_无损检测技术在复合材料检测中的应用

[收稿日期]　2009-03-30[作者简介]　郁青(1980-),女,硕士研究生,主要研究方向:新型工程材料及应用。

无损检测技术在复合材料检测中的应用

郁　青,何春霞

(南京农业大学工学院,江苏南京210031)

摘　要:介绍了复合材料在制造和使用过程中产生的缺陷和损伤的形式,讨论和分析了复合材料检测中各种无损检测技术的特点及适用范围,并对其优、缺点进行了比较和评价。关键词:无损检测技术;复合材料;应用

中图分类号:TB303　　　　　　　文献标识码:B 　　　　　　　doi :1013969/j.issn.167423407.2009.02.008

Application of Nondestructive T esting in Composite Materials

Yu Qing ,He Chunxia

(College of Engi neeri n g ,N anj i n g A g ricult ural U ni versit y ,N anj i ng 210031,J i an gs u ,Chi na )Abstract :This article int roduces t he forms of defect s and damages which are brought during p ro 2cessing and operation of composite materials.The characteristic and applicability of different

techniques of nondest ructive testing (ND T )used for compo sites are described and analyzed.Mo 2reover ,t heir merit s and drawbacks are compared and estimated.K eyw ords :no ndest ructive testing ;compo site material ;application

1　概　述

无损检测是不破坏产品原来的形状、不改变其使用性能,对产品进行检测(或抽检),以确保其可靠性和安全性的检测技术。在不损伤被检测对象的条件下,利用材料内部结构异常或缺陷存在所引起的对热、声、光、电、磁等反应的变化,来探测各种工程材料、零部件、结构件等内部和表面缺陷,对缺陷的类型、性质、数量、形状、位置、尺寸、分布及其变化做出判断和评价。

随着科学技术的迅速发展,对材料的性能提出了更苛刻的要求,传统的材料因其性能单一而不能满足需要。复合材料是由两种或两种以上异质、异形、异性的材料复合形成的新型材料。各种材料在性能上互相取长补短,产生协同效应,使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求,因此被越来越广泛地用于航空航天、汽车工业、化工、纺织、机械制造以及生命科学和医学等各个领

域。复合材料在工艺过程中,由于增强纤维的表面

状态、树脂粘度、低分子物含量、线性高聚物向体型高聚物转化的化学反应速度、树脂与纤维的浸渍性、组分材料热膨胀系数的差异以及工艺参数控制的影响等,使复合材料结构在生产制造和使用过程中不可避免地会存在缺陷和遭受损伤[1]。无损检测技术可对复合材料在不破坏的情况下有效地检测出各种缺陷和损伤形式,因此被广泛地应用于工程中。

2　无损检测技术在复合材料检测中的应用

复合材料的缺陷和损伤检测是复合材料结构修理的基础和前提,也是其性能评估的依据。针对不同的缺陷和损伤形式,可以采用不同的无损检测手段。目前,对于复合材料无损检测的常用方法有X 射线、超声波、计算机层析照相(CT )、红外热成像检测、声发射、微波、激光检测法、中子照相法、敲击法以及声-超声检测法等。211　X 射线无损检测技术

X 射线无损检测中目前常用的是胶片照相法,

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徐翔星[3]分别运用X射线照相、X射线实时成像和X射线C T三种方式对C纤维预制体及C/SiC 复合材料进行了检测和研究。结果表明X射线照相对C/SiC复合材料中SiC或C/SiC缺陷的形状和方向参数敏感,检测出了C纤维预制体的编织缺陷、C/SiC中由于编织错误产生的的孔洞、纤维的编织纹路和较大范围内密度的变化等。用X射线工业CT(B T-400)对C/SiC构件进行了断层扫描成像检测,能精确检测出C/SiC复合材料截面密度分布,且能够清楚地显示出纤维束间孔隙的形状、相对大小、位置等信息,能检测出C/SiC中编织缺陷造成的孔洞。

212　超声波无损检测技术

超声波检测法主要利用复合材料本身或缺陷声学性质对超声波传播的影响,来检测材料内部或表面的缺陷。超声波能检测复合材料构件中的分层、孔隙、裂纹、夹杂等缺陷,能判断材料的疏密、纤维取向曲屈、弹性模量、厚度等特性和几何形状等方面的变化[4]。超声检测灵敏度高,可精确确定缺陷的位置与分布,且操作简单。但缺点是检测效率低,对不同类型的缺陷要使用不同规格的探头。对小、薄和复杂零件难以检测,且在检测过程中需要使用耦合剂。随着计算机的发展,超声C扫描,由于显示直观、检测速度快,已成为飞行器零件等大型复合材料构件普遍采用的无损检测技术。

魏勤等[5]研究表明,铝基SiC复合材料中通过超声波C扫描可以直观地显示Al/SiC材料中的凝聚物或裂痕,根据缺陷在显示图形中的位置可判定工件中所对应缺陷的位置。另外,许有昌[6]针对碳纤维复合材料舱体缺陷产生的原因和舱体结构特点进行了专门的超声波检测的研究,认为采用C扫描超声波检测法为主,A型脉冲反射超声波检测法为辅可有效实施对碳纤维复合材料舱体缩比件的缺陷检测。图(1)[7]是美国Sandia国家实验室的John H.G ieske等人采用超声C扫描方法对一个边长305mm的正方形复合材料———金属粘接结构试样进行检测所得到的结果,从图中可以清晰看到试样中存在两个大面积的脱粘缺陷(图中的高亮显示区域)及其它一些零星的脱粘不良缺陷

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图(1)　复合材料2金属粘结构试件超声C扫描检测结果

213　计算机层析照相技术(C T)

工业C T(简称IC T),即工业计算机断层扫描成像,具有直观、准确、无损伤等特点,主要用于工业构件的无损检测。其原理主要是:通过扫描工件得到断层投影值,然后通过图像重建算法重建出断层图像。CT的图像清晰,与一般透视照相法相比不存在影像重叠与模糊,图像对比灵敏度比透视照相要高出两个数量级。因此,国际无损检测界把工业C T称为最佳的无损检测手段。对产品的检测结果表明,工业CT设备对复合材料的气孔、夹杂、空隙、疏松、分层、裂纹以及密度分布不均匀等各种常见缺陷具有很高的探测灵敏度,在一定范围内能够精确地测定缺陷的几何尺寸

。

图(2)　一种新型复合材料的CT断层图像

图(2)[8]是一种新型复合材料的C T断层图像,图中可清楚地看到该复合材料内部的微裂纹。金虎等[9]利用C T技术对C/C复合材料的内部缺陷进

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行了无损检测。结果表明,CT 检测技术的空间分辨率和密度分辨率完全可以满足C/C 复合材料内部缺陷的检出要求,从而保证C/C 复合材料产品的内部质量,保证C/C 复合材料的性能。H.Hocheng [10]用C T 技术检测到了复合材料试件的横切面上因为钻孔所引起的分层损伤,证实了CT 技术在复合材料无损检测中的有效性和可行性。214　红外热成像无损检测技术

红外热成像无损检测技术的基本原理是利用红外物理理论,把红外辐射特性的分析技术和方法应用于被检对象的一个综合性无损检测应用技术。此检测法是通过检测物体的热量和热流来鉴定该物体质量。当物体内部存在裂缝和缺陷时,将会改变该物体的热传导性能,使物体表面温度分布有差别,此时通过检测装置可显示出其热辐射的不同,从而判别并检查出缺陷的位置。红外热成像法具有成本低、快速、方便、精确的优点,可用于多层材料与复合材料的夹杂、脱粘、分层、开裂等缺陷与损伤的检测评估,但要求被测件传热性能好,表面发射率高。

1994年,美国韦恩州立大学工业制造研究所的L.D.Favro 等人使用红外成像技术对碳纤维增强

环氧薄板中的冲击损伤进行了检测[11];美国航空航天局Langley 研究中心的William P.Winf ree 和陆军研究实验室的Jo sep h N.Zalameda 对复合材料中分层深度的红外热成像检测技术进行了专门研究[12],以上两例的检测结果表明,红外热成像技术不仅具有探测纤维增强复合材料中是否存在分层缺陷的能力,而且还能够给出缺陷深度方面的信息。215　声发射法检测技术

声发射(A E )技术是一种评价材料或构件损伤的动态无损检测技术,它通过对声发射信号的处理和分析来评价缺陷的发生和发展规律,并确定缺陷的位置。声发射检测的原理就是利用物体在外界条件作用下,缺陷或物体异常部位因应力集中而产生变形或断裂,并以弹性波形式释放出应变能,通过捕捉这些动态的信息,根据其A E 信号的特征及其发射强度,就可对材料的微观变形和开裂以及裂纹的发生和发展情况进行检测和预报。但利用声发射检测要具备两个条件:第一,材料要受外载作用;第二,材料内部结构或缺陷要发生变化。

目前,采用声发射技术已能检测复合材料中每根碳纤维或玻璃纤维丝束的断裂及丝束断裂载荷的分布,从而评价碳纤维或玻璃纤维丝束的质量。声发射技术还可区分复合材料层板不同阶段的断裂特性,如基体开裂、纤维与树脂界面开裂和裂纹层间扩展等[13,14]。方鹏等[15]利用声发射技术对C/SiC 复合材料高温蠕变试验过程进行动态监测,研究结果表明,在此过程中,A E 信号累计能量同复合材料的蠕变应变有一致的变化趋势,故可以用A E 信号累计能量表征和描述其高温蠕变。刘怀喜等[16]采用声发射法对复合材料飞轮试件高速旋转时的损伤信号进行采集,并借助体视显微镜、光学显微镜和着色法等辅助检测方法,使损伤类型与损伤信号一一对应,研究发现用声发射法能灵敏地采集到飞轮试件高速旋转时的各种损伤信号。216　微波检测技术

微波是介于红外和无线电波之间波段范围的电磁波。微波无损检测的主要优点是设备简单,操作方便,不需要耦合剂,而且很容易穿过空气介质,是非接触测量,检测速度快,可实现自动化检测。与射线检测相比,微波对人体无辐射性危害。由于微波具有良好的穿透性能,可检测出复合材料中的脱粘、分层、裂缝、孔隙等缺陷。但微波检测不适应于金属导体或导电性能较好的复合材料的内部缺陷检测,如碳纤维增强塑料。另外,小于1mm 的缺陷,微波也很难检测出来。

陆荣林等[17]利用微波对玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料、玻璃纤维增强酚醛树脂基复合材料以及环氧树脂浇铸体进行了无损检测,经过一系列试验和分析表明,微波无损检测技术用于复合材料缺陷的检测是完全可行的。不仅可以检出体积型缺陷,同时还可以检测出平面型缺陷;检测灵敏度较高,对于6mm 波长的微波可检出的最小孔隙尺寸约为210mm ;利用一定的装置还可以对复合材料缺陷进行定位。B 1Akut hota [18]等利用近场微波技术对用于增强混凝土结构的碳纤维增强复合材料的脱粘情况进行了检测,实验证明微波图像能有效地对复合材料中的脱粘情况进行定位和定量。217　激光检测技术

激光无损检测技术包括激光全息无损检测技术和激光数字错位散斑无损检测技术。激光全息检测技术是激光技术在无损领域应用最早、用得最多的方法。它可检测出复合材料中的气孔、夹杂、孔隙、疏松、分层、裂纹等缺陷。检测快速,自动化程度高,结果可记录。激光散斑检测则是集现代激光技术、散斑干涉技术、图像采集及处理技术、计算机技术、精密测试技术于一体的计量检测技术。它比激光全息照相更为突出的优点是,散斑干涉度量术降低了机械稳定性和相干性的要求,易于调整灵敏度和测量面内位移。同时,解决了全息照相时测运动场时

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的局限。所以,就全息和散斑检测来说,散斑比全息的性能更可靠,影响的因素更少。

曾启林等[19]分别采用激光全息和激光数字错位散斑检测技术对航空轮胎的内部脱层和气泡等缺陷进行了检测,并比较了两种方法的优异。结果表明两种激光无损检测技术都能清晰地辨别出航空轮胎中存在的缺陷。图(3)a 是轮胎内部缺陷的全息图像,图(3)b 是激光错位散斑检测到的胎侧缺陷图像

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218　中子照相无损检测技术

中子射线照相技术原理为从中子源发出的中子束,通过准直器照射到被检工件,检测器记录透射的中子束分布图像。不同物质具有不同的中子衰减系数,因此透射中子束的分布图像可以形成工件缺陷和杂质等的图像。中子对水、碳氢化合物、硼等轻元素的吸收系数大,因此对复合材料中存在的腐蚀、水汽、粘接质量等缺陷的检测灵敏度高于X 射线。但主要缺点是中子源价格昂贵,使用时需特别注意中子的安全与防护问题等。

该技术可用于叶片型芯残留物、子弹装药情况和固体火箭推进剂装填情况等复合材料的检测;铝蜂窝粘接结构表面蒙皮与蜂窝芯体的粘接情况,由于粘接剂强烈吸收中子,因此采用中子射线照相能够很容易检查粘接质量[20]。加拿大皇家军事学院的Lewis 等人介绍了一种中子射线设备,对金属陶

瓷复合材料和飞行器控制面进行了研究。通过对CF188飞机的中子检测,发现了93处缺陷(如湿气、蜂窝裂纹、损伤的蜂窝芯、异质材料、孔洞和修补等)[21]。219　敲击法无损检测技术数字敲击无损检测是利用传感器接收来自前端设备(如敲击锤)对被测件的敲击振动信号,再通过运算电路以及软件程序对采集信号进行后期处理,对被测件作出判断的一种无损检测技术。当敲击在复合材料结构有损伤区时,由于损伤区脱层、脱粘的存在,导致了损伤区有效接触刚度的减小,从而引起有损伤区的撞击时域曲线不同于无损伤区的时域曲线。通过比较两者的时域曲线或相应的频谱,就可以检测出损伤。该方法设备简单,操作方便,不受周围环境的影响,适合大型复合材料结构的现场检验,但对于小缺陷灵敏度低。

冷劲松、杜善义等[22]为了确定敲击法检测复合材料结构损伤的灵敏度,检测了含不同大小损伤的GFRP 复合材料试件,敲击法可有效地检测2mm 厚复合材料层板的脱粘、脱层等损伤,并且该方法尤其适用于蒙皮结构,蜂窝结构的损伤检测。闫晓东[1]研究开发了飞机复合材料结构智能敲击检测系统,并运用本系统对复合材料的损伤实验件进行了敲击检测与分析,验证了所开发系统的可行性、有效性和先进性。其研究成果,可应用于民用飞机复合材料结构的生产及维修现场,具有自动化程度高、使用简便、快速精确等特点。2110　声-超声无损检测法

声-超声(AU )技术又称应力波因子(SWF )技术。与通常的无损检测技术不同,AU 技术主要用于检测和研究材料中分布的细微缺陷群及其对结构力学性能(强度或刚度等)的整体影响,属于材料的完整性评估技术。采用声-超声振幅C 扫描技术也能够对复合材料与金属材料间的粘接界面进行有效检测,而且克服了超声反射技术信号清晰度不高、超声透射技术传感器可达(及)性差的缺点。但该检测方法对单个、分散的缺陷不敏感。

声-超声技术已在复合材料、胶接接头、复合材料类似材料中得到许多成功应用,如利用板波分析对复合材料构件的刚性进行评价,从声-超声信号中获取超声衰减率来评价材料的状态和机械性能等[23]。图4(a )是某复合材料涡轮叶片的外形图,图4(b )是美国Sandia 国家试验室的John H.G ieske 等[12]采用声-超声振幅C 扫描技术对该复合材料涡轮叶片中复合层与柱形金属(钢)芯棒间粘接界面

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状态进行检测所得到的AU 图像,从图中可以非常清楚地看到结构左边区域粘接界面存在大面积的脱粘缺陷。王勇[24]研究了利用声∃超声检测系统对蜂窝结构和纤维增强结构复合材料缺陷的检测,通过对各种结构缺陷的定量及定性分析,认为有可能通过声∃超声检测来对复合材料的整体性能进行评估

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3　结束语

工程上各种无损检测技术都有其特点及适用范围,一般来说对于大型复合材料的脱粘、分层、裂纹

等缺陷检测可采用敲击法和超声C 扫描技术;对于复合材料的表面或是近表面缺陷的检测一般采用涡流法、渗透法和工业内窥镜法;对于复合材料的内部缺陷及损伤(如疏松、分层、夹杂、空隙、裂纹等)的检测,X 射线、超声波、CT 、红外热成像、微波以及激光法等均有良好的效果;对于复合材料中萌生与扩展的裂纹检查采用声发射法检测尤为有效;而对于细微缺陷群的检测可采用声-超声法;对于复合材料中存在的腐蚀、水汽、粘接质量等缺陷的检测中子照相法尤为适宜。计算机技术、传感器技术等的进一步发展,使无损检测技术朝着更方便、快捷、灵敏、可靠及精确的方法发展。另外,两种或两种以上的无损检测技术交叉发展能更好地扬长避短,提高其检测的有效性。

参考文献

[1]　闫晓东.飞机复合材料结构智能敲击检测系统研究

[D ].南京:南京航空航天大学民航学院,2007.[2]　李俊杰.复合材料X 射线数字成像检测技术研究[D ].

太原:中北大学,2008.[3]　徐翔星.C/SiC 陶瓷基复合材料的X 射线无损检测研

究[D ].西安:西北工业大学材料科学与工程学院,2003.[4]　李志君.先进复合材料的无损检测[J ].宇航材料工艺,

2000,(5):28-30.[5]　魏勤,尤建飞,彭如海,等.超声C 扫描成像系统在铝基

复合材料无损检测中的应用[J ].华东船舶丁业学院学报,2000,14(2):31-32.[6]　许有昌.碳纤维复合材料舱体超声波检测工艺研究

[D ].南京:南京理工大学,2006.[7]　王小永,钱华.先进复合材料中的主要缺陷与无损检测

技术评价[J ].无损探伤,2006,30(4):1-4.[8]　孙灵霞,叶云长.工业CT 技术特点及应用实例[J ].核

电子学与探测技术,2006,26(4):486-488.[9]　金虎,杨宝刚,任华友,等.利用CT 技术检测碳/碳复

合材料的研究[J ].宇航材料工艺,2004(2).

[10]　H.Hocheng ,C.C.Tsao.Computerized Tomography

and C 2scan for Measuring Drilling 2Induced Delamina 2tion in Composite Material Using Twist Drill and Core Drill[J ].Key Engineering Materials ,2007,339:16-20.

[11]　L.D.Favro ,P.K ,kuo ,and K.L.Thomas.Thermal 2

wave imaging for nde of composites and coatings[J ].SPIE Vo1.2944:233-235.

[12]　William P.Winf ree and Joseph N.Zalameda.Thermo 2

graphic Determination of Delamination Depth in Com 2posites[J ].Proc.of SP1E Vo1.5073:366-372.

[13]　刘怀喜,张恒.声发射技术在复合材料中的应用及研

究进展[J ].纤维复合材料,2002(4):50-53.

[14]　刘怀喜,张恒.复合材料无损检测方法[J ].无损检测,

2003,25(12):631-633.

[15]　方鹏,成来飞,等.C/SiC 复合材料高温蠕变的声发射

特性[J ].无损检测,2008,30(2):81-83.

[16]　刘怀喜,马润香,张恒.声发射法在复合材料飞轮试件

损伤检测中的应用[J ].无损检测,2008,30(1):48-51.

[17]　陆荣林,费云鹏,白宝泉.微波检测原理及其在复合材

料中的应用[J ].玻璃钢/复合材料,2001,(2)3:40-41.

[18]　B.Akuthota ,D.Hughes ,R.Z oughi etc.Near 2field

microwave detection of disband in carbon fiber rein 2

・

82・工程与试验　　　　　　　　　　　　　　　　　J une 2009

ment2based structures and disband repair verification

[J].Journal of materials in civil engineering,2004,

16(6):540-546.

[19]　曾启林,盛保信,孙旭,等.航空轮胎激光无损检测技

术[J].轮胎工业,2005,25(2):112-116.

[20]　郑世才.中子射线照相检验技术[J].无损检测,2000,

22(8):376-380.

[21]　Lewis WJ,Bennett L GI.The use of neutron radio2

graphy in the inspection of aircraft composite flight

control surfaces〔J/OL〕.http://www.ndt.net/arti2

cle/pacndt98/9/9.htm,1999-01-15/2002-08-

02.

[22]　冷劲松,杜善义,等.复合材料结构敲击法无损检测的

灵敏度研究[J].复合材料学报,1995,12(4):99-

105.

[23]　P.N.Dewen and P.Cawely,The practical application

of ultrasonic spectroscopy for the measurment of the

cohesive properties of adhesive joints[J].ND T&E In2

ternational,1992,25(2):247-254.

[24]　王勇.声—超声材料检测技术研究[D].北京:清华大

学,2000.

(上接第12页)

中,损伤大孔的一阶到四阶振幅均大于损伤小孔的一阶到四阶振幅。即损伤损伤程度越大,固支梁一阶到四阶振幅越大。

参考文献

[1]　张德文,等.模型修正与破损诊断[M].北京:科学出版

社,1999.

[2]　梁远森.板类结构局部激振检测的理论与试验研究

[D].上海:同济大学,2003.

[3]　邓众,严普强.桥梁结构损伤的振动模态检测[J].振动

测试与诊断.1999,19(3),157-163.[4]　包世华,方鄂华.高层建筑结构设计[M].北京:清华

大学出版社,1992:62-7.

[5]　李德葆,陆秋海.实验模态分析及其应用[M].北京:科

学出版社,2001.

[6]　余同希,W.J.斯北.塑性结构的动力学模型[M].北

京:北京大学出版社,2002.

[7]　傅志方.振动模态分析与参数辨识[M].北京:机械工

业出版社,1990.

[8]　余天庆.工程材料与桥梁结构的力学性能测试[M].

北京:国防工业出版社,1997.

[9]　禹丹江.桥梁损伤识别的动态方法研究[D].郑州:郑

州大学土木工程学院,2002.

(上接第17页)

线表明有正和负偏差,曲线部分说明其接近加和特性。PVC/ABS复合材料的这种特性主要取决于二者的组份比。

3　结　论

(1)PVC/ABS复合材料是一个半相容体系,两聚合物之间显示出了高的接触粘合力和低的表面张力,由于它们相互之间存在有强烈的亲和力(但不像熔混时那么大),PVC/ABS复合材料具有良好的力学性能。

(2)ABS的弹性区提供了一个球粒相和由交联导致的固定的直径,它可均匀地分散于PVC中,弹性区可提高PVC/ABS复合材料冲击强度,但它的存在也降低了拉伸性能。

(3)PVC和ABS复合时缩小了体系的自由体积或使结构致密,从而增加了二者之间的相互作用,提高了PVC/ABS复合材料的相容性,并导致了体系的冲击强度的提高。

(4)在PVC/ABS复合材料中网络结构的形成既有利于体系冲击性能的提高,又有利于拉伸性能的提高,因此,体系中有网络结构存在的区域内可获得理想的力学性能。

参考文献

[1]　Modern Plastics Encyclopedia,MO Graw2Hill.New

Y ork(1984-1985).

[2]　周丽玲,蔺玉胜,杨静漪,吴其皣.ABS增韧硬聚氯乙烯的

结构形态和增韧机理[J].中国塑料,2001,10:27～30. [3]　杨金平,梁吉,葛涛,刘新民,郭红革.PVC/ABS共混

改性的研究[J].中国塑料,2002,10:49～53.

・

9

2

・

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