航天航空复合材料的检测

一、航空复合材料结构类型及其缺陷

    航空结构中常用的复合材料结构主要有纤维增强树脂层板结构和夹芯结构。纤维增强树脂层板结构按照材料的不同又分为碳纤维增强树脂结构（CFRP）和玻璃纤维增强树脂结构（GFRP）；夹芯结构主要是蜂窝夹芯结构、泡沫夹芯结构和少量的玻璃微珠夹芯结构。

    复合材料构件在使用过程中往往会由于应力或环境因素而产生损伤，以至破坏。复合材料损伤的产生、扩展与金属结构的损伤扩展规律有比较大的差异，往往在损伤扩展到一定的尺度以后，会迅速扩展而导致结构失效，所以复合材料在使用过程中的检测，就显得极为重要，也越来越受到人们的重视。
 

    1 纤维增强树脂层板结构中存在的主要缺陷

    纤维增强树脂层板结构在成型过程中往往会由于工艺原因而产生缺陷，人为操作的随机性会产生夹杂、铺层错误等缺陷；固化程控不好会产生孔隙率超标、分层、脱胶等缺陷；在制孔过程和装配中会形成孔边的分层缺陷；使用中由于受载荷、振动、湿热酸碱等环境因素的综合作用会导致初始缺陷（如分层、脱胶）的扩展和分层、脱胶、断裂等新的损伤和破坏的发生。

    2 夹芯结构中存在的主要缺陷

    夹芯结构在成型过程中也会由于工艺原因而产生某些缺陷；为操作误差等会产生蜂窝芯的变形、节点脱开、因为蜂窝芯过低导致的弱粘接等缺陷，固化程控不好会导致局部的贫胶或富胶、弱粘接、发泡胶空洞等缺陷；使用中会导致初始缺陷（如弱脱胶）的扩展和脱胶、进水、蜂窝芯压塌等新的损伤和破坏的发生。泡沫夹芯结构会产生脱胶、芯子开裂等类型的缺陷。

二、超声检测

    超声检测法是无损检测最主要的手段之一，超声检测广泛应用于金属、非金属、复合材料内部缺陷的检测。对于较厚的复合材料，例如多层金属胶接复合板，通常采用超声脉冲回波、脉冲穿透等方法检测工件内部的脱粘、空穴、孔隙、胶接质量不良等缺陷[1]，如图1、2所示。

         
图1  超声脉冲回波检测方法示意图

 
图2  超声脉冲穿透法检测示意图

三、声阻抗检测

    声阻抗检测，又称机械阻抗（MIA）检测法。它把反映材料振动特性的力学阻抗转换为换能器的负载阻抗。由于材料的力学阻抗与材料结构存在着一定的关系，因此通过对换能器特性的测量来判断材料力学阻抗的变化，从而达到检测的目的。点源激发被检测材料使被检测材料作弯曲振动的声阻法一般用来检测粘接质量，如薄蒙皮粘接和蜂窝结构粘接质量等，如图3所示。图4为声阻抗检测的弹簧模型示意图，粘接良好结构上的弹簧刚度只是接触刚度，脱粘上方的弹簧刚度是探头接触刚度与不连续刚度的串联。不连续刚度依赖于脱粘的大小与埋藏深度。 当缺陷变小或埋藏深度增加时，弹簧刚度增加，缺陷就难以检测。阻抗还随频率变化，所以选择适当频率是获得良好的检测结果的关键[2]。

    声阻抗检测是为复合材料板-板胶接结构件与蜂窝结构件的整体性检测发展起来的便携式检测仪器。利用声阻仪，通过蜂窝胶接结构粘接良好区域与粘接缺陷区的表面机械阻抗有明显差异这一特点来实现检测的，主要用于检测铝制单蒙皮和蒙皮加垫板的蜂窝胶接结构的板芯分离缺陷检测。

图3  声阻抗检测示意图                                   图4  声阻抗检测脱粘的弹簧模型示意图

四、声扫频检测

    声扫频检测原理与声-超声检测类似，采用板波检测技术。利用双晶片、双触点的不需耦合剂的低频超声探头，将探头的两个传声触点置于扫查线前后的走向，以低频或射频电子信号激励发射换能器，产生的超声波经触头进入被检工件；超声波以板波横向传播，接收换能器通过与发射换能器定距间隔的另一个触头拾取经工件传播的声波信号，以幅度和相位显示，表征工件声波路径上的粘接质量，如图5所示。

 
图5  声扫频检测示意图

五、声谐振检测

    声谐振检测法与常规声阻抗检测法类似，即通过电声换能器激励被检测物体，并测量因被检测对象参量的不同而引起的阻抗变化量，区别是声谐振探头检测时需要耦合剂，如图6所示。声谐振检测可用于检测复合材料胶接板的剪切内聚强度、蜂窝结构的拉伸内聚强度以及内聚强度为零的脱粘、气孔、分层等缺陷。声谐振大致又可以分为两类：以单一频率声波入射被检测件的单频谐振检测法和以频率随着时间变化的声波入射被检测件的扫频谐振检测法[3]。

 图6  声谐振检测示意图

    1  单频谐振检测法
    单频谐振检测法是以单一频率的激励声波入射被测件，在输入频率的作用下，被检结构作为换能器的负载，其声阻抗的变化必然会改变换能器电信号输出的振幅、相位、谐振频率等，通过测量换能器接收信号的振幅与相位就可以评价结构的质量。

    2  扫频谐振检测法
    扫频谐振检测法所选用的激励声波为频率随时间变化的连续声波。当被检工件的自然频率及谐振频率与激励信号的频率相符时，换能器所承受的载荷相比于其他频率成分时要重得多，从而易于检测到因为载荷变化而引起的信号电流变化。利用这种方法可以可靠地检测出板材的厚度，胶接结构和复合材料构件中的脱粘、分层、气孔等缺陷的位置和深度。

六、定距发射/接收检测

    定距发射/接收检测原理与声-超声检测类似，采用板波检测技术。利用双晶片、双触点的不需耦合剂的低频超声探头，将探头的两个传声触点置于扫查线前后的走向，以低频或射频电子信号激励发射换能器，产生的超声波经触头进入被检工件；超声波以板波横向传播，接收换能器通过与发射换能器定距间隔的另一个触头拾取经工件传播的声波信号，以幅度和相位显示，表征工件声波路径上的粘接质量，如图7所示。

 
图7  定距发射/接收检测示意图

 SMART-6000复合材料综合检测仪

    基于NDT集成检测技术理论[4]，设计开发集超声、声阻抗、声扫频等多功能于一体的便携式复合材料与胶接结构综合检测设备成为可能。SMART-6000复合材料综合检测仪为爱德森（厦门）电子有限公司和空军装备部合作开发的新一代多功能复合材料与胶接结构综合检测设备，如图8所示。

 
图8  SMART-6000复合材料综合检测仪

    SMART-6000复合材料综合检测仪集超声、声阻抗、声扫频等多种检测方法于一体的便携式复合材料与胶接结构综合检测设备。仪器具有超声A扫描、脉冲、扫频、机械阻抗等多种检测模式，以适应不同材料、不同结构部件的检测。

七、探头

    SMART-6000复合材料综合检测仪可配接各种超声探头、机械阻抗检测探头、谐振检测探头、定距发射/接收扫频检测探头、定距发射/接收脉冲检测探头等，部分探头结构示意图如图9所示。

           
图9  复合材料与胶接结构检测仪专用探头示意图

八、应用

    SMART-6000复合材料综合检测仪可广泛应用于航空航天、汽车、化工制造领域中的复合材料与胶接结构的在役无损检测工作。我们以航空工业中的飞机机身复合材料与胶接结构的在役无损检测为例，介绍复合材料与胶接结构综合检测仪的应用。

    在现代航空制造领域中，复合材料已逐步替代常规金属材料，成为飞机制造中的主要材料。例如，波音公司的波音787飞机上的复合材料的用量已经达到了50%，如图10所示。其机身和机翼部位采用碳纤维增强层压复合板代替了铝合金板；发动机短舱、水平尾翼和垂直尾翼、舵面、翼尖等部位均采用了碳纤维增强夹芯板结构；机身与机翼衔接处的整流蒙皮采用玻璃纤维增强复合材料[5]。随着复合材料在飞机制造中的大量应用，复合材料的无损检测工作也逐步成为重点，传统的单一检测方法已经无法满足日益复杂的复合材料及复合胶接结构的检测要求。常用复合材料与胶接结构缺陷类型如图11、图12所示，表1给出了针对蜂窝胶接结构的常用外场检测方法性能比较，可见每种检测方法都有其优点与缺点，一种检测方法无法检测出所有缺陷。

图10 波音787飞机复合材料的应用

图11 复合蜂窝胶接板受到冲击后可能产生的缺陷示意图

 
图12 复合材料层压胶接板缺陷示意图

表1  超声、声阻抗、声谐振、定距发射/接收检测的比较

    SMART-6000复合材料综合检测仪的研制成功解决了这一检测难题。它将当今几乎所有的已经成熟的复合材料与胶接结构检测方法集成在一起，检测人员可以方便地根据具体检测对象选择适合的检测方法，或者对同一检测对象用不同的检测方法进行检测，通过多种检测方法得到的检测结果可以进行数据融合，综合分析，相互验证，从而得出更加完整的评估结论，大大提高了检测效率与检测精度。