航空復合材料與缺陷的無損檢測
2015-08-26
無損檢測(Non-Destructive Testing，NDT)即采用非破壞性手段，利用聲、光、電、熱、磁和射線等技術(shù)探測材料、構(gòu)件內(nèi)部的孔隙、夾雜、裂紋、分層等影響其使用的缺陷及其位置。目前，航空復合材料無損檢測方法主要有超聲檢測、射線檢測等。本文結(jié)合常見缺陷類型，論述了航空復合材料對無損檢測技術(shù)的需求，介紹了幾種航空復合材料無損檢測技術(shù)的現(xiàn)狀及其應用，并且針對航空復合材料無損檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢進行了展望。
航空復合材料與缺陷的無損檢測
復合材料具有重量輕、比強度高、比剛度高、耐疲勞、可設(shè)計性等優(yōu)點，有利于航空飛行的減重，因而獲得越來越廣泛的應用。纖維增強復合材料在物理性能上的各向異性、聲衰減嚴重等特點使其在無損檢測方面與傳統(tǒng)金屬材料存在區(qū)別，如何進行復合材料內(nèi)部的質(zhì)量控制成為研究熱點。下面結(jié)合復合材料常見的缺陷類型，簡述航空復合材料對無損檢測的技術(shù)需求。
復合材料中的缺陷類型一般包括：裂紋、樹脂開裂、斷裂、膠接缺陷、空隙、分層、夾雜物、溢膠、脫膠、膠層超厚或超薄、纖維斷裂與卷曲、貧膠、厚度偏離、磨損、劃傷、樹脂堆積、鋪層皺折、凹坑、凸起、積瘤等。其中裂紋、斷裂、空隙、分層等一般是航空復合材料構(gòu)件上最主要的缺陷。航空復合材料構(gòu)件常見的缺陷類型、影響及檢測特點。
微波檢測
作為一種高頻電磁波，微波的特點是波長短、頻率高、頻帶寬，其波長在1mm~1000mm 之間，頻率通常為300MHz~300GHz。微波在復合材料中穿透能力強、衰減小，可以克服其它檢測方法的不足，如超聲波在復合材料中衰減大、難以檢測內(nèi)部較深部位的缺陷，射線對平面型缺陷檢測靈敏度低等，微波檢測對復合材料結(jié)構(gòu)中的孔洞、疏松、基體開裂、分層和脫粘等缺陷具有較高的靈敏性。
1967 年，美國空軍燃燒控制工程實驗室使用頻率為9.6GHz(X- 波段) 和35GHz(Ka 波段) 的微波，利用反射法對塑料薄片厚度進行測量，精度可達0.125mm。該實驗室對環(huán)氧樹脂樣品進行掃描，能夠檢測出直徑為1.02mm~5.8mm 的缺陷;掃描纖維纏繞增強塑料，能夠檢測到內(nèi)部面積小至直徑1.2mm、分別在厚度2.5mm~50mm 的塑料與4.0mm~75mm的橡膠襯墊之間的脫粘;利用穿透法測定微波的能量變化能夠檢測到0.02mg/cm3 的密度變化。上世紀70 年代以來，美國AD 報告和NASA報告大量介紹了大型固體火箭發(fā)動機的微波無損檢測，主要有駐波干涉法、反射法和散射法。駐波法一般用于測厚反射法可以發(fā)現(xiàn)固體推進劑內(nèi)深600mm 處直徑25mm 的氣孔缺陷。
綜上所述，雖然用于航空復合材料的無損檢測技術(shù)有多種，但每種技術(shù)都有其特定的應用范圍和優(yōu)缺點，單一方法難以實現(xiàn)對所有類型缺陷的檢測，通常需要多種方法相結(jié)合。隨著復合材料在航空結(jié)構(gòu)件上應用比例的不斷提高，為保障飛行安全，監(jiān)控復合材料結(jié)構(gòu)的內(nèi)部質(zhì)量受到越來越廣泛的關(guān)注。因此，航空復合材料無損檢測技術(shù)也越來越多地應用于航空復合材料結(jié)構(gòu)成型、裝配、試驗、維護和使用的全過程中。
無損檢測(Non-Destructive Testing，NDT)即采用非破壞性手段，利用聲、光、電、熱、磁和射線等技術(shù)探測材料、構(gòu)件內(nèi)部的孔隙、夾雜、裂紋、分層等影響其使用的缺陷及其位置。目前，航空復合材料無損檢測方法主要有超聲檢測、射線檢測等。本文結(jié)合常見缺陷類型，論述了航空復合材料對無損檢測技術(shù)的需求，介紹了幾種航空復合材料無損檢測技術(shù)的現(xiàn)狀及其應用，并且針對航空復合材料無損檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢進行了展望。
航空復合材料與缺陷的無損檢測
復合材料具有重量輕、比強度高、比剛度高、耐疲勞、可設(shè)計性等優(yōu)點，有利于航空飛行的減重，因而獲得越來越廣泛的應用。纖維增強復合材料在物理性能上的各向異性、聲衰減嚴重等特點使其在無損檢測方面與傳統(tǒng)金屬材料存在區(qū)別，如何進行復合材料內(nèi)部的質(zhì)量控制成為研究熱點。下面結(jié)合復合材料常見的缺陷類型，簡述航空復合材料對無損檢測的技術(shù)需求。
復合材料中的缺陷類型一般包括：裂紋、樹脂開裂、斷裂、膠接缺陷、空隙、分層、夾雜物、溢膠、脫膠、膠層超厚或超薄、纖維斷裂與卷曲、貧膠、厚度偏離、磨損、劃傷、樹脂堆積、鋪層皺折、凹坑、凸起、積瘤等。其中裂紋、斷裂、空隙、分層等一般是航空復合材料構(gòu)件上最主要的缺陷。航空復合材料構(gòu)件常見的缺陷類型、影響及檢測特點。
微波檢測
作為一種高頻電磁波，微波的特點是波長短、頻率高、頻帶寬，其波長在1mm~1000mm 之間，頻率通常為300MHz~300GHz。微波在復合材料中穿透能力強、衰減小，可以克服其它檢測方法的不足，如超聲波在復合材料中衰減大、難以檢測內(nèi)部較深部位的缺陷，射線對平面型缺陷檢測靈敏度低等，微波檢測對復合材料結(jié)構(gòu)中的孔洞、疏松、基體開裂、分層和脫粘等缺陷具有較高的靈敏性。
1967 年，美國空軍燃燒控制工程實驗室使用頻率為9.6GHz(X- 波段) 和35GHz(Ka 波段) 的微波，利用反射法對塑料薄片厚度進行測量，精度可達0.125mm。該實驗室對環(huán)氧樹脂樣品進行掃描，能夠檢測出直徑為1.02mm~5.8mm 的缺陷;掃描纖維纏繞增強塑料，能夠檢測到內(nèi)部面積小至直徑1.2mm、分別在厚度2.5mm~50mm 的塑料與4.0mm~75mm的橡膠襯墊之間的脫粘;利用穿透法測定微波的能量變化能夠檢測到0.02mg/cm3 的密度變化。上世紀70 年代以來，美國AD 報告和NASA報告大量介紹了大型固體火箭發(fā)動機的微波無損檢測，主要有駐波干涉法、反射法和散射法。駐波法一般用于測厚反射法可以發(fā)現(xiàn)固體推進劑內(nèi)深600mm 處直徑25mm 的氣孔缺陷。
綜上所述，雖然用于航空復合材料的無損檢測技術(shù)有多種，但每種技術(shù)都有其特定的應用范圍和優(yōu)缺點，單一方法難以實現(xiàn)對所有類型缺陷的檢測，通常需要多種方法相結(jié)合。
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