行为。相应的，复合材料检测技术也得到了快速的发展，在检测技术中无损检测技术发展尤为突出。下面就主要的复合材料无损检测技术作简要的概述：

一、射线检测技术

1.X射线检测法

X射线无损探伤是检测复合材料损伤的常用方法。目前常用的是胶片照相法,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，对增强剂分布不均也有一定的检出能力,因此是一种不可缺少的检测手段。该方法检测分层缺陷很困难，一般只有当裂纹平面与射线束大致平行时方能检出，所以该法通常只能检测与试样表面垂直的裂纹，可与超声反射法互补。中北大学电子测试国防重点实验室的研究人员将X射线与现代测试理论相结合，在数字图像处理阶段，通过小波变换与图像分解理论，将一幅图像分解为大小、位置和方向都不同的分量，改变小波变换域中的某些参数的大小，实时地识别出X射线图像的内部缺陷。

2.计算机层析照相检测法

计算机层析照相(CT)应用于复合材料研究已有十多年历史。这项工作的开展首先利用的是医用CT扫描装置，由于复合材料和非金属材料元素组成与人体相近，医用CT非常适合于复合材料和非金属材料内部非微观(相对于电子显微镜及金相分析)缺陷的检测及密度分布的测量，但医用CT不适合检测大尺寸、高密度(如金属件)的物体，为此八十年代初，美国RACOR公司率先研制出用于检测大型固体火箭发动机和小型精密铸件的工业CT。CT主要用于检测非微观缺陷(裂纹、夹杂物、气孔和分层等)；测量密度分布(材料均匀性、复合材料微气孔含量)；精确测量内部结构尺寸(如发动机叶片壁厚)；检测装配结构和多余物；三维成像与CAD /CAM等制造技术结合而形成的所谓反馈工程(RE)。航天材料及工艺研究所的研究人员用这种方法对碳/碳复合材料的研究表明，CT检测技术的空间分辨率和密度分辨率完全可以满足碳/碳复合材料内部缺陷的检出要求，但应注意伪像与产品自身缺陷的区别，以避免产生误检。

3.微博检测法

微波无损检测的基本原理是综合利用微波与物质的相互作用，一方面，微波在不连续面产生反射、散射和透射；另一方面,微波还能与被检材料产生相互作用，此时微波均会受到材料

中的电磁参数和几何参数的影响，通过测量微波信号基本参数的改变，即可达到检测材料

内部缺陷的目的。微波检测复合材料是在检测金属材料的基础上改进来的，这种方法不仅能检测复合材料的体积缺陷,同时还可以检测出平面缺陷，灵敏度较高，适用于在线检测的要求。

4.红外热波法

红外热波无损检测的工作原理是根据变化性热源与媒介材料及其几何结构之间的相互作用,通过控制热激励并适时监测和记录材料表面的温场变化，经过特殊的算法和图像处理来获取被检物体材料的均匀性信息及其表面下的结构及热属性的特征信息，从而达到检测和探伤的目的。此检测法具有非接触、实时、高效、直观的特点，分为主动式(有源红外)检测法和被动式(无源红外)检测法两种。首都师范大学陈大鹏等研究人员利用超声热红外技术对一个碳纤维复合材料T形接头和一块埋有裂纹缺陷的有机玻璃板进行检测，说明了红外热超声无损检测技术具有灵敏快速的优点，适合于对多种材料进行实时检测。

二、超声检测技术

超声波在复合材料内部传播过程中遇到材料内部缺陷时，由于缺陷的声阻抗与材料的声阻抗不同，超声波在缺陷处被反射（或散射)，而出现缺陷波信号，根据超声反射信号幅度，可检测材料内部缺陷。此法能够检测出复合材料中的裂纹、脱粘、孔隙、分层等缺陷，但存在检测盲区。

1.超声脉冲反射法

超声波在复合材料内部传播过程中遇到材料内部缺陷时，由于缺陷的声阻抗与材料的声阻抗不同，超声波在缺陷处被反射（或散射)，而出现缺陷波信号，根据超声反射信号幅度，可检测材料内部缺陷。此法能够检测出复合材料中的裂纹、脱粘、孔隙、分层等缺陷，但存在检测盲区。

2.超声脉冲透射法

该方法原理与超声脉冲反射法基本相同，由于超声波在缺陷处被反射或散肘．造成超声穿透信号的能量衰减。而后根据超声穿透信号幅度检测材料的内部缺陷。这种方法对复合材料中贫胶、疏松等缺陷的检测效果良好。

3.扫描超声显微镜技术

利用表面超声波束的传播行为，探测到在物体中声波传送持性（衰减和速度）的改变，将此信号通过计算机控制处理，在扫描显示器可以显示平面图形。利用该技术能够实时监测像金属基复合材料开孔制件在循环应力作用下逐渐破坏的过程。超声检测技术的发展：八十年代中期，美国人首先利用兰姆波接触法对金属板/板胶接结构的性能和质量进行了检测试验，九十年代以来则更为集中地探索研究了复合材料层板、蜂窝夹层结构在液浸条件下的泄漏兰姆波检测技术。近年来，我们参考国外相关文献开展了树脂基碳纤维增强型复合材料层板的泄漏兰姆波C扫描检测技术研究，取得了理想的试验结果。2007年,亚洲最大的复合材料生产基地在哈飞建成，随着该基地的建成，哈飞也陆续采购了一批国内外最先进的设备，其中包括英国超声波科学有限公司(USL)生产的超声波C扫描喷水复合材料检测系统。目前, GE公司推出了便携式相控阵探伤仪Phasor XS，使相控阵检测技术在无损检测中得到很大的推广，已在航空复合材料的检测、气轮机叶片(根部) 、涡轮圆盘的检测、石油天然气管道焊缝检测、火车轮轴检测、核电站检测等领域得到广泛运用。相控阵探伤仪能够通过图像的形式直观地显示缺陷，并通过线性B扫描图或扇形图显示一定区域范围内的缺陷，有利于对缺陷的评判。从应用效果来看，应用便携式相控阵探伤仪检测复合材料能极大地提高检测效率，提高检测准确性，节省检测成本。