复合材料无损检测技术的现状与展望

复合材料无损检测技术的现状与展望

第十三届国际复合材料学术会议专辑

复合材料无损检测技术的现状与展望

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中国航空工业制造工程研究所

［摘要］回顾了复合材料无损检测技术的发展，从材料、结构和服役!个方面介绍了复合材料无损检研究员

刘松平

郭恩明

才真正走向复合材料无损检测，研究出了@>年代后，

许多适应复合材料特点的无损检测新技术、新方法，从测技术的现状及今后的发展趋势。

关键词：复合材料无损检测超声

［:;’2<:82］"#$%$&$’()*$+,(-+(+%$.,/01,2&$,$.,2+34+%$&4’04,2(+（56"78）,$1#+(’(39-(/1(*)(.2,$.2./$&2$:$%2+,#2.)4)$/;"#$)/$.$+,.2,04,2(+4+%,#$%$&$’<()*$+,,/$+%.(-,#2.,$1#+(’(394/$2+,/(%01$%2+4.)$1,.(-1(*)(.2,$*4,$/24’，.,/01,0/$4+%.$/&21$;

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B概述

复合材料之所以能够成为=>世纪迅速地在工业部门推广应用的新材料、新结构，无损检测技术发挥了十分重要的推动作用，反过来，复合材料也为无损检测技术的迅速发展带来了更多的研究空间。一些过去在金属材料无损检测中因技术障碍而面临困境的检测技术，在复合材料对无损检测技术的需求牵引下，得到了新的飞速发展。如针对初期基于金属材料及其结构在负载作用下产生应力波的物理现象的声发射检测技术、基于物理波相干原理的激光全息干涉检测技术、激光超声检测技术等，几乎都是?>年代问世，@>年代在应用中由于物理信号特征解释困难、环境条件要求苛刻或技术上有待进一步突破等原因，难以在工程上找到用武之地，自A>年代后则得到了迅速的应用发展。

由于复合材料的先进性与其质量的离散性和高成本并存，在实际应用中，即使是经过研究和试验制订的合理工艺，在结构件的制造过程中还可能会产生缺陷，引起质量问题，严重时还会导致整个结构件的报废，造成重大经济损失。因此，国外自?>年代以来，就针对复合材料的研究、应用开展了全方位的无损检测技术研究。早期主要是沿用金属材料所采取的一些检测方法，进行复合材料的无损检测技术探索，随着研究工作的深入，人们对复合材料的内部规律和缺陷特征有了更深的认识，发现完全采用常规金属材料无损检测的方法不能解决复合材料的无损检测问题。因此，进入FE

而为解决复合材料的无损检测、促进复合材料的推广应用发挥了重要作用。

目前复合材料无损检测已经应用于材料、结构件和服役无损检测!个方面。技术上已从初期的检测方法探索发展到目前的检测方法研究、信号处理技术、传感器技术、缺陷识别技术、成像显示技术、仪器设备技术、结构件检测技术、定量检测与评估、服役结构寿命评估、强度评估和性能测试等。无损检测技术已经成为复合材料研究和应用中的一项关键技术，融入复合材料从研究到最终装机应用的全过程，如图B

所示。

图B复合材料与无损检测C23;B

D(*)(.2,$.4+%56"78

C复合材料无损检测技术的应用范围

复合材料无损检测主要应用于以下!个方面：（B）材料无损检测；（=）结构无损检测；（!）服役无损检测，如图=所示。

图=

复合材料无损检测的应用

C23;=E))’214,2(+.(-56"78-(/1(*)(.2,$.CDB

材料无损检测

CEEB年第F期

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材料无损检测主要解决材料研究中面临的问题，进行诸如材料内部缺陷表征、性能测试、缺陷基本判据的建立、无损检测物理数学模型的建立等研究。其检测对象主要是试样、试片，采用精细无损检测技术，面对材料研究过程，重视无损检测物理数学模型的建立，重点开展新的检测方法研究。图!是采用高分辨率超声成像检测技术得到的复合材料内部!个不同深度位置的超声层析扫描检测结果，被检测试样为正交铺层的碳纤维层压结构，厚度为"#$%%。从图中可以看出碳纤维束的取向，即使是一些位于纤维束之间的细小乎不如右侧有规律。这些信息的获得对材料和工艺研究非常有益，为得到这种微细缺陷信息，必须采用高精度的超声扫描检测技术。!"!结构无损检测

结构无损检测主要解决结构在工艺制订、结构件制造过程中面临的问题，如对各种结构件进行无损检测所需的仪器设备等检测手段的建立、信号处理技术、缺陷判别、标准建立与完善等。检测的对象是各种装机应用的工程结构件，需要工程化检测技术，面对结构件制造过程，重视无损检测手段的建立，重点开展高效缺陷也能较好地检测出来，如图!（&）中箭头所指的白

色区域即为纤维束间的细小缺陷。从图（!’）

中还能清晰地看出，试样近表面层靠近左侧纤维束的走向似

（’）近表面层

（&）中间层

（(）近底面层

图!典型的复合材料超声显微层析检测结果)*+#!

,-.*(’/0/12’345*(,63(’52730/13842(4%.43*173

航空制造技术

可靠的检测技术研究。图9是一种典型的针对复合材料结构的超声检测设备，可以用于多种复合材料结构

的自动扫描检测。

图9典型复合材料结构无损检测设备)*+#9

,-.*(’/:;,<=7>0*.%751

842(4%.43*1733120(1027

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服役无损检测

服役无损检测主要研究装机结构件在服役过程中所需的无损检测方法、手段等，包括提供有关结构件残余寿命、剩余强度、损伤扩展等综合信息的评估。检测的对象是装机后的各种服役结构件，采用易实现、快速可行的外场检测技术，面对产品结构的安全服役全过程，重视外场检测技术与结构件的安全服役的质量保

证，重点开展外场检测技术研究。如中国航空工业制造工程研究所研制生产的)??外场复合材料检测仪，是目前用于外场复合材料服役结构件无损检测的主要仪器，具有很高的检测分辨率。

#复合材料无损检测技术现状

经过不断的研究、发展和完善，目前超声和@射线照相法检测已成为A种最主要和成熟的复合材料无损检测技术。特别是超声检测技术，由于被检测物理量

#$

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与复合材料内部缺陷存在最为良好的可精确表述的物理数学关系，因此，通常复合材料构件都要求采用超声方法进行!""#无损检测。大量的研究和应用也表明，超声是目前国内外复合材料无损检测最为实用有效、应用最为广泛的无损检测技术，它能可靠地检测出复合材料中的分层、疏松、孔隙等大部分危害性缺陷。表!是常见复合材料结构超声检测的方法和特点。基于超声反射回波原理，目前可以检测到复合材料内部微细缺陷信息，采用超声层析检测技术还可以得到复合未来的复合材料无损检测将更加追求快速高效，因此，基于干涉原理和温度场分布原理的激光全息干

因其具有非接涉检测技术和热*红外成像检测技术，

触、可大面积扫描、快速等特点，将成为复合材料结构无损检测的良好技术。但目前还必须突破一些技术难题，赋予这些检测技术新的工程应用内涵，才能使其广泛用于复合材料结构的无损检测。

!复合材料无损检测技术的发展

材料结构内部不同深度、不同截面位置的$扫描、%扫描和&扫描检测结果。对于一些特殊的复合材料结构，或者特殊缺陷（如夹层结构中的芯缺陷）及重要部位（如连接接头和较为受力部位），则采用’射线照相法辅助检测。利用’射线衰减原理，可以检测出引起

材料厚度或密度!#()#变化的缺陷，

但对于碳纤维*树脂基复合材料，

由于其密度小、缺陷大多位于铺层之间，缺陷的存在引起的厚度变化非常小，因此，’射线照相法一般不用于这类复合材料的无损检测，它主要用于夹层结构的无损检测。

表!

复合材料超声检测技术

超声检测

方

法

特

点

水浸反射板法超声$扫描可适合更多场合水浸回波法超声$扫描

复合材料的无损检反射法

喷水回波法超声$扫描测，得到孔隙含量、接触式脉冲回波法检测缺陷的深度等更详超声测厚

细信息

检测灵敏度与缺

喷水法超声$扫描

陷深度关系不大，检穿透法

水浸法超声$扫描测结果易于解释，可接触式穿透法检测

用于一定曲率的构件的自动扫描检测

典型工作频率用于结构件检测频率：)+),(!"-./典型检测设备

0123!，41$3!，-56，4723!，8$23!，1$$

声显微和超声层析是揭示复合材料内部微细规律

的精细无损检测技术。

在众多的无损检测方法中，目视检测、敲击法检测、超声谐振法检测是最为廉价的复合材料无损检测方法。

超声相关、’射线背散射、声3超声、声发射等检测技术，都在复合材料无损检测中寻找应用空间，但在复合材料研究和结构件制造过程中，目前还较难找到应用场合。#"

未来复合材料的无损检测技术应围绕以下几个方面开展研究。

（!）

针对复合材料装机结构件的快速高效无损检测技术。

赋予传统复合材料无损检测新的技术内涵，使之更适合未来复合材料的低成本设计、制造和装机应用主流，通过提高传统检测技术的功效，达到提高检测效率、降低检测成本的目的。开展无损检测新技术和新方法的研究，探索研究适合复合材料的快速高效无损检测技术和方法。美国等复合材料用量较大的国家，自9"年代后期已经开始将复合材料无损检测技术研究的重点转移到快速高效的无损检测方向，而且有了初步应用成果。

（)）

针对新型复合材料的无损检测技术。与发达国家相比，目前我国复合材料无损检技术的研究深度和发挥作用的程度还远远不够。在复合材料及其应用研究过程中，如果能很好地掌握其内部微细规律，对复合材料工艺制订、结构制造等将具有重要的作用和意义。复合材料的一个重要结构特征就是内部各组分之间物理界面复杂，如果能利用无损检测技术得到这些界面的全部信息，将会对材料研究和工艺分析起十分重要的指导作用。

（:）

复合材料无损检测技术的升华。未来复合材料无损检测只有与材料的性能、结构件的寿命和剩余强度密切结合，才能发挥更大的作用。近年来国外已经在这方面开展了大量的研究工作。

（;）国内复合材料无损检测硬件的自主建设。复合材料无损检测也是一个技术产业，其研究成果和效益在很大程度上是通过为复合材料应用部门提供无损检测硬件平台和技术支持来实现的。必须经过自身的努力和投入才能得到一流的技术，形成自己的技术产业，发挥效益，复合材料无损检测行业也不例外，真正的技术和手段必须通过自主研究和开发，当然，可以充分利用国际技术平台，但不应盲目地采购实物。

（责编艾紫）

"$$%年第#期

复合材料无损检测技术的现状与展望

复合材料无损检测技术的现状与展望

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

刘松平， 郭恩明， Liu Songping， Guo Enming中国航空工业制造工程研究所

航空制造技术

AERONAUTICAL MANUFACTURING TECHNOLOGY2001，""(3)9次

相似文献(10条)

1.期刊论文 刘长华.汤剑飞.魏永超.Liu Changhua.Tang Jianfei.Wei Yongchao 基于DSSPI的航空复合材料无损检测技术研究 -计算机测量与控制2010,18(5)

复合材料在民用航空器结构上得到了广泛应用,但是复合材料与金属材料相比,受低能量冲击后会出现分层,产生肉眼看不到的损伤,极大地影响航空安全;如何快速准确地对其进行无损检测,并判断缺陷的位置大小是很有意义的;基于激光错位散斑干涉技术的航空复合材料无损检测技术方法,结合CCD剪切照相,并经过计算机进行数字图像处理来检测与识别航空复合材料的分层及损伤程度;为了验证技术的可行性,通过对预制损伤的蜂窝夹层复合材料标准试件进行了检测,很好地检测出了损伤位置及大小,因此技术是完全可行的,可以应用于复合材料的快速检测.

2.期刊论文 徐文峰.廖晓玲.XU Wenfeng.LIAO Xiaoling C/C复合材料的无损检测研究 -材料导报2008,22(z3)

C/C复合材料综合了碳材料优良的高温性能和复合材料优异的力学性能,它既可以作为功能材料,又可以作为高温结构材料使用,是目前唯一可用于2800℃高温的复合材料.无损检测是材料质量与安全保证的可靠手段,作为新型的结构材料,C/C复合材料的无损检测研究具有十分重要的意义.介绍了近年来有关C/C复合材料的无损检测研究的进展情况,并评价了可供C/C复合材料使用的无损检测技术.

3.期刊论文 王成亮.杨波.WANG Cheng-liang.YANG Bo 飞机复合材料超声红外无损检测实验研究 -激光与红外2010,40(4)

结合飞机复合材料无损检测需求,介绍了复合材料试件的材料工艺,分析了超声红外无损检测技术的基本原理及其特点,并对几块复合材料试件进行了无损检测实验,通过实验结果的分析、评估显示,超声红外无损检测可以有效检测复合材料试件中的缺陷,特别是闭合类缺陷.

4.学位论文 李俊 高分子复合材料DSPI无损检测关键技术研究 2009

高分子复合材料的快速发展，对无损检测技术提出了新的要求，迫切需要在检测过程中实现从检测、信息处理到缺陷识别全过程的自动化。相对于传统无损检测方法，DSPI是高分子复合材料内部气泡、脱层等缺陷的有效检测手段，技术本身良好的敏感性不但对检测光学系统本身提出了较高的要求，对信息后处理的原理和方法也提出了更高的要求，信息表征、噪声抑制、相位提取以及特征提取方法直接或间接影响到无损检测的效果和缺陷识别的准确性，影响到该技术的抗干扰能力。同时，缺陷识别作为DSPI无损检测的最终目标，在传统的单一特征和单一粒度条件下，往往难以建立有效的缺陷识别模型，导致DSPI在应用于复合材料无损检测过程中，对缺陷的自动识别几乎没有成功的案例。为此，本论文以高分子复合材料DSPI无损检测缺陷识别为目标，围绕上述几个关键问题展开研究，论文主要内容及取得的成果如下：<br>　　

（1） DSPI无损检测基本原理及影响因素。在DSPI无损检测基本原理及无损检测缺陷特征参量提取过程的形式描述基础上，从干扰和信息处理两个方面对DSPI无损检测的主要影响因素进行分析，为后续研究奠定基础。<br>　　

（2） DSPI信息表征原理及表征方法研究。根据散斑干涉理论和对DSPI信息表征本质的分析，建立了DSPI信息表征原理的相关条纹广义度量空间，有助于对相关条纹表征算法进行分析和研究，并以传统表征方法为基础进行了验证；在此基础上，利用加载前后散斑场随机分布之间的关系，建立相关条纹的交叉熵表征方法，并进行了详细的理论证明；根据传统表征方法存在的不足，在散斑统计理论基础上进行合理的假设，推导出了三种改进后的表征方法。<br>　　

（3）噪声抑制与相位提取方法研究。从理论上推导了邻域内散斑噪声强度与图像灰度之间的关系，并根据散斑噪声调制下图像的不确定性特点，利用散斑噪声强度．灰度关系，提出了滤波系数的熵影响因子，同时利用粗集方法对条纹边缘的方向进行估计，建立了结合熵和粗集的散斑噪声自适应滤波算法；根据散斑统计原理，针对传统四步相移和空间（载波）相移存在的局限性，在DSPI信息表征方法研究的基础上，建立了三种单步相移下的相位提取算法，有利于提高检测速度和降低环境干扰的影响。<br>　　

（4） DSPI无损检测特征提取方法研究。针对传统的图像特征提取方法存在的局限性，根据视觉系统的特点，从多尺度几何分析、图像特征点的空间拓扑关系和图像空间矢量场方向出发，进行DSPI无损检测特征提取方法的研究。建立了基于Curvelet变换的DSPI无损检测缺陷边缘提取方法；提出了图像特征提取的特征离散度和方向离散度方法，并建立相应的DSPI无损检测特征提取算法。<br>　　

（5） DSPI缺陷识别的多粒度商空间方法研究。根据对DSPI无损检测信息分布特性和粒度特点的分析，建立了DSPI无损检测缺陷识别的多粒度商空间分析方法，并以橡胶基复合材料为对象进行了缺陷识尉应用，应用表明所建立的DSPI无损检测缺陷多粒度识别方法较传统识别方法具有较高的准确性，同时验证了论文所建立的主要算法在DSPI无损检测缺陷识别过程中的有效性。

5.期刊论文 郭兴旺.刘颖韬.郭广平.杨党纲.Guo Xingwang.Liu Yingtao.Guo Guangping.Yang Danggang 脉冲相位法及其在复合材料无损检测中的应用 -北京航空航天大学学报2005,31(10)

为了抑制各种因素的干扰,提高脉冲热像无损检测对复合材料的缺陷探测能力,研究了基于像素点时间信号FFT(Fast Fourier Transform)的脉冲相位法及其在复合材料结构检测中的应用.介绍了利用脉冲相位法进行脉冲热像数据处理的原理,讨论了信号处理中的频域混叠和频谱泄漏问题,进行了碳纤维增强塑料试件的脉冲相位法检测实验,以信噪比为指标对图像处理效果进行了定量比较.通过实验说明脉冲相位法不仅具有快速获取原始热像、对表面加热不均不敏感、无需预先知道无缺陷区的位置的优点,而且对随机噪声有较好的抗干扰能力,所得的相位图像有较高的信噪比,因此是复合材料结构无损检测和评估的有效方法.

6.会议论文 张晓燕.段玉霞.沈京玲.金万平 C/SiC复合材料层压板的红外热波无损检测 2007

C/SiC复合材料由于具有良好的高温力学性能,低密度,耐腐蚀,耐磨损等特点,在航空航天领域得到了广泛的应用。但是材料中的分层、疏松、夹杂等缺陷会大大降低复合材料的性能,严重影响它的应用,有必要对其进行严格的无损检测。本文描述了运用红外热波无损检测技术对C/SiC复合材料层压板的检测。实验结果表明,该技术可对C/SiC复合材料层压板作快速、有效、直观的检测。

7.期刊论文 汤剑飞.汪勇 基于激光错位散斑干涉技术的复合材料无损检测 -南京航空航天大学学报2005,37(1)

采用激光错位散斑干涉(Shearography)检测技术对含损伤的复合材料试件进行了无损检测,准确地确定损伤的位置,根据离面位移一阶导数的峰-峰值估算了缺陷大小,与实际相符.并通过试验证明了加载时间会对检测结果产生重要的影响.应用Shearography技术对直升机复合材料旋翼进行无损检测,证明其有快速、全场、非接触等优点,适合于大型复合材料结构的快速检测.

8.学位论文 王永茂 复合材料红外无损检测技术研究 2003

该文用数学分析和计算机模拟两种手段,计算一维样品有缺陷区和无缺陷区的表面温度,并根据有缺陷区域表面温度随时间变化的特性,确定缺陷所处深度.采用计算机模拟的方法求解热流在试件内部的传播,研究了缺陷深度、缺陷大小、试件厚度、试件大小、环境温度,脉冲加热功率以及不同材料对热流的影响,得出了结论,同时讨论了脉冲红外热像检测能力与缺陷深度、大小及检测时间的关系.给出了材料内部缺陷深度和大小的定量检测方法,另外发现金属材料近表缺陷对应的峰值时间在红外热像时间序列中无法表现出来,又提出一种避开峰值时间进行定量分析的方法.在前人基础上,对峰值时间、材料热传导系数、缺陷大小和深度进行拟合研究.

9.会议论文 高成强.王汉功.刘小方.阳能军 大型复合材料构件的无损检测方法研究 2008

复合材料无损检测技术的现状与展望

纤维增强型复合材料以其比强度和比模量高、制造工艺整体性强等优点，在武器装备上得到了广泛应用。但由于复合材料的多相性、非均匀性、各向异性，以及装备用复合材料构件结构复杂、体积庞大等特点，对其进行无损检测及寿命评估的难度非常大。本文分析了纤维增强型复合材料的特点及常见缺陷，针对单一检测手段的局限性，提出了综合运用声发射和超声两种方法对大型复合材料构件进行现场检测的思路。

10.会议论文 金虎.任华友.杨宝刚 碳/碳复合材料的CT无损检测技术研究 2004

文章讨论了如何利用CT技术对碳/碳复合材料的内部缺陷进行无损检测,这些缺陷包括:碳布层分布不均、碳纤维束缺束或断束、存在金属夹杂物、碳布疏松、内部材料密度不均等,以及如何用CT值定量定义碳/碳复合材料内部存在的缺陷.

引证文献(9条)

1.谢从珍.张尧.郝艳捧.原学军.魏强华 应用超声波探伤仪检测复合绝缘子的内部缺陷[期刊论文]-高电压技术 2009(10)2.李达.陈先有 无损检测技术在航空复合材料结构领域的应用分析[期刊论文]-航空科学技术 2008(1)

3.刘松平.刘菲菲.郭恩明.李乐刚.曹正华 炭纤维织物复合材料微结构超声成像方法[期刊论文]-复合材料学报 2008(3)4.陈先有.曹金华.黄俊波 航空用复合材料结构件无损检测技术分析[期刊论文]-国防技术基础 2007(8)5.熊国雄 碳纤维复合材料孔加工技术及表面质量分析[学位论文]硕士 20056.李功燕 材料声阻抗高精度重建关键技术的研究[学位论文]硕士 2004

7.杨蕾.曹恒 一种新型NDT技术--双频红外检测的研究与应用[期刊论文]-仪器仪表学报 2003(z1)8.黄松岭.李路明.杨海青.施克仁 复合材料胶接缺陷的红外热像检测[期刊论文]-宇航材料工艺 2002(6)9.李路明.黄松岭.杨海青.徐可北 复合材料分层缺陷的红外热像检测[期刊论文]-航天制造技术 2002(2)

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授权使用：北京航空航天大学(bjhkht)，授权号：b336b1c4-5cce-47ad-b100-9e30014cd896

下载时间：2010年11月16日

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