淺談適用于復合材料的幾種無損檢測技術

賀夢悅 黃 梅

（廣州大學-淡江大學工程結構災害與控制聯合研究中心 廣州 510006）

1 引言

復合材料由兩種或多種材料經高溫高壓復合而成，因輕質高強、比強度高、耐腐蝕、抗震和可塑性強等優點被廣泛應用于航空航天、汽車船舶、體育器材和建筑加固等行業，然而在生產加工、運輸及服役過程中，由于材料的自身缺陷、人為因素或環境因素等將會帶來不同類型和程度的損傷缺陷，常見缺陷包括分層、脫膠、纖維斷裂、夾雜、孔隙和裂紋等等。復合材料屬于非均勻各向異性材料，因此其無損檢測比各向同性的金屬更為復雜。人們起初嘗試將適用于金屬的無損檢測技術用于復合材料，如超聲波檢測、射線檢測及智能敲擊檢測等。此外，根據復合材料的自身特性還發展了壓力傳感檢測[1]等新型技術。

2 國內外主要無損檢測技術

無損檢測通過觀察局部缺陷對聲、光、電、磁、熱的變化來確定缺陷的位置和程度。目前國內外用于復合材料的無損檢測技術主要包括超聲波、射線、智能敲擊、壓力傳感、聲發射和紅外熱成像等，本文將對其一一列舉。

2.1 超聲檢測技術

國際上，超聲檢測技術被用于近80%的無損檢測[2]，其優點是穿透性強，可對缺陷進行精確定位，但大多數情況需使用專用耦合劑、油或水等，使得探頭激發的超聲波能夠傳播至被測結構。此外，不同的被測結構需對應不同探頭，尤其是泄露蘭姆波C掃描系統的探頭更需專門定制。目前空氣耦合超聲系統因無需耦合和快速檢測的優勢成為研究熱點，用于大型復合材料的無損檢測，北京工業大學的劉增華等人通過空氣耦合超聲系統發射和接收蘭姆波，分別從理論和實驗兩部分對復合材料層合板內的分層缺陷進行了研究[3]。

2.2 射線檢測技術

X射線、計算機層析照相（CT）、紅外線、激光和微波等無損檢測均屬于射線檢測技術，此類技術離不開昂貴的儀器，操作復雜，需對操作人員進行專業培訓，且往往產生輻射危及人體健康。其中，X射線和CT掃描技術最早被應用于醫療事業，以直觀圖像顯示，成像快速且易保存。X射線適合檢測體積型缺陷，可有效識別復合材料中的夾雜和孔隙，但應注意偽象的干擾，對分層損傷不太敏感。而CT掃描技術因組成元素與人體相近，可通過被測物質對輻射的吸收和衰減來進行無損檢測，可有效檢測復合材料的分層、夾雜和裂紋等，重慶大學的魏彪[4]指出CT技術是國際無損檢測界中最佳的無損檢測手段，同樣指出了國外先進CT技術在高科技領域及森林資源檢測等領域的優勢，因此面對技術壟斷與封鎖，我國應加大投資力度，發展和保護我們的研究成果。

2.3 智能敲擊檢測技術

傳統的敲擊技術是利用錘子、棒或硬幣等剛性物體對被測結構施加激勵，根據回聲的音色進行損傷有無的辨別。例如鐵路工人通過對鐵軌和車體的關鍵部位敲擊，當回聲比較“悶”時，說明敲擊點處受損，該技術雖簡單快速，且無需龐大昂貴的檢測儀器，但易受主觀因素影響，過于依賴工作經驗，且往往僅能識別較大損傷的有無，對受損點的局部響應難以對損傷的位置和大小及微小損傷不敏感。

而智能敲擊技術將傳感器與敲擊錘融合，有效避免了大量傳感器需固定于被測結構的情形，通過對物體機械振動信息的采集、放大和處理得到結構的局部響應，故不受背景噪聲的影響，可實現實時現場檢測。哈爾濱工業大學的冷勁松[5]通過采用智能敲擊技術對CFRP復合材料進行了無損檢測，分別提取有損區和無損區的時域曲線指標并進行對比，包括撞擊持續時間、峰值力和頻域下的力幅值衰減速度三個指標。然而，該技術也存在一定的缺陷，敲擊錘在敲擊之前的速度難以控制，且易出現撞擊“拖尾”的現象。

2.4 壓力傳感檢測技術

傳感器常用于對結構應變、應力、位移和速度等物理量的測量，常見的傳感器有壓電片、電阻應變片、位移計和加速度計等，它們在測試過程中往往易受電磁干擾，并需大量的電纜連接，或需要耦合劑。對此，近年來興起的光纖光柵傳感器因體積小、質量輕、可實現單根光纖串聯多個光纖光柵等優點被廣泛應用于海洋船舶和地下管道監控等，該技術避免了壓電片等傳統傳感器的線路復雜情況，可分布式粘貼于被測結構表面或相嵌于內部，尤其是微型光纖光柵傳感器能夠內嵌于薄板結構而不影響結構性能。

2.5 其它檢測技術

除了以上幾種適用于復合材料的無損檢測技術，還有聲發射、紅外熱成像技術、微波檢測和渦流檢測技術等。其中聲發射主要用于復合材料承力結構的檢測，對動態缺陷敏感，其原理是當結構內部或外部產生缺陷時，在應力作用下易發生缺陷擴展，并在缺陷周圍釋放瞬態彈性波。而紅外熱成像主要通過記錄被測結構表面紅外輻射發的變化，分為有源和無源兩種，前者是通過對被測結構加熱使其表面溫度上升，同時采用紅外成像儀中的光敏元件記錄被測結構表面的紅外輻射能量分布，但該技術對較深的缺陷不敏感。

3 結束語

目前，復合材料的無損檢測正朝著智能化、自動化、高效化和綜合化的方向發展，但傳感器的優化布置和嵌入技術還需進一步研究。應針對不同的復合材料需求選擇最佳的無損檢測技術，通過對其的成本投入、生產加工、技術用途、服役環境和常見缺陷等多方面進行綜合分析，最終將人工智能、傳感技術、信號采集、圖像處理和計算機技術等板塊充分融合，實現科學在役檢測，并對結構剩余壽命進行預測和損后修復，從而形成一套成熟完備的標準檢測體系。

[1]葛 邦，楊 濤，高殿斌，李 明.復合材料無損檢測技術研究進展[J].玻璃鋼/復合材料，2009（06）：67～71.

[2]高鐵成，郭恒飛，趙傳陣，畢武，張微.航天復合材料無損檢測技術的發展現狀[J].天津工業大學學報，2017，36（01）：71～76.

[3]Liu Z H，Hongtao Y U，Cunfu H E，et al.Delamination damage detection of laminated composite beams using air-coupled ultrasonic transducers[J].Science China（Physics,Mechanics&Astronomy），2013,56（7）：1269～1279.

[4]魏彪，先武.從14屆世界無損檢測會議看工業CT技術的發展現狀[J].無損檢測，1997（10）：298～299.

[5]冷勁松，杜善義，王殿富，李全龍.復合材料結構敲擊法無損檢測的靈敏度研究[J].復合材料學報，1995（04）：99～105.