复合材料无损检测的介绍

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摘 要 复合材料以其优异的特性得到了越来越多人的重视，随着其应用范围和应用量的不断增加，人们对其质量的要求也越来越高。在这种情况下，各种检测手段便开始被应用在了复合材料的质量检测中。其中，无损检测技术 (简称NDT)以其不破坏材料完整性等优点而成为亮点。本文对复合材料和无损检测进行了介绍，着重介绍了无损检测技术在复合材料检测中的应用。

关键词 复合材料 无损检测

在现代高技术中,材料技术已与信息技术、能源技术并列为三大支柱技术,而高新技术对于新材料的依赖也变得越来越突出。由于复合材料具有高的比强度和比刚度,性能可设计自由度高,抗腐蚀和抗疲劳能力高,减震性能好,可以制成所需的任意形状的产品和综合发挥各组成材料的优点等特性,复合材料已经和无机材料、金属材料和高分子材料一起成为材料领域的四个方面之一[1]。

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,即使经过研究和试验制定了合理的工艺,但在复合材料结构件的制造过程中还有可能产生缺陷,引起质量问题,甚至导致整个结构件的报废,造成重大经济损失。因此自20世纪70年代起,国外针对复合材料的制造和应用开展了全方位的无损检测技术研究。20世纪80年代后,许多适应复合材料特点的无损检测新技术、新方法相继诞生,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[2]。

1 复合材料

复合材料（Composite Materials）一词，国外20世纪50年代开始使用，国内使用大约开始于60年代，复合材料是一类成分复杂的多元多相体系，很难准确地予以定义。比较简明的说法是，复合材料是由两种或两种以上的不同性能、不同形态的组分材料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。

《材料大词典》对复合材料给出了比较全面完整的定义：复合材料是由有机高分子、无机非金属、活金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料，它既能保留原组分材料的主要特色，又通过复合效应获得原组分所不具备的性能。可以通过材料设计使组分的性能互相补充又彼此关联，从而获得新的优异性能，与一般材料的简单混合有本质的区别。该定义强调了复合材料具有可设计性的重要特点。

1.1 复合材料的特性

复合材料的特性主要体现在以下七个方面：（1）比强度和比刚度较高。（2）力学性能可以设计。（3）抗疲劳性能良好。（4）减振性能良好。（5）通常都能耐高温。（6）安全性好。(7)成型工艺简单。

1.2 复合材料中存在的问题

（1）常规材料存在的力学问题，如结构在外力作用下的强度、刚度，稳定性和振动等问题，在复合材料中依然存在。（2）复合材料中还有许多常规材料中不存在的力学问题，如层间应力（ 层间正应力和剪应力耦合会引起复杂的断裂和脱层现复合材料无损检测的介绍

蹇福婷 王霜叶 张艳全

（重庆市机械工业理化计量中心，重庆市 401147）

象）、边界效应以及纤维脱胶、纤维断裂、基体开裂等问题。（3）复合材料的材料设计和结构设计是同时进行的，因而在复合材料的材料设计（如材料选取和组合方式的确定）、加工工艺过程（如材料铺层、加温固化）和结构设计过程中都存在力学问题。（4）复合材料难以分解，污染环境，且焚烧会产生有毒物质，危害人的身体健康。这些还有待我们的进一步研究来解决，使复合材料更适合我们人类使用。

2 无损检测

无损检测（Nondestructive Testing,缩写为NDT），就是研发和应用各种技术方法，以不损害被检测对象未来用途和功能的方式，为探测、定位、测量和评价缺陷，评估完整性、性能和成分，测量几何特征，而对材料和零（部）件所进行的检测。一般来说，缺陷检测是无损检测中最重要的方面。因此，狭义而言，无损检测是基于材料的物理性质因有缺陷而发生变化这以事实，在不改变、不损害材料和工件的状态和使用性能的前提下，测定其变化量，从而判断材料和零部件是否存在缺陷的技术。就是说，无损检测是利用材料组织结构异常引起物理量变化的原理，反过来用物理量的变化来推断材料组织结构的异常。它既是一门区别于设计、材料、工艺和产品的相对独立的技术，又是一门贯穿于军工和主导民用产品设计、研制、生产和使用全过程的综合性技术。

2.1 无损检测的发展过程

（1）无损检测技术发展的三个阶段

无损检测经历了三个发展阶段，即无损检查（Nondestructive Inspection，缩写为NDI）、无损检测（Nondestructive Testing，缩写为NDT）和无损评价（Nondestructive Evaluation，缩写为NDE）。目前一般统称为无损检测（NDT）。

工业发达国家的无损检测技术已逐步从NDI和NDT阶段向NDE阶段过度，即用无损评价来代替无损探伤和无损检测。在无损检测技术中，自动无损评价（ANDE）和定量无损评价（QNDE）是其两个主要组成部分。

（2） 无损检测技术的发展趋势

20世纪70年代以来是无损检测技术飞速发展的时期，其特点是微机技术不断应用到无损检测领域，同时无损检测技术本身的新方法和新技术也不断出现，从而使无损检测仪器的性能得到很大的提高。

目前，无损检测诊断技术正向快速化、标准化、数字化、程序化和规范化的方向发展，其中包括高灵敏度、高可靠性、高效率的无损检测诊断仪器和无损检测诊断方法，无损检测诊断和验收标准的制定以及操作步骤的程序化、实施方法的规范化、缺陷判定和评价的标准化等。无损检测技术在工业生产中将发挥越来越重要的作用。

复合材料、胶接结构、陶瓷材料以及记忆合金等材料的出现，为无损检测提出了新的研究课题，需研究新的无损检测一起和方法，以满足对这些材料进行无损检测的需要。

2.2 无损检测技术

现代无损检测与评价技术不但要探测缺陷的有无，而且还要给出材质的定量评价，其中包括对缺陷的定量测量，如缺陷的形状、大小、位置、去向、分布和内含物等，以及对有缺陷的材料和产品的质量评价，还包括测量材料和产品的某些物理和力学性能。如内部的参与应力、组织结构、涂层厚度等。可以说，无损检测与评价技术的发展程度标志着一个国家（地区）的现代化工业水平。

随着现代物理学、材料科学、微电子学和计算机技术的发展，无损检测技术也随之迅猛发展起来。各种无损检测方法的基本原理几乎涉及现代物理学的各个分支。人们按照不同的原理和不通的探测及信息处理方式，详细地统计了已经应用和正在研究的各种无损检测方法总共达70余种。主要包括射线检测（X射线、γ射线、高能X射线、中子射线、质子和电子射线等）、电学和电磁检测（电阻法、电位法、涡流法、录磁与漏磁、磁粉法、核磁共振、微波法、外激电子发射等）、力学和光学检测（目视法和内窥镜、荧光法、着色法、脆性涂层、光弹性覆膜法、激光全息摄影干涉法、泄露检定、应力测试等）、热力学方法（热电动势法、液晶法、红外线热图等）和化学分析方法（电解检测法、激光检测法、离子散射、俄歇电子分析等）。现代无损检测技术还应该包括计算机数据和图像处理、图像的识别与合成以及自动化检测技术等。

3 复合材料无损检测技术

应用于复合材料无损检测的NDT方法主要有超声检测法、X 射线检验法、计算机层析照相法（CT）、微波检测法、声-超声检测法声、声发射检测法等等。

(1) 超声检测法

超声波是指频率≥20KHz的声波,其波长与材料内部缺陷的尺寸相匹配[5]。超声法适合于评价复合材料的弹性模量、拉伸和剪切强度、疲劳损伤和所有缺陷状态下的力学行为。超声检测技术,特别是超声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检测技术。

(2) Ｘ射线检验法

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,对增强剂分布不匀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,裂纹一般只有当其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。

随着计算机技术的飞速发展,X射线实时成像检测技术应运而生,开始应用于结构的无损探伤。图像的质量可以与X射线照相底片相媲美。X射线实时成像无论在检测效率、经济性、表现力、远程传送和方便实用等方面都比照相底片更胜一筹。

(3) 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。CT主要用于①检测非微观缺陷(裂纹、夹杂物、气孔和分层等)。②测量密度分布(材料均匀性、复合材料微气孔含量)。③精确测量内部结构尺寸(如发动机叶片壁厚)。④检测装配结构和多余物。⑤三维成像与CAD/CAM等制造技术结合而形成的所谓反馈工程(RE)。

(4) 微波检测法

微波无损检测技术始于20世纪60年代,作为一种新的检测技术正日益受到重视。微波是一种高频电磁波,其特点是波长短(1～1000mm)、频率高(300MHz～300GHz)、频带宽。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界面产生反射、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。

微波在复合材料中的穿透力强、衰减小,因此适于复合材料无损检测。它可以克服一般检测方法的不足,如超声波在复合材料中衰减大,难以穿透,较难检验其内部缺陷；Ｘ射线法对平面型缺陷的射线能量变化小,底片对比度低,因此检测困难。微波对复合材料制品中难以避免的气孔、疏孔、树脂开裂、分层和脱粘等缺陷有较好的敏感性。

(5) 声-超声检测法声

超声(Acoustic-Ultrasonic,简称AU)技术又称应力波因子(Stress Wave Factor,简称SWF)技术。与通常的无损检测方法不同,AU技术主要用于检测和研究材料中分布的细微缺陷及其对结构力学性能(强度或刚度)的整体影响,属于材料完整性评估技术。AU技术的基本原理为,采用压电换能器或激光照射等手段在材料(复合材料或各向同性材料)表面激发脉冲应力波,应力波在内部与材料的微结构(包括纤维增强层合板中的纤维基体,各种内在的或外部环境作用产生的缺陷和损伤区)相互作用,并经过界面的多次反射与波型转换后到达置于结构同一或另一表面的接收传感器(压电传感器或激光干涉仪),然后对接收到的波形信号进行分析,提取一个能反映材料(结构)力学性能(强度和刚度)的参量,称为应力波因子。

(6) 声发射检测法

声发射(AE)又称应力波发射,是指物体在受力作用下产生变形、断裂或内部应力超过屈服强度而进入不可逆的塑性变形,以瞬态弹性波形式释放应变能的现象。声发射检测已应用于航空、航天、石油、化工、铁路、汽车、建筑和电力等许多领域,是一种重要的无损检测技术,它与常规无损检测技术相比有两个基本特点,其一是对动态缺陷敏感,在缺陷萌生和扩展过程中能实时发现;其二是声发射波来自缺陷本身而非外部,可以得到有关缺陷的丰富信息,检测灵敏度与分辨力高。

其它常用于复合材料损伤检测的有目视法、敲击法、渗透法和红外成像法等。

结束语

复合材料的应用越来越多，随着科学技术的发展，为满足现代化工业生产的要求，新型复合材料也将层出不穷，人们必须不断研究新的无损检测仪器和方法，以满足对这些材料进行高精度和高灵敏度无损检测的需要。

参考文献

[1] 张建春.复合材料的最新进展与应用.产业用纺织品,2003（3）:11-14

[2] 刘怀喜,张恒,马润香.复合材料无损检测方法.无损检测,2003,25(12):631-634

[3]朱剑.复合材料及其发展概况.科技资讯，2007（1）：1

[4] 《国防科技工业无损检测人员资格鉴定与认证培训教材》编审委员会编.无损检测综合知识.北京：机械工业出版社，2005

[5] 徐涛清.复合材料无损检测技术新进展.宇航材料工艺，1996（2）：63-66

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