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無損檢測在復(fù)合材料的應(yīng)用
2017-02-04 10:08:18無損檢測在復(fù)合材料的應(yīng)用
1. 射線檢測技術(shù)
射線檢測技術(shù)( Radiographic Testing，即 RT) 是利用射線( X 射線、γ 射線、中子射線等) 穿過物體時的吸收和散射的特性，檢測其內(nèi)部結(jié)構(gòu)不連續(xù)性的技術(shù)。
射線檢測技術(shù)比較適合于檢測孔隙、夾雜 等體積型缺陷，對平行于射線穿透方向的裂紋有比較好的檢測效果，對復(fù)合材料中特有的樹脂聚集與纖維聚集等缺陷也有一定的檢測能力，在鋪層數(shù)量較少時，還可發(fā)現(xiàn)鋪層內(nèi)纖維彎曲等缺陷。
由于分層缺陷對射線穿透方向上介質(zhì)并無明顯影響，因此分層缺陷在成像上并不明顯。同樣的原因，射線檢測技術(shù)對平行于材料表面的裂紋也不敏感。
( 1) 射線照相
在所有的射線檢測技術(shù)中，膠片射線照相技術(shù)發(fā)展*早，而數(shù)字式射線實(shí)時成像檢測技術(shù)則發(fā)展*快。與膠片照相技術(shù)相比，數(shù)字式射線成像技術(shù)的成像質(zhì)量與膠片照相技術(shù)相當(dāng)，在檢測的實(shí)時性、效率、經(jīng)濟(jì)性和易用性等方面則有著無可比擬的優(yōu)越性，因而得到了快速的發(fā)展。
目前，具備一定智能識別能力的實(shí)時成像檢測技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于復(fù)合材料產(chǎn)品的在線檢測，可對裝配線上的工件進(jìn)行實(shí)時快速檢測，成為確保產(chǎn)品合格率的重要檢測手段。
( 2) 工業(yè) CT
層析攝影也叫計算機(jī)斷層掃描成像( Computed Tomography，即 CT) ，該技術(shù)是利用 X 射線探測物體 的內(nèi)部，通過測定射線的衰減系數(shù)，采用數(shù)學(xué)方法， 經(jīng)計算機(jī)處理，求解出衰減系數(shù)值在某剖面上的二維分布矩陣，轉(zhuǎn)變?yōu)閳D像畫面上的灰度分布，從而實(shí)現(xiàn)建立斷面圖像的成像技術(shù)。
通過分析斷層面內(nèi)密度的分布，就可以獲得復(fù)合材料內(nèi)部密度均勻性、微孔隙體積含量與分布等方面的信息。一般來說， CT 照片的對比度比 X 射線照片的對比度要低，但因消除了不同層面圖像疊加重影問題，實(shí)際可讀性強(qiáng) 于 X 射線照片。
不過 CT 成像原理決定了密度高的物質(zhì)會在一定程度上被放大，這也就導(dǎo)致了分層、孔隙、裂紋等損傷圖像的尺寸比實(shí)際尺寸略小而纖維堆積等密度高的缺陷圖像比實(shí)際尺寸略大的特有現(xiàn)象。
總的來說，CT 掃描成像的技術(shù)具有以下特點(diǎn):
①高空間分辨率和密度分辨率( 通常 ＜ 0. 5% ) ;
② 高動態(tài)檢測范圍 ( 從空氣到復(fù)合材料再到金屬材 料) ;
③成像尺寸精度高;
④在穿透能量足夠的情況下，不受試件幾何結(jié)構(gòu)限制。
其局限性表現(xiàn)為:
檢測效率低、檢測成本高、雙側(cè)透射成像、不適合于平面薄板構(gòu)件的檢測以及大型構(gòu)件的現(xiàn)場檢測。利用 CT 成像技術(shù)可以有效檢測先進(jìn)復(fù)合材料中的孔隙、夾雜、裂紋等缺陷，也可以測量材料內(nèi)部的密度分布情況，如材料均勻性、微孔隙含量等。
在工業(yè)應(yīng)用上，美國在上世紀(jì)八十年代就研制出了用于檢測大型固體火箭發(fā)動機(jī)復(fù)合材料殼體的工業(yè) CT 設(shè)備，并逐漸將該技術(shù)應(yīng)用于其它復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的無損檢測中，我國也于上世紀(jì) 90 年代后期成功地將工業(yè) CT 技術(shù)應(yīng)用于 C / C 復(fù)合材料、碳 / 酚醛復(fù)合材料等的檢測，解決了一些關(guān)鍵性的無損檢測技術(shù)難題，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益與社會 效益。
( 3) 康普頓背散射成像檢測技術(shù)
康普頓背散射成像( CST ) 技術(shù)是一種新的射線檢測技術(shù)，它具有單側(cè)非接觸、檢測靈敏度高、快速三維成像的特點(diǎn)，對低密度材料的檢測可獲得比透射成像更高的圖像對比度，非常適合于復(fù)合材料等原子序數(shù)較低材料的物體。
當(dāng)被檢物體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，或無法進(jìn)行雙側(cè)成像檢測時，CST 技術(shù)就顯示出了獨(dú)特的優(yōu)勢。目前，CST 技術(shù)在國外航空航天領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，在國內(nèi)，尚處于探索性研究階段。
1. 2超聲檢測技術(shù)
超聲波檢測( Ultrasonics Testing) 是利用材料的聲學(xué)特性和內(nèi)部組織的變化對超聲波的傳播產(chǎn)生一定影響的物理現(xiàn)象，從而通過對超聲波受影響程度和狀況的分析來了解材料性能和結(jié)構(gòu)變化的技術(shù)。通常有穿透法、脈沖反射法、串列法等。
( 1) 傳統(tǒng)的超聲波檢測方法
超聲探頭接收到的脈沖回波有多種圖像顯示方式，常見的有 A 型顯示、B 型顯示和 C 型顯示，所謂 的 A 掃描、B 掃描或 C 掃描就是具有相應(yīng)顯示功能的探傷方法。
在這些顯示方式中，A 型顯示是基礎(chǔ)， 其橫坐標(biāo)表示時間，縱坐標(biāo)表示振幅。其他兩種顯示方式是由 A 型顯示的數(shù)據(jù)重建得到。
其中，B型顯示給出沿超聲波指向上的橫截面視圖，該方法能夠測得缺陷在截面視圖上的深度位置和截面上的特征尺寸，但是不能給出其相對于掃描 平面的位置。
C型顯示是一種在一定深度探測的顯示方式，圖像上的縱、橫坐標(biāo)分別表示探頭在被檢體表面上的縱、 橫坐標(biāo)，所以 C 型顯示的結(jié)果是與掃描平面平行的一幅截面圖像，可以給出缺陷關(guān)于掃描平面的位置， 但是不能給出缺陷距離掃描平面的深度。
超聲 C 掃描由于顯示直觀，檢測速度快，已成為大型復(fù)合材料構(gòu)件普遍采用的探傷技術(shù)，能夠清晰地檢出復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中體積分布類的缺陷。
由于超聲在交界面上會發(fā)生反射，為保證超聲能有效地輸入被測物體內(nèi)部，除要求安放探頭的平面比較平整外，一般還會在探頭與被測物之間使用耦合劑。
工業(yè)上，則采用水浸法或噴水法提高超聲能量的利用率。
一般情況下，對小而薄、結(jié)構(gòu)簡單的平面層壓板及曲率不大的復(fù)合材料構(gòu)件，多采用水浸式反射板 法; 對于小而稍厚的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，無法采用水浸式反 射板法時，可采用噴水脈沖反射法或接觸帶延遲塊脈沖發(fā)射法; 對于大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)宜采用水噴穿透法或水噴脈沖反射法。
復(fù)合材料的多層結(jié)構(gòu) 使得聲波在材料中的衰減較大，而航空航天領(lǐng)域多采用薄板結(jié)構(gòu)，由此所引起的噪聲和缺陷反射信號的信噪比較低，不易分辨，對檢測人員的工作經(jīng)驗(yàn)有 較高要求。
大型復(fù)合材料水噴穿透法超聲檢測
( 2) 超聲導(dǎo)波檢測方法
超聲導(dǎo)波檢測方法( Ultrasonic Guided Wave Testing) 是近年來新的研究熱點(diǎn)。導(dǎo)波是指由于介質(zhì)邊界的存在而產(chǎn)生的波，在介質(zhì)尺寸與聲波波長可比的情況下，介質(zhì)中的波以反射或折射的形式與邊界發(fā)生作用并多次來回反射，發(fā)生縱波與橫波間的模態(tài)轉(zhuǎn)換，形成復(fù)雜的干涉，呈現(xiàn)出了多種傳播形式，形成各種類型的導(dǎo)波。
導(dǎo)波本質(zhì)上是由縱波、橫波等基本類型的超聲波以各種方式組成的。導(dǎo)波的主要特性包括頻散現(xiàn)象、多模式和傳播距離遠(yuǎn)。
超聲導(dǎo)波檢測是一種快速大范圍的初步檢測方法，一般只能對缺陷定性，而定量是近似的，對可疑部位仍需要采用其他檢測方法才能作出*終的評估。該方法主要用在各種管道的無損檢測之中。
( 3) 空氣耦合超聲檢測技術(shù)
傳統(tǒng)超聲無損檢測方法由于需要使用耦合劑，無法適用于某些航空航天用復(fù)合材料構(gòu)件的檢測，主要原因是耦合劑會使試樣受潮或變污，且有可能滲入損傷處，這會嚴(yán)重影響構(gòu)件的力學(xué)強(qiáng)度和穩(wěn)定性。
非接觸空氣耦合超聲檢測技術(shù)( Air-coupled Ultrasonic Nondestructive Testing Technology) 是解決這個問題的可行途徑之一。
空氣耦合超聲檢測是以空氣作為耦合介質(zhì)的一種非接觸超聲檢測方法，它可以實(shí)現(xiàn)真正的非接觸檢測，不存在換能器的磨損，可進(jìn)行快速掃描。
另外，空氣耦合超聲檢測容易實(shí)現(xiàn)縱波到橫波、板波和瑞利波等的模式轉(zhuǎn)換，而研究結(jié)果表明，在復(fù)合材料檢測中，橫波、板波和瑞利波比縱波的靈敏度高，空氣耦合超聲檢測的這一優(yōu)點(diǎn)有利于實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的檢測和材料特性的表征。
目前，國外已開始將空氣耦合超聲檢測技術(shù)用于某些復(fù)合材料板的檢測，可以檢測出脫粘、脫層、氣孔、夾雜和纖維斷裂等缺陷，可以解決傳統(tǒng)液體耦合超聲檢測方法不能解決的問題。
但是，空氣耦合超聲檢測的信號衰減很大，聲阻抗較高的材料很難實(shí)現(xiàn)在線檢測，必須采用特殊機(jī)制來改進(jìn)，而且采用脈沖回波法進(jìn)行檢測的難度較大，多數(shù)采用穿透法檢測和 斜入射檢測。
( 4) 激光超聲檢測技術(shù)
激光超聲(Laser Ultrasound testing technology) 是目前國內(nèi)外研究*活躍的非接觸超聲檢測方法之一。
它利用高能量的激光脈沖與物質(zhì)表面的瞬時熱作用，在固體表面產(chǎn)生熱特性區(qū)，形成熱應(yīng)力，在物體內(nèi)部產(chǎn)生超聲波。
按超聲波的激發(fā)與檢測方式不同，激光超聲檢測可分 3 種: 一種用激光在工件中產(chǎn) 生超聲波，用常規(guī)超聲探頭接收檢測; 另一種用常規(guī)超聲波探頭激勵超聲波，用激光干涉法檢測工件中 的超聲波; 還有一種用激光激勵超聲波，并用激光干涉法檢測工件中的超聲波，此法是純粹意義上的激光超聲檢測技術(shù)。
純粹的激光超聲檢測技術(shù)由于不使用常規(guī)超聲探頭，因此可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離非接觸檢 測，適用于常規(guī)壓電檢測技術(shù)難以檢測的形狀、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜或尺寸較小的復(fù)合材料以及材料的高溫特性等研究，如飛機(jī)上各個部件的定位和成像等。
美國洛克希德·馬丁公司開發(fā)的 LaserUT 激光超聲檢測系統(tǒng)，在檢測 F-22 復(fù)合材料構(gòu)件時獲得了清晰的 B 掃描、C 掃描圖像，且不需要使用任何特殊夾具，檢測時間大大縮短，達(dá)到了傳統(tǒng)超聲無法達(dá)到的效果。
國內(nèi)在這個領(lǐng)域已經(jīng)取得重大突破，由西安金波公司研發(fā)的激光超聲視頻檢測儀已經(jīng)在 2010 年投入使用，可對大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)甚至整架飛機(jī)進(jìn)行快速無損探傷檢測。
( 5) 相控陣超聲檢測技術(shù)
相控陣超聲檢測技術(shù)是一種多聲束掃描成像技術(shù)，它所采用的超聲檢測探頭是由多個晶片組成的換能器陣列，陣列單元在發(fā)射電路激勵下以可控的相位激發(fā)出超聲，產(chǎn)生的球面波在傳播過程中波前相互疊加，形成不同的聲束。
各聲束相位可控，可用軟件控制聚焦焦點(diǎn)，不移動探頭或盡量少移動探頭就能掃查厚、大工件和形狀復(fù)雜工件的各個區(qū)域。
在分辨力、信噪比、缺陷檢出率等方面具有一定的優(yōu)越性。 在實(shí)際的檢測應(yīng)用和研究中，一些設(shè)計巧妙的探頭已成為解決可達(dá)性差和空間限制問題的有效手段。
比如英國 R． J． Freemantle 等人把相控陣陣列安裝在橡膠滾輪中，用于檢測大面積航空復(fù)合材料構(gòu)件，能有效檢出航空復(fù)合材料構(gòu)件中的裂紋及未貼合等缺陷。
Olympus 無損檢測公司的 J． Habermehl 等人設(shè)計了專門檢測碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料彎管的弧形相控陣探頭，為檢測圓角聯(lián)接的構(gòu)件提供了快速可靠的方法。
超聲檢測技術(shù)不僅能有效檢測出先進(jìn)復(fù)合材料中的分層、脫粘、孔隙、裂紋和夾雜等缺陷，而且在判斷材料的疏密、密度、纖維取向、屈曲、彈性模量、厚度等特性和幾何形狀等方面也有一定的作用。
目前 超聲檢測技術(shù)的主要方向是進(jìn)一步提高檢測效率，發(fā)展功能更加強(qiáng)大的檢測探頭，缺點(diǎn)是對不同類型的缺陷要使用不同規(guī)格的探頭，而且在檢測過程中 需要使用耦合劑。
3紅外熱波檢測技術(shù)
紅外熱波無損檢測(Thermal Wave Testing) 利用主動加熱技術(shù)，通過紅外熱成像系統(tǒng)自動記錄試件表面缺陷和基體材料由于不同熱特性引起的溫度差異，進(jìn)而判定被測物表面及內(nèi)部的損傷。
該檢測方法特別適合于檢測復(fù)合材料薄板與金屬粘接結(jié)構(gòu)中的脫粘、分層類面積型缺陷，尤其是當(dāng)零件或組件不能浸入水中進(jìn)行超聲C-掃描檢測以及零件表面形狀使得超聲檢測實(shí)施比較困難時也可使用紅外 熱波檢測方法，紅外熱波方法能夠準(zhǔn)確確定復(fù)合材料中分層的深度，而且該方法具有非接觸、實(shí)時、高 效、直觀的特點(diǎn)。
復(fù)合材料的紅外熱像檢測
4聲-超聲檢測技術(shù)
聲-超聲 ( Acoustic-Ultrasonic ) 技術(shù)又稱應(yīng)力波 因子( SWF) 技術(shù)。與通常的無損檢測技術(shù)不同， AU 技術(shù)主要用于檢測和研究材料中分布的細(xì)微缺陷群及其對結(jié)構(gòu)力學(xué)性能( 強(qiáng)度或剛度等) 的整體影響，屬于材料的完整性評估技術(shù)。
采用聲-超聲振幅 C 掃描技術(shù)也能夠?qū)?fù)合材料與金屬材料間的粘接界面進(jìn)行有效檢測，而且克服了超聲反射技術(shù)信號清晰度不高、超聲透射技術(shù)傳感器可達(dá)性差的缺點(diǎn)。
5聲發(fā)射檢測技術(shù)
聲發(fā)射檢測技術(shù)( Acoustic Emission) 是通過對復(fù)合材料或結(jié)構(gòu)在加載過程中產(chǎn)生的聲發(fā)射信號進(jìn)行檢測和分析，對復(fù)合材料構(gòu)件的整體質(zhì)量水平進(jìn)行評價的一種檢測技術(shù)。
該方法能夠反映復(fù)合材料中損傷的發(fā)展與破壞模式，預(yù)測構(gòu)件的*終承載強(qiáng)度，并能夠確定出構(gòu)件質(zhì)量的薄弱區(qū)域。
聲發(fā)射技術(shù)是檢測復(fù)合材料結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量水平的非常實(shí)用的技術(shù)手段，使用簡單方便，可以在測試材料力學(xué)性能的同時獲取材料動態(tài)變形損傷過程中的寶貴信息。
它包括參數(shù)分析法與波形分析法兩種。參數(shù)分析法是通過記錄和分析聲發(fā)射信號的特征參數(shù)，如幅度、能量、持續(xù)時間、振鈴計數(shù)和事件數(shù)等，來分析材料的損傷破壞特征，如損傷程度和部位、破壞機(jī)制等;
波形分析法是指對聲發(fā)射信號的波形進(jìn)行記錄與分析，得到信號的頻譜及相關(guān)函數(shù)等， 通過分析材料不同階段和不同機(jī)制引起損傷的頻率特征，可以獲取材料的損傷特征。
6渦流檢測技術(shù)
渦流檢測技術(shù)( Eddy Current Testing) 是利用導(dǎo)電材料的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，通過測量感應(yīng)量的變化進(jìn) 行無損檢測的方法。
該方法僅適用于導(dǎo)電材料，可以用于碳-碳復(fù)合材料與金屬基復(fù)合材料的檢測。 由于端頭效應(yīng)的存在，該方法在邊界處的檢測效果不好，同時該技術(shù)需要用標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行對比，因此其 應(yīng)用受到了限制。
7微波檢測技術(shù)
微波是指頻率為 300MHz ～ 3000GHz 的電磁波， 是無線電波中一個有限頻帶的簡稱，是分米波、厘米波、毫米波和亞毫米波的統(tǒng)稱。
微波頻率比一般的 無線電波頻率高，通常也稱為“超高頻電磁波”。微波指向性高，在復(fù)合材料中穿透能力強(qiáng)、衰減小，適合于檢測厚度較大的材料。
對結(jié)構(gòu)中的孔隙、疏松、 基體開裂、分層和脫粘等缺陷具有較 高的靈敏性。 上世紀(jì) 60 年代，微波檢測技術(shù)就已經(jīng)用于大型導(dǎo)彈固體發(fā)動機(jī)玻璃鋼殼體中的缺陷和內(nèi)部質(zhì)量的檢測。
實(shí)踐證明，利用反射法測量的厚度誤差小于 0. 125mm，利用穿透法可測定 0. 02mg / cm3 的密度變 化。由于微波探傷技術(shù)不能穿透導(dǎo)體，因此這種 檢測方法很難應(yīng)用于整機(jī)檢測。
8流體滲透法
流體滲透檢測法僅僅適用于具有開放性傷 口的缺陷或損傷，這種方法是采用特制的滲透劑對缺陷和損傷進(jìn)行染色，但是染色過程中會污染材料， 在一定程度上會增加修補(bǔ)難度，目前使用較少。
9激光全息法
激光全息檢驗(yàn)法( Laser Holography) 是激光全息照相和干涉計量技術(shù)的綜合運(yùn)用。這種技術(shù)的依據(jù)是物體內(nèi)部缺陷在外力作用下，使它所對應(yīng)的物體表面產(chǎn)生與其周圍不相同的微量位移差。然后用激光全息照相的方法進(jìn)行比較，從而檢驗(yàn)出物體內(nèi)部的缺陷。這種檢驗(yàn)方法由于設(shè)備昂貴、需要沖洗顯影、對環(huán)境振動敏感和需要對被測物加載，因此限制了推廣能力，目前主要在實(shí)驗(yàn)室使用。
無損檢測在復(fù)合材料的應(yīng)用
深圳市泰立儀器儀表有限公司成立于2005年11月，*從事測試儀器儀表設(shè)備的代理、銷售和服務(wù)工作。并與國外*儀表生產(chǎn)廠商有著廣泛的技術(shù)與銷售合作的良好基礎(chǔ)。作為德國FOERSTER霍釋特、美國Dakota達(dá)高特、英國SONATEST聲納、英國ETHER NDE易德、美國GE通用、日本SHIMPO新寶、日本KANOMAX加野麥克斯、臺灣Motive一諾等公司的中國銷售代理。主要銷售的儀器有：超聲波測厚儀、超聲波探傷儀、汽車點(diǎn)焊探傷儀、超聲波硬度計、電導(dǎo)率儀、磁導(dǎo)率儀、渦流探傷儀、涂層測厚儀留言上一篇:2017年五一放假時間安排表下一篇:2017年春節(jié)放假通知
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