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技术复合材料无损检测概述

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复合材料的无损检测

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复合材料的无损检测

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

第二章复合材料无损检测方法

第一章：

绪论

1.1复合材料

复合材料（Compositematerials），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，在宏观上组成具有新性能的材料。

各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。

复合材料的基体材料分为金属和两大类。

金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其。

非金属基体主要有、、陶瓷、、碳等。

增强材料主要有、碳纤维、、、、石棉纤维、、金属丝和硬质细粒等

再生树脂复合材料

复合材料中以纤维增强材料应用最广、用量最大。

其特点是比重小、比强度和比模量大。

例如碳纤维与环氧树脂复合的材料，其比强度和比模量均比钢和铝合金大数倍，还具有优良的化学稳定性、减摩耐磨、自润滑、耐热、耐疲劳、耐蠕变、消声、电绝缘等性能。

石墨纤维与树脂复合可得到膨胀系数几乎等于零的材料。

纤维增强材料的另一个特点是各向异性，因此可按制件不同部位的强度要求设计纤维的排列。

以碳纤维和碳化硅纤维增强的铝基复合材料，在500℃时仍能保持足够的强度和模量。

碳化硅纤维与钛复合，不但钛的耐热性提高，且耐磨损，可用作发动机风扇叶片。

碳化硅纤维与陶瓷复合，使用温度可达1500℃，比超合金涡轮叶片的使用温度（1100℃）高得多。

碳纤维增强碳、石墨纤维增强碳或石墨纤维增强石墨，构成耐烧蚀材料，已用于航天器、火箭导弹和原子能反应堆中。

非金属基复合材料由于密度小，用于汽车和飞机可减轻重量、提高速度、节约能源。

用碳纤维和玻璃纤维混合制成的复合材料片弹簧，其刚度和承载能力与重量大5倍多的钢片弹簧相当。

1.2无损检测

无损检测（Non-destructivetesting），就是利用声、光、磁和电等特性，在不损害或不影响被检对象使用性能的前提下，检测被检对象中是否存在或不均匀性，给出缺陷的大小、位置、性质和数量等信息，进而判定被检对象所处技术状态（如合格与否、剩余寿命等）的所有技术手段的总称。

从事无损检测的人员需要接受专业的培训，获得资质才能持证上岗。

各个国家、区域、机构针对无损检测培训资质认证均有不同的要求，受训前应该了解清楚，选择合适的标准、机构进行相关的培训与考核。

　常用的无损检测方法：

检验（RT）、（UT）、（MT）和液体（PT）四种。

其他无损检测方法：

（ET）、（AT）、热像/红外（TIR）、泄漏试验（LT）、交流场测量技术（ACFMT）、漏磁检验（MFL）、远场测试检测方法（RFT）等。

无损检测的主要目的之一，就是对非连续加工（例如多工序生产）或连续加工（例如自动化生产流水线）的原材料、半成品、成品以及产品构件提供实时的工序质量控制，特别是控制产品材料的冶金质量与生产工艺质量，例如缺陷情况、组织状态、涂镀层厚度监控等等，同时，通过检测所了解到的质量信息又可反馈给设计与工艺部门，促使进一步改进设计与制造工艺以提高产品质量，收到减少废品和返修品，从而降低制造成本、提高生产效率的效果。

由此可见，在生产制造过程中采用无损检测技术，及时检出原始的和加工过程中出现的各种缺陷并据此加以控制，防止不符合质量要求的原材料、半成品流入下道工序，躲免徒劳无功所导致的工时、人力、原材料以及能源的浪费，同时也促使设计和工艺方面的改进，亦即躲免出现最终产品的“质量不足”。

另一方面，利用无损检测技术也可以根据验收标准将材料、产品的质量水平控制在适合使用性能要求的范围内，躲免无限度地提高质量要求造成所谓的“质量过剩”。

利用无损检测技术还可以通过检测确定缺陷所处的位置，在不影响设计性能的前提下使用某些存在缺陷的材料或半成品，例如缺陷处于加工余量之内，或者允许局部修磨或修补，或者调整加工工艺使缺陷位于将要加工去除的部位等等，从而可以提高材料的利用率，获得良好的经济效益。

因此，无损检测技术在降低生产制造费用、提高材料利用率、提高生产效率，使产品同时满足使用性能要求（质量水平）和经济效益的需求两方面都起着重要的作用。

1.3复合材料的无损检测

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、烧伤等。

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

1.4复合材料在民用飞机上的应用概况

70年代初期,波音等厂家开始研究用复合材料来减轻飞机结构重量,飞机扰流板、整流罩、方向舵和水平安定面等部件逐步采用复合材料制造。

到90年代,复合材料在飞机上的应用更为广泛,玻璃纤维、碳纤维、卡夫隆、碳纤维/卡夫隆复合材料结构占了飞机总面积30%以上（以波音777为例）,随着复合材料的广泛应用,复合材料的检测也显得越来越重要。

复合材料中最常见缺陷为脱胶和未粘接,采用超声穿透法、脉冲反射法、粘接检测器及射线照相进行检测。

超声穿透法是常用的方法,常采用单通道到六通道声C扫描对蜂窝结构材料及层状复合材料进行分层和脱胶检查,也可采用喷水穿透法探头架进行自动或手动检查,对于边缘及曲率大的部分多采用直接接触法手动检查,检查频率为1～2125MHz。

在役飞机维护检查中,复合材料存在的最常见的缺陷有撞击、雷击、侵蚀等损伤以及应力疲劳裂纹、变形、撕裂、孔洞边缘损伤、分层、脱胶、蜂窝结构单元渗水、燃烧/过热等。

目视检查是维修检查中常见的基本方法;其它无损检测方法用于评估损伤情况,精确测定受损面积。

复合材料经修补后也需采用无损检测方法进行检查。

对某些部件采用目视检查与无损检测相结合。

复合材料无损检测方法有渗透、射线、红外、液晶、超声和涡流法等。

第二章：

复合材料无损检测方法

2.1、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。

基本原理：

如图6-1当射线穿过被检测物体后，由于被检测物体的成分、密度、厚度等不同，致使射线穿过物体后产生不同的吸收和散射、衍射等特性。

根据射线穿过物体的这些特性的变化，可对该物体的重量、尺寸、特性等作出判断。

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。

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，基本原理如图6-60所示，来自射线源的一束锥形X射线经过射线准直器后以薄片扇面形状照射被测工件的某一断面，射线透射过工件后会产生能量衰减，衰减量与射线的透照厚度及被测工件一定厚度的薄片断面（断面厚度由射线厚度决定）上各点的线衰减系数有关。

置于工件后方的图像数据采集系统（包括图像曾强器、CCD和采集卡等）接收到透射线后，将其转换为与各接收点所接收到的射线能量相对应的数据信号，并送往计算机进行数据处理。

均匀旋转工件，则可变换射线的入射角度，得到一系列新的数据点。

计算机根据接收到的射线能量数据，可得出不同入射角度的X的不同点的能量衰减值。

同时，由于工作断面形状不变，则不同入射角度的射线所经过的透射厚度可确定。

计算机根据这些已知数据，可计算出透射断面内各点的线衰减系数。

不同的线衰减系数赋予不同颜色，则计算机便可根据各点的线衰减系数勾画出被测工件的平行于射线入射方向的断面图像。

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，以躲免产生误检。

3.微波检测法

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。

2.2、超声检测技术

超声无损检测技术是复合材料非常重要的检测手段，其使用的检测频率通常0.5~25MHZ。

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

超声脉冲通过探头发射进入待检测材料，并对反射和穿透信号进行分析，以得到材料结构的相关信息。

采用一个探头兼作发射和接收器件，接收信号在探伤仪的荧光屏上显示，并根据缺陷及底面反射波的有无，大小及其在时基轴上的位置来判断缺陷的有无、大小及其方位。

直接接触脉冲反射法检测原理如图2-1所示。

反射波的强弱以及方向主要取决于界面两侧介质的声阻抗z1和z2。

例如，当2z1>z2时，界面反射系数y二Pr/P0＝（z2-z1）/（z2+z1）<0，反射波声压pr与入射波声压p0相位相反，反射波与人射波合成声压的振幅减小。

例如，超声平面波由钢中垂直人射到钢／水界面的情况（见图2-2a）。

反之，当z2>z1时，y=Pr/P0=（z2-z1）/（z2+z1）>0，反射波声压Pr与入射波声压P0同相位，界面上反射波与入射波发生叠加，形成类似驻波，合成声压振幅增大为Pr+P0。

例如，超声平面波由水中垂直人射到水／钢界面的情况（见图2-2b）。

检测技术：

用于自动化检测的设备通常使用3种耦合方式，从使从探头发射的超声有效进入待检零件，他们分别是接触法、水浸法和喷水法。

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。

内置高精度超声扫描显微镜体系（HIPSAM）的扫描超声显微镜，已被成功地应用于复合材料特性研究。

这套系统是实验室型的，其探测空间距离可小至1um，操作频率可达200MHZ。

超声显微镜的基本原理是，利用宽10um-20um、深20um的表面超声波束的传播行为，探测到在物体中声波传送特性（衰减和速度）的改变，将此信号显示在计算机控制的C扫描显示器上（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。

它主要用于研究材料的基本破坏机理和材料对所处应力及环境的反应，在监测复合材料过程中可获得有关图像。

要实现用超声波对材料进行无损检测，需要通过超声波探伤仪来完成。

目前超声波探伤仪种类很多，分类方法也不相同。

通常按检测缺陷大体可分为A型显示、B型显示和C型显示。

A型显示又称A扫描，它是根据脉冲反射法中的缺陷反射波来反映缺陷，能看到由于缺陷造成的波形。

B型显示也称B扫描，特点是在荧光屏上能显示出沿探头发射脉冲方向剖开缺陷图形。

C型显示则称C扫描，它能显示缺陷的平面图形，是有效检测复合材料缺陷常用的一种方法。

2.3、声发射检测技术

声发射是在材料局部因能量的快速释放而发出瞬态弹性波的现象，是材料在应力作用下的变形、形成裂纹与裂纹扩展。

声发射波的频率范围很宽,从次声波、声波到超声波，其幅度从微观的位错运动到大规模的宏观断裂。

弹性波在经介质传播后到达被检体表面，引起工件表面的机械振动。

传感器将表面的瞬态位移转换成电信号，声发射信号经放大、处理后形成其特性参数，被记录与显示。

经数据的解释，可评定声发射源的特性。

2.4、视觉检测技术

视觉检测俗称目视监测，是重要的无损检测方法之一。

顾名思义，它是利用人眼的视觉或加上辅助工具、仪器等来对试件表面进行直接或间接的侦查及检视，从而判断各种表面缺陷的一种无损检测技术。

在所有的无损检测方法中，此种方法最方便、最经济，也是在进行所有检测作业之前、中、后经常必须进行的检测方法。

它的主要优点是简单、快速。

主要缺点是仅能检查零件表面情况，而且表面可能需要做好某些准备，如清洗、去除油漆氧化皮及污渍、喷砂或喷丸等。

另外，目视检测受人的影响因素较大，主要有：

1、检查员的自身状况：

如感冒、头疼、头晕和其他不舒服的症状，以及疲劳，年龄，视力，熟练度，个人差异检查姿势等；

2、精神条件：

如家庭的烦恼、心情不愉快、精神无法集中等；

3、作业环境的条件：

照明，检查场所的气温、湿度、环境，作业平台，日夜的差异，检测物速度的差异、表面状况，作业是否单调等。

2.5、传感器检测技术

1.光纤传感器测试技术

与传统的传感器相比,光纤应变传感器具有一系列的优点,如稳定性好、可靠性高、精度高、抗电磁干扰、结构简单、便于与光纤传输系统形成遥测网络而且不会破坏复合材料自身的完整性。

因此，可以将其埋入或者贴在复合材料结构内，实现对复合材料结构长期和在线的实时检测。

南京航空航天大学飞行器系的研究人员基于埋设在复合材料层板中的多方位多模光纤网络的特点，提出了检测层板内部发生多处横向冲击损伤的重构算法。

根据光纤损伤图像检测系统获得的图像信号，可实时、定量、直观重构并显示出层板内部各处损伤的位置和各处的损伤程度。

2.压电传感器复合材料脱层检测

基于压电元件的在线检测方法是把压电元件使用环氧树脂或其他粘合剂直接贴到被测结构的表面或埋入层状结构。

国外的Swann,Cynthia等研究人员研究了优化的压电传感器复合材料脱层检测。

其研究表明，传感器的最佳位置是一个检测损伤复合材料结构的关键问题。

其目的是利用最低数量的传感器，放置在正确的位置，以便从确定的传感器收到的电压信号来发现存在和受损程度。

用统计模型，在板块中损伤分布的概率就能够确定。

国内基于压电阵列，李刚、石利华等研究人员研究了兰姆波检测技术。

2.6、其他检测方法

1.液晶图像检测法

该方法利用液晶随温度变化而变色的原理来进行检查，用抽真空将液晶薄膜紧贴在蜂窝结构下方外表蒙皮上（即靠近水的一方），再用加热器对液晶薄膜加温，有水的部位热量被水吸收，升温慢；无水的部位升温快，使得液晶薄膜上呈现与含水区域变化相对应的液晶图像。

该方法检测除需要液晶薄膜外,还需真空袋、抽真空皮球及耦合剂等辅助材料，操作较复杂，且检测图像不能保存。

Khatibi，AkbarAfaghi等研究人员研究了液晶热传感在复合材料分层无损检测中的应用。

在这项研究中，一种新技术使用热变色液晶（薄层色谱）热介绍来评估这些机构。

通过敏感的液态晶体产生温度梯度用于检测复合材料脱层标本。

对组成材料和脱层大小/地点的影响进行调查。

薄层热的结果与从红外热像得到的结果比较。

最后,对新方法的优点/缺点进行了讨论。

在这项研究基础上,得出结论,薄层色谱法热可作为一种廉价的非破坏性检验复合材料结构试验方法。

2.涡流检测法

可用于检查碳纤维/环氧树脂复合材料表面、次表面的裂纹和纤维损伤。

由于随着纤维编织排列花样和环氧树脂配比不同，材料电导率有差异,检测涡流场与碳纤维/环氧树脂的空间相关位置不同，电导率也不同。

因而每块碳纤维/环氧树脂复合材料都有其不同的涡流场特性，直接影响涡流检测的检测灵敏度。

由于以上特点，决定碳纤维/环氧树脂复合材料的涡流检测不同于金属涡流检测，人员需专门培训。

3.敲击法

这是最常用的一类复合材料结构无损检测方法，最早是利用硬币、棒、小锤等物敲击蒙皮表面，仔细辨听声音差异来查找缺陷。

在此基础上发展起来的智能敲击检测法是利用声振检测原理，通过数字敲击锤激励被检件产生机械振动，经测量被检件振动的特征来判定胶接构件的缺陷及测量胶接强度等，可用于蜂窝状结构检测、复合材料检测、胶接强度检测等。

4.激光全息无损检测法

对被检测构件施加一定载荷后（力载荷或热载荷），构件表面的位移变化与材料内部是否存在分层性缺陷及构件的应力分布有关，内部存在分层性缺陷及应力集中区的位移量大于其他区域的位移量。

国内研究人员跟随国际上先进技术的发展方向,在复合材料无损检测研究领域进行了卓有成效的探索与研究，并取得了较好的研究成果。

由于复合材料的应用与航空航天技术的发展有着密切的联系，所以国内在这方面研究较深入的主要单位有各航空航天相关的研究所及院校,如北航,南航,航空材料研究院。

南京理工大学、浙江大学及中北大学在无损检测的理论方面都有较深入研究。

西北工业大学在无损检测信号处理技术方面也做了不少工作。

天津工业大学在三维编制复合材料的研究及其检测领域也开展了有益的研究并取得了不错的成绩。

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