民用航空器复合材料的无损检测技术

民用航空器复合材料的无损检测技术

摘要：随着复合材料在现代飞机的广泛应用，如何对在役飞机的复合材料进行无损检测成为一个关乎飞行安全的重要问题，本文简要介绍了航空复合材料的结构类型、主要缺陷和几种适用于外场操作的无损检测方法并浅析了工作原理。

关键词：复合材料缺陷无损检测

随着高强度、超高强度材料在飞机结构的应用，复合材料以其优于金属材料的多项性能而迅速发展成为航天航空工业的基本结构材料。据悉新一代波音787干线客机的复合材料用量超过50%，中国民航飞行学院引进的SR20训练飞机机身全部采用复合材料。随着我国大量引进基于损伤容限理念设计的飞机，对在役的复合材料构件进行无损检测是机务维修中的重要工作，也是一个难点。由于复合材料和金属材质的缺陷有很大的差异，因此复合材料所的无损检测方法和传统的无损检测方法也有着很大的不同，本文主要介绍航空复合材料无损检测技术。

1 航空复合材料简述

复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，组成新的材料。由于各种材料在性能上互相取长补短，从而使复合材料的综合性能优于原组成材料。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。飞机上的复合材料主要是指碳纤维的复合材料，

航空结构中常用的复合材料主要是层板结构和夹芯结构。

2 航空复合材料的缺陷

2.1 由于工艺原因而产生缺陷

在复合材料的成型过程中会由于工艺原因而产生各种缺陷：夹杂、分层、脱胶、裂纹、断裂及蜂窝芯的变形、弱粘接、节点脱开、发泡胶空洞等缺陷。

2.2 使用中产生缺陷

使用中由于受载荷、振动、外来物损伤等环境因素的综合作用而出现层板表面裂纹、划伤、层板分层、脱胶、断裂；夹芯结脱胶、进水、蜂窝芯压塌等。其中分层和脱胶是复合材料的主要缺陷，也是民航外场无损检测的主要方面。

3 复合材料结构外场无损检测方法

3.1 目视法

目视检查法是依然是复合材料无损检测中使用最广泛、最直接的无损检测方法。可通过放大镜、内窥镜、光源、带视频的扫描器来增强灵敏度。目视检查广泛用于复合材料的缺陷检查和表面裂纹检查，

比如：表面裂纹、划伤、腐蚀、表面磨损、粘接脱胶、蒙皮的凸起或凹下等，也被用作对用其它无损检测方法发现的缺陷的验证。用目视-镜子-手电筒组合方式检查在目视检测中是简单且重要的方式，内窥镜可远程目视检查内部表面或其它不易接近的区域。

3.2 声学方法的无损检测技术

3.2.1 敲击法

敲击检测是胶接结构的最快捷和有效的检测方法，用于蜂窝夹芯结构、板胶接结构的分层、脱胶和气孔外场检测。优点是检测速度快、廉价；缺点是在薄的面板上会产生小的凹痕、对大的结构如机翼，人工敲击比较费时。典型的敲击检测是使用硬币或塑料棒连续不断地轻敲层压板表面，其声学响应反映了复合材料结构的完整性。清晰明亮的声音表明固体结构粘接良好；沉闷或低沉的声音表明失效或分层。这种方法类似于日常生活中用拍击法挑选西瓜。

3.2.2 声阻法

声阻法就是又叫机械阻抗法，常用于层板胶接结构或蜂窝结构的脱胶缺陷的检测。它基本原理是通过测量工件被测点振动力阻抗的变化来确定是否有缺陷的存在。由于检测时不需要在探头和被测表面加液体的耦合剂，因此适合于难以维持超声检测耦合剂的现场检测。

3.2.3 声谐振法

声谐振法是复合材料胶接结构和蜂窝结构常用的检测方法，技术实质上是声阻法的一种特例，它能检测脱粘、气孔、分层等缺陷。该方法可作为外场检测的一种重要手段。它的原理是利用电声换能器将不同频率的超声波入射到试件上，通过扫频振荡电路实现频率连续调整，使试件发生谐振，由于试件的谐振频率随工件厚度而改变，当胶接试件上存在未粘合等缺陷时，将只能在试件缺陷上界面到检测面之间发生厚度共振，因而能够检出缺陷所在的位置及深度。

3.2.4 超声检测技术

传统的超声检测法仍然是复合材料无损检测的手段之一，通常采用反射法、穿透法检查复合材料的分层、破损及蜂窝结构积水。它的基本原理是：定向发射的超声波束在被测工件中传播时遇到缺陷，即产生波的反射又产生波的衰减，经过信号处理，如采用反射法可获得缺陷回波信号，如采用穿透法可凭借透过波的衰减程度获得缺陷信号。它的优点是:(1)对确定内部缺陷的大小、位置、埋深等参数比其它的无损方法有综合的优势；(2)检测设备简单，可作为现场检测。缺点是检测可靠性低。

3.3 射线检测技术

射线检测技术是很有效的复合材料无损检测技术，通常适用于层板结构中的孔洞类缺陷、夹杂、垂直于表面的裂纹和夹芯结构中的芯子变形、开裂、积水等缺陷的检测。基本原理是当射线透过被检工件

时，有缺陷部位与无缺陷部位对射线的吸收能力不同，通过有缺陷部位的射线强度高于无缺陷部位的射线强度，因而可以通过射线强度的差异来判断是否存在缺陷。目前我国民航维修中主要使用的是X射线照相法。

3.4 热学方法检测技术

热学方法检测技术包括光电检测、红外检测、温差电检测等方法。其中红外热成像技术在中国民航应用最多，基本原理是利用热像仪以热图的方式非接触地测定被检工件表面的温度分布及等温线轮廓，通过温度分布找出异常发热点来判断是否存在缺陷，它对于蜂窝结构内的积水检测非常有效。红外热成像检测技术被空中客车公司作为其A300系列飞机的检测方法之一。

3.5 光学方法检测技术

光学方法检测技术包括光全息术技术、激光全息技术、错位散班干涉技术。随着激光技术的发展，激光全息照相检测在无损检测领域的应用越来越多了，它的基本原理是将物体表面和内部的缺陷，通过外界加载的办法，使其在相应的物体表面造成局部的变形，用全息照相来观察和比较这种变形，记录下不同外界载荷作用下的物体表面的变形情况，进行观察和分析，然后判断并检出物体的内部缺陷。可用于检测蜂窝结构、胶接结构以及薄壁构件的裂纹、脱粘、未粘合等缺陷。

4 结语

复合材料的无损检测对于我国民航是新生事物，我国民航新引进的飞机多是基于损伤容限理念设计的航空器，对于无损检测的要求非常高，不仅需要对缺陷进行定性分析，并且要求定量分析。因此我们有必要进一步学习一些的先进的检测手段，来提高我国民航的复合材料结构的无损检测水平。

参考文献

[1]中国机械工程学会无损检测学会.无损检测概论[M].北京:机械工业出版社,1993:247.

[2]民航无损检测人员资格鉴定与认证委员会.航空器无损检测综合知识[M].北京:中国民航出版社.

[3]刘琪峰.航空无损检测诊断标准与新技术应用及规范操作全书[M].中国知识出版社.

[4]肖宁辉.现代无损检测新技术新工艺与应用技术标准大全[M].银声音像出版社.