無(wú)人機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

陳其泉/杭州牧星科技有限公司，浙江省 杭州市 310024

導(dǎo)讀：通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)常用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件缺陷和損傷特點(diǎn)的分析，介紹常用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)缺陷包括目視檢查法、射線檢測(cè)技術(shù)、超聲檢測(cè)技術(shù)、渦流檢測(cè)技術(shù)在內(nèi)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，并對(duì)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的技術(shù)關(guān)鍵進(jìn)行剖析，展望常用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在無(wú)人機(jī)制造領(lǐng)域的未來(lái)發(fā)展。

隨著航空制造技術(shù)的不斷發(fā)展，在無(wú)人機(jī)制造領(lǐng)域先進(jìn)復(fù)合材料具有重量輕、比強(qiáng)度高、比剛度高、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、抗疲勞斷裂性能好、耐腐蝕、尺寸穩(wěn)定性好以及便于大面積整體成型等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)。同時(shí)，采用整體化制造技術(shù)可以大幅度減少零件和緊固件數(shù)量，減少結(jié)構(gòu)重量，降低生產(chǎn)成本。但無(wú)人機(jī)領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，低成本化和質(zhì)量穩(wěn)定性存在著矛盾，為有效的控制復(fù)合材料生產(chǎn)制造中產(chǎn)生的缺陷和損傷，采用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行控制是最有效和最經(jīng)濟(jì)的方式。

由于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有導(dǎo)電性差、熱導(dǎo)率低、聲衰減高的特點(diǎn)，在物理性能方面呈顯著的各向異性，使得它對(duì)波傳播所引起的作用與普通金屬材料相比具有很大的差異，因而其無(wú)損檢測(cè)技術(shù)與金屬的檢測(cè)大不相同，復(fù)合材料檢測(cè)日益成為該領(lǐng)域的重點(diǎn)和難點(diǎn)。在這種情況下，無(wú)人機(jī)制造領(lǐng)域檢測(cè)迫切需要有一種更有效的手段來(lái)提高復(fù)合材料構(gòu)件的生產(chǎn)質(zhì)量或修理水平。

復(fù)合材料構(gòu)件的成型過(guò)程是極其復(fù)雜的，其間既有化學(xué)反應(yīng)，又有物理變化，影響性能的因素甚多，許多工藝參數(shù)的微小差異會(huì)導(dǎo)致其產(chǎn)生諸多缺陷，使產(chǎn)品質(zhì)量呈現(xiàn)明顯的離散性，這些缺陷嚴(yán)重影響構(gòu)件的機(jī)械性能和完整性。由于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造質(zhì)量的離散性，必須通過(guò)無(wú)損檢測(cè)來(lái)鑒別產(chǎn)品的內(nèi)部質(zhì)量狀況，以確保產(chǎn)品質(zhì)量，滿足設(shè)計(jì)和使用要求。隨著先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)研究與應(yīng)用的高速增長(zhǎng)，復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)技術(shù)也迅速發(fā)展起來(lái)，已成為新材料結(jié)構(gòu)能否有效和擴(kuò)大應(yīng)用的關(guān)鍵。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件缺陷的產(chǎn)生與特點(diǎn)

復(fù)合材料中的缺陷類型一般包括：孔隙、夾雜、裂紋、疏松、纖維分層與斷裂、纖維與基體界面開(kāi)裂、纖維卷曲、富膠或貧膠、纖維體積百分比超差、鋪層或纖維方向誤差、缺層、鋪層搭接過(guò)多、厚度偏離、磨損、劃傷等, 其中孔隙、分層與夾雜是最主要的缺陷。材料中的缺陷可能只是一種類型, 也可能是好幾種類型的缺陷同時(shí)存在。

缺陷產(chǎn)生的原因是多種多樣的, 有環(huán)境控制方面的原因, 有制造工藝方面的原因, 也有運(yùn)輸、操作以及使用不當(dāng)?shù)脑? 如外力沖擊、與其他物體碰撞和刮擦等。對(duì)缺陷產(chǎn)生原因進(jìn)行準(zhǔn)確分析, 可以有針對(duì)性地采取預(yù)防與控制措施, 減少缺陷形成的概率,保證結(jié)構(gòu)質(zhì)量和性能滿足要求。

成型過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷

復(fù)合材料在成型過(guò)程中往往會(huì)由于工藝原理和理論的非完美性而產(chǎn)生缺陷,人為操作的隨機(jī)性會(huì)產(chǎn)生夾雜、鋪層錯(cuò)誤、固化不完全等缺陷,固化過(guò)程控制不好會(huì)產(chǎn)生孔隙、分層、脫膠等缺陷。復(fù)合材料成型在屬于生產(chǎn)制造過(guò)程中的特殊過(guò)程，過(guò)程控制不到位，往往導(dǎo)致缺陷產(chǎn)生，主要因素有，原材料因素, 也是復(fù)合材料產(chǎn)生缺陷的一個(gè)主要原因。預(yù)浸料中局部樹(shù)脂含量不均勻、毛團(tuán)、纖維彎曲會(huì)造成復(fù)合材料的貧膠、富膠和纖維曲屈。如果預(yù)浸料儲(chǔ)存時(shí)間過(guò)長(zhǎng),則會(huì)在固化成型過(guò)程中因樹(shù)脂的流動(dòng)性變差而導(dǎo)致貧膠、富膠、纖維脫粘以至分層等缺陷。如果這些缺陷不能及時(shí)發(fā)現(xiàn),對(duì)復(fù)合材料的性能會(huì)有很大影響,甚至?xí)斐刹豢赏旎氐膿p失。

使用過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷

復(fù)合材料構(gòu)件在使用過(guò)程中往往會(huì)由于應(yīng)力或環(huán)境因素而產(chǎn)生缺陷,以至被破壞。復(fù)合材料損傷的產(chǎn)生、擴(kuò)展與積累會(huì)加劇材料的環(huán)境與應(yīng)力腐蝕,加劇材料老化,造成材料的耐濕熱性能嚴(yán)重下降,強(qiáng)度與剛度急劇損失,大大降低材料的使用壽命,有時(shí)會(huì)造成嚴(yán)重后果。傳統(tǒng)觀念采取的是發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后進(jìn)行修補(bǔ)(維修或修理) 的辦法,要求在發(fā)現(xiàn)危及安全的缺陷后立即進(jìn)行修復(fù)。而新的觀念是預(yù)測(cè)并管理,要求對(duì)可能發(fā)生的缺陷、故障進(jìn)行預(yù)報(bào),從而能在某一合適時(shí)間段內(nèi)采取措施。所以復(fù)合材料在使用過(guò)程中的定期檢測(cè),就顯得極為重要,也越來(lái)越受到人們的重視。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的無(wú)損檢測(cè)

復(fù)合材料中的微觀破壞和內(nèi)部缺陷, 用常規(guī)的機(jī)械與物理方法一般不能滿足檢驗(yàn)精度要求,為保證經(jīng)濟(jì)性和有效性，也不能采用破壞性實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行檢測(cè), 必須對(duì)其進(jìn)行無(wú)損探傷檢測(cè), 即在不損壞結(jié)構(gòu)使用性能的前提下, 采取一定的手段, 檢測(cè)其特征質(zhì)量,確定其是否達(dá)到需要的工程使用要求。無(wú)損檢測(cè)是檢驗(yàn)產(chǎn)品質(zhì)量、保證產(chǎn)品使用安全、延長(zhǎng)產(chǎn)品壽命必要的有效技術(shù)手段。可應(yīng)用于無(wú)人機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中缺陷無(wú)損檢測(cè)的技術(shù)很多, 包括目視檢查法、射線檢測(cè)技術(shù)、超聲檢測(cè)技術(shù)、渦流檢測(cè)技術(shù)等。

目視檢查法

目視檢查法是使用最廣泛、最直接的無(wú)損檢測(cè)方法。它可以檢查出褪色、表面劃傷、裂紋、起泡、表面欠壓、起皺、桔皮、凹痕、富膠、貧膠等缺陷；尤其對(duì)透光的玻璃鋼產(chǎn)品，可用透射光檢查出內(nèi)部的某些缺陷和定位，如夾雜、氣泡、疏松、搭接的部位和寬度、蜂窩芯的位置和狀態(tài)、鑲嵌件的位置等。另外，利用反射光、內(nèi)窺鏡等先進(jìn)的目視檢測(cè)方法還可以檢測(cè)結(jié)構(gòu)內(nèi)腔表面不平和其他缺陷。

射線檢測(cè)技術(shù)

對(duì)于復(fù)合材料而言, 射線檢測(cè)仍然是最直接、最有效的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)之一,特別適合于檢測(cè)復(fù)合材料中的孔隙和夾雜等體積型缺陷,對(duì)垂直于材料表面的裂紋也具有較高的檢測(cè)靈敏度和可靠性,對(duì)樹(shù)脂聚集與纖維聚集也有一定的檢測(cè)能力, 也可測(cè)量小厚度復(fù)合材料鋪層中的纖維彎曲等缺陷,但對(duì)復(fù)合材料中最為常見(jiàn)的分層缺陷檢測(cè)比較困難, 對(duì)平行于材料表面的裂紋射線檢測(cè)技術(shù)也不敏感。在所有的射線檢測(cè)技術(shù)中, 膠片射線照相技術(shù)應(yīng)用最為廣泛, 經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展, 該技術(shù)已經(jīng)比較成熟, 許多國(guó)家都建立了針對(duì)復(fù)合材料的膠片射線照相技術(shù)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)。近幾年來(lái), 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展, 射線實(shí)時(shí)成像檢測(cè)技術(shù)航空用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件無(wú)損檢測(cè)技術(shù)分析(RTR 技術(shù)) 日趨完善, 并開(kāi)始應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢測(cè)。RTR 技術(shù)利用圖像增強(qiáng)器將穿透材料后的射線信息轉(zhuǎn)換為可視圖像(即光電轉(zhuǎn)換)。然后輸入計(jì)算機(jī)經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理將可視圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像,在顯示器屏幕上顯示出材料內(nèi)部缺陷的性質(zhì)、大小和位置等信息。與膠片照相技術(shù)相比, RTR 技術(shù)不需要膠片的暗室處理, 縮短了曝光時(shí)間, 成像質(zhì)量與膠片照相技術(shù)相當(dāng), 但在檢測(cè)過(guò)程的實(shí)時(shí)性、檢測(cè)效率、經(jīng)濟(jì)性以及遠(yuǎn)程傳送和方便實(shí)用等方面具有無(wú)比的優(yōu)越性。實(shí)時(shí)成像技術(shù)可應(yīng)用于先進(jìn)復(fù)合材料產(chǎn)品的在線檢測(cè),可以對(duì)裝配線上的工件進(jìn)行實(shí)時(shí)快速檢測(cè)。康普頓背散射成像(CST) 技術(shù)是一種新的射線檢測(cè)技術(shù), 它具有單側(cè)非接觸、檢測(cè)靈敏度高、快速三維成像的特點(diǎn), 非常適合于復(fù)合材料等原子序數(shù)較低材料的物體, 對(duì)低密度材料的檢測(cè)可獲得比透射成像更高的圖像對(duì)比度, 特別是當(dāng)被檢物體結(jié)構(gòu)限制無(wú)法進(jìn)行雙側(cè)成像檢測(cè)時(shí), CST技術(shù)就顯示出明顯的優(yōu)勢(shì)。CST 技術(shù)在國(guó)外航空航天領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用, 在國(guó)內(nèi), 由于缺少相關(guān)的技術(shù)設(shè)備, 此項(xiàng)技術(shù)還尚處于探索性的研究階段, 但鑒于該技術(shù)的獨(dú)特性能, 可以預(yù)見(jiàn)它必將成為航空航天無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域一個(gè)極具開(kāi)發(fā)與應(yīng)用潛力的檢測(cè)手段。

超聲檢測(cè)技術(shù)

超聲檢測(cè)方法主要包括有脈沖反射法、穿透法、反射板法、共振法、阻抗法等,它們各有特點(diǎn), 可根據(jù)材料結(jié)構(gòu)的不同選用合適的檢測(cè)方法。對(duì)于一般小而薄、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的平面層壓板及曲率不大的復(fù)合材料構(gòu)件, 宜采用水浸式反射板法； 對(duì)于小而稍厚的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件, 無(wú)法采用水浸式反射板法時(shí), 可采用噴水脈沖反射法或接觸帶延遲塊脈沖發(fā)射法； 對(duì)于大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)宜采用水噴穿透法或水噴脈沖反射法。復(fù)合材料的多層結(jié)構(gòu)使得聲波在材料中的衰減較大, 而且航空航天領(lǐng)域的先進(jìn)復(fù)合材料構(gòu)件多為薄形結(jié)構(gòu), 所引起的噪聲和缺陷反射信號(hào)的信噪比低, 不易分辨, 在選擇合適的檢測(cè)方法時(shí)應(yīng)進(jìn)行全面、細(xì)致的考慮。

渦流檢測(cè)技術(shù)

渦流檢測(cè)技術(shù)的基本原理是利用渦流探頭中線圈通以交變電流后, 能夠在線圈附近的檢測(cè)試樣中產(chǎn)生渦流, 該渦流又能產(chǎn)生一個(gè)交變反磁場(chǎng),交變反磁場(chǎng)會(huì)改變線圈磁場(chǎng), 從而使流經(jīng)線圈中的電流也隨之改變。當(dāng)線圈上的電壓恒定,線圈中電流變化引起線圈阻抗變化, 通過(guò)測(cè)量線圈阻抗的變化, 就可以得到試樣內(nèi)部的缺陷信息。但這種技術(shù)只適用于導(dǎo)電復(fù)合材料, 對(duì)G F R P 和KFRP 不適用, 而對(duì)CFRP 是適用的。利用渦流檢測(cè)技術(shù)可檢測(cè)出C F R P 中的纖維含量與缺陷,對(duì)復(fù)合材料與金屬粘接結(jié)構(gòu)中金屬材料的翹曲變形也具有較高的檢測(cè)靈敏度。

技術(shù)關(guān)鍵

針對(duì)無(wú)人機(jī)復(fù)合材料裝機(jī)結(jié)構(gòu)件的快速高效無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

賦予傳統(tǒng)復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)新的技術(shù)內(nèi)涵,使之更適合未來(lái)復(fù)合材料的低成本設(shè)計(jì)、制造和裝機(jī)應(yīng)用主流,通過(guò)提高傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)的功效,達(dá)到提高檢測(cè)效率、降低檢測(cè)成本的目的。開(kāi)展無(wú)損檢測(cè)新技術(shù)和新方法的研究,探索研究適合復(fù)合材料的快速高效無(wú)損檢測(cè)技術(shù)和方法。美國(guó)等復(fù)合材料用量較大的國(guó)家,自20世紀(jì)90年代后期已經(jīng)開(kāi)始將復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究的重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到快速高效的無(wú)損檢測(cè)方向, 而且有了初步應(yīng)用成果。

針對(duì)無(wú)人機(jī)復(fù)合材料的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

與發(fā)達(dá)國(guó)家相比, 目前我國(guó)復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的研究深度和發(fā)揮作用的程度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。復(fù)合材料的一個(gè)重要結(jié)構(gòu)特征就是內(nèi)部各組分之間物理界面復(fù)雜,如果能利用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)得到這些界面的全部信息,將會(huì)對(duì)材料研究和工藝分析起十分重要的指導(dǎo)作用。

結(jié)束語(yǔ)

復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是一門專門的學(xué)科，是我們有待提升的新課題，應(yīng)重視對(duì)復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)人員的技術(shù)培訓(xùn)工作，開(kāi)展復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的實(shí)踐，采用工程化，標(biāo)準(zhǔn)化的作業(yè)模式，將目前無(wú)損檢測(cè)最常用其最容易實(shí)現(xiàn)和推廣的射線、超聲波、渦流、目視檢驗(yàn)等無(wú)損檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行實(shí)踐、驗(yàn)證、建標(biāo)和推廣，進(jìn)行復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和無(wú)損檢測(cè)方法，分析、制訂試驗(yàn)方案，設(shè)計(jì)和制備無(wú)損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)試樣，編制復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)與缺陷驗(yàn)收規(guī)范，并加強(qiáng)與國(guó)內(nèi)外知名廠所、高校的復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)先進(jìn)技術(shù)的合作與交流，進(jìn)一步學(xué)習(xí)國(guó)外復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)的先進(jìn)技術(shù)，提高無(wú)人機(jī)應(yīng)用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)水平。 ■