Vol.49No 12工程与试验EN GIN EERIN G &TEST J une 2009[收稿日期]　2009-03-30[作者简介]　郁青(1980-),女,硕士研究生,主要研究方向:新型工程材料及应用。

无损检测技术在复合材料检测中的应用郁　青,何春霞(南京农业大学工学院,江苏南京210031)摘　要:介绍了复合材料在制造和使用过程中产生的缺陷和损伤的形式,讨论和分析了复合材料检测中各种无损检测技术的特点及适用范围,并对其优、缺点进行了比较和评价。

关键词:无损检测技术;复合材料;应用中图分类号:TB303 文献标识码:B doi :1013969/j.issn.167423407.2009.02.008Application of Nondestructive T esting in Composite MaterialsYu Qing ,He Chunxia(College of Engi neeri n g ,N anj i n g A g ricult ural U ni versit y ,N anj i ng 210031,J i an gs u ,Chi na )Abstract :This article int roduces t he forms of defect s and damages which are brought during p ro 2cessing and operation of composite materials.The characteristic and applicability of differenttechniques of nondest ructive testing (ND T )used for compo sites are described and analyzed.Mo 2reover ,t heir merit s and drawbacks are compared and estimated.K eyw ords :no ndest ructive testing ;compo site material ;application1　概　述无损检测是不破坏产品原来的形状、不改变其使用性能,对产品进行检测(或抽检),以确保其可靠性和安全性的检测技术。

在不损伤被检测对象的条件下,利用材料内部结构异常或缺陷存在所引起的对热、声、光、电、磁等反应的变化,来探测各种工程材料、零部件、结构件等内部和表面缺陷,对缺陷的类型、性质、数量、形状、位置、尺寸、分布及其变化做出判断和评价。

随着科学技术的迅速发展,对材料的性能提出了更苛刻的要求,传统的材料因其性能单一而不能满足需要。

复合材料是由两种或两种以上异质、异形、异性的材料复合形成的新型材料。

各种材料在性能上互相取长补短,产生协同效应,使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求,因此被越来越广泛地用于航空航天、汽车工业、化工、纺织、机械制造以及生命科学和医学等各个领域。

复合材料在工艺过程中,由于增强纤维的表面状态、树脂粘度、低分子物含量、线性高聚物向体型高聚物转化的化学反应速度、树脂与纤维的浸渍性、组分材料热膨胀系数的差异以及工艺参数控制的影响等,使复合材料结构在生产制造和使用过程中不可避免地会存在缺陷和遭受损伤[1]。

无损检测技术可对复合材料在不破坏的情况下有效地检测出各种缺陷和损伤形式,因此被广泛地应用于工程中。

2　无损检测技术在复合材料检测中的应用复合材料的缺陷和损伤检测是复合材料结构修理的基础和前提,也是其性能评估的依据。

针对不同的缺陷和损伤形式,可以采用不同的无损检测手段。

目前,对于复合材料无损检测的常用方法有X 射线、超声波、计算机层析照相(CT )、红外热成像检测、声发射、微波、激光检测法、中子照相法、敲击法以及声-超声检测法等。

211　X 射线无损检测技术X 射线无损检测中目前常用的是胶片照相法,・42・它是检查复合材料中孔隙和夹杂物等体积型缺陷的优良方法[2],对疏松、贫胶、纤维断裂、增强剂分布不匀也有一定的检出能力。

该方法灵敏度高,检测结果直观,但检测分层缺陷困难,不易发现与射线垂直方向上的裂纹,且设备复杂庞大,需要安全防护。

随着计算机技术的飞速发展,新型的“X射线实时成像检测技术”和“X射线C T”已应运而生,并开始应用于结构的无损探伤。

此两种方法无论在检测效率、经济、表现力、远程传送、方便实用等方面都比照相底片更胜一筹,因而具有良好的发展前景。

徐翔星[3]分别运用X射线照相、X射线实时成像和X射线C T三种方式对C纤维预制体及C/SiC 复合材料进行了检测和研究。

结果表明X射线照相对C/SiC复合材料中SiC或C/SiC缺陷的形状和方向参数敏感,检测出了C纤维预制体的编织缺陷、C/SiC中由于编织错误产生的的孔洞、纤维的编织纹路和较大范围内密度的变化等。

用X射线工业CT(B T-400)对C/SiC构件进行了断层扫描成像检测,能精确检测出C/SiC复合材料截面密度分布,且能够清楚地显示出纤维束间孔隙的形状、相对大小、位置等信息,能检测出C/SiC中编织缺陷造成的孔洞。

212　超声波无损检测技术超声波检测法主要利用复合材料本身或缺陷声学性质对超声波传播的影响,来检测材料内部或表面的缺陷。

超声波能检测复合材料构件中的分层、孔隙、裂纹、夹杂等缺陷,能判断材料的疏密、纤维取向曲屈、弹性模量、厚度等特性和几何形状等方面的变化[4]。

超声检测灵敏度高,可精确确定缺陷的位置与分布,且操作简单。

但缺点是检测效率低,对不同类型的缺陷要使用不同规格的探头。

对小、薄和复杂零件难以检测,且在检测过程中需要使用耦合剂。

随着计算机的发展,超声C扫描,由于显示直观、检测速度快,已成为飞行器零件等大型复合材料构件普遍采用的无损检测技术。

魏勤等[5]研究表明,铝基SiC复合材料中通过超声波C扫描可以直观地显示Al/SiC材料中的凝聚物或裂痕,根据缺陷在显示图形中的位置可判定工件中所对应缺陷的位置。

另外,许有昌[6]针对碳纤维复合材料舱体缺陷产生的原因和舱体结构特点进行了专门的超声波检测的研究,认为采用C扫描超声波检测法为主,A型脉冲反射超声波检测法为辅可有效实施对碳纤维复合材料舱体缩比件的缺陷检测。

图(1)[7]是美国Sandia国家实验室的John H.G ieske等人采用超声C扫描方法对一个边长305mm的正方形复合材料———金属粘接结构试样进行检测所得到的结果,从图中可以清晰看到试样中存在两个大面积的脱粘缺陷(图中的高亮显示区域)及其它一些零星的脱粘不良缺陷。

图(1)　复合材料2金属粘结构试件超声C扫描检测结果213　计算机层析照相技术(C T)工业C T(简称IC T),即工业计算机断层扫描成像,具有直观、准确、无损伤等特点,主要用于工业构件的无损检测。

其原理主要是:通过扫描工件得到断层投影值,然后通过图像重建算法重建出断层图像。

CT的图像清晰,与一般透视照相法相比不存在影像重叠与模糊,图像对比灵敏度比透视照相要高出两个数量级。

因此,国际无损检测界把工业C T称为最佳的无损检测手段。

对产品的检测结果表明,工业CT设备对复合材料的气孔、夹杂、空隙、疏松、分层、裂纹以及密度分布不均匀等各种常见缺陷具有很高的探测灵敏度,在一定范围内能够精确地测定缺陷的几何尺寸。

图(2)　一种新型复合材料的CT断层图像图(2)[8]是一种新型复合材料的C T断层图像,图中可清楚地看到该复合材料内部的微裂纹。

金虎等[9]利用C T技术对C/C复合材料的内部缺陷进・52・No2.2009 郁　青,等:无损检测技术在复合材料检测中的应用行了无损检测。

结果表明,CT 检测技术的空间分辨率和密度分辨率完全可以满足C/C 复合材料内部缺陷的检出要求,从而保证C/C 复合材料产品的内部质量,保证C/C 复合材料的性能。

H.Hocheng [10]用C T 技术检测到了复合材料试件的横切面上因为钻孔所引起的分层损伤,证实了CT 技术在复合材料无损检测中的有效性和可行性。

214　红外热成像无损检测技术红外热成像无损检测技术的基本原理是利用红外物理理论,把红外辐射特性的分析技术和方法应用于被检对象的一个综合性无损检测应用技术。

此检测法是通过检测物体的热量和热流来鉴定该物体质量。

当物体内部存在裂缝和缺陷时,将会改变该物体的热传导性能,使物体表面温度分布有差别,此时通过检测装置可显示出其热辐射的不同,从而判别并检查出缺陷的位置。

红外热成像法具有成本低、快速、方便、精确的优点,可用于多层材料与复合材料的夹杂、脱粘、分层、开裂等缺陷与损伤的检测评估,但要求被测件传热性能好,表面发射率高。

1994年,美国韦恩州立大学工业制造研究所的L.D.Favro 等人使用红外成像技术对碳纤维增强环氧薄板中的冲击损伤进行了检测[11];美国航空航天局Langley 研究中心的William P.Winf ree 和陆军研究实验室的Jo sep h N.Zalameda 对复合材料中分层深度的红外热成像检测技术进行了专门研究[12],以上两例的检测结果表明,红外热成像技术不仅具有探测纤维增强复合材料中是否存在分层缺陷的能力,而且还能够给出缺陷深度方面的信息。

215　声发射法检测技术声发射(A E )技术是一种评价材料或构件损伤的动态无损检测技术,它通过对声发射信号的处理和分析来评价缺陷的发生和发展规律,并确定缺陷的位置。

声发射检测的原理就是利用物体在外界条件作用下,缺陷或物体异常部位因应力集中而产生变形或断裂,并以弹性波形式释放出应变能,通过捕捉这些动态的信息,根据其A E 信号的特征及其发射强度,就可对材料的微观变形和开裂以及裂纹的发生和发展情况进行检测和预报。

但利用声发射检测要具备两个条件:第一,材料要受外载作用;第二,材料内部结构或缺陷要发生变化。

目前,采用声发射技术已能检测复合材料中每根碳纤维或玻璃纤维丝束的断裂及丝束断裂载荷的分布,从而评价碳纤维或玻璃纤维丝束的质量。

声发射技术还可区分复合材料层板不同阶段的断裂特性,如基体开裂、纤维与树脂界面开裂和裂纹层间扩展等[13,14]。

方鹏等[15]利用声发射技术对C/SiC 复合材料高温蠕变试验过程进行动态监测,研究结果表明,在此过程中,A E 信号累计能量同复合材料的蠕变应变有一致的变化趋势,故可以用A E 信号累计能量表征和描述其高温蠕变。

刘怀喜等[16]采用声发射法对复合材料飞轮试件高速旋转时的损伤信号进行采集,并借助体视显微镜、光学显微镜和着色法等辅助检测方法,使损伤类型与损伤信号一一对应,研究发现用声发射法能灵敏地采集到飞轮试件高速旋转时的各种损伤信号。