復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐高溫、耐腐蝕、抗疲勞等優(yōu)點(diǎn)，已發(fā)展成為飛機(jī)結(jié)構(gòu)的基本材料之一。機(jī)體結(jié)構(gòu)中的復(fù)合材料，從制造到使用的全壽命周期中都需要進(jìn)行無損檢測，以監(jiān)控其狀態(tài)。無損檢測技術(shù)已成為復(fù)合材料應(yīng)用研究的關(guān)鍵技術(shù)之一，并出現(xiàn)了眾多檢測方法。在飛機(jī)使用過程中，復(fù)合材料的無損檢測同樣是航空維修和機(jī)務(wù)維護(hù)工作的重要內(nèi)容之一。
無損檢測需求分析
機(jī)體結(jié)構(gòu)中需要檢測的復(fù)合材料主要分布在飛機(jī)表面，結(jié)構(gòu)形式以壁板、蒙皮等板狀結(jié)構(gòu)為主。飛機(jī)使用過程中，復(fù)合材料除表面損傷外，還易出現(xiàn)內(nèi)部分層、脫粘等缺陷，這類缺陷也是航空維修中需要檢測監(jiān)控的主要缺陷。
航空維修中的復(fù)合材料無損檢測工作，尤其是外場的檢測工作，與制造過程中的檢測工作有顯著不同。
首先，檢測缺陷類型不同，航空維修中僅需要檢測復(fù)合材料使用過程中產(chǎn)生的缺陷，例如分層、脫粘等膠接界面缺陷，而制造過程中還需要檢測氣孔、夾雜等制造缺陷。
其次，適用的檢測方法和設(shè)備差異很大，制造過程中可以從復(fù)合材料兩側(cè)進(jìn)行檢測，可以采用超聲透射、X射線檢測等方法，并可以使用大型自動掃查設(shè)備，而維修過程中復(fù)合材料已經(jīng)成為飛機(jī)零部件的一部分，通常僅能進(jìn)行單側(cè)檢測，而且受到現(xiàn)場操作環(huán)境的限制，往往需要使用便攜式檢測設(shè)備。
最后，航空維修過程中的無損檢測工時需要與飛機(jī)整體的檢修周期相適應(yīng)，飛機(jī)上復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件越來越多，一般檢測效率偏低，因此對復(fù)合材料的快速檢測技術(shù)也提出了迫切需求。
聲學(xué)檢測方法研究
適用于復(fù)合材料檢測的聲學(xué)檢測方法有很多，包括超聲波、聲振、聲發(fā)射等。
作為五大常規(guī)檢測方法之一，超聲波檢測技術(shù)應(yīng)用廣泛，其采用延時探頭實(shí)施縱波檢測，可準(zhǔn)確檢測出復(fù)合材料的常見缺陷，如碳纖維壁板分層缺陷、碳纖維壁板紙蜂窩結(jié)構(gòu)蒙皮脫粘缺陷等。高分辨率超聲檢測技術(shù)也是目前應(yīng)用最廣泛的一類復(fù)合材料檢測技術(shù)。
聲振檢測與超聲波檢測技術(shù)相比，前者將被檢工件作為一個振動結(jié)構(gòu)，而后者通常將被檢工件作為超聲波脈沖傳輸?shù)慕橘|(zhì)。聲振檢測通過檢測工件的振動阻抗率、振動幅度、振動頻率、振動相位等振動特性來判別缺陷，具體包括敲擊、聲阻抗、聲諧振、定距發(fā)送/ 接收等檢測方法。
針對外場復(fù)合材料檢測需求，在深入比較分析各類聲學(xué)檢測方法優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍的基礎(chǔ)上，北京航空工程技術(shù)研究中心與愛德森（廈門）電子有限公司聯(lián)合研制了SMART-6000型復(fù)合材料綜合檢測儀。
該設(shè)備集成了高分辨率超聲和定距發(fā)送/接收等聲振檢測方法，并配備了各型復(fù)合材料專用檢測探頭，適用于碳纖維壁板、碳纖維壁板紙蜂窩、鋁蜂窩等常用復(fù)合材料的原位檢測，可有效檢出分層和脫粘缺陷。
采用該設(shè)備配備10MHz延時探頭，對預(yù)置分層缺陷的6mm厚碳纖維壁板試件進(jìn)行了超聲縱波檢測試驗(yàn)。采用配套的定距發(fā)送/接收探頭，對預(yù)置脫粘缺陷的鋁蜂窩試件進(jìn)行了定距發(fā)送/接收檢測，檢測效果如下圖所示。
采用該設(shè)備，可以在外場對飛機(jī)上的各類常用復(fù)合材料實(shí)施原位檢測。但是該設(shè)備需要采用逐點(diǎn)掃查的方式進(jìn)行檢測，近年來飛機(jī)上復(fù)合材料分布面積明顯增大，檢測效率偏低的問題日益突出。而利用滾輪探頭進(jìn)行的超聲相控陣C掃描檢測技術(shù)，相比傳統(tǒng)A掃描超聲檢測技術(shù)，檢測效率顯著提高，該技術(shù)將是今后的一個重點(diǎn)發(fā)展方向。
紅外熱成像檢測方法研究
紅外熱成像檢測方法具有快速、無需耦合、非接觸、檢測結(jié)果顯示直觀等諸多優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對飛機(jī)復(fù)合材料的大面積、快速外場原位檢測，對脫膠、分層等故障有理想的檢測效果。
紅外熱成像檢測技術(shù)可分為主動式和被動式兩類，飛機(jī)復(fù)合材料檢測通常采用主動式檢測。主動式紅外熱波成像檢測又可以分為反射法和透射法兩種，飛機(jī)復(fù)合材料原位檢測需要從單側(cè)進(jìn)行，因此通常采用反射法。
主動式紅外熱成像檢測的基本原理是：通過熱激勵源對被檢件表面進(jìn)行熱波激勵；有缺陷處的表面溫度在熱傳導(dǎo)過程中會出現(xiàn)異常，紅外輻射亮度不同，通過熱像儀對紅外輻射亮度進(jìn)行觀測并生成圖像，最后經(jīng)過信號處理和圖像分析實(shí)現(xiàn)對被檢件表面和近表面缺陷的檢測和識別。其中，熱激勵源有高能閃光燈、電吹風(fēng)、電熱毯、激光、鹵素?zé)舻榷喾N形式。
北京航空工程技術(shù)研究中心利用TWI公司生產(chǎn)的紅外熱成像檢測設(shè)備對預(yù)置人工缺陷的復(fù)合材料試件以及直升機(jī)槳葉等工件進(jìn)行了檢測試驗(yàn)。該設(shè)備采用制冷型熱像儀進(jìn)行熱像采集，采用雙閃光燈陣列進(jìn)行熱激勵。檢測的直升機(jī)槳葉膠接結(jié)構(gòu)中，鋁蒙皮與鋁肋板通過膠層粘接到一起。由于直升機(jī)槳葉長度較長，采用了分段檢測。
試驗(yàn)表明，閃光燈激勵的紅外熱成像檢測方法能夠有效檢測埋藏深度較淺的復(fù)合材料分層、脫粘等面積型缺陷，尤其適合檢測導(dǎo)熱較快的或蒙皮較薄的工件。
以閃光燈作為熱激勵源，需要大容量電容進(jìn)行充放電，檢測設(shè)備小型化、便攜化困難，因此研究了采用其他形式熱激勵源的紅外熱成像檢測方法。
研制了基于鹵素?zé)艏訜岬谋銛y式紅外熱成像檢測系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)對預(yù)置人工缺陷的復(fù)合材料試件進(jìn)行了檢測試驗(yàn)。
其中，碳纖維壁板試件厚6mm，預(yù)先加工了φ10mm和φ5mm人工缺陷各5個，距表面距離分別為1，2，3，4，5mm。
試驗(yàn)結(jié)果表明，研制的設(shè)備能夠檢測出埋藏深度較淺的φ5mm人工缺陷和埋藏深度略深的φ10mm人工缺陷，但不能檢測出埋藏深度接近試件厚度的人工缺陷。
激光剪切散斑檢測方法研究
相比紅外熱成像檢測方法，激光剪切散斑檢測方法同樣具有快速、無需耦合、非接觸、檢測結(jié)果顯示直觀等優(yōu)點(diǎn)。
激光剪切散斑檢測方法的基本原理是：物體用相干激光照射，借助帶有雙折射晶體的圖像剪切照相機(jī)成像；雙折射晶體把一個物點(diǎn)分成像面上的兩個像點(diǎn)，從而在視頻照相機(jī)的圖像傳感器上產(chǎn)生一對側(cè)向錯位像，物體加載變形前后得到兩幅散斑圖像經(jīng)視頻圖像探測器采集數(shù)字化；通過兩幅散斑圖相減形成新的干涉條紋圖，根據(jù)干涉條紋圖變化就可以判斷物體內(nèi)部是否存在缺陷。
北京航空工程技術(shù)研究中心利用LTI公司生產(chǎn)的激光剪切散斑檢測設(shè)備對鋁蜂窩構(gòu)件進(jìn)行了檢測試驗(yàn)。檢測結(jié)果直觀地顯示出了兩處脫粘缺陷。試驗(yàn)結(jié)果表明，激光剪切散斑檢測技術(shù)能夠有效檢測出鋁蜂窩脫粘缺陷。
結(jié)論
不同的聲學(xué)檢測方法互補(bǔ)，可以實(shí)現(xiàn)各類常用復(fù)合材料缺陷檢測，但是傳統(tǒng)檢測方法效率偏低的問題突出，需要采用新技術(shù)新手段改善；紅外熱成像和激光剪切散斑檢測方法對于其適用的檢測對象和缺陷類型，可以顯著提高原位檢測效率。傳統(tǒng)聲學(xué)檢測方法與紅外熱成像或激光剪切散斑檢測方法配合使用，有望在確保檢測可靠性的前提下大幅提高復(fù)合材料外場檢測效率。
