《航空用复合材料结构件无损检测技术分析.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《航空用复合材料结构件无损检测技术分析.pdf(4页珍藏版)》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、维普资讯 http:/ 航空用 复合材 料 结构 件无 损检 测技术 分析 弯曲会造成复合材料的贫胶、富胶和纤维曲屈。如 果预浸料储存时间过 长,则会在 固化成型过程 中因 树脂的流动性变差而导致 贫胶、富胶、纤维脱粘 以至分层等缺陷。如果这些缺陷不 能及时发现,对 复合材料的性能会有很大影响,甚至会造成不可挽 回的损失。2 使用过程 中产生的缺 陷 复合材料构件在使用过程 中往往 会由于应力 或环境 因素而产生缺陷,以至被破坏。复合材料损 伤的产生、扩展与积累会加剧材料的环境 与应力 腐蚀,加剧材料 老化,造成材料的耐湿热性能严重 下降,强度与刚度急剧损失,大大降低材料的使用 寿命,有时会造
2、成严 重后果。传统观念采取 的是发 现问题后进行修补(维修或修理)的办法,要求在 发现危及安全的缺陷后立 即进行修复。而新的观 念是预测并管理,要求对可能发生的缺陷、故 障进 行预报,从而能在某一合适时间段 内采取措施。所 以复合材料在使用过程中的定期检测,就显得极为 重要,也越来越受到人们的重视。复合材料结构常 见的缺陷类型及检测特 点见表 1。二、复合材料结构件的无损检测 先进复合材料 中的微观破坏和 内部缺陷,用 常规的机械与物理方法一般不能满足检验精度要 求,也不能采用破坏性实验方法进行检测,必须对 其进行 无损探伤检测,即在不损坏结构使用性能 的前提 下,采取一定 的手段,检测其特征
3、质量,确定其是否达到需要 的工程使用要求。无损检测 是检验产 品质量、保证产 品使用安全、延长产品 寿命必要 的有效技术手段。可应用于航空复合材 料结构 中缺陷无损检测的技术很多,包括 目视检 查法、声阻法、射线检测技术、超声检测技术、声 一 超声技术、涡流检测技术、微波检测技术等。1 目视 检 查法 目视检查法 是使用最广泛、最直接的无损检 测方法。它可以检查出褪色、表面划伤、裂纹、起 泡、表面欠压、起皱、桔皮、凹痕、富胶、贫胶 等缺陷;尤其对透光的玻璃钢产品,可用透射光 检查出内部的某些缺陷和定位,如夹杂、气泡、疏 松、搭接的部位和宽度、蜂窝芯 的位置和状态、镶 嵌件 的位置等。另外,利用
4、反射光可 以观察到表 面不平和其他缺陷。2 声 阻法 声阻法又称机械 阻抗分析法,它是通过测量 结构件被测点振动力 阻抗 的变化来确定是否有异 常 的结构存在。声阻仪是专为复合材料与蜂 窝结 构件 的整体性检 测发展 起来 的便携 式检 测仪器,可检测 出板一板胶接 结构(或复合材料)件或蜂 窝结构的单层、多层板分离区域。此方法操作简 单,效果很好,能满足设计和使用要求。3 射 线检测技 术 对于先进复合材料而言,射线检测仍然是最 直接、最有效的无损检测技术之一,特别适合于 检测先进复合材料中的孔隙和夹杂等体积型缺陷,对垂直于材料表面的裂纹也具有较高的检 测灵敏 度和可靠性,对树脂 聚集与纤维
5、聚集也有一定的 检测能力,也可测量小厚度复合材料铺层中的纤 维弯曲等缺陷,但对复合材料 中最为常 见的分层缺 陷检测 比较 困难,对平行于材料表 面的裂纹射 线 检测技术也不敏感。在所有的射 线检测技术 中,胶片射 线照相技 术应用最为广泛,经过多年的发展,该技术 已经 比较成熟,许多国家都建立 了针对复合材料 的胶 片射线照相技术规范或标准。近几年来,随着计 算机 技术 的迅速发展,射线 实时成像检测技 术 表 1 复合材料结构的缺 陷类型及检 测特点 缺陷类型 对结构的影响 检测特点 气孔、夹层、分层、纤维断裂或弯曲、通常表现为损害复合材料构件 需检测复合材料构件特有的缺陷,贫脂、富脂、疏
6、松、裂纹、固化状态 的机械性能和物理性能 不能简单地引用金属材料的无损 不佳 检测方法 脱粘、横向断裂、龟裂、缺胶、胶层 通常表现为损害复合材料结构 可以借鉴金属材料,尤其是金属胶 厚度不均匀、结构件内部损伤 件的整体完整性 接结构件的无损检测方法 1 2 维普资讯 http:/ 2 0 0 7 年 8 月 国 防 技 术 基 础 第 8 期 (RTR技术)日趋完善,并开始应用于结构的无 损检测。RTR 技术利用 图像增强器将穿透材料 后的射线信息转换为可视 图像(即光 电转换)。然 后输入计算机经过计算机处理将可视 图像 转换为 数字图像,在显示器屏幕上显示 出材料 内部缺陷 的性质、大小和
7、位置等信息。与胶片照相 技术相 比,RTR 技术不需要胶片的暗室处理,缩短 了 曝光 时间,成像质量与胶片照相技术相 当,但在 检 测过程 的实时性、检测效率、经济性 以及远程 传送和方便实用等方面具有无 比的优越性。实 时 成像技术可应用于先进复合材料产 品的在线检测,可 以对装配线上的工件进行实 时快速检测。康普顿背散射成像(CS T)技术是一种新的射 线检测技术,它具有单侧非接触、检测灵敏度高、快速三维成像的特点,非常适合于复合材料等原 子序数较低材料的物体,对 低密度材料的检测可 获得 比透射成像更高的图像对 比度,特别是当被 检物体结构限制无法进行双侧成像检 测时,C S T 技术就
8、显示出明显的优势。C S T技术在国外航空 航天领域 已经得到 了广泛的应用,在 国内,由于 缺少相关的技术设备,此项技术还 尚处于探索性 的研究阶段,但鉴于该技术的独特性能,可以预 见它必将成为航空航天无损检测领域一个极具开 发与应用潜力 的检测手段。4 超声检测技 术 超声检 测方法主要包括有脉冲反 射法、穿透 法、反射板法、共振法、阻抗法等,它们各有特 点,可根据材料结构的不 同选用合适 的检测方法。对于一般小 而薄、结构简单 的平面层 压板及曲率 不大的复合材料构件,宜采用水浸式反射板法;对 于小而稍厚 的复杂结构件,无法采用水浸式反射 板法时,可采用喷水脉冲反射法或接触带延迟块 脉冲
9、发射法;对于大型复合材料结构宜采用水喷 穿透法 或水 喷脉冲反射法。复合材料 的多层结构 使得声波在材料 中的衰减较大,而且航空航天领 域的先进复合材料构件多为薄形结构,所引起 的 噪声和缺陷反射信号的信噪 比低,不易分辨,在 选择合适的检测方法 时应进行全面、细致的考虑。5 声 一超声检 测技 术 声 超声(AU)技术 又称应力波因子(S WF)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 一超声振幅 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
10、,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。复合材料 的声发射技术研 究 2 0世纪 7 0年代 始于美 国,8 0年代在法、日、英等 国得到发展和 广泛应用。先进复合材料中的声发射源主要有纤 维断裂、基体微裂纹、基体宏观裂纹、纤维 一 基 体界面脱开、纤维摩擦基体、纤维断裂松驰 等。通 过对材料或结构在加载过程 中产生的声发射信号 进行检测和分析,可以对复合材料构件 的整体质 量水平进行评价,反映复合材料 中损伤 的发展与 破坏模 式,预测构件的最 终承载强度,并能够确 定 出构件质量 的薄弱 区域。声发射检测技术仅可 用于复 合材料承力结构件的整体
11、无损检测,对单 个缺陷的检测准确性 较低。声 发射技术是检测复合材料 结构整体质量水 平的非常实用的技术手段,使用简单方便,可以 在测试材料力学性能的同时获取材料动态变形损 伤过程 中的宝贵信息。它包括参数分析法与波形 分析法两种方法。参数分析法是通过记录和分析 声发射信号的特征参数,如 幅度、能量、持续 时 间、振铃计数和事件数等,来分析材料的损伤破 坏特征,如损伤程度和部位、破坏机制等;波形 分析 法是指对声发射信号的波形进行记录与分析,得到信号的频谱及相关 函数等,通过分析材料不 同阶段和不同机制引起损伤的频谱特征,可以获 取材料的损伤特征。6 涡流检 测技 术 涡流检测技术 的基本原理
12、 是利用涡流探头 中 线圈通以交变电流后,能够在线圈附近的检测试 样 中产生涡流,该涡流又能产生一个交变反磁场,交变 反磁场会改变线圈磁场,从 而使流经线圈 中 的 电流也随之改变。当线圈上 的电压恒定,线圈 中电流变化引起线圈阻抗变化,通过测量线圈阻 抗的变化,就 可以得到试样 内部 的缺陷信息。但 1 3 维普资讯 http:/ 航空 用复合 材料 结构 件无 损检测 技术 分析 这种 技术 只适用于导 电复合材料,对 GFRP和 KF RP不适用,而对 CF RP是适用 的。利用涡流 检测技术可检 测出 CFRP 中的纤维含量与缺 陷,对复合材料与 金属粘接结构 中金属材料的翘 曲变 形
13、 也具有较高 的检测灵敏度。7 微 波检 测技 术 微波在复合材料中穿透能力强、衰减小,适 合于复合材料 的无损检测。它可 以克服 常规检测 方法的不足(如超声波在复合材料中衰减大、难以 检测 内部较深部位缺陷,射线检测对平面型缺陷 灵敏度低等),对复合材料结构中的孑 L 隙、疏松、基体开裂、分层和脱粘等缺陷具有较高的灵敏性。据报道,美国在 2 0世纪 6 0年代就采用微波技术 对大型导弹固体发动机玻璃钢壳体 中的缺 陷和 内 部质量进行检测;我国的陆荣林等人也采用微波 反射技术对 不同复合材料 中的空洞型缺 陷进行了 检测。结果证 明了微波检测技术对复合材料 中缺 陷检测的有效性。除上述检
14、测技术外,还有 目视 法、流体渗透 法、激光全息法等其他技术也可用 于先进复合材料 的无损检测。三,技术关键 1 针对复合材料装机结构件的快速 高效无损 检 测 技 术 赋予传统复合材料无损检测新的技术 内涵,使 之更适合未来复合材料的低成本设计、制造和装 机 应用主流,通过提高传统检测技术的功效,达到 提 高检测效率、降低检测成本的 目的。开展 无损 检测新技术和新方法的研究,探索研究适合复合材 料 的快速高效无损检测技术和方法。美 国等复合 材料用量较大的国家,自2 0 世纪 9 0 年代后期 已经 开始将复合材料无损检测技术研究 的重点转移到 快速 高效 的无损检测方 向,而且有 了初步
15、应用成 果。2 针对新型复合 材料 的无损检 测技 术 与发达 国家相 比,目前我 国复合 材料无损检 测技术的研究深度和发挥作用的程度还远远不够。复合材料的一个重要结构特征就是内部各组分之 间物理界面复杂,如果能利用无损检测技术得到这 些界面的全部信息,将 会对材料研究和工艺分析起 十分重要的指导作用。1 4 四、结束语 复 合材料无损检 测技术是一 门专 门的学 科,是我们所面临的新课题,应重视对复合材料无损 检测人员的技术培训工作,开展复合材料无损检 测技术的建标工作,进行复合材料结 构和无损检 测方法,分析、制订试验方案,设计和制备无损 检 测标准试样,编制复合材料 无损检测标准与缺
16、陷验收规范,并加强与 国内外知名厂所、高校的 复合材料 无损检测先进技术的合作与交流,进一 步学 习国外复合材料无损检测的先进技术,提高 我国复合材料结构无损检测水 平。参考文献:1余 南廷,陈 积懋 复合 材料 无损 检 测 与评 定 M】北京:出版者不详】,1 9 9 7 2雷宁,高凌 复合 材料 无损检 测技 术 的新进 展 J 固体 火箭技 术,1 9 9 4(2)3 徐 海 江复合材 料脱 粘和 分层 的无损检 测技 术 J 宇航材料 工艺,1 9 9 3(4)4郭恩 明,刘松 平复合 材料 无损检 测技 术 的现 状与展 望 J 航 空制造技术,2 0 0 l(3)5王峰,张扬无损检测在复合材料 中的应用 J 高科技纤维与应 用,2 0 0 5(3)6 李 家伟,陈积懋 无损检 测手册 M】北京:机械 工 业 出版 社,2 0 0 4(本文第一作者通讯地址:江西省景德镇市 1 0 9 信箱 陆航军代室,邮编:3 3 3 0 0 2)维普资讯 http:/