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淺論復(fù)合材料無損檢測技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展論文
1 概述
復(fù)合材料之所以能夠成為20 世紀(jì)迅速地在工業(yè)部門推廣應(yīng)用的新材料、新結(jié)構(gòu), 無損檢測技術(shù)發(fā)揮了十分重要的推動作用, 反過來, 復(fù)合材料也為無損檢測技術(shù)的迅速發(fā)展帶來了更多的研究空間。一些過去在金屬材料無損檢測中因技術(shù)障礙而面臨困境的檢測技術(shù), 在復(fù)合材料對無損檢測技術(shù)的需求牽引下, 得到了新的飛速發(fā)展。如針對初期基于金屬材料及其結(jié)構(gòu)在負(fù)載作用下產(chǎn)生應(yīng)力波的物理現(xiàn)象的聲發(fā)射檢測技術(shù)、基于物理波相干原理的激光全息干涉檢測技術(shù)、激光超聲檢測技術(shù)等, 幾乎都是70 年代問世, 80 年代在應(yīng)用中由于物理信號特征解釋困難、環(huán)境條件要求苛刻或技術(shù)上有待進(jìn)一步突破等原因, 難以在工程上找到用武之地, 自90 年代后則得到了迅速的應(yīng)用發(fā)展。
由于復(fù)合材料的先進(jìn)性與其質(zhì)量的離散性和高成本并存, 在實際應(yīng)用中, 即使是經(jīng)過研究和試驗制訂的合理工藝, 在結(jié)構(gòu)件的制造過程中還可能會產(chǎn)生缺陷,引起質(zhì)量問題, 嚴(yán)重時還會導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)件的報廢, 造成重大經(jīng)濟(jì)損失。因此, 國外自70 年代以來, 就針對復(fù)合材料的研究、應(yīng)用開展了全方位的無損檢測技術(shù)研究。早期主要是沿用金屬材料所采取的一些檢測方法, 進(jìn)行復(fù)合材料的無損檢測技術(shù)探索, 隨著研究工作的深入, 人們對復(fù)合材料的內(nèi)部規(guī)律和缺陷特征有了更深的認(rèn)識, 發(fā)現(xiàn)完全采用常規(guī)金屬材料無損檢測的方法不能解決復(fù)合材料的無損檢測問題。因此, 進(jìn)入80 年代后, 才真正走向復(fù)合材料無損檢測, 研究出了許多適應(yīng)復(fù)合材料特點的無損檢測新技術(shù)、新方法, 從而為解決復(fù)合材料的無損檢測、促進(jìn)復(fù)合材料的推廣應(yīng)用發(fā)揮了重要作用。
目前復(fù)合材料無損檢測已經(jīng)應(yīng)用于材料、結(jié)構(gòu)件和服役無損檢測3 個方面。技術(shù)上已從初期的檢測方法探索發(fā)展到目前的檢測方法研究、信號處理技術(shù)、傳感器技術(shù)、缺陷識別技術(shù)、成像顯示技術(shù)、儀器設(shè)備技術(shù)、結(jié)構(gòu)件檢測技術(shù)、定量檢測與評估、服役結(jié)構(gòu)壽命評估、強(qiáng)度評估和性能測試等。無損檢測技術(shù)已經(jīng)成為復(fù)合材料研究和應(yīng)用中的一項關(guān)鍵技術(shù), 融入復(fù)合材料從研究到最終裝機(jī)應(yīng)用的全過程。
2 復(fù)合材料無損檢測技術(shù)的應(yīng)用范圍
復(fù)合材料無損檢測主要應(yīng)用于以下3 個方面:(1)材料無損檢測;(2)結(jié)構(gòu)無損檢測;(3)服役無損檢測。
2.1 材料無損檢測
材料無損檢測主要解決材料研究中面臨的問題,進(jìn)行諸如材料內(nèi)部缺陷表征、性能測試、缺陷基本判據(jù)的建立、無損檢測物理數(shù)學(xué)模型的建立等研究。其檢測對象主要是試樣、試片, 采用精細(xì)無損檢測技術(shù), 面對材料研究過程, 重視無損檢測物理數(shù)學(xué)模型的建立,重點開展新的檢測方法研究。采用高分辨率超聲成像檢測技術(shù)得到的復(fù)合材料內(nèi)部3 個不同深度位置的超聲層析掃描檢測結(jié)果, 被檢測試樣為正交鋪層的碳纖維層壓結(jié)構(gòu), 厚度為1 .5 mm 。從圖中可以看出碳纖維束的取向, 即使是一些位于纖維束之間的細(xì)小缺陷也能較好地檢測出來,箭頭所指的白色區(qū)域即為纖維束間的細(xì)小缺陷。從中還能清晰地看出, 試樣近表面層靠近左側(cè)纖維束的走向似乎不如右側(cè)有規(guī)律。這些信息的獲得對材料和工藝研究非常有益, 為得到這種微細(xì)缺陷信息, 必須采用高精度的超聲掃描檢測技術(shù)。
2.2 結(jié)構(gòu)無損檢測
結(jié)構(gòu)無損檢測主要解決結(jié)構(gòu)在工藝制訂、結(jié)構(gòu)件制造過程中面臨的問題, 如對各種結(jié)構(gòu)件進(jìn)行無損檢測所需的儀器設(shè)備等檢測手段的建立、信號處理技術(shù)、缺陷判別、標(biāo)準(zhǔn)建立與完善等。檢測的對象是各種裝機(jī)應(yīng)用的工程結(jié)構(gòu)件, 需要工程化檢測技術(shù), 面對結(jié)構(gòu)件制造過程, 重視無損檢測手段的建立, 重點開展高效可靠的檢測技術(shù)研究。圖4 是一種典型的針對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的超聲檢測設(shè)備, 可以用于多種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的自動掃描檢測。
2.3 服役無損檢測
服役無損檢測主要研究裝機(jī)結(jié)構(gòu)件在服役過程中所需的無損檢測方法、手段等, 包括提供有關(guān)結(jié)構(gòu)件殘余壽命、剩余強(qiáng)度、損傷擴(kuò)展等綜合信息的評估。檢測的對象是裝機(jī)后的各種服役結(jié)構(gòu)件, 采用易實現(xiàn)、快速可行的外場檢測技術(shù), 面對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的安全服役全過程, 重視外場檢測技術(shù)與結(jié)構(gòu)件的安全服役的質(zhì)量保證, 重點開展外場檢測技術(shù)研究。如中國航空工業(yè)制造工程研究所研制生產(chǎn)的FCC 外場復(fù)合材料檢測儀,是目前用于外場復(fù)合材料服役結(jié)構(gòu)件無損檢測的主要儀器, 具有很高的檢測分辨率。
3 復(fù)合材料無損檢測技術(shù)現(xiàn)狀
經(jīng)過不斷的研究、發(fā)展和完善, 目前超聲和X 射線照相法檢測已成為2 種最主要和成熟的復(fù)合材料無損檢測技術(shù)。特別是超聲檢測技術(shù), 由于被檢測物理量與復(fù)合材料內(nèi)部缺陷存在最為良好的可精確表述的物理數(shù)學(xué)關(guān)系, 因此, 通常復(fù)合材料構(gòu)件都要求采用超聲方法進(jìn)行100 %無損檢測。大量的研究和應(yīng)用也表明, 超聲是目前國內(nèi)外復(fù)合材料無損檢測最為實用有效、應(yīng)用最為廣泛的無損檢測技術(shù), 它能可靠地檢測出復(fù)合材料中的分層、疏松、孔隙等大部分危害性缺陷�；诔暦瓷浠夭ㄔ�, 目前可以檢測到復(fù)合材料內(nèi)部微細(xì)缺陷信息, 采用超聲層析檢測技術(shù)還可以得到復(fù)合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部不同深度、不同截面位置的C 掃描、T掃描和B 掃描檢測結(jié)果。對于一些特殊的復(fù)合材料結(jié)構(gòu), 或者特殊缺陷(如夾層結(jié)構(gòu)中的芯缺陷)及重要部位(如連接接頭和較為受力部位), 則采用X 射線照相法輔助檢測。利用X 射線衰減原理, 可以檢測出引起材料厚度或密度1 %～ 2 %變化的缺陷, 但對于碳纖維/樹脂基復(fù)合材料, 由于其密度小、缺陷大多位于鋪層之間, 缺陷的存在引起的厚度變化非常小, 因此, X 射線照相法一般不用于這類復(fù)合材料的無損檢測, 它主要用于夾層結(jié)構(gòu)的無損檢測。
聲顯微和超聲層析是揭示復(fù)合材料內(nèi)部微細(xì)規(guī)律的精細(xì)無損檢測技術(shù)。
在眾多的無損檢測方法中, 目視檢測、敲擊法檢測、超聲諧振法檢測是最為廉價的復(fù)合材料無損檢測方法。
超聲相關(guān)、X 射線背散射、聲-超聲、聲發(fā)射等檢測技術(shù), 都在復(fù)合材料無損檢測中尋找應(yīng)用空間, 但在復(fù)合材料研究和結(jié)構(gòu)件制造過程中, 目前還較難找到應(yīng)用場合。
未來的復(fù)合材料無損檢測將更加追求快速高效,因此, 基于干涉原理和溫度場分布原理的激光全息干涉檢測技術(shù)和熱/紅外成像檢測技術(shù), 因其具有非接觸、可大面積掃描、快速等特點, 將成為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)無損檢測的良好技術(shù)。但目前還必須突破一些技術(shù)難題, 賦予這些檢測技術(shù)新的工程應(yīng)用內(nèi)涵, 才能使其廣泛用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的無損檢測。
4 復(fù)合材料無損檢測技術(shù)的發(fā)展
未來復(fù)合材料的無損檢測技術(shù)應(yīng)圍繞以下幾個方面開展研究。
(1)針對復(fù)合材料裝機(jī)結(jié)構(gòu)件的快速高效無損檢測技術(shù)。
賦予傳統(tǒng)復(fù)合材料無損檢測新的技術(shù)內(nèi)涵, 使之更適合未來復(fù)合材料的低成本設(shè)計、制造和裝機(jī)應(yīng)用主流, 通過提高傳統(tǒng)檢測技術(shù)的功效, 達(dá)到提高檢測效率、降低檢測成本的目的。開展無損檢測新技術(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損檢測技術(shù)和方法。美國等復(fù)合材料用量較大的國家,自90 年代后期已經(jīng)開始將復(fù)合材料無損檢測技術(shù)研究的重點轉(zhuǎn)移到快速高效的無損檢測方向, 而且有了初步應(yīng)用成果。
(2)針對新型復(fù)合材料的無損檢測技術(shù)。
與發(fā)達(dá)國家相比, 目前我國復(fù)合材料無損檢技術(shù)的研究深度和發(fā)揮作用的程度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。在復(fù)合材料及其應(yīng)用研究過程中, 如果能很好地掌握其內(nèi)部微細(xì)規(guī)律, 對復(fù)合材料工藝制訂、結(jié)構(gòu)制造等將具有重要的作用和意義。復(fù)合材料的一個重要結(jié)構(gòu)特征就是內(nèi)部各組分之間物理界面復(fù)雜, 如果能利用無損檢測技術(shù)得到這些界面的全部信息, 將會對材料研究和工藝分析起十分重要的指導(dǎo)作用。
(3)復(fù)合材料無損檢測技術(shù)的升華。
未來復(fù)合材料無損檢測只有與材料的性能、結(jié)構(gòu)件的壽命和剩余強(qiáng)度密切結(jié)合, 才能發(fā)揮更大的作用。近年來國外已經(jīng)在這方面開展了大量的研究工作。
(4)國內(nèi)復(fù)合材料無損檢測硬件的自主建設(shè)。
復(fù)合材料無損檢測也是一個技術(shù)產(chǎn)業(yè), 其研究成果和效益在很大程度上是通過為復(fù)合材料應(yīng)用部門提供無損檢測硬件平臺和技術(shù)支持來實現(xiàn)的。必須經(jīng)過自身的努力和投入才能得到一流的技術(shù), 形成自己的技術(shù)產(chǎn)業(yè), 發(fā)揮效益, 復(fù)合材料無損檢測行業(yè)也不例外, 真正的技術(shù)和手段必須通過自主研究和開發(fā), 當(dāng)然, 可以充分利用國際技術(shù)平臺, 但不應(yīng)盲目地采購實物。
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