復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐高溫、耐腐蝕、抗疲勞等優(yōu)點(diǎn)，已發(fā)展成為飛機(jī)結(jié)構(gòu)的基本材料之一。機(jī)體結(jié)構(gòu)中的復(fù)合材料，從制造到使用的全壽命周期中都需要進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，以監(jiān)控其狀態(tài)。無(wú)損檢測(cè)技術(shù)已成為復(fù)合材料應(yīng)用研究的關(guān)鍵技術(shù)之一，并出現(xiàn)了眾多檢測(cè)方法。在飛機(jī)使用過(guò)程中，復(fù)合材料的無(wú)損檢測(cè)同樣是航空維修和機(jī)務(wù)維護(hù)工作的重要內(nèi)容之一。
無(wú)損檢測(cè)需求分析
機(jī)體結(jié)構(gòu)中需要檢測(cè)的復(fù)合材料主要分布在飛機(jī)表面，結(jié)構(gòu)形式以壁板、蒙皮等板狀結(jié)構(gòu)為主。飛機(jī)使用過(guò)程中，復(fù)合材料除表面損傷外，還易出現(xiàn)內(nèi)部分層、脫粘等缺陷，這類(lèi)缺陷也是航空維修中需要檢測(cè)監(jiān)控的主要缺陷。
航空維修中的復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)工作，尤其是外場(chǎng)的檢測(cè)工作，與制造過(guò)程中的檢測(cè)工作有顯著不同。
首先，檢測(cè)缺陷類(lèi)型不同，航空維修中僅需要檢測(cè)復(fù)合材料使用過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷，例如分層、脫粘等膠接界面缺陷，而制造過(guò)程中還需要檢測(cè)氣孔、夾雜等制造缺陷。
其次，適用的檢測(cè)方法和設(shè)備差異很大，制造過(guò)程中可以從復(fù)合材料兩側(cè)進(jìn)行檢測(cè)，可以采用超聲透射、X射線檢測(cè)等方法，并可以使用大型自動(dòng)掃查設(shè)備，而維修過(guò)程中復(fù)合材料已經(jīng)成為飛機(jī)零部件的一部分，通常僅能進(jìn)行單側(cè)檢測(cè)，而且受到現(xiàn)場(chǎng)操作環(huán)境的限制，往往需要使用便攜式檢測(cè)設(shè)備。
最后，航空維修過(guò)程中的無(wú)損檢測(cè)工時(shí)需要與飛機(jī)整體的檢修周期相適應(yīng)，飛機(jī)上復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件越來(lái)越多，一般檢測(cè)效率偏低，因此對(duì)復(fù)合材料的快速檢測(cè)技術(shù)也提出了迫切需求。
聲學(xué)檢測(cè)方法研究
適用于復(fù)合材料檢測(cè)的聲學(xué)檢測(cè)方法有很多，包括超聲波、聲振、聲發(fā)射等。
作為五大常規(guī)檢測(cè)方法之一，超聲波檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用廣泛，其采用延時(shí)探頭實(shí)施縱波檢測(cè)，可準(zhǔn)確檢測(cè)出復(fù)合材料的常見(jiàn)缺陷，如碳纖維壁板分層缺陷、碳纖維壁板紙蜂窩結(jié)構(gòu)蒙皮脫粘缺陷等。高分辨率超聲檢測(cè)技術(shù)也是目前應(yīng)用最廣泛的一類(lèi)復(fù)合材料檢測(cè)技術(shù)。
聲振檢測(cè)與超聲波檢測(cè)技術(shù)相比，前者將被檢工件作為一個(gè)振動(dòng)結(jié)構(gòu)，而后者通常將被檢工件作為超聲波脈沖傳輸?shù)慕橘|(zhì)。聲振檢測(cè)通過(guò)檢測(cè)工件的振動(dòng)阻抗率、振動(dòng)幅度、振動(dòng)頻率、振動(dòng)相位等振動(dòng)特性來(lái)判別缺陷，具體包括敲擊、聲阻抗、聲諧振、定距發(fā)送/ 接收等檢測(cè)方法。
針對(duì)外場(chǎng)復(fù)合材料檢測(cè)需求，在深入比較分析各類(lèi)聲學(xué)檢測(cè)方法優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍的基礎(chǔ)上，北京航空工程技術(shù)研究中心與愛(ài)德森（廈門(mén)）電子有限公司聯(lián)合研制了SMART-6000型復(fù)合材料綜合檢測(cè)儀。
該設(shè)備集成了高分辨率超聲和定距發(fā)送/接收等聲振檢測(cè)方法，并配備了各型復(fù)合材料專用檢測(cè)探頭，適用于碳纖維壁板、碳纖維壁板紙蜂窩、鋁蜂窩等常用復(fù)合材料的原位檢測(cè)，可有效檢出分層和脫粘缺陷。
采用該設(shè)備配備10MHz延時(shí)探頭，對(duì)預(yù)置分層缺陷的6mm厚碳纖維壁板試件進(jìn)行了超聲縱波檢測(cè)試驗(yàn)。采用配套的定距發(fā)送/接收探頭，對(duì)預(yù)置脫粘缺陷的鋁蜂窩試件進(jìn)行了定距發(fā)送/接收檢測(cè)，檢測(cè)效果如下圖所示。
采用該設(shè)備，可以在外場(chǎng)對(duì)飛機(jī)上的各類(lèi)常用復(fù)合材料實(shí)施原位檢測(cè)。但是該設(shè)備需要采用逐點(diǎn)掃查的方式進(jìn)行檢測(cè)，近年來(lái)飛機(jī)上復(fù)合材料分布面積明顯增大，檢測(cè)效率偏低的問(wèn)題日益突出。而利用滾輪探頭進(jìn)行的超聲相控陣C掃描檢測(cè)技術(shù)，相比傳統(tǒng)A掃描超聲檢測(cè)技術(shù)，檢測(cè)效率顯著提高，該技術(shù)將是今后的一個(gè)重點(diǎn)發(fā)展方向。
紅外熱成像檢測(cè)方法研究
紅外熱成像檢測(cè)方法具有快速、無(wú)需耦合、非接觸、檢測(cè)結(jié)果顯示直觀等諸多優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)飛機(jī)復(fù)合材料的大面積、快速外場(chǎng)原位檢測(cè)，對(duì)脫膠、分層等故障有理想的檢測(cè)效果。
紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)可分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩類(lèi)，飛機(jī)復(fù)合材料檢測(cè)通常采用主動(dòng)式檢測(cè)。主動(dòng)式紅外熱波成像檢測(cè)又可以分為反射法和透射法兩種，飛機(jī)復(fù)合材料原位檢測(cè)需要從單側(cè)進(jìn)行，因此通常采用反射法。
主動(dòng)式紅外熱成像檢測(cè)的基本原理是：通過(guò)熱激勵(lì)源對(duì)被檢件表面進(jìn)行熱波激勵(lì)；有缺陷處的表面溫度在熱傳導(dǎo)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)異常，紅外輻射亮度不同，通過(guò)熱像儀對(duì)紅外輻射亮度進(jìn)行觀測(cè)并生成圖像，最后經(jīng)過(guò)信號(hào)處理和圖像分析實(shí)現(xiàn)對(duì)被檢件表面和近表面缺陷的檢測(cè)和識(shí)別。其中，熱激勵(lì)源有高能閃光燈、電吹風(fēng)、電熱毯、激光、鹵素?zé)舻榷喾N形式。
北京航空工程技術(shù)研究中心利用TWI公司生產(chǎn)的紅外熱成像檢測(cè)設(shè)備對(duì)預(yù)置人工缺陷的復(fù)合材料試件以及直升機(jī)槳葉等工件進(jìn)行了檢測(cè)試驗(yàn)。該設(shè)備采用制冷型熱像儀進(jìn)行熱像采集，采用雙閃光燈陣列進(jìn)行熱激勵(lì)。檢測(cè)的直升機(jī)槳葉膠接結(jié)構(gòu)中，鋁蒙皮與鋁肋板通過(guò)膠層粘接到一起。由于直升機(jī)槳葉長(zhǎng)度較長(zhǎng)，采用了分段檢測(cè)。
試驗(yàn)表明，閃光燈激勵(lì)的紅外熱成像檢測(cè)方法能夠有效檢測(cè)埋藏深度較淺的復(fù)合材料分層、脫粘等面積型缺陷，尤其適合檢測(cè)導(dǎo)熱較快的或蒙皮較薄的工件。
以閃光燈作為熱激勵(lì)源，需要大容量電容進(jìn)行充放電，檢測(cè)設(shè)備小型化、便攜化困難，因此研究了采用其他形式熱激勵(lì)源的紅外熱成像檢測(cè)方法。
研制了基于鹵素?zé)艏訜岬谋銛y式紅外熱成像檢測(cè)系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)對(duì)預(yù)置人工缺陷的復(fù)合材料試件進(jìn)行了檢測(cè)試驗(yàn)。
其中，碳纖維壁板試件厚6mm，預(yù)先加工了φ10mm和φ5mm人工缺陷各5個(gè)，距表面距離分別為1，2，3，4，5mm。
試驗(yàn)結(jié)果表明，研制的設(shè)備能夠檢測(cè)出埋藏深度較淺的φ5mm人工缺陷和埋藏深度略深的φ10mm人工缺陷，但不能檢測(cè)出埋藏深度接近試件厚度的人工缺陷。
激光剪切散斑檢測(cè)方法研究
相比紅外熱成像檢測(cè)方法，激光剪切散斑檢測(cè)方法同樣具有快速、無(wú)需耦合、非接觸、檢測(cè)結(jié)果顯示直觀等優(yōu)點(diǎn)。
激光剪切散斑檢測(cè)方法的基本原理是：物體用相干激光照射，借助帶有雙折射晶體的圖像剪切照相機(jī)成像；雙折射晶體把一個(gè)物點(diǎn)分成像面上的兩個(gè)像點(diǎn)，從而在視頻照相機(jī)的圖像傳感器上產(chǎn)生一對(duì)側(cè)向錯(cuò)位像，物體加載變形前后得到兩幅散斑圖像經(jīng)視頻圖像探測(cè)器采集數(shù)字化；通過(guò)兩幅散斑圖相減形成新的干涉條紋圖，根據(jù)干涉條紋圖變化就可以判斷物體內(nèi)部是否存在缺陷。
北京航空工程技術(shù)研究中心利用LTI公司生產(chǎn)的激光剪切散斑檢測(cè)設(shè)備對(duì)鋁蜂窩構(gòu)件進(jìn)行了檢測(cè)試驗(yàn)。檢測(cè)結(jié)果直觀地顯示出了兩處脫粘缺陷。試驗(yàn)結(jié)果表明，激光剪切散斑檢測(cè)技術(shù)能夠有效檢測(cè)出鋁蜂窩脫粘缺陷。
結(jié)論
不同的聲學(xué)檢測(cè)方法互補(bǔ)，可以實(shí)現(xiàn)各類(lèi)常用復(fù)合材料缺陷檢測(cè)，但是傳統(tǒng)檢測(cè)方法效率偏低的問(wèn)題突出，需要采用新技術(shù)新手段改善；紅外熱成像和激光剪切散斑檢測(cè)方法對(duì)于其適用的檢測(cè)對(duì)象和缺陷類(lèi)型，可以顯著提高原位檢測(cè)效率。傳統(tǒng)聲學(xué)檢測(cè)方法與紅外熱成像或激光剪切散斑檢測(cè)方法配合使用，有望在確保檢測(cè)可靠性的前提下大幅提高復(fù)合材料外場(chǎng)檢測(cè)效率。
