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淺論復合材料無(wú)損檢測技術(shù)的現狀與發(fā)展論文
1 概述
復合材料之所以能夠成為20 世紀迅速地在工業(yè)部門(mén)推廣應用的新材料、新結構, 無(wú)損檢測技術(shù)發(fā)揮了十分重要的推動(dòng)作用, 反過(guò)來(lái), 復合材料也為無(wú)損檢測技術(shù)的迅速發(fā)展帶來(lái)了更多的研究空間。一些過(guò)去在金屬材料無(wú)損檢測中因技術(shù)障礙而面臨困境的檢測技術(shù), 在復合材料對無(wú)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構在負載作用下產(chǎn)生應力波的物理現象的聲發(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(wèn)世, 80 年代在應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用發(fā)展。
由于復合材料的先進(jìn)性與其質(zhì)量的離散性和高成本并存, 在實(shí)際應用中, 即使是經(jīng)過(guò)研究和試驗制訂的合理工藝, 在結構件的制造過(guò)程中還可能會(huì )產(chǎn)生缺陷,引起質(zhì)量問(wèn)題, 嚴重時(shí)還會(huì )導致整個(gè)結構件的報廢, 造成重大經(jīng)濟損失。因此, 國外自70 年代以來(lái), 就針對復合材料的研究、應用開(kāi)展了全方位的無(wú)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)行復合材料的無(wú)損檢測技術(shù)探索, 隨著(zhù)研究工作的深入, 人們對復合材料的內部規律和缺陷特征有了更深的認識, 發(fā)現完全采用常規金屬材料無(wú)損檢測的方法不能解決復合材料的無(wú)損檢測問(wèn)題。因此, 進(jìn)入80 年代后, 才真正走向復合材料無(wú)損檢測, 研究出了許多適應復合材料特點(diǎn)的無(wú)損檢測新技術(shù)、新方法, 從而為解決復合材料的無(wú)損檢測、促進(jìn)復合材料的推廣應用發(fā)揮了重要作用。
目前復合材料無(wú)損檢測已經(jīng)應用于材料、結構件和服役無(wú)損檢測3 個(gè)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)、儀器設備技術(shù)、結構件檢測技術(shù)、定量檢測與評估、服役結構壽命評估、強度評估和性能測試等。無(wú)損檢測技術(shù)已經(jīng)成為復合材料研究和應用中的一項關(guān)鍵技術(shù), 融入復合材料從研究到最終裝機應用的全過(guò)程。
2 復合材料無(wú)損檢測技術(shù)的應用范圍
復合材料無(wú)損檢測主要應用于以下3 個(gè)方面:(1)材料無(wú)損檢測;(2)結構無(wú)損檢測;(3)服役無(wú)損檢測。
2.1 材料無(wú)損檢測
材料無(wú)損檢測主要解決材料研究中面臨的問(wèn)題,進(jìn)行諸如材料內部缺陷表征、性能測試、缺陷基本判據的建立、無(wú)損檢測物理數學(xué)模型的建立等研究。其檢測對象主要是試樣、試片, 采用精細無(wú)損檢測技術(shù), 面對材料研究過(guò)程, 重視無(wú)損檢測物理數學(xué)模型的建立,重點(diǎn)開(kāi)展新的檢測方法研究。采用高分辨率超聲成像檢測技術(shù)得到的復合材料內部3 個(gè)不同深度位置的超聲層析掃描檢測結果, 被檢測試樣為正交鋪層的碳纖維層壓結構, 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小缺陷也能較好地檢測出來(lái),箭頭所指的白色區域即為纖維束間的細小缺陷。從中還能清晰地看出, 試樣近表面層靠近左側纖維束的走向似乎不如右側有規律。這些信息的獲得對材料和工藝研究非常有益, 為得到這種微細缺陷信息, 必須采用高精度的超聲掃描檢測技術(shù)。
2.2 結構無(wú)損檢測
結構無(wú)損檢測主要解決結構在工藝制訂、結構件制造過(guò)程中面臨的問(wèn)題, 如對各種結構件進(jìn)行無(wú)損檢測所需的儀器設備等檢測手段的建立、信號處理技術(shù)、缺陷判別、標準建立與完善等。檢測的對象是各種裝機應用的工程結構件, 需要工程化檢測技術(shù), 面對結構件制造過(guò)程, 重視無(wú)損檢測手段的建立, 重點(diǎn)開(kāi)展高效可靠的檢測技術(shù)研究。圖4 是一種典型的針對復合材料結構的超聲檢測設備, 可以用于多種復合材料結構的自動(dòng)掃描檢測。
2.3 服役無(wú)損檢測
服役無(wú)損檢測主要研究裝機結構件在服役過(guò)程中所需的無(wú)損檢測方法、手段等, 包括提供有關(guān)結構件殘余壽命、剩余強度、損傷擴展等綜合信息的評估。檢測的對象是裝機后的各種服役結構件, 采用易實(shí)現、快速可行的外場(chǎng)檢測技術(shù), 面對產(chǎn)品結構的安全服役全過(guò)程, 重視外場(chǎng)檢測技術(shù)與結構件的安全服役的質(zhì)量保證, 重點(diǎn)開(kāi)展外場(chǎng)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(chǎng)復合材料檢測儀,是目前用于外場(chǎng)復合材料服役結構件無(wú)損檢測的主要儀器, 具有很高的檢測分辨率。
3 復合材料無(wú)損檢測技術(shù)現狀
經(jīng)過(guò)不斷的研究、發(fā)展和完善, 目前超聲和X 射線(xiàn)照相法檢測已成為2 種最主要和成熟的復合材料無(wú)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合材料內部缺陷存在最為良好的可精確表述的物理數學(xué)關(guān)系, 因此, 通常復合材料構件都要求采用超聲方法進(jìn)行100 %無(wú)損檢測。大量的研究和應用也表明, 超聲是目前國內外復合材料無(wú)損檢測最為實(shí)用有效、應用最為廣泛的無(wú)損檢測技術(shù), 它能可靠地檢測出復合材料中的分層、疏松、孔隙等大部分危害性缺陷�；诔暦瓷浠夭ㄔ�, 目前可以檢測到復合材料內部微細缺陷信息, 采用超聲層析檢測技術(shù)還可以得到復合材料結構內部不同深度、不同截面位置的C 掃描、T掃描和B 掃描檢測結果。對于一些特殊的復合材料結構, 或者特殊缺陷(如夾層結構中的芯缺陷)及重要部位(如連接接頭和較為受力部位), 則采用X 射線(xiàn)照相法輔助檢測。利用X 射線(xiàn)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(shù)脂基復合材料, 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(xiàn)照相法一般不用于這類(lèi)復合材料的無(wú)損檢測, 它主要用于夾層結構的無(wú)損檢測。
聲顯微和超聲層析是揭示復合材料內部微細規律的精細無(wú)損檢測技術(shù)。
在眾多的無(wú)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(jià)的復合材料無(wú)損檢測方法。
超聲相關(guān)、X 射線(xiàn)背散射、聲-超聲、聲發(fā)射等檢測技術(shù), 都在復合材料無(wú)損檢測中尋找應用空間, 但在復合材料研究和結構件制造過(guò)程中, 目前還較難找到應用場(chǎng)合。
未來(lái)的復合材料無(wú)損檢測將更加追求快速高效,因此, 基于干涉原理和溫度場(chǎng)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(diǎn), 將成為復合材料結構無(wú)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)新的工程應用內涵, 才能使其廣泛用于復合材料結構的無(wú)損檢測。
4 復合材料無(wú)損檢測技術(shù)的發(fā)展
未來(lái)復合材料的無(wú)損檢測技術(shù)應圍繞以下幾個(gè)方面開(kāi)展研究。
(1)針對復合材料裝機結構件的快速高效無(wú)損檢測技術(shù)。
賦予傳統復合材料無(wú)損檢測新的技術(shù)內涵, 使之更適合未來(lái)復合材料的低成本設計、制造和裝機應用主流, 通過(guò)提高傳統檢測技術(shù)的功效, 達到提高檢測效率、降低檢測成本的目的。開(kāi)展無(wú)損檢測新技術(shù)和新方法的研究, 探索研究適合復合材料的快速高效無(wú)損檢測技術(shù)和方法。美國等復合材料用量較大的國家,自90 年代后期已經(jīng)開(kāi)始將復合材料無(wú)損檢測技術(shù)研究的重點(diǎn)轉移到快速高效的無(wú)損檢測方向, 而且有了初步應用成果。
(2)針對新型復合材料的無(wú)損檢測技術(shù)。
與發(fā)達國家相比, 目前我國復合材料無(wú)損檢技術(shù)的研究深度和發(fā)揮作用的程度還遠遠不夠。在復合材料及其應用研究過(guò)程中, 如果能很好地掌握其內部微細規律, 對復合材料工藝制訂、結構制造等將具有重要的作用和意義。復合材料的一個(gè)重要結構特征就是內部各組分之間物理界面復雜, 如果能利用無(wú)損檢測技術(shù)得到這些界面的全部信息, 將會(huì )對材料研究和工藝分析起十分重要的指導作用。
(3)復合材料無(wú)損檢測技術(shù)的升華。
未來(lái)復合材料無(wú)損檢測只有與材料的性能、結構件的壽命和剩余強度密切結合, 才能發(fā)揮更大的作用。近年來(lái)國外已經(jīng)在這方面開(kāi)展了大量的研究工作。
(4)國內復合材料無(wú)損檢測硬件的自主建設。
復合材料無(wú)損檢測也是一個(gè)技術(shù)產(chǎn)業(yè), 其研究成果和效益在很大程度上是通過(guò)為復合材料應用部門(mén)提供無(wú)損檢測硬件平臺和技術(shù)支持來(lái)實(shí)現的。必須經(jīng)過(guò)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, 復合材料無(wú)損檢測行業(yè)也不例外, 真正的技術(shù)和手段必須通過(guò)自主研究和開(kāi)發(fā), 當然, 可以充分利用國際技術(shù)平臺, 但不應盲目地采購實(shí)物。
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