碳纤维复合材料蜂窝夹芯特殊结构无损检测研究

碳纤维复合材料蜂窝夹芯特殊结构无损检测研究

刘陆强 王英芹

中国特种飞行器研究所

1. 研究内容

本文以碳纤维复合材料蜂窝夹芯结构试验件的过渡区为主要被检测对象，该试验件为碳纤维复合材料NOMEX蜂窝夹芯结构，预制缺陷设计较为特殊，采用发泡胶模拟预制缺陷，位于蜂窝过渡区与平板区的三角区域，缺陷宽度仅有2mm，对无损检测的实施提出了较高要求，试验件示意图如图1所示。为掌握试验件在规定疲劳试验周期内损伤扩展特性，试验过程检测与飞机在役检测更为相似，对其检测方案及可行性的研究显得尤为重要。

2. 检测方法

无损检测技术是指在不损坏材料或产品原有的形状、性能的基础上，利用光、声、电、磁、热和射线等技术检测其是否有损伤，以确保其可靠性的检测技术。利用不同的无损检测技术，对材料表面和内部进行检测，并对缺陷的类型、大小、深度、范围、数量等做出准确判断，由此可以判断材料或构件是否可以进行下一步的生产制造或者维修服役情况。目前碳纤维复合材料蜂窝夹芯结构常用的无损检测方法通常有以下几种方法。

1. 1. 敲击检测法

敲击检测法是使用时间最早应用范围最广的一种无损检测方法。主要是通过对物体进行适当的敲击来获取试件的振动信息通过振动频率是否改变来判断试件内部是否含有损伤，敲击检测法主要并且广泛应用于蜂窝夹芯结构、多层结构和网状结构对胶粘剂质量的检测。它适用于结构内部的脱胶、夹杂、分层等缺陷，但对小尺寸缺陷的检测不敏感。传统的敲击检测是利用适当的敲击工具（小锤、硬币等）对被测材料进行敲击，并通过被测材料振动产生的声咅来判断材料的内部损伤。现代数字敲击检测是利用传感器对振动信息进行采集，然后对采集的振动信息进行分析从而得到准确的检测结果。

1. 2. 超声波检测

超声波检测法是目前复合材料无损检测的主要方法之一。超声波无损检测技术主要根据复合材料自身和其缺陷对超声波传播的阻碍来判断材料表面及内部的缺陷，能检测复合材料中的内部缺陷如疏松、分层、夹杂、裂纹等，还能对材料厚度和性能进行评估。超声波具有很强的穿透能力，可对较厚的材料进行探测，灵敏度高，操作简单，对缺陷的深度、大小，范围进行精准检测。超声波检测的缺点是检测效率较低，需要针对不同缺陷使用不同的探头，对小缺陷和厚度较小的材料检测起来比较困难，检测过程中需要使用耦合剂。

超声无损检测按照检测原理，可分为反射法、穿透法和共振法；按照显示方式可分为A型显示、B型显示、C型显示等。由于C型扫描速度快，显示直观等特点，已经广泛应用于航空航天结构复合材料的无损检测。

1. 3. X射线检测

X射线无损检测方法是应用较为广泛的一种无损检测手段。常规的X射线检测采用照相法将采集到的信息用感光胶片进行记录。对在胶片上形成的图像进行处理以获得缺陷的检测。目前在航空航天复合材料无损检测广泛采用的是基于面阵成像器件的X射线成像检测，该技术采用面阵成像器件作为系统的成像器件。工作原理如下：X射线源在高压电源的驱动下发射出X射线，X射线透射被检测物体照射在面阵成像器件上，面阵成像器件对照射过来的X射线进行光电转换，同时使用先进的大规模数字集成电路完成图像信号的采集工作，计算机对采集来的数字信号图像进行实时的处理和显示。在检查复合材料中的贫胶、富胶、孔隙和夹杂物等体积类型缺陷具有良好的效果，因此是一种不可缺少的检测手段。

1. 4. 激光散斑检测

激光检测是新兴发展的复合材料无损检测技术之一。复合材料的一些缺陷是传统检测方法难以检测到的，如气泡缺陷、分层缺陷等，激光检测技术可以用来检测这些缺陷。激光检测技术包含激光全息技术和激光散斑技术两个种类。激光全息检测技术检测缺陷的主要原理是通过对干涉条纹的数量多少以及分布的情况进行分析，来判断物体内部的缺陷。激光散斑检测是基于光的干涉原理。其优点是成像速度快，操作方便，检测效率高。

1. 5. 红外检测法

红外检测技术是根据高于绝对零度的物体都会向周围环境产生热辐射的原理进行无损检测的。使用红外热像仪捕捉物体的热辐射能量分布情况进进一步获得红外热像图，红外热像图显示的就是物体表面温度场的分布，对图像进行分析就可以获得物体的缺陷情况。

3. 检测实验

   1. 敲击检测

数字敲击仪WP-632在航天航空行业碳纤维复合材料蒙皮检测分层和脱粘方面应用较为广泛。敲击检测时利用传感器对振动信息进行采集，然后对采集的振动信息进行分析从而得到检测结果，针对大面积脱粘缺陷对比试块的检测效果较好，但对该试验件的2mm小的缺陷的检测不敏感，预制缺陷未能检出。

1. 2. 胶接质量检测

研究人员以试验件和对比试块为主要研究对象，以Bondmaster和S-21R两种胶接质量检测仪作为主要检测设备，这两种胶接质量检测仪在航天航空行业碳纤维复合材料层压板和夹芯结构的分层和脱粘的检测方面广泛应用。

检测时通过共振法和发射/接收法和机械阻抗法等模式发射信号，通过对振动信息进行采集和分析从而得到检测结果。两种胶接质量检测仪在检测对比试块时，完好区和缺陷区均可明显区分，检测效果良好；在检测试验件时，试验件预制缺陷未能有效检测。

1. 3. 超声波检测

研究人员以试验件和对比试块为检测对象，检测方法为接触式脉冲反射法，以MX2、TOPAZ、ZRICON等超声波相控阵检测仪，以及SITESCAN150超声波检测仪等作为主要检测设备，以上设备在碳纤维复合材料无损检测方面广泛应用。

研究人员使用相控阵和常规超声波检测复合材料层压板和蜂窝夹芯对比试块时，完好区和缺陷区均可明显区分，检测效果良好。以相同的设备和方法对试验件进行了大量的检测对比实验，但均未能对试验件的预制缺陷有效检出。

研究人员认为试验件预制缺陷尺寸较小和缺陷空间位置是缺陷检测不敏感的主要原因，建议尝试其它检测方法或耦合方进行检测技术研究，目的是研究出更好的检测工艺。通过常规超声波检测使用6mm/φ10mm/φ12.5mm等多种直径的常规探头进行检测研究、超声波相控阵线阵列5MHz、7.5MHz和10MHz等频率探头接触式脉冲发射法检测研究，还通过便携式的超声波相控阵穿透法进行了检测研究，以及采用公认的水浸超声波检测盲区小、易于实现自动化检测及能够有效检测孔洞、裂纹、分层和脱粘等缺陷，研究人员分别以超声波相控阵线阵列5MHz、7.5MHz和10MHz探头进行了研究，均未能检测出预制缺陷。

1. 4. X射线实时成像检测

X射线实时成像检测以其非接触、高精度、高灵敏度和显示直观，可对采集来的数字信号图像进行实时的处理和显示分析，在碳纤维复合材料检测广泛应用。

研究人员以XYG-1610/5X射线实时成像检测设备，开展了检测对比实验研究。通过检测对比实验研究，X射线实时成像检测技术在试验件的缺陷检测效果与大型喷水式C扫描穿透法检测结果一致，效果比较理想，见图1。

1. 5. 激光散斑检测

与X射线实时成像检测相似，应用十分广泛。研究人员以ISIS1100激光散斑检测设备，开展了试验件和对比试块的检测对比实验研究。通过检测对比实验研究，激光散斑检测技术在对比试块验证和试验件的缺陷检测效果上均比较理想，见图1。

1. 试验件、X射线实时成像检测和激光散斑检测

4. 总结

研究人员通过上述技术研究，针对碳纤维复合材料蜂窝夹芯特殊结构的无损检测技术，特别是试验过程无损检测的可行性方案制定提供实验数据支撑，可为该试验过程检测和在役检测的实施提供参考。

针对蜂窝夹芯特殊结构试验件检测表明X射线实时成像检测和激光散斑检测的检测效果良好，可在试验过程和在役检测中根据条件采用。超声波检测技术是碳纤维复合材料检测的主力军，建议在试验过程中作为主要检测手段。结合试验件设计的特殊性和检测技术的特点，依靠单一检测手段检测有一定的局限性，特别是依靠单一的传统便携式的原位超声波检测和敲击检测等较难达到检测效果，建议采取多种检测技术相结合的方式进行试验过程和在役的无损检测。

参考文献：

[1] 刘松平等，先进复合材料无损检测技术[M]，北京：航空工业出版社，2017。

[2] 沈建中等，现代复合材料无损检测技术[M]，北京：国防工业出版社，2016。

[3] 范金娟等，聚合物基复合材料构件失效分析基础[M]，北京：国防工业出版社，2011。

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