特種作業(yè)技能培訓：八種復合材料無損檢測方法盤點
2024-03-13
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復合材料是運用先進的材料制備技術，將不同性質的材料組分優(yōu)化組合而成的新材料。20世紀40年代，因航空工業(yè)的需要，發(fā)展了玻璃纖維增強塑料（俗稱玻璃鋼），從此出現(xiàn)了復合材料這一名稱；50年代以后，陸續(xù)發(fā)展了碳纖維、石墨纖維和硼纖維等高強度和高模量纖維；70年代出現(xiàn)了芳綸纖維和碳化硅纖維。隨著復合材料在各個領域的應用越來越廣泛，特別是在航空航天、汽車、建筑、電子、新能源等領域，全球復合材料行業(yè)的現(xiàn)狀呈現(xiàn)出持續(xù)增長的趨勢。
隨著越來越多的復合材料與結構被用于各個行業(yè)，了解如何檢查它們的損壞情況是一個重要話題。本文將盤點幾種常見的復合材料無損檢測方法。
無損檢測（Non-Destructive Testing，NDT）是復合材料工業(yè)中的一種標準測試方法，無需切割或以其他方式改變材料，也是制造高質量產品的基礎。NDT有多種方法可供選擇，有時可能需要同時使用多種方法來充分了解復合材料層壓板中的缺陷和缺陷的類型、尺寸、位置和深度等。對復合結構進行檢查的一個基本且有用的方法是目視檢測，它應該是檢測人員使用的第一種方法，但卻經常被忽視。在光線下以淺角度觀察復合材料層壓板有助于發(fā)現(xiàn)明顯的缺陷，如劃痕、褶皺、橋接、表面孔隙、剝離蒙皮、分層、熱損傷等可見沖擊損傷。
目視檢測最重要的優(yōu)點是它的快速過程，以及該過程的相對可承受性，以及不需要設備，節(jié)省了費用，但這種方法有其固有的缺點。
這是另一種基本的檢查方法。可沿著零件的表面用敲擊錘或硬幣輕輕的敲擊，明亮的金屬聲音表明結構良好；沉悶的“砰”聲表示存在缺陷，例如分層或脫粘。
數(shù)字敲擊錘可以測量敲擊響應，并以毫秒為單位顯示層壓板響應所需的時間。響應時間越短，結構吸收的沖擊就越少，這表明結構是實心的。當發(fā)現(xiàn)缺陷時，響應時間更長，導致顯示器上的數(shù)字更高。這種方法在厚度小于3.05毫米的薄層壓板中更有效，而在非常厚的層壓板上則沒有效果。另一個缺點是它有時也會給出錯誤的讀數(shù)，比如當背面連接了另一個結構。這是目前應用最廣泛的無損檢測方法。超聲檢測（UT）的工作原理是將高頻（0.5~25 MHz）能量波發(fā)送到層壓板中，捕捉并量化這些波形的振幅和飛行時間，從而分析了解材料性能和結構變化。使用的主要方法有兩種：
脈沖回波超聲檢測：單面超聲檢測可用脈沖回波技術完成。這種方法通過單個搜索單元作為發(fā)射和接收換能器工作，由高壓脈沖激勵。每個電脈沖激活換能器元件。該元件將電能以超聲波的形式轉化為機械能。聲波能量通過特氟龍(Teflon)®或甲基丙烯酸酯接觸尖端進入測試部分。在測試部分產生波形，并由換能器元件拾取。接收信號振幅的任何變化，或回波返回到換能器所需的時間，都表明存在缺陷。脈沖回波檢測用于發(fā)現(xiàn)分層、裂紋、氣孔、水和粘結部件的脫粘，但對于發(fā)現(xiàn)夾層表皮與蜂窩芯之間的粘結脫粘或缺陷較為困難。透射超聲檢測：使用兩個換能器，在被檢查區(qū)域的兩側各有一個。超聲波信號從一個換能器傳送到其他傳感器。然后用儀器測量信號強度的損失。該儀器以原始信號強度的百分比或分貝表示損失。將信號損耗與參考標準進行比較。損失大于參考標準的區(qū)域表示為缺陷區(qū)域。
低頻和高頻粘接檢測儀：這種粘接檢測儀使用帶有一個或兩個換能器的檢查探針。高頻粘接檢測儀用于檢測分層和空洞，可檢出直徑小至0.5英寸的缺陷，但無法檢測到表面到蜂窩芯的脫粘或孔隙；低頻粘接檢測儀使用兩個傳感器，用于檢測分層、空洞和蜂窩狀芯的剝離，但無法檢測出零件的哪一側損壞，不能檢測出小于1.0英寸的缺陷。
相控陣超聲檢測：相控陣檢測是復合材料結構缺陷的最新超聲檢測手段之一。它的操作原理與脈沖回波法相同，但它同時使用數(shù)十個甚至更多的傳感器，極大地加快了檢測過程。
脈沖紅外熱成像的工作原理是利用主動加熱技術，通過紅外熱成像系統(tǒng)自動記錄試件表面缺陷和基體材料由于不同熱特性引起的溫度差異，進而判定被測物表面及內部的損傷。
該方法具有非接觸、實時、高效、直觀的特點，十分適合于檢測復合材料薄板與金屬粘接結構中的脫粘、孔隙率、剝離、分層、分層類面積型缺陷等，尤其是當零件或組件不能浸入水中進行超聲C掃描檢測，以及零件表面形狀使得超聲檢測實施比較困難時可使用紅外熱波檢測方法。射線檢測（RT）通常是指X射線檢測，是一種非常有用的NDT方法，因為它本質上允許射線進入部件內部形成直觀的視圖。這種檢測方法是使X射線通過被測試的部件或組件，同時在對X射線敏感的膠片上記錄射線的吸收。曝光的膠片顯影后，檢測人員分析記錄膠片上曝光不透明度的變化，在效果上創(chuàng)建一個組件內部細節(jié)關系的可視化圖像。
由于該方法通過厚度記錄總密度的變化，因此并不是檢測缺陷的首選方法，如在與射線方向垂直的平面上的分層。但對于檢測平行于X射線光束中心線的缺陷來說，這是一種最有效的方法。內部異常，如角落的分層，壓碎的核芯，斷裂的核芯，核芯細胞中的水，泡沫粘合劑接頭中的空洞，以及內部細節(jié)的相對位置，都可以很容易地通過X射線看到。大多數(shù)復合材料對X射線幾乎是透明的，所以必須使用低能射線。出于安全考慮，在飛機周圍使用是不現(xiàn)實的。操作人員應始終使用足夠的鉛護罩保護，因為X射線管或其散射輻射都有可能使其直接接觸射線輻射，與射線源保持最小的安全距離是非常必要的。射線檢測技術有許多類型，每種類型都有特定的應用。當零件既不太厚也不太薄時，常規(guī)射線照相是最有用的；對于1~5 mm的薄零件，使用低壓射線照相；而γ射線照相適用于厚零件。中子射線照相是X射線照相的一種補充技術，這兩種技術都是通過介質可視化衰減對樣品的內部特征進行成像。中子通過介質的傳輸取決于介質中原子核的中子截面，中子通過介質的微分衰減可以被測量、繪制，然后可視化。中子射線照相的主要優(yōu)點是它能夠揭示光元素，如在腐蝕物和水中發(fā)現(xiàn)的氫。剪切成像測試是一種激光光學方法，通過使用圖像剪切干涉儀來檢測和測量零件的平面外變形。
首先在無載荷條件下測量零件，然后在施加的載荷下再次針對熱學、機械振動、聲振動、壓力、真空、電場、磁場、微波或機械等進行測試，這使得攝像機可以看到缺陷，以便在存在亞表面缺陷的層壓板表面上捕捉等應變條紋圖案。計算機軟件對包裹的相位圖圖像進行外推，并創(chuàng)建一個展開的相位圖，該相位圖被轉換為用于顯示和評估的集成可見圖像。需要注意的是，該技術可以快速顯示缺陷的位置，但需要使用超聲技術進行進一步檢測以確定深度。聲發(fā)射（Acoustic Emission，AE）檢測是通過對復合材料或結構在加載過程中產生的聲發(fā)射信號進行檢測和分析，對復合材料構件的整體質量水平進行評價的一種檢測技術，是一種有效的缺陷分析方法。
該方法能夠反映復合材料中損傷的發(fā)展與破壞模式，預測構件的最終承載強度，并能夠確定出構件質量的薄弱區(qū)域。
聲發(fā)射技術是檢測復合材料結構整體質量水平的非常實用的技術手段，使用簡單方便，可以在測試材料力學性能的同時獲取材料動態(tài)變形損傷過程中的寶貴信息。使用的方法主要有三種：
參數(shù)分析法：通過記錄和分析聲發(fā)射信號的特征參數(shù)，如幅度、能量、持續(xù)時間、振鈴計數(shù)和事件數(shù)等，來分析材料的損傷破壞特征，如損傷程度和部位、破壞機制等。它最大缺點是有關AE源本質的信息往往被諧振式傳感器自身的特點所掩蓋或模糊掉，其實驗結果的重復性很差。
波形分析法：對聲發(fā)射信號的波形進行記錄與分析，得到信號的頻譜及相關函數(shù)等，通過分析材料不同階段和不同機制引起損傷的頻率特征，可以獲取材料的損傷特征。
頻譜分析法：可以分為經典譜分析和現(xiàn)代譜分析，是聲發(fā)射信號處理中最常用的分析方法。兩種譜分析方法都是通過把聲發(fā)射信號從時域轉換到頻域，在頻域中研究聲發(fā)射信號的各種特征，找到識別聲發(fā)射源本征信息。但信號的頻譜分析要求被分析的信號是周期性的平穩(wěn)信號，并且譜分析是一種忽略局部信息變化的全局分析方法。聲-超聲（Acoustic-Ultrasonic ，AU）檢測是聲波和超聲波檢測的組合方法，主要用于檢測和研究材料中分布的細微缺陷群及其對結構力學性能（強度或剛度等）的整體影響，屬于材料的完整性評估技術。
在無損檢測中，基于最佳經濟性、靈活性和靈敏度的聲波/超聲波類檢測具有巨大的潛力。這是一種有用的方法，因為它允許查看和評估非關鍵缺陷。第二個優(yōu)點是它是結構中由于疲勞載荷或沖擊損壞而累積損壞的良好指標。采用聲-超聲振幅C掃描技術也能夠對復合材料與金屬材料間的粘接界面進行有效檢測，而且克服了超聲反射技術信號清晰度不高、超聲透射技術傳感器可達性差的缺點。
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