復合材料無損檢測和健康監測技術綜述

復合材料因其獨有的優勢正在慢慢取代傳統金屬材料在各種結構中的應用。

復合材料在制造和使用過程中可能會受到疲勞、異物、環境條件(濕度、溫度)等因素的影響而發生損傷，即使是低速沖擊，也可能導致結構內部的損傷。復合材料中存在基體開裂、分層、纖維斷裂等損傷，如果沒有在早期檢測到損壞，可能會發生災難性的故障。因此，對復合材料進行有效的內部質量檢測和早期損傷檢測是非常重要的，但復合材料的各向異性特性使得損傷評估較為困難。在研究和工程實踐中的經驗表明，采用無損檢測技術對復合材料的損傷進行評估是比較合適的。

本文簡要介紹了各種用于航空航天、汽車和海洋結構的復合材料在疲勞載荷和沖擊下發生的裂紋和分層等損傷的無損檢測技術和健康監測技術。

根據檢測和信息處理的原理和方式的不同，目前有70多種無損檢測技術，主要包括射線檢測(X射線、伽馬射線、粒子射線等)、電、電磁檢測(電阻法、電位法、渦流法、磁粉法、核磁共振、微波法、單獨激發電子發射等)、機械及光學檢測(目視法、內窺鏡法、熒光法、著色法、脆性涂層和光彈性涂層線法、激光全息、應力測試等)、熱力學方法(熱電動勢法、液晶法、紅外熱圖法等)、化學分析方法(電解法、激光法、離子散射法、俄歇電子分析等)。


1、超聲檢測


傳統超聲檢測(UT)：UT是各種無損檢測技術中應用最廣泛、最有效的檢測方法。根據材料中缺陷區域與正常區域的超聲反射、衰減和共振的差異來確定缺陷的大小和位置，然后根據材料的反射特性和實際經驗來判斷缺陷的類型。

超聲可以檢測復合材料中的層狀缺陷、氣孔、裂紋和夾雜物，對材料密度、纖維取向、彈性模量、厚度和幾何形狀的檢測也有重要作用。超聲C掃描以其檢測速度快、顯示直觀、能準確判斷大型復合材料構件的體積缺陷而被廣泛應用。

由于復合材料結構的矛盾性和性能的離散性，其缺陷機理較為復雜。復合聲衰減大，導致信噪比低。不易區分，同時耦合劑會對材料造成污染。


超聲導波檢測：超聲導波檢測是近年來一個新的研究熱點。導波是由于介質邊界的存在而產生的。介質通過多次反射或折射，使縱波和橫波發生模式轉換，形成復雜的干涉導波。

超聲導波是一種快速寬范圍的初始探測方法，不能進行準確的定量檢測，一些可疑部位還需要使用其他檢測來做出最終的評估。該方法主要用于管道的無損檢測。


超聲相控陣技術：超聲相控陣是一種多波束掃描成像技術，它通過控制每個陣列傳感器陣列單元發射或接收脈沖的時間，使球面波在傳播過程中疊加，實現光束焦點和方向的變化，然后結合機械掃描和電子掃描完成成像。

與UT相比，該技術具有聲束相位控制和動態聚焦的特點。無需或稍微移動探頭即可完成復雜結構的高速、全方位、多角度檢測。對于不穩定的板、管結構，超聲相控陣能有效提高檢測效率，簡化設計，降低成本。


2、射線檢測


X射線檢測：X射線無損檢測是復合材料損傷檢測的常用方法，包括X射線膠片照相和X射線數字射線照相。

膠片照相是檢測復合材料中孔隙和夾雜物等體積型缺陷的一種很好的方法，但對分層缺陷的檢測非常困難，只能檢測垂直于表面的裂紋。

X射線數字射線照相技術應用于復合材料產品檢測的成像質量可與X射線膠片照相技術相媲美，并且在效率、經濟、遠距離傳輸等方面都優于X射線膠片照相。但當缺陷尺寸小于0.25mm時，膠片照相圖像質量遠優于數字射線照相。


中子輻射成像技術：通過準直器照射被測工件的中子源發出的中子束，由探測器記錄透射中子束的分布圖像。由于不同材料的中子衰減系數不同，透射中子束的像分布會形成缺陷和雜質的像。

中子對水、碳氫化合物、硼等輕元素的吸收系數較大，因此該方法對復合材料中腐蝕、水汽的檢測靈敏度高于X射線。但主要缺點是中子源價格昂貴，使用中子時要特別注意安全保護。


計算機斷層掃描(CT)：該技術通過測量物體內部X射線的衰減系數，求解衰減系數值在剖面上的二元分布矩陣，建立剖面圖像。其特點是空間分辨率和密度分辨率高(通常小于0.5%)，動態檢測范圍大，圖像尺寸精度高。

它可以實現直觀的三維圖像。在足夠的能量下，試樣的幾何結構不受限制。因此，國際無損檢測行業認為工業CT是無損檢測的最佳手段，但檢測效率低，成本高。

雙邊透射成像不適用于平板元件測試和大型元件的現場測試。


康普頓背散射成像技術(CST)：CST是一種新型的射線檢測技術，其特點是單側非接觸、高靈敏度和快速三維成像。它非常適合于低密度、低原子序數材料的檢測。當檢測到的目標結構復雜或不能進行雙側成像時，CST具有獨特的優勢。

目前，CST在國外航空航天領域得到了廣泛的應用，但在中國仍處于探索階段。


3、激光探測


激光全息術(LH)：LH是最早、應用最廣泛的激光無損檢測技術。根據缺陷零件和其他零件施加載荷時的不同變形，利用施加載荷前后的全息圖像疊加來判斷材料是否存在不連續。

LH可以檢測微米級的變形，其優點是靈敏度高，無接觸，不受材料和尺寸限制，測試結果保存方便。


激光錯位散斑(LS)：LS綜合運用了現代激光技術、散斑干涉測量、圖像采集與處理技術、計算機技術和精密測試技術。其原理是通過加載前后激光散斑圖的疊加，在缺陷部位形成干涉條紋。

與LH相比，LS干擾小、檢出率高，便于現場檢測，易于調整靈敏度和測量面內位移。就LH和LS而言，LS性能更可靠，影響因素更少。


激光超聲檢測（LUT）：LUT的基本原理是使激光和材料直接激發超聲波測試，或使用被測對象的材料作為介質來產生超聲波，然后使用非干涉技術，如表面網格衍射和反射，或使用干涉測量技術，如光學外差來確定材料的缺陷。

LUT不需要耦合劑，能通過不透明材料，具有較強的抗干擾能力，便于實現遠程控制和在線檢測。它具有快速、非接觸和不受被測物體結構形狀限制的特點。


4、其他檢測技術


電渦流檢測（ECT）：ECT是一種基于電磁感應原理對導電材料表面及近表面缺陷進行檢測的無損檢測方法。

ECT具有速度快、自動化程度高的特點，非常適合于管材和棒材的檢測，同時可以檢測電導率、導磁率、熱處理、硬度和幾何尺寸。但ECT只能檢測導電材料，在檢測時邊界效果不佳。


超聲波測試(AU)：AU利用壓電換能器或激光在材料表面產生脈沖應力波，應力波與材料微觀結構相互作用。通過多次反射和模態轉換，接收并提取應力波，找出能夠反映材料性能的因素，稱為應力波因子。

AU主要用于檢測微小缺陷簇及其對結構力學性能的整體影響，是一種材料完整性評估技術。


聲發射測試（AE）：聲發射是利用損傷部位釋放的瞬態彈性波進行缺陷檢測的一種方法。聲發射研究的主要問題是如何識別聲發射源。

與常規無損檢測相比，它有兩個基本特點：一個是對動態缺陷敏感的，可以實時發現缺陷的產生和擴展過程；另一個是高靈敏度和分辨率，由于聲發射波來自缺陷本身，可以獲得豐富的信息。


微波測試：微波檢測是通過測量微波與材料相互作用后微波基本參數的變化來檢測材料內部缺陷。微波在復合材料中穿透能力強，衰減小。該方法無需特殊處理即可獲得內部缺陷區域的三維實時圖像。

微波對復合材料中不可避免的缺陷如氣孔、裂紋、分層和脫粘具有良好的靈敏度。但由于微波無法穿透導電性能較好的金屬及復合材料，因此無法檢測該類復合材料內部缺陷。


滲透測試(PT)：PT是最早使用的無損檢測方法之一，該方法是讓液體滲透劑流入工件表面的開口缺陷中，然后用去污劑去除多余的滲透劑，用顯像劑識別缺陷。

該方法可檢測的缺陷類型較多，一次操作可檢測多個產品。但只能檢測出產品表面的開孔缺陷，不適用于多孔材料的檢測。


磁粉檢測（MT）：MT是一種基于磁粉與漏磁場相互作用的表面及近表面缺陷檢測的無損檢測方法。可用于檢測裂紋、褶皺、夾層、夾渣等，尤其對裂紋敏感。

MT具有設備簡單、操作方便、檢測直觀快速、靈敏度高等優點。


5、小結

目前，所有應用的復合材料無損檢測技術都有其優點和局限性。復合材料無損檢測技術未來的發展方向主要是提高材料檢測自動化水平、原位檢測自動化水平、定量檢測自動化水平和結構健康監測水平。隨著復合材料性能要求的不斷提高，多種無損檢測方法的綜合交叉發展可以更好地提高檢測的有效性。