复合材料无损检测概述

结课论文复合材料的无损检测姓 名：学 院：专 业：导 师：时 间：复合材料的无损检测摘 要复合材料以其优秀的特性得到了越来越多人的注重,随着其应用范畴和应用量的不断增长,人们对其质量的规定也越来越高。在这种状况下,多种检测手段便开始被应用在了复合材料的质量检测中。其中,无损检测技术(简称NDT)以其不破坏材料完整性等长处而成为亮点目 录第一章 绪论41.1 复合材料41.2 无损检测41.3 复合材料的无损检测5 1.4 复合材料在民用飞机上的应用概况5第二章 复合材料无损检测措施72.1 射线检测技术72.2 超声检测技术92.3 声发射检测技术112.4 视觉检测技术112.5 传感器检测技术122.6 其她检测措施132.7 参照文献14 第一章：绪论1.1复合材料复合材料(Composite materials)，是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的措施，在宏观上构成具有新性能的材料。多种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原构成材料而满足多种不同的规定。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体重要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料重要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等 再生树脂复合材料复合材料中以纤维增强材料应用最广、用量最大。其特点是比重小、比强度和比模量大。例如碳纤维与环氧树脂复合的材料，其比强度和比模量均比钢和铝合金大数倍，还具有优良的化学稳定性、减摩耐磨、自润滑、耐热、耐疲劳、耐蠕变、消声、电绝缘等性能。石墨纤维与树脂复合可得到膨胀系数几乎等于零的材料。纤维增强材料的另一种特点是各向异性，因此可按制件不同部位的强度规定设计纤维的排列。以碳纤维和碳化硅纤维增强的铝基复合材料，在500时仍能保持足够的强度和模量。碳化硅纤维与钛复合，不仅钛的耐热性提高，且耐磨损，可用作发动机电扇叶片。碳化硅纤维与陶瓷复合， 使用温度可达1500，比超合金涡轮叶片的使用温度（1100）高得多。碳纤维增强碳、石墨纤维增强碳或石墨纤维增强石墨，构成耐烧蚀材料，已用于航天器、火箭导弹和原子能反映堆中。非金属基复合材料由于密度小，用于汽车和飞机可减轻重量、提高速度、节省能源。用碳纤维和玻璃纤维混合制成的复合材料片弹簧，其刚度和承载能力与重量大5倍多的钢片弹簧相称。1.2无损检测无损检测（Non-destructive testing），就是运用声、光、磁和电等特性，在不损害或不影响被检对象使用性能的前提下，检测被检对象中与否存在缺陷或不均匀性，给出缺陷的大小、位置、性质和数量等信息，进而鉴定被检对象所处技术状态（如合格与否、剩余寿命等）的所有技术手段的总称。从事无损检测的人员需要接受专业的培训，获得资质才干持证上岗。各个国家、区域、机构针对无损检测培训资质认证均有不同的规定，受训前应当理解清晰，选择合适的原则、机构进行有关的培训与考核。常用的无损检测措施：射线照相检查（RT）、超声检测(UT）、磁粉检测(MT）和液体渗入检测(PT) 四种。其她无损检测措施：涡流检测(ET）、声发射检测（AT）、热像/红外（TIR）、泄漏实验（LT）、交流场测量技术（ACFMT）、漏磁检查（MFL）、远场测试检测措施（RFT）等。无损检测的重要目的之一，就是对非持续加工（例如多工序生产）或持续加工（例如自动化生产流水线）的原材料、半成品、成品以及产品构件提供实时的工序质量控制，特别是控制产品材料的冶金质量与生产工艺质量，例如缺陷状况、组织状态、涂镀层厚度监控等等，同步，通过检测所理解到的质量信息又可反馈给设计与工艺部门，促使进一步改善设计与制造工艺以提高产品质量，收到减少废品和返修品，从而减少制导致本、提高生产效率的效果。由此可见，在生产制造过程中采用无损检测技术，及时检出原始的和加工过程中浮现的多种缺陷并据此加以控制，避免不符合质量规定的原材料、半成品流入下道工序，避免徒劳无功所导致的工时、人力、原材料以及能源的挥霍，同步也促使设计和工艺方面的改善，亦即避免浮现最后产品的“质量局限性”。 另一方面，运用无损检测技术也可以根据验收原则将材料、产品的质量水平控制在适合使用性能规定的范畴内，避免无限度地提高质量规定导致所谓的“质量过剩”。运用无损检测技术还可以通过检测拟定缺陷所处的位置，在不影响设计性能的前提下使用某些存在缺陷的材料或半成品，例如缺陷处在加工余量之内，或者容许局部修磨或修补，或者调节加工工艺使缺陷位于将要加工清除的部位等等，从而可以提高材料的运用率，获得良好的经济效益。 因此，无损检测技术在减少生产制造费用、提高材料运用率、提高生产效率，使产品同步满足使用性能规定（质量水平）和经济效益的需求两方面都起着重要的作用。1.3复合材料的无损检测 由于复合材料的非均质性和各项异性，在制造过程中工艺不稳定，极易产生缺陷。在应用过程中，由于疲劳累积、撞击、腐蚀等物理化学的因素影响，复合材料也容易产生缺陷，这些缺陷很大一部分还是产生在复合材料内部。复合材料在制造过程中的重要缺陷有: 气孔、分层、疏松、越层裂纹、界面分离、夹杂、树脂固化不良、钻孔损伤；在使用过程中的重要缺陷有:疲劳损伤和环境损伤,损伤的形式有脱胶、分层、基本龟裂、空隙增长、纤维断裂、皱褶变形、腐蚀坑、划伤、下陷、烧伤等。 由于复合材料在使用工程中承当着重要作用，因此在材料进入市场前，应当进行严格的缺陷检测，这是对使用者和加工者负责的行为。相应的，复合材料检测技术也得到了迅速的发展，在检测技术中无损检测技术发展尤为突出1.4 复合材料在民用飞机上的应用概况 70 年代初期,波音等厂家开始研究用复合材料来减轻飞机构造重量,飞机扰流板、整流罩、方向舵和水平安定面等部件逐渐采用复合材料制造。到90 年代,复合材料在飞机上的应用更为广泛,玻璃纤维、碳纤维、卡夫隆、碳纤维/ 卡夫隆复合材料构造占了飞机总面积30 %以上(以波音777 为例) ,随着复合材料的广泛应用,复合材料的检测也显得越来越重要。复合材料中最常用缺陷为脱胶和未粘接,采用超声穿透法、脉冲反射法、粘接检测器及射线照相进行检测。超声穿透法是常用的措施,常采用单通道到六通道声C 扫描对蜂窝构造材料及层状复合材料进行分层和脱胶检查,也可采用喷水穿透法探头架进行自动或手动检查,对于边沿及曲率大的部分多采用直接接触法手动检查,检查频率为12125MHz。在役飞机维护检查中,复合材料存在的最常用的缺陷有撞击、雷击、侵蚀等损伤以及应力疲劳裂纹、变形、扯破、孔洞边沿损伤、分层、脱胶、蜂窝构造单元渗水、燃烧/ 过热等。目视检查是维修检查中常用的基本措施;其他无损检测措施用于评估损伤状况,精确测定受损面积。复合材料经修补后也需采用无损检测措施进行检查。对某些部件采用目视检查与无损检测相结合。复合材料无损检测措施有渗入、射线、红外、液晶、超声和涡流法等。第二章：复合材料无损检测措施2.1、射线检测技术1.X射线检测法 X射线无损探伤是检测复合材料损伤的常用措施。基本原理：如图6-1当射线穿过被检测物体后，由于被检测物体的成分、密度、厚度等不同，致使射线穿过物体后产生不同的吸取和散射、衍射等特性。根据射线穿过物体的这些特性的变化，可对该物体的重量、尺寸、特性等作出判断。目前常用的是胶片照相法,它是检查复合材料中孔隙和夹杂物等体积型缺陷的优良措施，对增强剂分布不均也有一定的检出能力,因此是一种不可缺少的检测手段。该措施检测分层缺陷很困难，一般只有当裂纹平面与射线束大体平行时方能检出，因此该法一般只能检测与试样表面垂直的裂纹，可与超声反射法互补。2.计算机层析照相检测法 计算机层析照相(CT)应用于复合材料研究已有十近年历史。这项工作的开展一方面运用的是医用CT扫描装置，由于复合材料和非金属材料元素构成与人体相近，医用CT非常适合于复合材料和非金属材料内部非微观(相对于电子显微镜及金相分析)缺陷的检测及密度分布的测量，基本原理如图6-60所示，来自射线源的一束锥形X射线通过射线准直器后以薄片扇面形状照射被测工件的某一断面，射线透射过工件后会产生能量衰减，衰减量与射线的透照厚度及被测工件一定厚度的薄片断面（断面厚度由射线厚度决定）上各点的线衰减系数有关。置于工件后方的图像数据采集系统（涉及图像曾强器、CCD和采集卡等）接受到透射线后，将其转换为与各接受点所接受到的射线能量相相应的数据信号，并送往计算机进行数据解决。均匀旋转工件，则可变换射线的入射角度，得到一系列新的数据点。计算机根据接受到的射线能量数据，可得出不同入射角度的X的不同点的能量衰减值。同步，由于工作断面形状不变，则不同入射角度的射线所通过的透射厚度可拟定。计算机根据这些已知数据，可计算出透射断面内各点的线衰减系数。不同的线衰减系数赋予不同颜色，则计算机便可根据各点的线衰减系数勾画出被测工件的平行于射线入射方向的断面图像。 CT重要用于检测非微观缺陷(裂纹、夹杂物、气孔和分层等)；测量密度分布(材料均匀性、复合材料微气孔含量)；精确测量内部构造尺寸(如发动机叶片壁厚)；检测装配构造和多余物；三维成像与CAD /CAM等制造技术结合而形成的所谓反馈工程(RE)。航天材料及工艺研究所的研究人员用这种措施对碳/碳复合材料的研究表白， CT检测技术的空间辨别率和密度辨别率完全可以满足碳/碳复合材料内部缺陷的检出规定，但应注意伪像与产品自身缺陷的区别，以避免产生误检。 3.微波检测法 微波无损检测的基本原理是综合运用微波与物质的互相作用，一方面，微波在不持续面产生反射、散射和透射；另一方面,微波还能与被检材料产生互相作用，此时微波均会受到材料中的电磁参数和几何参数的影响，通过测量微波信号基本参数的变化，即可达到检测材料内部缺陷的目的。微波检测复合材料是在检测金属材料的基本上改善来的，这种措施不仅能检测复合材料的体积缺陷,同步还可以检测出平面缺陷，敏捷度较高，合用于在线检测的规定。4.红外热波法 红外热波无损检测的工作原理是根据变化性热源与媒介材料及其几何构造之间的互相作用,通过控制热鼓励并适时监测和记录材料表面的温场变化，通过特殊的算法和图像解决来获取被检物体材料的均匀性信息及其表面下的构造及热属性的特性信息，从而达到检测和探伤的目的。此检测法具有非接触、实时、高效、直观的特点，分为积极式(有源红外)检测法和被动式(无源红外)检测法两种。首都师范大学陈大鹏等研究人员运用超声热红外技术对一种碳纤维复合材料T形接头和一块埋有裂纹缺陷的有机玻璃板进行检测，阐明了红外热超声无损检测技术具有敏捷迅速的长处，适合于对多种材料进行实时检测。2.2、超声检测技术 超声无损检测技术是复合材料非常重要的检测手段，其使用的检测频率一般0.525MHZ。超声波在复合材料内部传播过程中遇到材料内部缺陷时，由于缺陷的声阻抗与材料的声阻抗不同，超声波在缺陷处被反射（或散射)，而浮现缺陷波信号，根据超声反射信号幅度，可检测材料内部缺陷。此法可以检测出复合材料中的裂纹、脱粘、孔隙、分层等缺陷，但存在检测盲区。1.超声脉冲反射法 超声脉冲通过探头发射进入待检测材料，并对反射和穿透信号进行分析，以得到材料构造的有关信息。采用一种探头兼作发射和接受器件，接受信号在探伤仪的荧光屏上显示，并根据缺陷及底面反射波的有无，大小及其在时基轴上的位置来判断缺陷的有无、大小及其方位。直接接触脉冲反射法检测原理如图 2-1所示。反射波的强弱以及方向重要取决于界面两侧介质的声阻抗 z 1和 z2 。例如，当 2 z1 z 2时，界面反射系数y二 Pr / P 0（z2-z1 ) / (z2+z1 ) z1时，y=Pr /P0= （z2-z1 ) / (z2+z1 ) 0，反射波声压 P r与入射波声压P0同相位，界面上反射波与入射波发生叠加，形成类似驻波，合成声压振幅增大为 P r + P 0。例如，超声平面波由水中垂直人射到水钢界面的状况（见图 2 -2 b )。检测技术：用于自动化检测的设备一般使用 3 种耦合方式，从使从探头发射的超声有效进入待检零件，她们分别是接触法、水浸法和喷水法。此法可以检测出复合材料中的裂纹、脱粘、孔隙、分层等缺陷，但存在检测盲区。2.超声脉冲透射法 该措施原理与超声脉冲反射法基本相似，由于超声波在缺陷处被反射或散肘导致超声穿透信号的能量衰减。而后根据超声穿透信号幅度检测材料的内部缺陷。这种措施对复合材料中贫胶、疏松等缺陷的检测效果良好。3.扫描超声显微镜技术 运用表面超声波束的传播行为，探测到在物体中声波传送持性（衰减和速度）的变化，将此信号通过计算机控制解决，在扫描显示屏可以显示平面图形。运用该技术可以实时监测像金属基复合材料开孔制件在循环应力作用下逐渐破坏的过程。内置高精度超声扫描显微镜体系（HIPSAM）的扫描超声显微镜，已被成功地应用于复合材料特性研究。这套系统是实验室型的，其探测空间距离可小至1um，操作频率可达200MHZ。超声显微镜的基本原理是，运用宽10um-20um、深20um的表面超声波束的传播行为，探测到在物体中声波传送特性（衰减和速度）的变化，将此信号显示在计算机控制的C扫描显示屏上（平面图形）。运用该技术可以实时监测像金属基复合材料开孔制件在循环应力作用下逐渐破坏的过程。它重要用于研究材料的基本破坏机理和材料对所处应力及环境的反映，在监测复合材料过程中可获得有关图像。 要实现用超声波对材料进行无损检测，需要通过超声波探伤仪来完毕。目前超声波探伤仪种类诸多，分类措施也不相似。一般按检测缺陷大体可分为A型显示、B型显示和C型显示。A型显示又称A扫描，它是根据脉冲反射法中的缺陷反射波来反映缺陷，能看到由于缺陷导致的波形。B型显示也称B扫描，特点是在荧光屏上能显示出沿探头发射脉冲方向剖开缺陷图形。C型显示则称C扫描，它能显示缺陷的平面图形，是有效检测复合材料缺陷常用的一种措施。2.3、声发射检测技术 声发射是在材料局部因能量的迅速释放而发出瞬态弹性波的现象，是材料在应力作用下的变形、形成裂纹与裂纹扩展。声发射波的频率范畴很宽,从次声波、声波到超声波，其幅度从微观的位错运动到大规模的宏观断裂。弹性波在经介质传播后达到被检体表面，引起工件表面的机械振动。传感器将表面的瞬态位移转换成电信号，声发射信号经放大、解决后形成其特性参数，被记录与显示。经数据的解释，可评估声发射源的特性。 2.4、视觉检测技术视觉检测俗称目视监测，是重要的无损检测措施之一。顾名思义，它是运用人眼的视觉或加上辅助工具、仪器等来对试件表面进行直接或间接的侦查及检视，从而判断多种表面缺陷的一种无损检测技术。在所有的无损检测措施中，此种措施最以便、最经济，也是在进行所有检测作业之前、中、后常常必须进行的检测措施。它的重要长处是简朴、迅速。重要缺陷是仅能检查零件表面状况，并且表面也许需要做好某些准备，如清洗、清除油漆氧化皮及污渍、喷砂或喷丸等。此外，目视检测受人的影响因素较大，重要有：1、检查员的自身状况：如感冒、头疼、头晕和其她不舒服的症状，以及疲劳，年龄，视力，纯熟度，个人差别检查姿势等；2、精神条件：如家庭的烦恼、心情不快乐、精神无法集中档；3、作业环境的条件：照明，检查场合的气温、湿度、环境，作业平台，日夜的差别，检测物速度的差别、表面状况，作业与否单调等。2.5、传感器检测技术1. 光纤传感器测试技术 与老式的传感器相比,光纤应变传感器具有一系列的长处,如稳定性好、可靠性高、精度高、抗电磁干扰、构造简朴、便于与光纤传播系统形成遥测网络并且不会破坏复合材料自身的完整性。因此，可以将其埋入或者贴在复合材料构造内，实现对复合材料构造长期和在线的实时检测。南京航空航天大学飞行器系的研究人员基于埋设在复合材料层板中的多方位多模光纤网络的特点，提出了检测层板内部发生多处横向冲击损伤的重构算法。根据光纤损伤图像检测系统获得的图像信号，可实时、定量、直观重构并显示出层板内部各处损伤的位置和各处的损伤限度。2. 压电传感器复合材料脱层检测 基于压电元件的在线检测措施是把压电元件使用环氧树脂或其她粘合剂直接贴到被测构造的表面或埋入层状构造。国外的Swann, Cynthia等研究人员研究了优化的压电传感器复合材料脱层检测。其研究表白，传感器的最佳位置是一种检测损伤复合材料构造的核心问题。其目的是运用最低数量的传感器，放置在对的的位置，以便从拟定的传感器收到的电压信号来发现存在和受损限度。用记录模型，在板块中损伤分布的概率就可以拟定。国内基于压电阵列，李刚、石利华等研究人员研究了兰姆波检测技术。2.6、其她检测措施1.液晶图像检测法 该措施运用液晶随温度变化而变色的原理来进行检查，用抽真空将液晶薄膜紧贴在蜂窝构造下方外表蒙皮上(即接近水的一方)，再用加热器对液晶薄膜加温，有水的部位热量被水吸取，升温慢；无水的部位升温快，使得液晶薄膜上呈现与含水区域变化相相应的液晶图像。该措施检测除需要液晶薄膜外,还需真空袋、抽真空皮球及耦合剂等辅助材料，操作较复杂，且检测图像不能保存。Khatibi，Akbar Afaghi等研究人员研究了液晶热传感在复合材料分层无损检测中的应用。在这项研究中，一种新技术使用热变色液晶(薄层色谱)热简介来评估这些机构。通过敏感的液态晶体产生温度梯度用于检测复合材料脱层标本。对构成材料和脱层大小/地点的影响进行调查。薄层热的成果与从红外热像得到的成果比较。最后,对新措施的长处/缺陷进行了讨论。在这项研究基本上,得出结论,薄层色谱法热可作为一种便宜的非破坏性检查复合材料构造实验措施。2.涡流检测法 可用于检查碳纤维/环氧树脂复合材料表面、次表面的裂纹和纤维损伤。由于随着纤维编织排列把戏和环氧树脂配比不同，材料电导率有差别,检测涡流场与碳纤维/环氧树脂的空间有关位置不同，电导率也不同。因而每块碳纤维/环氧树脂复合材料均有其不同的涡流场特性，直接影响涡流检测的检测敏捷度。由于以上特点，决定碳纤维/环氧树脂复合材料的涡流检测不同于金属涡流检测，人员需专门培训。3.敲击法 这是最常用的一类复合材料构造无损检测措施，最早是运用硬币、棒、小锤等物敲击蒙皮表面，仔细辨听声音差别来查找缺陷。在此基本上发展起来的智能敲击检测法是运用声振检测原理，通过数字敲击锤鼓励被检件产生机械振动，经测量被检件振动的特性来鉴定胶接构件的缺陷及测量胶接强度等，可用于蜂窝状构造检测、复合材料检测、胶接强度检测等。4.激光全息无损检测法 对被检测构件施加一定载荷后(力载荷或热载荷)，构件表面的位移变化与材料内部与否存在分层性缺陷及构件的应力分布有关，内部存在分层性缺陷及应力集中区的位移量不小于其她区域的位移量。 国内研究人员跟随国际上先进技术的发展方向,在复合材料无损检测研究领域进行了卓有成效的摸索与研究，并获得了较好的研究成果。由于复合材料的应用与航空航天技术的发展有着密切的联系，因此国内在这方面研究较进一步的重要单位有各航空航天有关的研究所及院校,如北航,南航,航空材料研究院。南京理工大学、浙江大学及中北大学在无损检测的理论方面均有较进一步研究。西北工业大学在无损检测信号解决技术方面也做了不少工作。天津工业大学在三维编制复合材料的研究及其检测领域也开展了有益的研究并获得了不错的成绩。参照文献【1】 谢小荣，杨小林. 飞机损伤检测. 航空工业出版社. 【2】 吴人洁. 复合材料. 天津大学出版社. .【3】 刘燕德. 无损智能检测技术及应用. 华中大学出版社. 【4】 李国华，吴淼. 现代无损检测与评价. 北京化工工业出版社. 【5】 宋天民. 无损检测新技术 . 中国石化出版社. 【6】 夏纪真. 无损检测导论. 中山大学出版社. 【7】 张俊哲. 无损检测技术及其应用. 科学出版社. 【8】 宁宁. 在役航空复合材料构造的无损检测技术. 航空制造技术 15【9】 冯小明， 张崇才 . 复合材料 . 重庆大学出版社 . 【10】 刘松平，刘菲菲 . 复合材料无损检测行业发展 . 无损检测（增刊） 30【11】 刘松平，郭恩明 . 缝合材料无损检测技术的现状及展望 . 航空制造技术 . 03【12】 朱德忠 ，郑明清 ，陈雷 .应用红外线成像技术检测蜂窝构造材料内部缺陷 . 上海交通大学学报 1999 33【13】 刘书堂 ，唐敬东 ，朱庆 . 红外热成像技术在工程领域中的应用 工程机械 . 05.