复合材料无损检测与缺陷评估技术

复合材料无损检测与缺陷评估技术

 

摘 要：我国复合材料无损检测技术经过几十年的发展和积累，在检测方法与技术研究、仪器设备研制与生产、人员培训与国际合作等诸多方

面形成了明显的技术特色。几十年的研究与应用表明，高分辨率射频(RF)超声检测技术已经成为我国复合材料无损检测的主要技术，并已获

得广泛的应用，其表面盲区和纵向分辨率可达0.125 mm，基于此原理的检测换能器、仪器、设备技术，可实现复合材料结构的超声自动化扫描成像检测和缺陷量化评估，检测通道达20个。声阻、声振技术在胶接结构无损检测中得到推广应用，可实现胶接缺陷的数字化检测与评估。激光超声和电子剪切成像技术近年来有了明显的进展和实际应用，具有较好的应用潜力。

关键词：无损检测；复合材料；超声波检测；声阻；激光超声；电子剪切成像

中图分类号：TG115.28 文献标识码：A

文章编号：1000-6656(2008)10-0673-06

Nondest r uct ive Test ing and Evaluat ion

Techniques for Composites

——Celebration of 30 year anniversary of ChsNDT

The R&D Center of NDT&E, Beijing Aeronautical ManufacturingTechnology Research Institute LIU Song-Ping Abstract: There was a fruitful and successful development and progress in nondestructive testing and evaluation (NDT&E) techniques for composites during the past 30 years in China, which included the achievements in studies of NDT&E methods and techniques, development and production of NDT instrumentations and devices, qualification and training, international academic cooperation in the area. So far, the high resolution RF ultrasonic technical method, which was found in 1980’s by Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute (BAMTRI), is the powerful and effective approach for composites NDT&E, which has been applied widely in aeroindustries.

Its surface dead zone and resolution by using this technique are close to 125 micrometers in carbon fiber composites at 5MHz. Automated ultrasonic scanning inspection and evaluation techniques have been used to NDT&E of diverse composites components, BAMTRI has developed a series of automated ultrasonic scanning systems from two-axels up to 7 axels since 1980’s. A high efficient NDT technique, which is based on multiple channels (up to 20 channels) automated ultrasonic scanning method and system, has been designed to inspect composites components with large scale in aeroindustry.

A wide selection of ultrasonic testers and systems are available in China. Mechanical impedance analysis (MIA) has been applied widely and importantly in diverse industries as a portable, cost-saving and powerful tool for NDT of adhesive bonding structures since it was found in 1970’s by BAMTRI. Now different digital NDT testers based on MIA method are available in China. The application and development of shearography and laser ultrasonic techniques as fast NDT of composites components also have been obtained a remarkable progress in recent years.

Keywords: Nondestructive testing；Composites；Ultrasonic testing；

Mechanical impedance analysis；Laser-ultrasonic；Shearography

 

自20世纪中叶以来，复合材料在航空宇航等工业领域得到了广泛应用。目前波音787飞机的复合材料设计用量达到结构重量的50%。特别是进入21世纪以来，复合材料在飞机领域的应用达到空前的规模，几乎被国内外业内同行推崇到了用复合材料的装机用量标榜现代飞机的先进性的地步。

航空宇航等工业产品高质量、高可靠性、长寿命和高性能的要求，必须对复合材料进行100%无损检测。因此，发展先进可靠的复合材料无损检测技术，其重要性和意义不言而喻。

我国复合材料无损检测技术的研究与探索源于20世纪70年代中后期。经过几十年的发展和自主研究，目前已经形成了颇具特色的复合材料无损检测方法、技术、仪器设备、技术服务与培训体系，初步建立了切合我国实际的复合材料设计研发和工程应用的技术平台，先后取得了一批实用性较强的复合材料无损检测科技成果，形成了一批稳定的科研队伍。

与传统的金属材料结构相比，复合材料结构是一种通过基体-增强物之间的物理结合和铺层设计来达到预期性能的集材料工艺于一体的新型材料结构。其最为显著的优点是材料和结构的重量-性能比(即比性能)好、可设计性强、材料利用率高和制造工序少(从材料制备到结构成型，往往仅需要一两个热循环就能完成制造)。因此，一旦进入复合材料结构制造工序，其输出结果就是结构件，而且复合材料结构越来越复杂，结构尺寸越来越大，整体结构越来越多，如飞机机翼、机身和壁板等。

复合材料的无损检测不能简单沿用金属材料检测的思维惯性和方法，而必须根据复合材料结构特点，研究和采用复合材料的无损检测技术和方法。

(1) 由于复合材料内部各结构元素(如纤维、树脂和铺层等)之间主要是通过物理界面相结合(图1)，而且存在明显的各向异性。大量的检测结果和破坏分析表明，最容易产生缺陷的部位正是在复合材料内部的物理界面。因此，界面缺陷的检测是复合材料无损检测的重点。特别是对复合材料层压结构，研究和掌握其结构特点，对选择和研究复合材料无损检测技术具有正确性的指导意义。

(2) 复合材料结构多为非厚度结构，厚度约0.3~40 mm，因此，对复合材料的检测必须结合具体的应用对象。特别值得指出的是，复合材料不允许存在表面检测盲区。对于复合材料层压结构，单个铺层的厚度小至0.125 mm，而且通常复合材料结构在厚度方向不存在加工余量之说。

(3) 对复合材料层压结构，必须充分考虑内部的微结构与所研究和选择的检测方法在检测机理、缺陷信号成因上的有机联系。例如，声波在复合材料中的传播特性的变化和缺陷识别方法就与复合材料内部微结构存在密切联系[1—3]。不能简单地根据换能器接收到的物理信号的变化判别缺陷是否存在。例如，图2是来自碳纤维层压复合材料内部的典型超声回波信号，图中F来自材料表面的声波反射，B来自材料底面的声波反射，D来自材料内部的声波反射。按照传统的超声检测思维惯例，信号D应是判别材料内部缺陷的依据。但在复合材料超声检测中，信号D并不是来自缺陷的反射波，而是材料结构变化铺层引起的入射声波反射。

(4) 缺陷特点与特征总是与材料、工艺和结构密切相关，因此需要掌握这些特点，才能建立正确的复合材料判别方法[1—4]。

(5) 从事复合材料无损检测的人员必须经过针对性的技术培训。即便是一个从事金属材料无损检测多年的高级技术人员，如果没有针对性的技术培训或相关研究，也很难胜任复合材料无损检测。

经过近30年的发展，国内复合材料无损检测技术研发和应用有了长足的进步，形成了一些较为切合实际的技术特色。北京航空制造工程研究所(原北京航空工艺研究所)对复合材料无损检测技术进行了长期系统的研究和应用，取得了多项科研和应用成果，形成了一支稳定的科技队伍。先后完成了近20项国家和部级重点资助的复合材料无损检测技术研究和研发项目，获得国家发明奖和省部级科技成果奖累计十余项。例如，目前广泛被采用的胶接结构声振检测技术和复合材料高分辨率RF超声检测技术及缺陷判别方法就是该研究所分别在20世纪70年代初和80年代初研究建立的。

胶接结构无损检测方法的启蒙研究可以追溯到20世纪60年代。北京航空工艺研究所是最早从事这方面研究的单位，并于20世纪70年代初研究提出了胶接结构声振学检测方法(图3)，研究成功了首台胶接换能器复合材料RF回波信号图4 复合材料RF超声检测方法结构声振(声阻)检测仪器、涡流声检测仪器，并于20世纪80年初建立了胶接结构声阻声振检测方法的相关标准。

20世纪80年代初，随着我国复合材料设计、应用的起步，北京航空工艺研究所结合复合材料的特点，首次研究成功了高分辨率微盲区复合材料RF超声检测方法和检测技术(图4)。经过不断发展和完善，目前已成为我国复合材料无损检测的支柱技术，其表面检测盲区可达0.125 mm，至今仍处于国际领先水平。

国内复合材料超声扫描成像检测技术起源于20世纪80年代中期。

针对飞机复合材料结构，北京航空工艺研究所先后研究提出了复合材料反射/穿透法C扫描检测技术、缺陷模式识别技术、复合材料孔隙率评估方法、复合材料手动扫描成像检测技术和复合材料声发射检测方法，在实际生产和科研中得到较好的应用。20世纪90年代中后期以后，复合材料超声扫描成像检测技术得到了快速发展，此间，北京航空工艺研究所研究提出的先进复合材料超声成像检测技术得到了较好的实际应用，并获得了部级科技进步二等奖。图5是某实际复合材料结构件的超声扫描成像检测结果。

20世纪90年代初，北京航空工艺研究所研究提出基于多轴运动控制的复合材料结构超声自动扫描检测技术[5]，获得部级科技进步二等奖。该技术可以实现复杂形状复合材料的自动超声C扫描成像(图6)。我国自主设计的数字化智能胶接检测技术是在20世纪80年代后期[6,7]。北京航空工艺研究所研究提出了胶接结构缺陷量化评估方法，实现了胶接缺陷的自动识别与检测参数自动优化选择。该项成果在1991年获得了部级科技进步二等奖。

针对新型复合材料结构，20世纪90年代中后期，北京航空工艺研2 复合材料无损检测技术究所研究提出了RTM/缝编复合材料结构、缠绕复合材料结构缺陷表征与超声评估技术，提出了超声深度扫描[8]、T扫描成像检测技术[1]和积分换能器技术。图7是某复合材料超声T扫描成像结果(Ti为成像深度，i=0，1，2，…)，该成像方法可以得到复合材料不同深度平面内缺陷的量化分布，并且在RTM/缝编、缠绕等新型复合材料结构的无损检测方面应用广泛。该成果获得部级科技进步三等奖。

20世纪90年代中后期，北京航空制造工程研究所研究提出了复合材料胶接结构激光电子剪切成像检测技术[9]。该技术利用单束激光束干涉，实现了检测的多维成像显示，典型检测结果见图8。激光电子剪切成像检测技术是在激光散斑干涉检测方法基础上，通过建模分析和图像处理，将散斑干涉中的条纹图转换为二维和三维灰度图像，再现检测结果。使因需隔震等原因难以推广的激光全息干涉技术摆脱了困境，为复合材料胶接结构提供了一种有效的室内外快速无损检测方法。

针对飞机复合材料结构激光超声检测，近年北京航空制造工程研究所开展了系列研究，取得了明显的进展，初步建立了复合材料激光超声检测方法与缺陷识别方法[10,11]。

将复合材料微结构、性能测量、缺陷评估与成像检测结合进行系统研究始于21世纪初。通过研究不同波长声波在复合材料中的传播规律，北京航空制造工程研究所提出了长波、短波超声检测方法和多维成像检测方法[1-4,12]，先后有多项技术成果获得部级科技进步二、三等奖。图9是采用超声成像检测技术得到的典型炭纤维织物复合材料内部微结构的分布[12]。

随着复合材料在飞机工业的设计用量的空前剧增和质量要求日渐提高，近年来北京航空制造工程研究所研究提出了复合材料可视化成像检测技术、大型复合材料构件的超声快速自动扫描检测技术和复合材料高效自动化扫描检测技术。检测通道达20个，可以实现6 000 mm×9 000 mm以上尺寸的大型复合材料结构件的高效自动检测。

经过几十年的发展，我国复合材料无损检测仪器设备开发有了长足的发展，特别是复合材料超声检测仪器设备。20世纪80年代初，北京航空工艺研究所研制成功了我国首台复合材料超声检测仪器和换能器，检测分辨力达0.125 mm，可达到单周脉冲特性。20世纪70年代研制成功了胶接结构声振检测仪器及换能器。20世纪90年代初研制成功了复合材料手动扫描成像检测仪器。经过近30年的不断发展和完善，FCC-B，2000，MUI，MUT和FJ等系列仪器目前已成为我国复合材料无损检测的主要仪器和换能器。

我国大型复合材料无损检测设备研制起步于20世纪80年代，目前已发展到大型复合材料结构的超声自动扫描检测，例如，北京航空制造工程研究所先后研制成功的2坐标、3坐标、4坐标、5坐标和7坐标的CUS系列超声自动扫描成像检测设备，先后获得多项部级科技进步二、三等奖。近年来其研制的快速高效超声自动化检测设备UltraScan9000的检测通道多达20个，无损检测资源网具有独特的自动跟踪功能，较好地解决了复合材料构件的自动跟踪扫描检测(图10)。

复合材料的缺陷识别方法不同于传统的金属材料。经过几十年的研究和积累，目前基本形成了适合我国复合材料工艺特点的缺陷判别方法。

20世纪80年代初，北京航空制造工程研究所针对复合材料特点，采用微盲区高分辨率超声检测技术，提出了模式识别方法，在研究复合材料结构特点和超声信号规律基础上，建立了复合材料缺陷超声特征识别与缺陷分类方法，较好地解决了复合材料常见缺陷的识别与分类。

分布型缺陷(如孔隙率含量)是复合材料无损检测中一个非常重要的缺陷识别与评估技术。我国复合材料孔隙率评估技术起源于20世纪80年代中期，原北京航空工艺研究所是从事这方面的最早单位。目前北京航空制造工程所已经初步建立了典型树脂基复合材料的孔隙率含图10 多通道大型复合材料超声检测系统量评估模型、方法与数据库，可以实现复合材料孔隙率含量的超声数值评估，图11是某实际复合材料孔隙率超量化评估结果。

冲击损伤是复合材料结构使用中的一种重要损伤形式，北京航空制造工程所在这方面已有近20年的研究，目前已经建立了较为成熟的复合材料冲击损伤定量评估方法和技术。主要采用高分辨率超声检测方法，实现对复合材料冲击损伤的定量评估。图12是某实际复合材料冲击损伤在厚度方向的分布情况，图中A0处是由于冲击在复合材料表面引起的损伤，A1~A6所指示白色区域是由于冲击在复合材料内部引起的损伤，F和B所指示的白色区域分别是复合材料表面和底面，S所指示的黑色区域是入无损检测资源网射声波在冲击损伤区形成的超声阴影。

复合材料无损检测与国外有着多种合作方式，一种是通过开展国际科技研究，主要是针对复合材料无损检测中的一些技术问题，利用双方的术资源开展研究、技术互访和技术交流。目前我国与俄罗斯和美国等同行在这方面有较好的交流与合作；另一方面通过承担检测任务，从中学习和掌握一些相关的复合材料无损检测规范、技术标准和技术管理。北京航空制造工艺研究所一直在开展这方面的合作。

我国复合材料无损检测人员专业培训历史可追溯到20世纪80年代，当时主要由北京航空制造工艺研究所负责和组织复合材料专业人员培训与技术资料论证、教材编写，累计培训人员200人左右。20世纪90年代后期后，由于认证机构的变革，专门的复合材料无损检测人员技术资格的培训与取证工作曾经一度中止，但技术培训与技术交流仍主要在北京航空制造工程研究所不定期举行。近年来，复合材料无损检测人员培训工作主要由空军航空修理无损检测技术委员会和北京航空制造工程研究所联合举办。

在2004~2006年，先后在石家庄举办了多期复合材料无损检测培训与取证考核班。随着复合材料装机应用的快速增长，今后我国还应加强这方面的专业培训与取证。

复合材料是现代飞机设计应用的重要材料，在飞机上用量达到52%，直升机上用量甚至达到70%以上。因此，未来复合材料无损检测有着广阔的发展前景，但无损检测只有与复合材料自身特点相结合，才能有效地建立合适的检测方法和技术。我国复合材料无损检测技术的研发从一开始就走的是自主研究的思路，经过几十年的不断积累，目前已经取得了较好的效果。

在复合材料规模应用的趋势下，还有许多检测技术难题需要不断地去研究和开发，特别是一些快速高效的无损检测新技术、自动化检测技术、缺陷可视化检测技术和复合材料结构无损检测装备技术等都是今后复合材料无损检测发展的重要方向。