航空復(fù)合材料無損檢測(cè)技術(shù)發(fā)展

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摘要：本文通過分析梳理了航空復(fù)合材料無損檢測(cè)及評(píng)估領(lǐng)域在最近10年間的重大研究成果，重點(diǎn)解析了航空復(fù)合材料NDT&E技術(shù)及其發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了多種NDT&E方法在航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造、服役及維修中的應(yīng)用實(shí)效，最后總結(jié)了航空復(fù)合材料NDT&E技術(shù)當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)，并且分析了未來發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：無損檢測(cè)；復(fù)合材料；缺陷評(píng)估；超聲檢測(cè)

目前，航空領(lǐng)域廣泛應(yīng)用了性能優(yōu)越的復(fù)合材料，從而對(duì)復(fù)合材料的無損檢測(cè)及評(píng)估技術(shù)提出了強(qiáng)烈需求和更高要求，它也由此成為了業(yè)內(nèi)普遍關(guān)注的研究熱點(diǎn)。比如，飛機(jī)機(jī)翼、機(jī)身等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部位大多選用碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，在對(duì)此類復(fù)合材料進(jìn)行檢測(cè)及評(píng)估時(shí)優(yōu)選NDT&E技術(shù)，這一現(xiàn)實(shí)需求有力推動(dòng)了復(fù)合材料NDT&E技術(shù)的向前發(fā)展。通過文獻(xiàn)分析發(fā)現(xiàn)，近年來國內(nèi)外陸續(xù)刊出了多篇關(guān)于復(fù)合材料NDT&E技術(shù)的學(xué)術(shù)專著，涉及新的復(fù)合材料成型工藝、新的航空復(fù)合材料、新的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)等多個(gè)方面，這意味復(fù)合材料NDT&E技術(shù)已經(jīng)提升到更高的技術(shù)水準(zhǔn)，并且同步推出了復(fù)合材料NDT&E的新儀器、新方法，從而為推廣和應(yīng)用復(fù)合材料NDT&E技術(shù)提供了保障。

1復(fù)合材料NDT&E技術(shù)相關(guān)研究

1.1超聲檢測(cè)技術(shù)的研究

查閱相關(guān)資料，發(fā)現(xiàn)學(xué)術(shù)界和工程界都將超聲檢測(cè)作為主要的復(fù)合材料NDT&E方法，近年來的研究主要聚焦于以下兩個(gè)方面：其一，聲波時(shí)域行為的探究和利用，深入探究超聲波在復(fù)合材料中產(chǎn)生的不同聲波信號(hào)的時(shí)域特性，通過分析穿透信號(hào)或超聲回波的傳播時(shí)間、幅值、衰減等時(shí)域特征，來支撐針對(duì)復(fù)合材料的超聲檢測(cè)功能；其二，聲波頻域特性的研究與應(yīng)用，分析超聲波在復(fù)合材料中形成的聲波信號(hào)的頻域特性，據(jù)此表征及評(píng)估復(fù)合材料存在的缺陷。主要分為：以單聲源為基礎(chǔ)的超聲檢測(cè)技術(shù)、以陣列聲源為基礎(chǔ)的超聲檢測(cè)技術(shù)、激光超聲檢測(cè)方法以及超聲導(dǎo)波檢測(cè)方法。

1.2X射線檢測(cè)技術(shù)的研究與進(jìn)展

當(dāng)前，復(fù)合材料X射線檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用較為廣泛，包括蜂窩芯的檢測(cè)、微結(jié)構(gòu)的表征、特殊復(fù)合材料結(jié)構(gòu)部位的缺陷表征及評(píng)估。Dietrich利用μ–CT方法開展了蜂窩夾芯微觀和介觀結(jié)構(gòu)的3D層析試驗(yàn)，證實(shí)了μ–CT方法能夠準(zhǔn)確表征蜂窩芯的微觀、介觀結(jié)構(gòu)和沖擊變形，配合3D圖像分析技術(shù)，還能夠表征面板纖維的取向以及蜂窩芯的幾何形變。目前，μ–CT方法常用于小試樣的微結(jié)構(gòu)表征、變形分析以及微缺陷評(píng)估等。

1.3紅外熱像檢測(cè)方法的研究

近年來，針對(duì)紅外檢測(cè)技術(shù)的研究聚焦于脈沖紅外熱像方法，即通過試樣檢測(cè)的方法探究脈沖紅外熱像方法對(duì)于較大尺寸的人工缺陷、損傷的檢測(cè)效果。目前，紅外熱像檢測(cè)方法在復(fù)合材料制造階段的適用性不佳，尚未實(shí)現(xiàn)應(yīng)用普及。

1.4ESPI檢測(cè)方法的研究

創(chuàng)建ESPI檢測(cè)技術(shù)的最初目的就是實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合材料或者特別情景的損傷進(jìn)行檢測(cè)，國外對(duì)此項(xiàng)檢測(cè)技術(shù)的研究進(jìn)展較快。比如，Choi利用激光源Nd組織了RDPI檢測(cè)試驗(yàn)，即利用ESPI檢測(cè)技術(shù)對(duì)復(fù)合材料蜂窩結(jié)構(gòu)中由沖擊造成的分層現(xiàn)象進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)。

2復(fù)合材料NDT&E技術(shù)應(yīng)用

2.1復(fù)合材料NDT&E技術(shù)的應(yīng)用方向

當(dāng)前，通過對(duì)復(fù)合材料NDT&E技術(shù)的探究我們可以總結(jié)出其主要應(yīng)用于如下：（1）探究NDT&E新機(jī)制；（2）探究NDT&E新技術(shù)；（3）NDT&E的利用和研究，包括新工藝準(zhǔn)則的設(shè)置、新裝備的研制等?；诖?，復(fù)合材料NDT&E技術(shù)正朝向以下四個(gè)應(yīng)用方向進(jìn)展，具體來說：（1）面向復(fù)合材料研發(fā)過程中的NDT&E。緊隨復(fù)合材料的研發(fā)步調(diào)，基于NDT&E技術(shù)、方法對(duì)復(fù)合材料的內(nèi)部缺陷進(jìn)行表征及評(píng)估，以及利用超聲NDT&E檢測(cè)方法揭示復(fù)合材料的微結(jié)構(gòu)及彈性性能，逐步建立起面向復(fù)合材料研發(fā)過程的NDT&E方法體系，并且為復(fù)合材料缺陷評(píng)估提供基礎(chǔ)判據(jù)。（2）面向復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造過程中的NDT&E。選用適當(dāng)?shù)腘DT&E技術(shù)，在復(fù)合材料的加工制造過程中，對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行無損檢測(cè)和評(píng)估，并未復(fù)合材料的工藝改進(jìn)和質(zhì)量控制提供依據(jù)。面向復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造過程中的NDT&E通常選用技術(shù)成熟的檢測(cè)方法，而且必須在制造現(xiàn)場(chǎng)或原位來施行。

2.2超聲檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

目前，超聲檢測(cè)技術(shù)是最為常用的復(fù)合材料NDT&E檢測(cè)方法，結(jié)合實(shí)務(wù)應(yīng)用情況，超聲檢測(cè)方法主要應(yīng)用于以下場(chǎng)景：（1）復(fù)合材料的缺陷表征及評(píng)估。（2）復(fù)合材料工藝研發(fā)過程中的缺陷檢測(cè)及評(píng)估。（3）復(fù)合材料結(jié)構(gòu)研制階段的NDT&E。（4）復(fù)合材料工藝制造階段的NDT&E。

2.3X射線檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用總結(jié)

X射線檢測(cè)技術(shù)在復(fù)合材料檢測(cè)領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀，如下：（1）針對(duì)試樣試片的微結(jié)構(gòu)分析及表征，比如，利用μ–CT方法對(duì)復(fù)合材料的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，以及對(duì)復(fù)合材料的微氣孔進(jìn)行分析；（2）測(cè)試復(fù)合材料中是否存在高密度夾雜物；（3）揭示復(fù)合材料蜂窩夾芯的結(jié)構(gòu)。歸納來說，經(jīng)過長期的研發(fā)、試驗(yàn)，X射線檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)了工業(yè)級(jí)應(yīng)用，被認(rèn)為是最具潛力的航空復(fù)合材料蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)檢測(cè)方法，而且DR檢測(cè)技術(shù)在實(shí)踐中已經(jīng)被證實(shí)具備良好的檢測(cè)效果，并且不會(huì)排除廢物廢液，缺陷檢測(cè)速度較高，大有取代傳統(tǒng)膠片照相法的勢(shì)頭。CT檢測(cè)方法通常被認(rèn)為是超聲檢測(cè)方法的補(bǔ)充，能夠?qū)δ承┨厥獾膹?fù)合材料結(jié)構(gòu)部位或零部件制品進(jìn)行檢測(cè)，可是CT檢測(cè)方法并不適用于對(duì)較大尺寸的復(fù)合材料板類制件、存在面積型缺陷的復(fù)合材料以及翼身類壁板結(jié)構(gòu)等進(jìn)行檢測(cè)。

3復(fù)合材料NDT&E技術(shù)發(fā)展面臨挑戰(zhàn)

3.1復(fù)合材料NDT&E技術(shù)發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)

以下從四個(gè)方面解析航空復(fù)合材料NDT&E技術(shù)當(dāng)前發(fā)展所面臨的技術(shù)調(diào)整，具體如下：（1）在超聲檢測(cè)技術(shù)方面：超聲檢測(cè)技術(shù)是當(dāng)前最為常見的航空復(fù)合材料無損檢測(cè)技術(shù)，面向日益更新的復(fù)合材料、材料結(jié)構(gòu)以及制造工藝，需要不斷創(chuàng)新缺陷識(shí)別機(jī)理、檢測(cè)技術(shù)以及缺陷判據(jù)，這是超聲檢測(cè)技術(shù)后續(xù)發(fā)展的重要風(fēng)險(xiǎn)；航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)正朝向復(fù)雜化、大型化的分析發(fā)展，傳統(tǒng)超聲檢測(cè)技術(shù)在應(yīng)用中效果不佳，而應(yīng)當(dāng)著力研發(fā)具有多維特征的快速可視化檢測(cè)技術(shù)，建立起工業(yè)級(jí)的智能化、可視化檢測(cè)系統(tǒng)，這也是超聲檢測(cè)未來發(fā)展所面臨的重要技術(shù)難題。（2）在X射線檢測(cè)技術(shù)方面：目前，許多X射線檢測(cè)技術(shù)業(yè)已實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用，但是多數(shù)檢測(cè)方法在應(yīng)用中都存在不足，比如排放廢物廢液，損害自然環(huán)境等，因此，后續(xù)研究應(yīng)當(dāng)致力于研發(fā)環(huán)境友好型X射線檢測(cè)技術(shù)，比如，大力發(fā)展DR檢測(cè)技術(shù)，尤其通過技術(shù)改進(jìn)提高其檢測(cè)分辨率，最終取代傳統(tǒng)的膠片照相法。（3）在聲振、ESPI檢測(cè)、紅外等檢測(cè)技術(shù)方面：針對(duì)特定的復(fù)合材料或者特殊的檢測(cè)環(huán)境，研制出易于實(shí)現(xiàn)、易于控制的加載技術(shù)，在此基礎(chǔ)上提出可以實(shí)現(xiàn)快速檢測(cè)以及輸出可視化結(jié)果的復(fù)合材料缺陷檢測(cè)方法。

3.2復(fù)合材料NDT&E技術(shù)發(fā)展新的探索

根據(jù)復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展趨勢(shì)，尤其注意復(fù)合材料智能制造的發(fā)展需求，不斷研發(fā)新的智能化、可視化、環(huán)境友好型的NDT&E技術(shù)、方法及裝備，為未來的復(fù)合材料全壽命設(shè)計(jì)和智能制造等實(shí)務(wù)工作提供技術(shù)支持。歸納來說，不管何種NDT&E檢測(cè)技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用都必將經(jīng)歷一段漫長的發(fā)展時(shí)期，期間必將遭遇多重挑戰(zhàn)，其技術(shù)軌跡可以提煉為“檢測(cè)→評(píng)估→智能檢測(cè)→智能評(píng)估→智慧檢測(cè)→智慧評(píng)估→智慧預(yù)測(cè)”，這項(xiàng)偉大的工作需要更多地科研人員付出精力和熱情。

4結(jié)語

根據(jù)文獻(xiàn)分析的結(jié)果，超聲檢測(cè)是目前最為常見的復(fù)合材料NDT&E檢測(cè)技術(shù)，選用適當(dāng)?shù)某暀z測(cè)方法，通過分析超聲波在復(fù)合材料中的傳播行為及其變化規(guī)律，能夠揭示出復(fù)合材料可能存在的缺陷、損傷，還能夠快速識(shí)別出復(fù)合材料檢的缺陷類型及其損傷程度，超聲檢測(cè)技術(shù)符合復(fù)合材料工程智能化、可視化、自動(dòng)化NDT&E的發(fā)展方向，還能對(duì)接于復(fù)合材料的智能制造，這使其表現(xiàn)出著旺盛的研發(fā)活力。面向日益更新的復(fù)合材料新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝以及不斷提高的檢測(cè)需求，超聲NDT&E技術(shù)正面臨艱巨的技術(shù)難題，需要通過技術(shù)改進(jìn)、技術(shù)創(chuàng)新的方式予以攻克。

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作者：唐國棟 單位：四川航空股份有限公司工程技術(shù)分公司