魏建義

（安陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安陽 455000）

航空復(fù)合材料無損檢測應(yīng)用研究

魏建義

（安陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安陽 455000）

文章主要對航空復(fù)合材料的無損檢測技術(shù)及其應(yīng)用狀況進(jìn)行分析，以增強(qiáng)人們對復(fù)合材料無損檢測的認(rèn)知，并為相關(guān)實踐工作的順利及高效開展提供助力。

航空 復(fù)合材料 無損檢測 超聲波檢測技術(shù) 射線檢測技術(shù)

復(fù)合材料其實就是指由兩種及兩種以上物質(zhì)采用不同方式組合而成的材料。此材料在應(yīng)用中可將各類材料的優(yōu)勢充分發(fā)揮出來，同時，還可有效彌補(bǔ)單一材料應(yīng)用中存在的不足，從而進(jìn)一步增強(qiáng)材料應(yīng)用的實用性?，F(xiàn)今科技的逐步發(fā)展使復(fù)合材料在航空構(gòu)件中得到極為廣泛的應(yīng)用，且其對飛行安全的影響也逐漸增強(qiáng)。所以，加強(qiáng)對航空復(fù)合材料的質(zhì)量檢測極為重要。對航空復(fù)合材料進(jìn)行定期的安全檢測，排除隱患故障，有利于維護(hù)航空安全。

1 航空復(fù)合材料的無損檢測技術(shù)

1.1 航空復(fù)合材料

航空復(fù)合材料的主要特點為：重量輕，強(qiáng)度高，剛性強(qiáng)，耐磨損且易于設(shè)計，符合航空飛行器的應(yīng)用要求。因此，其在航空飛行器市場中得到極為廣泛的應(yīng)用。由于復(fù)合材料具有各向異性，且聲衰減劇烈，因此，其在相關(guān)無損檢測技術(shù)應(yīng)用中與金屬類材料不同。航空復(fù)合材料構(gòu)件經(jīng)常會出現(xiàn)一些缺陷，主要缺陷類型為：樹脂開裂、膠接缺陷、分層、溢膠、纖維斷裂及卷曲、厚度偏離、劃傷、鋪層皺折、積瘤、空隙、斷裂等。其中，較為常見的缺陷為：斷裂、分層、空隙及裂紋[1]。

1.2 無損檢測技術(shù)

無損檢測技術(shù)被簡稱為NDT，主要是指運用非損害性的方式，科學(xué)運用聲、電、熱、射線、磁等方式對復(fù)合材料構(gòu)件的內(nèi)部質(zhì)量及存在缺陷進(jìn)行科學(xué)檢查，并探明缺陷的具體位置?，F(xiàn)如今，在金屬材料領(lǐng)域中，無損檢測技術(shù)得到極為廣泛的應(yīng)用，較為常見的檢測方式為超聲波、射線、滲透等[2]。其中，射線檢測法的檢測對象是一些體積型缺陷，主要為氣孔、夾渣及未焊透等；而滲透檢測主要是對非多孔材料的開口缺陷進(jìn)行檢測；超聲波檢測則是對一些面積性缺陷進(jìn)行檢測，主要包括白點、裂紋及未融合等。復(fù)合材料的無損檢測技術(shù)主要是在金屬材料檢測的基礎(chǔ)上對復(fù)合材料的特點予以改進(jìn)而產(chǎn)生的檢測技術(shù)，如超聲波、射線檢測技術(shù)等。由于現(xiàn)今圖像技術(shù)得到了較為迅速的發(fā)展，因此，無損檢測技術(shù)在應(yīng)用中也會有機(jī)結(jié)合圖像檢測技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新處理。

1.3 航空復(fù)合材料缺陷

第一，工藝缺陷。復(fù)合材料在成型中會因工藝因素的影響而產(chǎn)生各類缺陷，如分層、脫膠、斷裂、裂紋及蜂窩芯的變形、節(jié)點脫開、發(fā)泡膠空洞等[3]。

第二，使用缺陷。復(fù)合材料在應(yīng)用中，由于受到振動、外來物損傷等環(huán)境因素的影響，易出現(xiàn)層板分層、劃傷、脫膠、斷裂、進(jìn)水、蜂窩芯壓塌等問題。其中，分層及脫膠是較為常見的缺陷，也是航空無損檢測的重點[4]。

復(fù)合材料在應(yīng)用時，由于自身具有的缺陷，極易受到日常常見的低能量沖擊。如在維修中，維修人員掉下的扳手等施工工具如果砸在復(fù)合材料上，便可直接導(dǎo)致其內(nèi)部分層，但在表面卻難以察覺。在后期航空飛機(jī)運行中，復(fù)合材料受到的沖擊逐漸加大，當(dāng)維修人員真正目視到其所受的損傷時，其內(nèi)部實際上已開始分崩離析，出現(xiàn)大量分層，材料強(qiáng)度已降低至原有的40%，這對航空工作的順利及高效開展會造成極為不利的影響。

2 航空復(fù)合材料的無損檢測技術(shù)應(yīng)用

2.1 超聲波檢測技術(shù)

超聲波檢測技術(shù)屬于應(yīng)用較為廣泛的無損檢測技術(shù)，其實用性極強(qiáng)[5]。應(yīng)用此技術(shù)，可準(zhǔn)確檢測出復(fù)合材料的常見缺陷，如疏松、分層、孔隙等，因此，被全面應(yīng)用于航空領(lǐng)域的制造維護(hù)工作中。

超聲波檢測技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢主要為：穿透性極強(qiáng)，對平面型缺陷的探查較為靈敏準(zhǔn)確，且整個檢測操作安全可靠，可幫助實現(xiàn)自主化檢測。但不可否認(rèn)的是，該檢測技術(shù)在應(yīng)用中還存在著部分不足。如對復(fù)雜構(gòu)件的缺陷檢測難度較大，且常需運用耦合劑將探頭、被測構(gòu)件之間的空隙填充完整。同時，也不適用于一些大型航空復(fù)合材料的外場原位檢測。

中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所研發(fā)出的IUCS-II型便攜式智能超聲C掃描檢測設(shè)備的檢測基礎(chǔ)是超聲脈沖反射法，其超聲探頭采用的是自主研發(fā)出的聚焦水囊探頭，其在應(yīng)用過程中具有極高的檢測分辨率，因此，可準(zhǔn)確定位航空飛機(jī)材料損傷的所在層。同時，也無需運用噴水耦合，主要可用于平曲面、裝配后的結(jié)構(gòu)件無損檢測。傳感器的掃描定位系統(tǒng)可在處于800mm/s探頭運動速率的狀態(tài)下實現(xiàn)對缺陷的準(zhǔn)確定位[6]。對不同的材料及結(jié)構(gòu)，可依照實際需求采用回波距離及幅度的方式進(jìn)行成像處理，檢測的結(jié)果可依照與實際尺寸1:1的比例進(jìn)行實時顯示輸出處理。

激光超聲檢測技術(shù)主要運用激光束在空氣中可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳播的優(yōu)勢進(jìn)行無損檢測，在整個檢測活動中無需運用耦合劑。如美國的F-22戰(zhàn)機(jī)的復(fù)合材料運用的檢測技術(shù)就是激光超聲檢測，加拿大、法國等民航機(jī)上采用的也是此檢測技術(shù)。該技術(shù)在應(yīng)用中可在對激光束照射面積進(jìn)行選取時，實現(xiàn)對大面積復(fù)合材料的急速掃描檢查。對一些較大型的復(fù)合材料壁板、金屬膠結(jié)結(jié)構(gòu)，單通道的超聲掃描速度至少為300mm/s，其最終的檢查結(jié)果可實現(xiàn)超聲的B、C、T掃描成像。

2.2 射線檢測技術(shù)

射線無損檢測技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢主要在于：直觀、可靠且形象生動[7]。但該技術(shù)對一些薄板復(fù)合材料的分層缺陷、扁平氣孔缺陷無法實現(xiàn)準(zhǔn)確檢測。

F-111水平安定面復(fù)合材料構(gòu)件則運用射線檢測法對其疊層蒙皮、蜂窩芯子內(nèi)部存在缺陷進(jìn)行檢測。有學(xué)者曾對空導(dǎo)彈輕質(zhì)樹脂基復(fù)合材料翼面蒙皮中的0.2mm孔隙、裂紋采用了射線檢測法；還有人曾運用X線照射法對火箭發(fā)動機(jī)固體藥柱內(nèi)部氣孔進(jìn)行檢測，并檢測出了直徑超過3mm的氣孔，可充分滿足對氣孔缺陷檢測的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。整體而言，射線檢測法應(yīng)廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料蒙皮的粘貼檢測中，在對飛機(jī)發(fā)動機(jī)的分層檢測中，能出檢測0.15mm的分層間隙。

2.3 光學(xué)檢測技術(shù)

光學(xué)檢測技術(shù)主要是指全息術(shù)、激光全息、錯位散班干涉等技術(shù)[8]?，F(xiàn)如今，激光技術(shù)得到了較為迅速且良好的發(fā)展，激光全息照相技術(shù)在無損檢測中的應(yīng)用越來越廣泛且頻繁，其基本應(yīng)用原理在于：采用外界加載法對物體的內(nèi)外部缺陷進(jìn)行處理，促使其在相應(yīng)物體表面處形成變形，并運用全息照相方式對變形狀況進(jìn)行觀察及對比處理，記錄好在不同外界載荷狀態(tài)下的物體變形狀況，并對其實行全面化的觀察探究，之后判定、檢測物體的內(nèi)部缺陷。光學(xué)檢測技術(shù)主要可應(yīng)用于對蜂窩、膠接結(jié)構(gòu)的裂紋、未粘合等缺陷的檢測[9-10]。

在超聲波激光、射線及光學(xué)幾種無損檢測技術(shù)中，超聲波激光屬于應(yīng)用范圍較廣且適用性較強(qiáng)的一種檢測技術(shù)。其主要應(yīng)用優(yōu)勢為：明確內(nèi)部缺陷大小、所處位置等指標(biāo)參數(shù)值要明顯優(yōu)于其他無損檢測技術(shù)，因此，其綜合性優(yōu)勢較強(qiáng)。另外，檢測設(shè)備較為簡單，可用于現(xiàn)場檢測，檢測方不會受到經(jīng)濟(jì)、區(qū)域等多種因素的限制，檢測實用性極強(qiáng)。但也應(yīng)看到此種檢測技術(shù)在應(yīng)用中依舊存在缺陷。

整體而言，針對航空復(fù)合材料構(gòu)件質(zhì)量的無損檢測技術(shù)較為多樣化，但不可否認(rèn)的是，無論是哪種無損檢測技術(shù)，均具有特定的應(yīng)用范圍及優(yōu)勢缺陷。因此，在航空復(fù)合材料質(zhì)檢工作中，單一應(yīng)用某種檢測方式無法及時、準(zhǔn)確地檢測出所有缺陷，需有機(jī)結(jié)合多種檢測方式，對復(fù)合材料的構(gòu)件質(zhì)量及缺陷進(jìn)行科學(xué)全面化檢測。

3 結(jié)語

由于航空復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)特點及其成型方式存在眾多影響因素，因此，在其內(nèi)部構(gòu)件質(zhì)量方面不可避免地存在著部分問題。在應(yīng)用或加工處理復(fù)合材料時，不可避免地會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷。另外，由于復(fù)合材料的應(yīng)用范圍較廣，因此，其結(jié)構(gòu)質(zhì)量安全性極為重要。而對復(fù)合材料內(nèi)部檢測方式的探究極為重要。航空復(fù)合材料的無損檢測技術(shù)較為多樣化，其中，激光超聲波檢測技術(shù)屬于應(yīng)用較多且效果較高的一種技術(shù)，可在今后的實踐工作中，加強(qiáng)對其的應(yīng)用。為了實現(xiàn)檢測的高精準(zhǔn)性及安全性，還可積極實現(xiàn)超聲波與其他檢測技術(shù)的有機(jī)融合，以獲取最佳檢測效果，進(jìn)而確保相關(guān)實踐工作的良好開展。

[1]張昭，肖迎春，李閔行，等.激光超聲技術(shù)在航空碳纖維復(fù)合材料無損檢測中的應(yīng)用[J].航空工程進(jìn)展，2014，（3）：269-274.

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Research on Nondestructive Testing of Aviation Composite Materials

WEI Jianyi
(Career Technical College in Anyang,Anyang 455000)

This paper mainly analyzes the nondestructive testing technology and its application in aviation composite materials, in order to enhance people's cognition on the non destructive testing of composite materials, and provide help for the smooth and efficient operation of the relevant practice.

aviation composite material,nondestructive testing,ultrasonic testing,radiographic testing technology