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航空复合材料无损检测技术及其进展详解

 

随着复合材料在航空结构件上应用比例的不断提高,为保障飞行安全,监控复合材料结构的内部质量受到越来越广泛的关注。因此,航空复合材料无损检测技术也越来越多地

应用于航空复合材料结构成型、装配、试验、维护和使用的全过程中。

无损检测(Non-Destructive Testing,NDT)即采用非破坏性手段,利用声、光、电、热、磁和射线等技术探测材料、构件内部的孔隙、夹杂、裂纹、分层等影响其使用的缺陷及其位置。目前,航空复合材料无损检测方法主要有超声检测、射线检测等。本文结合常见缺陷类型,论述了航空复合材料对无损检测技术的需求,介绍了几种航空复合材料无损检测技术的现状及其应用,并且针对航空复合材料无损检测技术的发展趋势进行了展望。

航空复合材料与缺陷的无损检测

复合材料具有重量轻、比强度高、比刚度高、耐疲劳、可设计性等优点,有利于航空飞行的减重,因而获得越来越广泛的应用。纤维增强复合材料在物理性能上的各向异性、声衰减严重等特点使其在无损检测方面与传统金属材料存在区别,如何进行复合材料内部的质量控制成为研究热点。下面结合复合材料常见的缺陷类型,简述航空复合材料对无损检测的技术需求。

复合材料中的缺陷类型一般包括:裂纹、树脂开裂、断裂、胶接缺陷、空隙、分层、夹杂物、溢胶、脱胶、胶层超厚或超薄、纤维断裂与卷曲、贫胶、厚度偏离、磨损、划伤、树脂堆积、铺层皱折、凹坑、凸起、积瘤等。其中裂纹、断裂、空隙、分层等一般是航空复合材料构件上最主要的缺陷。航空复合材料构件常见的缺陷类型、影响及检测特点。

4 微波检测

作为一种高频电磁波,微波的特点是波长短、频率高、频带宽,其波长在1mm~1000mm 之间,频率通常为300MHz~300GHz。微波在复合材料中穿透能力强、衰减小,可以克服其它检测方法的不足,如超声波在复合材料中衰减大、难以检测内部较深部位的缺陷,射线对平面型缺陷检测灵敏度低等,微波检测对复合材料结构中的孔洞、疏松、基体开裂、分层和脱粘等缺陷具有较高的灵敏性。

1967 年,美国空军燃烧控制工程实验室使用频率为9.6GHz(X- 波段) 和35GHz(Ka 波段) 的微波,利用反射法对塑料薄片厚度进行测量,精度可达0.125mm。该实验室对环氧树脂样品进行扫描,能够检测出直径为1.02mm~5.8mm 的缺陷;扫描纤维缠绕增强塑料,能够检测到内部面积小至直径1.2mm、分别在厚度2.5mm~50mm 的塑料与4.0mm~75mm的橡胶衬垫之间的脱粘;利用穿透法测定微波的能量变化能够检测到0.02mg/cm3 的密度变化。上世纪70 年代以来,美国AD 报告和NASA报告大量介绍了大型固体火箭发动机的微波无损检测,主要有驻波干涉法、反射法和散射法。驻波法一般用于测厚;反射法可以发现固体推进剂内深600mm 处直径25mm 的气孔缺陷。

综上所述,虽然用于航空复合材料的无损检测技术有多种,但每种技术都有其特定的应用范围和优缺点,单一方法难以实现对所有类型缺陷的检测,通常需要多种方法相结合。

航空复合材料无损检测技术发展展望

1 由定性检测向定量检测转化

为了提高定量检测的能力,美国、英国等发达国家开始大力发展和研究各种成像技术、信号处理技术以及分析计算缺陷的新方法。以超声检测技术为例,英国超声波科学有限公司(USL)为英国宇航系统公司提供的17 轴全自动超声C 扫描检测系统能够在0.5m/s 的扫描线速度下,检测出复合材料约4mm×4mm 的制造缺陷,并且拥有最高可达2μm 的分辨率,最高可重复性亦可达5μm,能够准确标注缺陷位置,提高了定量检测缺陷的能力以及定量分析的精度。

国内的研究机构在定量检测方面,也取得了一定成果。北京航空制造工程研究所利用超声自动化检测技术,对典型RTM 复合材料结构冲击损伤进行了检测,通过直观的图像方式,再现了被检测复合材料结构内部缺陷的详细分布和整个结构的内部质量情况,进而得到缺陷的量化分布情况,能够进行缺陷量化评估。

2 设备的自动化水平进一步提高

自动化检测技术比手工操作能够提供更好的重复性和结果的一致性,可减少随机误差和人为误差的概率,降低对检测人员操作技术熟练程度的要求,还能实现复杂并且全面的检测,迅速处理检测数据,从而大大提高工作效率。

作为具有更高效率和适应性的自动化超声扫描系统,麦克唐纳飞机公司的AUSS 检测系统,可以在扫描某个零件的同时绘制前一个零件的数据图,而操作者还可以在视频终端评估数据的某些细节,从而大大提高效率。检测F-15 飞机水平尾翼扭矩盒的蒙皮- 蜂窝芯部位所需工时已从手工检测的72 小时缩短到不超过2小时。欧洲Airbus 公司已将128通道的超声自动扫描技术用于大型复合材料壁板的快速无损检测,从而显著提高检测效率。USL 公司的全自动超声C 扫描检测系统配备了高速、复杂曲面跟踪系统,具有高自动化、高强度、高机械精度等特点,最高扫描速率高达1m/s,能够实现对航空复合材料构件快速有效的检测。UltraPAC 公司的超声C 扫描成像系统装备了由高性能数控电机驱动的多轴、多自由度、高速(可达0.5m/s)、高精度(可达0.05mm 位置精度)的水槽扫描系统。

北京航空制造工程研究所成功开发了不同系列的复合材料超声自动化扫描检测系统,如用于平面类复合材料结构的MUI-20E 超声自动化无损检测系统,采用超声反射法,一次最大扫描面积可达1500mm×1500mm,具有极佳的信噪比,可实现复合材料结构的A、B、C、T 自动扫描检测;用于非曲面类复合材料结构的MUI-21 超声自动化无损检测系统,采用超声穿透法和反射法,一次最大扫描面积可达4000mm×2500mm,具有很好的同步扫描技术,能够实现复合材料结构的B、C、T 自动扫描检测;此外,还有CUS-22 超声自适应检测设备、CUS-2F 复合材料缠绕超声自动检测设备等。

3多功能综合检测系统的发展

无论哪种无损检测方法,都有其特点,同时也存在着各自的不足,不管哪种方法都不是万能的。为了更准确、可靠地全面检测与评价材料与产品的质量与性能,除了不断改进常规无损检测仪器与器材的性能外,还应该重视由多种方法组成的多功能综合检测系统的研究开发。

Sonic Bondmaster 粘接质量检验器综合了声阻法、谐振法、导波法以及声- 超声法,扩大了检测范围,使检测性能大大提高。其中声阻法主要用来检测脱粘、内芯变形以及材料构件内部深度超过6.3mm 的缺陷,小机械阻抗探头能够检测弯曲表面;谐振法一般用来检测板- 板粘接、纤维编织和蜂窝结构材料中的分层和脱粘,并能够确定缺陷的位置和深度;导波法用于扫描更深的脱粘,包括内芯变形以及石墨环氧材料的内部损伤;声- 超声法用于检测蜂窝结构。

结束语

随着航空飞行器越来越多地使用复合材料,更加丰富的检测手段将被使用,检测的能力和范围也将进一步扩大。无损检测将不再局限于制造过程和地面维修,还能够提供实时的结构安全监测信息,同时,软件可以利用数据综合技术来处理从传感器发来的信息,给出实时的检测报告,从而最大程度地保证复合材料结构的安全使用。

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