航空纤维聚合物基复合材料的无损检测

航空纤维聚合物基复合材料的无损检测

路敏菲张春婧

中航飞机股份有限公司汉中飞机分公司723215

摘要：纤维聚合物基复合材料在航空领域的广泛应用，但由于诸多的影响因素，这使得材料构件在加工与使用过程中的结构损伤不可避免，因此需要对复合材料进行无损检测。目前来说，无损检测的主要方法有X射线法、超声波法、微波法、计算机层析照相法、声-超声法以及声发射法，通过对这些无损检测技术的研究，为复合材料的实际应用提供了有效保障。

关键词：航空；纤维；聚合物基；复合材料；检测；

中图分类号:TG115.28文献标识码:A0引言

随着近些年来纤维聚合物基复合材料的出现，由于其可设计性强、能量吸收能力好、强度高、抗疲劳能力好等优点，被广泛应用于航空领域。纤维聚合物基复合材料主要在主承力构件上得到广泛应用，因此复合材料的耐久性与损伤容限成为影响航空器整体性能的主要因素[1]。纤维聚合物基复合材料中最基本的结构原件是层压板，而传统材料中复合材料层压板由于各层沿厚度方向与铺层之间强度较低，因此容易产生裂痕，产生分层，从而导致整体结构损坏。而纤维聚合物基复合材料相对于传统材料来说虽然不会容易产生整体结构损坏，但是复合材料的几何不连续处一发生发生分层现象将会造成继续扩散[2]。符合材料最常见的损伤主要为纤维断裂、基体分层、基体破碎、整体变形等，这些损伤一部分能通过目测检测出来，而部分需要通过专业的检测手法进行检测，因此需要对航空纤维聚合物基复合材料进行无损检测。

1航空纤维聚合物基复合材料的无损检测

纤维聚合物基复合材料的微观破坏或内部缺陷在利用常规物理方法进行检验后，其构件很难达到使用要求，因此需要对其进行无损检测[3]。无损检测技术能够在不损伤材料或构件使用性能的前提下，对其所存在的内部缺陷进行检测。同时无损检测也是保证复合材料产品质量的必要手段，航空纤维聚合物基复合材料的无损检测技术，如表1所示：

表1航空纤维聚合物基复合材料的无损检测技术

1.1X射线检测法

X射线检测法作为纤维聚合物基复合材料无损检测的常用方法之一，常用检测方法为胶片照相法，常用于复合材料夹杂物、孔隙以及增强剂分布不均匀等体积型缺陷检测。其中但由于X射线检测法在实际应用过程中只有当裂纹与射线束呈大致平行时才能检测出来，因此通常只用于表面垂直裂纹检测，使用过程中可与超声反射法互补使用[4]。X射线检测法在检测过程中将能够将X射线穿透材料并对图像增强器接收，并转换为可视图像。但就信息性质而言，可视图像不能被计算机识别，想要将图像输入计算机进行处理，则需要进行模拟量与数字量之间的转换。其主要方法为利用高清电视摄像机进行可视图像选取后，将其输入计算机，实现数字图像转换。计算机处理后，在显示屏上直接对材料内部的位置、大小以及缺陷进行显示，从而达到检测目的。

1.2超声检测法

超声检测技术由于检测速度快且检测结果直观等优势，经常用于飞行器零件等大型航空材料构件检测。超声检测法主要利用其波长与复合材料内部缺陷尺寸相匹配。超声波在材料内部缺陷区域与正常区域进行声波反射、共振仪衰弱的差异对比，从而确定复合材料中缺陷存在的位置与大小。纤维聚合物基复合材料缺陷检测过程中，需要根据缺陷的不同从而选择反射板法、脉冲反射法或穿透法。

1.3微波检测法

微波检测法作为纤维聚合物基复合材料无损检测的一种新技术逐渐受到人们的重视，微波检测法主要利用微波与物质之间的相互作用，一方面微波在不连续界面进行透射、反射与散射，而另一方面由于复合材料与微波间的相互作用，微波会受到材料中几何参数与电磁参数的影响。因此，通过对微波信号参数变化的分析可以实现检测材料内部缺陷的目的[5]。微波检测法由于穿透力强且衰弱小等优点，能够降低其他检测方法存在的不足，因此更加适用于纤维聚合物基复合材料的无损检测。

1.4计算机层析照相检测法

计算机层析检测法在纤维聚合物基符合材料无损检测中的应用以有十多年的历史，在检测过程中，由于复合材料与人体相近，因此利用CT扫描装置对复合材料进行扫描能够很好的检测出材料内部存在的微观缺陷。但这一检测方法并不适用于大尺寸或高密度构件检测。在对计算机层析检测法的实际应用过程中可以发现，这一检测方式同样不适用与平面薄板构件检测。计算机层析检测法主要适用于微观缺陷检测、密度分布检测、材料内部结构尺寸检测、配件结构与多余物检测以及反馈工程检测。

1.5声-超声检测法

声-超声检测法又被成为应力波因子技术，与其他无损检测技术不同，声-超声检测法主要用于纤维聚合物基复合材料中细微缺陷群以及结构力学性能的检测，用于检测材料完整性评估。声-超声检测法检测的主要原理为利用激光照射或压电换能器等手段在复合材料表面进行脉冲应力波释放，使其与材料内部微结构相互作用，并经过波形转换与界面反射后，达到结构同一或另一面的接受传感器，最后对所接收波形信号进行分析。

1.6声发射检测法

声发射检测法作为对航空纤维聚合物基复合材料进行无损检测的一种重要技术，与其他技术相比，对动态缺陷更加敏感，能够在缺陷萌生或扩散时及时发现。声发射对材料本身内部缺陷进行检测，可以得丰富的缺陷信息，且检测灵敏度较高。声发射检测法能够实现对大型构件的检测，同时对几何形状不敏感，适用于其他方法无法检测的形状构件。

2结束语

航空聚合物基复合材料作为一种多项体系，在其制作与成型过程中会存在诸多的影响因素，这使得材料构件在加工与使用过程中的结构损伤不可避免。而航空聚合物基复合材料的结构可靠性是决定整体设计的关键，因此需要对航空聚合物基复合材料进行无损检测。近些年来，随着X射线检测法、超声波检测法、微波检测法、声发射检测法以及计算机层析照相检测法等等技术的发展，大大提升了复合材料检测结果的准确率，为复合材料的实际应用提供了有效保障。

参考文献：

[1]朱文婷,王晓芳,王小荣,等.纤维几何尺寸效应对聚合物基复合材料的摩擦磨损性能研究[J].化工新型材料,2017(5):179-181.

[2]夏振庭,钟轶峰,黄子昂,等.含金属芯压电压磁纤维/聚合物基复合材料时变、非线性和多物理场响应的细观力学模型[J].复合材料学报,2017,34(12):2747-2755.

[3]黄展鸿,黄春芳,张鉴炜,等.声发射技术在纤维增强复合材料损伤检测和破坏过程分析中的应用研究进展[J].材料导报,2018,32(7):1122-1128.

[4]梅宝平,钟轶峰,黄子昂,等.金属芯压电纤维/聚合物复合材料压电-黏弹-塑性行为的细观力学模型[J].复合材料学报,2018,35(1):229-237.

[5]于爱民,李趁趁,高丹盈.纤维增强聚合物基复合材料加固锈蚀钢筋混凝土圆柱轴心受压性能[J].复合材料学报,2018,35(5):1315-1324.