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。
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。
2.1 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。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 .5 mm 。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,箭头所指的白色区域即为纤维束间的细小缺陷。从中还能清晰地看出, 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。
2.2 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。
2.3 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物理数学关系, 因此, 通常复合材料构件都要求采用超声方法进行100 %无损检测。大量的研究和应用也表明, 超声是目前国内外复合材料无损检测最为实用有效、应用最为广泛的无损检测技术, 它能可靠地检测出复合材料中的分层、疏松、孔隙等大部分危害性缺陷。基于超声反射回波原理, 目前可以检测到复合材料内部微细缺陷信息, 采用超声层析检测技术还可以得到复合材料结构内部不同深度、不同截面位置的C 扫描、T扫描和B 扫描检测结果。对于一些特殊的复合材料结构, 或者特殊缺陷(如夹层结构中的芯缺陷)及重要部位(如连接接头和较为受力部位), 则采用X 射线照相法辅助检测。利用X 射线衰减原理, 可以检测出引起材料厚度或密度1 %～ 2 %变化的缺陷, 但对于碳纤维/树脂基复合材料, 由于其密度小、缺陷大多位于铺层之间, 缺陷的存在引起的厚度变化非常小, 因此, X 射线照相法一般不用于这类复合材料的无损检测, 它主要用于夹层结构的无损检测。
声显微和超声层析是揭示复合材料内部微细规律的精细无损检测技术。
在众多的无损检测方法中, 目视检测、敲击法检测、超声谐振法检测是最为廉价的复合材料无损检测方法。
超声相关、X 射线背散射、声-超声、声发射等检测技术, 都在复合材料无损检测中寻找应用空间, 但在复合材料研究和结构件制造过程中, 目前还较难找到应用场合。
未来的复合材料无损检测将更加追求快速高效,因此, 基于干涉原理和温度场分布原理的激光全息干涉检测技术和热/红外成像检测技术, 因其具有非接触、可大面积扫描、快速等特点, 将成为复合材料结构无损检测的良好技术。但目前还必须突破一些技术难题, 赋予这些检测技术新的工程应用内涵, 才能使其广泛用于复合材料结构的无损检测。
4 复合材料无损检测技术的发展
未来复合材料的无损检测技术应围绕以下几个方面开展研究。
(1)针对复合材料装机结构件的快速高效无损检测技术。
赋予传统复合材料无损检测新的技术内涵, 使之更适合未来复合材料的低成本设计、制造和装机应用主流, 通过提高传统检测技术的功效, 达到提高检测效率、降低检测成本的目的。开展无损检测新技术和新方法的研究, 探索研究适合复合材料的快速高效无损检测技术和方法。美国等复合材料用量较大的国家,自90 年代后期已经开始将复合材料无损检测技术研究的重点转移到快速高效的无损检测方向, 而且有了初步应用成果。
(2)针对新型复合材料的无损检测技术。
与发达国家相比, 目前我国复合材料无损检技术的研究深度和发挥作用的程度还远远不够。在复合材料及其应用研究过程中, 如果能很好地掌握其内部微细规律, 对复合材料工艺制订、结构制造等将具有重要的作用和意义。复合材料的一个重要结构特征就是内部各组分之间物理界面复杂, 如果能利用无损检测技术得到这些界面的全部信息, 将会对材料研究和工艺分析起十分重要的指导作用。
(3)复合材料无损检测技术的升华。
未来复合材料无损检测只有与材料的性能、结构件的寿命和剩余强度密切结合, 才能发挥更大的作用。近年来国外已经在这方面开展了大量的研究工作。
(4)国内复合材料无损检测硬件的自主建设。
复合材料无损检测也是一个技术产业, 其研究成果和效益在很大程度上是通过为复合材料应用部门提供无损检测硬件平台和技术支持来实现的。必须经过自身的努力和投入才能得到一流的技术, 形成自己的技术产业, 发挥效益, 复合材料无损检测行业也不例外, 真正的技术和手段必须通过自主研究和开发, 当然, 可以充分利用国际技术平台, 但不应盲目地采购实物。
