李光浩 : 现代民用飞机复合材料的无损检测
高空温度低 ,蜂窝结构中的水结成冰 ,当飞机一着 陆 ,由于地面与高空的温差造成蜂窝结构制造的部 件 (如襟翼等) 外表面存在温差变化 ,无水区域温度 高 ,含水区域温度低 。可用便携式红外摄象机快速 、 简便地检查整个受检区域的含水情况 。该方法能实 时检查 ,携带方便 ,能照相存档 ,检查过程无须与表 面接触 ,无须冲洗胶片 ,无须像 X 射线检查时划出 隔离区 。但采用该方法必须依靠温差 ,飞机一着陆 须尽快检查 ,时间越长 ,图象越模糊 ,且设备昂贵 。
(5) 液晶图象检查也是一种检查蜂窝结构含水 的方法[2] 。该方法利用液晶随温度变化而变色的原 理来进行检查 ,用抽真空将液晶簿膜紧贴在蜂窝结 构下方外表蒙皮上 (即靠近水的一方) ,再用加热器 对液晶薄膜加温 ,有水的部位热量被水吸收 ,升温 慢 ;无水的部位升温快 ,使得液晶薄膜上呈现与含水 区域变化相对应的液晶图象 。该方法不受飞机着陆 后时间长短的影响 ,所需材料除液晶薄膜以外 ,只需 真空袋 、抽真空皮球及耦合剂等材料 ,价格便宜 ,液 晶薄膜等材料可反复使用 ,缺点是图象不能保存 。
L I Guang2hao (Shanghai Airline , Shanghai 200335 , China) 中图分类号 :TG115. 28 文献标识码 :B 文章编号 :100026656 (2001) 0520213202
1 复合材料在飞机工业中的应用概况
70 年代初期 ,波音等厂家开始研究用复合材料 来减轻飞机结构重量 ,飞机扰流板 、整流罩 、方向舵 和水平安定面等部件逐步采用复合材料制造 。到 90 年代 ,复合材料在飞机上的应用更为广泛 ,玻璃 纤维 、碳纤维 、卡夫隆 、碳纤维/ 卡夫隆复合材料结构 占了飞机总面积 30 %以上 (以波音 777 为例) ,随着 复合材料的广泛应用 ,复合材料的检测也显得越来 越重要 。
(9) 涡流检测法可用于检查碳纤维/ 环氧树酯 复合材料表面 、次表面的裂纹和纤维损伤[1] 。由于 随着纤维编织排列花样和环氧树酯配比不同 ,材料 电导率有差异 ,检测涡流场与碳纤维/ 环氧树酯的空 间相关位置不同 ,电导率也不同 。因而每块碳纤维/ 环氧树酯复合材料都有其不同的涡流场特性 ,直接 影响涡流检测的检测灵敏度 。由于以上特点 ,决定 碳纤维/ 环氧树酯复合材料的涡流检测不同于金属 涡流检测 ,人员需专门培训 。
(7) 超声粘接检查所用频率较低 (最低至音频范 围) ,无需耦合剂 ,可检查因撞击 、变形 、雷击 、燃烧/ 过热 、水的渗入造成复合材料损害的范围 ,采用超声 谐振法和机械阻抗法 (声振法) 。超声谐振法原理是 探头空载时存在一固定谐振频率 ,当与检测物耦合 时谐振频率 、相位发生变化 ,将此频率 、相位变化进 行信号处理 , 从而分析出脱粘部位 。常见仪器有
(6) 超声检查是常用方法 ,采用穿透 、反射法可 检查复合材料的分层 、破碎及蜂窝结构含水 。检测 用试块是由多层复合材料粘接而成的台阶试块 ,最 厚达 30 层 ,每层厚 012mm(01008in) 。反射法检查蜂 窝结构含水须将探头放置在蜂窝结构材料下侧蒙皮 上 ,检查前 ,可轻敲蒙皮 ,使蜂窝结构中水分与探头 放置一侧直接接触 ,以保证正确检查[3] 。
(3) 射线检测用于评估裂纹形状 、破碎纤维区 域 、撞击损伤 、孔洞边缘损伤以及雷击损伤的面积 。 尤其是对蜂窝结构单元渗水检查 ,不但能显示渗水 单元 ,而且能了解渗水量 ,对整个受检部件受水侵入 情况有非常清楚的了解 。常用于 X 射线检查的 X 射线 机 电 压 < 25kV , 电 流 3mA , 焦 点 ≤1. 5mm × 115mm 。射线衰减渗透照相是复合材料射线检查的 又一种有效方法 。该方法是以碘化锌按一定配比溶 于丙酮 、丁酮 、水 、酒精等溶剂中制成溶液 。该溶液 对射线有衰减作用 。将配制好的溶液渗透进开口的 缺陷中去 ,以增强射线照片的影象效果 。利用该方 法 ,不但能检查出与射线方向平行的缺陷 ,而且能发 现表面开口的材料分层和脱胶 。
以上是目前现代民用飞机复合材料无损检测的 几种常用方法 ,在实际应用中 ,需根据检查目的 、检 查对象和检查要求来灵活选择 ,表 1 是各种方法能 检测的缺陷种类列表 。
检查 撞方法 击源自敲击—目视检查 能
渗透检查 能
射线照相 能
红外摄象 —
超声粘接 能
检测
超声检测 —
涡流检测 —
液晶成象 —
210Bondtester ,2100 Bondscope ,Fokker Bondtester ,Bond2 master 。机械阻抗法 (声振法) 是通过超声机械振动 , 采用低频脉冲方法去检测复合材料结构部件的机械 阻抗 (硬度) 方式来实现对复合材料的检查 ,检测频 率低 ,复合材料结构的变化能引起信号幅度 、相位变
化 ,常见仪器有 SondicatorS22B , S3 , S5 , S9 ,Bondmas2 ter ,US5200 等[3 ] 。
(8) 敲击法是最常用的检测法 ,利用硬币 、棒 、 小锤等物敲击蒙皮表面 ,仔细辨听声音差异来查找 缺陷 ,也有专用仪器 ,如日本 MITSUI 公司生产的“啄 木鸟”就是一种有声 、光报警 ,操作简便的仪器 。
[2 ] Boeing Company. 767 NDT Mannual (document D634N301) [ Z] . 1999.
[ 3 ] Staveley Instrument Corp . Sonic bondmaster operation manual [ Z].
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第23卷第5期 2001年5月
无损检测 NDT
Vol . 2 3 No . 5 May 2 0 0 1
实践经验
现代民用飞机复合材料的无损检测
李光浩 (上海航空公司 ,上海 200335)
NONDESTRUCTIVE TESTING OF AD VANCED AIRCRAFT COMPOSITE
表1
复合材料常见缺陷 (在役飞机)
分层 (脱胶)
裂 空洞 边缘
水 燃烧/ 雷
纹 损伤 渗入 过热 击
能
—— — ——
边缘分层 能 能 — 能 能
边缘
能能 — ——
渗透衰减 能 能 能 能 —
—
——能 ——
能
—— —能能
能
能 —能 能 —
—
能 — — ——
—
——能 ——
参考文献 :
[1 ] Boeing Company Cust Sup2Deboo. In2service nondestructive inspection of advanced composite structures[ Z] . 1994.
收稿日期 :2000208218
2 复合材料的无损检测方法
(1) 目视检查采用折射镜 、10 倍放大镜检查复 合材料部件的缺口 、裂纹 、掉漆 、破碎 、分层 、局部或 整体吹落以及表面热损伤 。利用内窥镜进行内部检 查 。部件表面油漆层起泡 、掉漆等受损往往是复合 材料表面损伤的标志[1] 。
(2) 渗透检测用于检测表面损伤和裂纹 ,也可 从复合材料横截面处检查分层 。在检查前 ,用丙酮 、 丁酮进行预清洗 ,通常采用水洗型荧光渗透 、干粉或 湿法显象 ,也可用着色渗透法 ,由于复合材料具有深 色背景 ,需利用显象剂增强反差 ,灵敏度差 。
复合材料中最常见缺陷为脱胶和未粘接 ,采用 超声穿透法 、脉冲反射法 、粘接检测器及射线照相进 行检测 。超声穿透法是常用的方法 ,常采用单通道 到六通道超声 C 扫描对蜂窝结构材料及层状复合 材料进行分层和脱胶检查 ,也可采用喷水穿透法探 头架进行自动或手动检查 ,对于边缘及曲率大的部 分多采用直接接触法手动检查 , 检查频率为 1 ～ 2125MHz 。
在役飞机维护检查中 ,复合材料存在的最常见 的缺陷有撞击 、雷击 、侵蚀等损伤以及应力疲劳裂 纹 、变形 、撕裂 、孔洞边缘损伤 、分层 、脱胶 、蜂窝结构 单元渗水 、燃烧/ 过热等 。目视检查是维修检查中常 见的基本方法 ;其它无损检测方法用于评估损伤情 况 ,精确测定受损面积 。复合材料经修补后也需采 用无损检测方法进行检查 。对某些部件采用目视检 查与无损检测相结合 。复合材料无损检测方法有渗 透 、射线 、红外 、液晶 、超声和涡流法等 。
(4) 红外摄象检查作为一种替换方法可用于检 查蜂窝结构中的含水区域[2] ,但无法正确分辨哪一 单元格中含水 。它的原理是当飞机在高空时 ,由于
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