脈沖熱像法在航空復合材料構件無損檢測中的應用

劉穎韜， 郭廣平， 楊黨綱， 何方成， 霍 雁， 趙石彬

(1北京航空材料研究院，北京 100095;2北京理工大學光電學院，北京 100081;3北京航空航天大學材料科學與工程學院，北京 100191)

先進復合材料以其優異的性能，現已廣泛應用于航空、航天器和各種武器裝備，對促進結構的輕量化、小型化和高性能化起了至關重要的作用。目前先進復合材料已與鋁合金、鈦合金、合金鋼一起成為航空航天的四大結構材料。先進復合材料具有比強度和比模量高、性能可設計和易于整體成形等許多優異特性，將其用于飛機結構上，可比常規的金屬結構減重25%～30%，并可明顯改善飛機氣動彈性特性，提高飛行性能，這是其他材料無法或難以實現的。先進復合材料的廣泛應用還可以進一步推進隱身和智能結構設計技術的發展，因此，先進復合材料在飛機上應用的部位和用量的多少，現已成為衡量飛機結構先進性的重要指標之一［1］。

復合材料常見的缺陷有分層、脫粘、夾雜、孔隙率超差、疏松、貧脂或富脂等。所采用的檢測方法有超聲、射線、渦流和激光錯位散斑等。此外對于某些玻璃纖維復合材料構件，如雷達罩，還可以采用目視和敲擊法進行檢測。隨著復合材料的不斷發展，形狀和結構越來越復雜的構件不斷出現，對無損檢測提出了更高的要求，需要不斷建立新的檢測方法或實施新的檢測方式以應對挑戰。

紅外熱像(熱波)檢測是一種較新的無損檢測技術，具有檢測速度快、非接觸、無污染、對構件近表缺陷和特征敏感的特點，適于復合材料構件缺陷快速檢測、在役檢測和構件修補后的檢測，如層合板的分層缺陷、蜂窩夾層結構和泡沫夾層結構的分層缺陷與脫粘缺陷的檢測。紅外熱像檢測技術已經在航空工業發達的國家中得到了大量應用，ASTM已經制定了閃光燈激勵紅外熱像檢測標準［2］和航空航天復合材料無損檢測導則［3］，該導則中含有大量有關紅外熱像檢測的內容。國外學者和工程技術人員除了通過新技術的研究，不斷拓展紅外熱像檢測技術的應用領域和檢測能力［4～6］，進行紅外熱像檢測的定量分析研究外［7，8］，還開展了大量工程應用研究，如在飛機構件中的應用研究［9］，檢測時外界環境對檢測結果影響的分析［10］。此外，紅外熱像檢測技術與其他無損檢測技術結合共同解決實際檢測問題，如與渦流檢測相結合，同時對碳纖維蒙皮、鋁蜂窩制件進行缺陷檢測［11］，與X射線檢測結合對碳纖維復合材料中的缺陷進行定量分析［12］，以確定缺陷的尺寸和埋深等。紅外熱像檢測技術在我國也開始受到普遍關注，近兩年相關標準開始制訂。但是，目前國內對紅外熱像技術在復合材料構件無損檢測中的應用，開展的研究還很有限［13～15］，更多的是針對樣件進行實驗和研究。本工作主要研究閃光燈激勵的脈沖熱像法在航空復合材料實際構件檢測中的應用。

1 檢測原理

紅外熱像檢測，是基于紅外輻射原理，通過掃描、記錄或觀察被檢測工件表面由于缺陷或內部結構不連續所引起的熱量向深層傳遞的差別而導致表面溫度場變化，實現檢測表面及內部缺陷或分析內部結構的無損檢測方法。

紅外熱像無損檢測技術針對被檢工件的材質、結構和缺陷類型及檢測條件，設計不同特性的熱源(激勵裝置)并利用計算機和專用軟件對被測工件進行周期、脈沖等函數形式的加熱，采用紅外成像技術對時序熱像信號進行數據采集，使用專用軟件對實時圖像信號進行處理，最終將檢測結果以圖像形式顯示出來，從而達到檢測的目的。

本研究采用的是閃光燈激勵脈沖熱像法。這種方法采用閃光燈陣列對被測構件表面進行脈沖加熱，使用紅外熱像儀探測并記錄被測制件在閃光燈激勵前后的表面溫度分布及其變化，并經過數據分析和處理可獲得被測制件內部的缺陷、損傷和非均勻信息。

圖1 閃光燈激勵脈沖熱像法原理圖Fig.1 Principle of infrared flash thermography

2 檢測設備及影響檢測的參數

本工作中的實驗所采用的設備包括:紅外熱像儀，工作波段為8～9μm，320×240像元，溫度靈敏度在室溫下為0.02K，采樣頻率為60Hz;閃光燈陣列，最大加熱量為9.6kJ，且加熱量可以調節，脈沖寬度為2ms。閃光燈和紅外熱像儀集成在一個矩形遮光罩內。

對于閃光燈加熱方式，影響檢測結果的參數主要包括總的加熱量和加熱時間的長短，熱像儀的采樣頻率和采集時間長度也會影響檢測結果和檢測效率。有缺陷區和無缺陷區的溫差△Tm主要受加熱量的影響，隨加熱量的增加而增大［16］。△Tm的增大有利于缺陷的識別。經實驗發現，隨著加熱量的增加，埋深較深的缺陷越來越清晰，這反映了閃光燈激勵脈沖熱像法檢測能力的提高。在不損壞樣件的條件下，使用更大的加熱量，通常能夠得到更好的檢測結果。對于閃光加熱方式，能量釋放來自電容的放電，放電過程長不利于檢測，所以需要把脈沖控制在很短的時間內，尤其是對于鋁這種熱擴散率高的材料，高熱流密度、短時加熱是一種更為合適的加熱方式［16］。

紅外熱像儀采樣頻率的設定因不同的檢測對象和檢測目的而不同，例如，檢測碳纖維和玻璃纖維復合材料使用的頻率通常要遠低于檢測如鋁蒙皮蜂窩夾層結構的金屬復合材料所使用的頻率。采樣頻率不夠，將直接影響檢測結果，而采樣頻率過高，則造成檢測數據冗長。因此檢測時應通過實驗事先確定好所要采用的采樣頻率。采集時間長度的選擇可以依據對數-溫度曲線圖中缺陷的分離點確定，也可以根據圖像序列中缺陷信號的變化確定。通常綜合參考對數-溫度曲線和一階微分熱圖像序列來確定采集時間長度。確定合理的采集時間長度意義在于可以有效提高檢測效率，在實際工程應用中有明顯的經濟效益。

3 檢測結果及分析

3.1 泡沫夾層結構件的檢測

對某碳纖維蒙皮泡沫芯夾層結構的副翼進行了檢測，蒙皮厚度為1.1mm，由于該構件很長，將其分成3段分別進行檢測。圖2為該構件的噴水穿透法超聲C掃描圖，圖3為該構件A面的閃光燈激勵脈沖熱像法結果，其中(a)和(b)段的檢測結果由于上述兩種方法的檢測方向不同，而導致對應的特征或缺陷區一個在左側，一個在右側(見圖2和圖3)。在紅外結果中不僅發現了超聲檢測出的脫粘區域，而且構件的內部結構也清晰可見，如加強筋和填充物。可見，閃光燈激勵脈沖熱像法給出了更清晰的檢測結果和更加豐富的構件內部信息，該方法適用于薄碳纖維蒙皮泡沫芯夾層結構件的無損檢測。

3.2 蜂窩夾層結構的檢測

對某雷達罩進行維修前的現場檢測。該雷達罩蒙皮材料為玻璃纖維，厚度為0.6mm，蜂窩芯材為Nomex紙蜂窩。對外表面進行了全面檢測，發現原矩形修補區域的四角發生了脫粘，見圖4。罩體多處有積水，如圖5所示，圖中給出了一個積水區的一階微分熱圖。此外還發現了兩處沖擊損傷，見圖6和圖7。可見，閃光燈激勵脈沖熱像法技術適用于薄蒙皮蜂窩夾層結構件的無損檢測，可用于這類復合材料構件的在役檢測。

3.3 復合材料層合板的檢測

對某碳纖維層合板曲面件進行檢測，凸面為外表面，凹面為內表面，實物見圖8，板厚4mm。圖9給出了超聲C掃描的檢測結果。圖10～13為閃光燈激勵脈沖熱像法的檢測結果。從圖10中發現圖9上邊兩個分層缺陷中左側的一個，實際上是一個小缺陷和一個大缺陷的疊加。當在構件內表面檢測時，通過觀察圖像序列發現，最先出現的是小缺陷，藍色文字標識處，然后出現的是相對較暗的大缺陷，即小缺陷疊在大缺陷的上面。從圖11可以看出，2個大缺陷信號很強，說明它們距離外表面比距離內表面近。此外圖11中未見小缺陷，說明它在外表面檢測時被大缺陷遮擋［17］，進一步驗證了該缺陷較大缺陷更接近內表面。圖12和圖13為工件下邊緣的熱像圖，對應圖9下邊緣的缺陷區域。圖13中也發現了大、小缺陷重疊的現象。

圖10 某碳纖維層合板構件上邊緣一階微分熱圖t=10s(在內表面一側檢測)Fig.10 First derivative image at t=10s of an edge of CFRP structure(testing on internal surface)

圖11 某碳纖維層合板構件上邊緣原始熱像圖t=8s(在外表面一側檢測)Fig.11 Infrared image at t=8s of an edge of CFRP structure(testing on external surface)

可見，若只在外表面一側進行檢測，有些埋深較深的小缺陷難以看到，見圖13。這說明閃光燈激勵脈沖熱像法的檢測深度與超聲檢測相比很有限，要想檢測更厚的碳纖維層合板需要改變激勵方式，如嘗試長脈沖加熱方式，或改為振動加載方式。若從內、外兩個表面分別進行檢測，見圖12和圖13的結果，閃光燈激勵脈沖熱像法能夠發現超聲檢測中檢測到的缺陷，只是當缺陷距離檢測表面較遠，即埋深較深時，由于橫向導熱的影響，缺陷邊緣與超聲C掃描結果相比更加模糊。

4 結論

(1)對于薄碳纖維蒙皮泡沫芯夾層結構件，閃光燈激勵脈沖熱像法能夠給出清晰的檢測結果和豐富的構件內部信息，適用于此類復合材料構件的無損檢測。

(2)閃光燈激勵脈沖熱像法同樣適用于薄蒙皮蜂窩夾層結構件的無損檢測，可以檢測出脫粘缺陷、損傷和蜂窩積水，能夠用于此類構件的在役檢測。

(3)對于碳纖維層合板構件，當缺陷埋深較深時，由于橫向導熱的影響，閃光燈激勵脈沖熱像法得到的缺陷邊緣與超聲C掃描結果相比更加模糊。

(4)閃光燈激勵脈沖熱像法的檢測深度與超聲檢測相比很有限，要想檢測更厚的碳纖維層合板需要改變激勵方式。所以閃光燈激勵脈沖熱像法適于檢測厚度較薄的層合板構件。

以上結論僅依據有限的研究工作得出，閃光燈激勵脈沖熱像法的特點還沒有完全被展現出來，課題組將繼續進行脈沖熱像法在航空復合材料構件無損檢測中的應用研究。

［1］中國航空研究院.復合材料結構設計手冊［M］.北京:航空工業出版社，2001，1－2.

［2］ASTM E.2582－07 Infrared flash thermography of composite panels and repair patches used in aerospace applications［S］.

［3］ASTM E.2533－09 Standard guide for nondestructive testing of polymer matrix composites used in aerospace appli-cations［S］.

［4］BAJOREK M，NOWAKOWSKI A.Analysis of the possibility of defect determination using cold excitation in thermal tomography［C］//10th International Conference on Quantitative InfraRed Thermography(QIRT)，July 27 － 30，2010，Québec(Canada)，776 －783.

［5］ABUHAMAD M，NETZELMANN U.Dual-band active thermography on infrared transparent materials［C］//10th International Conference on Quantitative InfraRed Thermography(QIRT)，July 27 － 30，2010，Québec(Canada)，868－875.

［6］BODNAR J L，CANDORé J C，NICOLAS J L，et al.Random photothermal thermography:Principle and examples of applications［C］.10th International Conference on Quantitative InfraRed Thermography(QIRT)，July 27 － 30，2010，Québec(Canada)，376 －383.

［7］HOLTMANN N，SPIESSBERGER C，GLEITER A，et al.Feature-extraction from lockin-thermography phase-images［C］.10th International Conference on Quantitative Infra-Red Thermography(QIRT)，July 27 －30，2010，Québec(Canada)，688－694.

［8］SALAZAR A，MENDIOROZ A，APIANIZ E，et al.Application of vibrothermography to the depth characterization of delaminations［C］//10th International Conference on Quantitative InfraRed Thermography(QIRT)，July 27－30，2010，Québec(Canada)，733 －734.

［9］ULLMANN T，AOKI R，SCHMIDT T.Lock-in thermography for process integrated non-destructive evaluation of carbon fibre reinforced aircraft structures［C］//10th International Conference on Quantitative InfraRed Thermography(QIRT)，July 27 －30，2010，Québec(Canada)，743 －750.

［10］BORTONI E C，SANTOS L.Development of models to extract ambient variables influence from outdoor thermographic inspections［C］//10th International Conference on Quantitative InfraRed Thermography(QIRT)，July 27－30，2010，Québec(Canada)，231 －237.

［11］GRENIER M，IBARRA-CASTANEDO C，MALDAGUE X.Development of a hybrid non-destructive inspection system combining induction thermography and eddy current techniques［C］//10th International Conference on Quantitative InfraRed Thermography(QIRT)，July 27－30，2010，Québec(Canada)，886 －887.

［12］HUEBNER S，STACKELBERG B V，FUCHS T.Multimodal Defect Quantification［C］//10th International Conference on Quantitative InfraRed Thermography(QIRT)，July 27－30，2010，Québec(Canada)，695－699.

［13］楊小林，代永朝，李艷紅，等.紅外熱波技術在飛機復合材料損傷檢測中的應用［J］.無損檢測，2007，29(4):200－202.

［14］孟鐵軍.紅外熱成像無損檢測技術原位檢查空客飛機升降舵蜂窩積水［C］//陜西省第十一屆無損檢測年會，2008:42－46.

［15］詹紹正，寧寧，陳霞.調制法熱波檢測技術在復合材料構件無損檢測中的應用［J］.航空制造技術，2010(6):44－48.

［16］劉穎韜，郭興旺，郭廣平.加熱參數對表面溫度信號的影響的建模與分析［J］.無損檢測，2009，31(7):534－537.

［17］VAVILOV V P.Three-dimensional analysis of transient thermal NDT problems by data simulation and processing［C］//Thermosense XXII，Proceedings of SPIE Vol.4020，2000:152－163.