航空复合材料无损检测技术发展

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摘要：本文通过分析梳理了航空复合材料无损检测及评估领域在最近10年间的重大研究成果，重点解析了航空复合材料NDT&E技术及其发展现状，介绍了多种NDT&E方法在航空复合材料结构制造、服役及维修中的应用实效，最后总结了航空复合材料NDT&E技术当前面临的挑战，并且分析了未来发展趋势。

关键词：无损检测；复合材料；缺陷评估；超声检测

目前，航空领域广泛应用了性能优越的复合材料，从而对复合材料的无损检测及评估技术提出了强烈需求和更高要求，它也由此成为了业内普遍关注的研究热点。比如，飞机机翼、机身等关键结构部位大多选用碳纤维增强树脂基复合材料，在对此类复合材料进行检测及评估时优选NDT&E技术，这一现实需求有力推动了复合材料NDT&E技术的向前发展。通过文献分析发现，近年来国内外陆续刊出了多篇关于复合材料NDT&E技术的学术专著，涉及新的复合材料成型工艺、新的航空复合材料、新的复合材料结构等多个方面，这意味复合材料NDT&E技术已经提升到更高的技术水准，并且同步推出了复合材料NDT&E的新仪器、新方法，从而为推广和应用复合材料NDT&E技术提供了保障。

1复合材料NDT&E技术相关研究

1.1超声检测技术的研究

查阅相关资料，发现学术界和工程界都将超声检测作为主要的复合材料NDT&E方法，近年来的研究主要聚焦于以下两个方面：其一，声波时域行为的探究和利用，深入探究超声波在复合材料中产生的不同声波信号的时域特性，通过分析穿透信号或超声回波的传播时间、幅值、衰减等时域特征，来支撑针对复合材料的超声检测功能；其二，声波频域特性的研究与应用，分析超声波在复合材料中形成的声波信号的频域特性，据此表征及评估复合材料存在的缺陷。主要分为：以单声源为基础的超声检测技术、以阵列声源为基础的超声检测技术、激光超声检测方法以及超声导波检测方法。

1.2X射线检测技术的研究与进展

当前，复合材料X射线检测技术应用较为广泛，包括蜂窝芯的检测、微结构的表征、特殊复合材料结构部位的缺陷表征及评估。Dietrich利用μ–CT方法开展了蜂窝夹芯微观和介观结构的3D层析试验，证实了μ–CT方法能够准确表征蜂窝芯的微观、介观结构和冲击变形，配合3D图像分析技术，还能够表征面板纤维的取向以及蜂窝芯的几何形变。目前，μ–CT方法常用于小试样的微结构表征、变形分析以及微缺陷评估等。

1.3红外热像检测方法的研究

近年来，针对红外检测技术的研究聚焦于脉冲红外热像方法，即通过试样检测的方法探究脉冲红外热像方法对于较大尺寸的人工缺陷、损伤的检测效果。目前，红外热像检测方法在复合材料制造阶段的适用性不佳，尚未实现应用普及。

1.4ESPI检测方法的研究

创建ESPI检测技术的最初目的就是实现对复合材料或者特别情景的损伤进行检测，国外对此项检测技术的研究进展较快。比如，Choi利用激光源Nd组织了RDPI检测试验，即利用ESPI检测技术对复合材料蜂窝结构中由冲击造成的分层现象进行检测试验。

2复合材料NDT&E技术应用

2.1复合材料NDT&E技术的应用方向

当前，通过对复合材料NDT&E技术的探究我们可以总结出其主要应用于如下：（1）探究NDT&E新机制；（2）探究NDT&E新技术；（3）NDT&E的利用和研究，包括新工艺准则的设置、新装备的研制等。基于此，复合材料NDT&E技术正朝向以下四个应用方向进展，具体来说：（1）面向复合材料研发过程中的NDT&E。紧随复合材料的研发步调，基于NDT&E技术、方法对复合材料的内部缺陷进行表征及评估，以及利用超声NDT&E检测方法揭示复合材料的微结构及弹性性能，逐步建立起面向复合材料研发过程的NDT&E方法体系，并且为复合材料缺陷评估提供基础判据。（2）面向复合材料结构制造过程中的NDT&E。选用适当的NDT&E技术，在复合材料的加工制造过程中，对复合材料结构进行无损检测和评估，并未复合材料的工艺改进和质量控制提供依据。面向复合材料结构制造过程中的NDT&E通常选用技术成熟的检测方法，而且必须在制造现场或原位来施行。

2.2超声检测技术的应用

目前，超声检测技术是最为常用的复合材料NDT&E检测方法，结合实务应用情况，超声检测方法主要应用于以下场景：（1）复合材料的缺陷表征及评估。（2）复合材料工艺研发过程中的缺陷检测及评估。（3）复合材料结构研制阶段的NDT&E。（4）复合材料工艺制造阶段的NDT&E。

2.3X射线检测技术的应用总结

X射线检测技术在复合材料检测领域中的应用现状，如下：（1）针对试样试片的微结构分析及表征，比如，利用μ–CT方法对复合材料的微结构进行表征，以及对复合材料的微气孔进行分析；（2）测试复合材料中是否存在高密度夹杂物；（3）揭示复合材料蜂窝夹芯的结构。归纳来说，经过长期的研发、试验，X射线检测技术现已实现了工业级应用，被认为是最具潜力的航空复合材料蜂窝夹芯结构检测方法，而且DR检测技术在实践中已经被证实具备良好的检测效果，并且不会排除废物废液，缺陷检测速度较高，大有取代传统胶片照相法的势头。CT检测方法通常被认为是超声检测方法的补充，能够对某些特殊的复合材料结构部位或零部件制品进行检测，可是CT检测方法并不适用于对较大尺寸的复合材料板类制件、存在面积型缺陷的复合材料以及翼身类壁板结构等进行检测。

3复合材料NDT&E技术发展面临挑战

3.1复合材料NDT&E技术发展所面临的挑战

以下从四个方面解析航空复合材料NDT&E技术当前发展所面临的技术调整，具体如下：（1）在超声检测技术方面：超声检测技术是当前最为常见的航空复合材料无损检测技术，面向日益更新的复合材料、材料结构以及制造工艺，需要不断创新缺陷识别机理、检测技术以及缺陷判据，这是超声检测技术后续发展的重要风险；航空复合材料结构正朝向复杂化、大型化的分析发展，传统超声检测技术在应用中效果不佳，而应当着力研发具有多维特征的快速可视化检测技术，建立起工业级的智能化、可视化检测系统，这也是超声检测未来发展所面临的重要技术难题。（2）在X射线检测技术方面：目前，许多X射线检测技术业已实现工业应用，但是多数检测方法在应用中都存在不足，比如排放废物废液，损害自然环境等，因此，后续研究应当致力于研发环境友好型X射线检测技术，比如，大力发展DR检测技术，尤其通过技术改进提高其检测分辨率，最终取代传统的胶片照相法。（3）在声振、ESPI检测、红外等检测技术方面：针对特定的复合材料或者特殊的检测环境，研制出易于实现、易于控制的加载技术，在此基础上提出可以实现快速检测以及输出可视化结果的复合材料缺陷检测方法。

3.2复合材料NDT&E技术发展新的探索

根据复合材料产业链的发展趋势，尤其注意复合材料智能制造的发展需求，不断研发新的智能化、可视化、环境友好型的NDT&E技术、方法及装备，为未来的复合材料全寿命设计和智能制造等实务工作提供技术支持。归纳来说，不管何种NDT&E检测技术的研发和应用都必将经历一段漫长的发展时期，期间必将遭遇多重挑战，其技术轨迹可以提炼为“检测→评估→智能检测→智能评估→智慧检测→智慧评估→智慧预测”，这项伟大的工作需要更多地科研人员付出精力和热情。

4结语

根据文献分析的结果，超声检测是目前最为常见的复合材料NDT&E检测技术，选用适当的超声检测方法，通过分析超声波在复合材料中的传播行为及其变化规律，能够揭示出复合材料可能存在的缺陷、损伤，还能够快速识别出复合材料检的缺陷类型及其损伤程度，超声检测技术符合复合材料工程智能化、可视化、自动化NDT&E的发展方向，还能对接于复合材料的智能制造，这使其表现出着旺盛的研发活力。面向日益更新的复合材料新材料、新结构、新工艺以及不断提高的检测需求，超声NDT&E技术正面临艰巨的技术难题，需要通过技术改进、技术创新的方式予以攻克。

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作者：唐国栋 单位：四川航空股份有限公司工程技术分公司