航空維修中復合材料的無損檢測

航空維修中的復合材料無損檢測需求分析

機體結構中需要檢測的復合材料主要分布在飛機表面，結構形式以壁板、蒙皮等板狀結構為主。飛機使用過程中，復合材料除表面損傷外，還易出現內部分層、脫粘等缺陷，這類缺陷也是航空維修中需要檢測監控的主要缺陷。

航空維修中的復合材料無損檢測工作，尤其是外場的檢測工作，與制造過程中的檢測工作有顯著不同。

首先，檢測缺陷類型不同，航空維修中僅需要檢測復合材料使用過程中產生的缺陷，例如分層、脫粘等膠接界面缺陷，而制造過程中還需要檢測氣孔、夾雜等制造缺陷。

其次，適用的檢測方法和設備差異很大，制造過程中可以從復合材料兩側進行檢測，可以采用超聲透射、X射線檢測等方法，并可以使用大型自動掃查設備，而維修過程中復合材料已經成為飛機零部件的一部分，通常僅能進行單側檢測，而且受到現場操作環境的限制，往往需要使用便攜式檢測設備。

最后，航空維修過程中的無損檢測工時需要與飛機整體的檢修周期相適應，飛機上復合材料結構件越來越多，一般檢測效率偏低，因此對復合材料的快速檢測技術也提出了迫切需求。

聲學檢測方法研究

適用于復合材料檢測的聲學檢測方法有很多，包括超聲波、聲振、聲發射等。

作為五大常規檢測方法之一，超聲波檢測技術應用廣泛，其采用延時探頭實施縱波檢測，可準確檢測出復合材料的常見缺陷，如碳纖維壁板分層缺陷、碳纖維壁板紙蜂窩結構蒙皮脫粘缺陷等。高分辨率超聲檢測技術也是目前應用最廣泛的一類復合材料檢測技術。

聲振檢測與超聲波檢測技術相比，前者將被檢工件作為一個振動結構，而后者通常將被檢工件作為超聲波脈沖傳輸的介質。聲振檢測通過檢測工件的振動阻抗率、振動幅度、振動頻率、振動相位等振動特性來判別缺陷，具體包括敲擊、聲阻抗、聲諧振、定距發送/ 接收等檢測方法。

針對外場復合材料檢測需求，在深入比較分析各類聲學檢測方法優缺點和適用范圍的基礎上，北京航空工程技術研究中心與愛德森（廈門）電子有限公司聯合研制了SMART-6000型復合材料綜合檢測儀。

該設備集成了高分辨率超聲和定距發送/接收等聲振檢測方法，并配備了各型復合材料專用檢測探頭，適用于碳纖維壁板、碳纖維壁板紙蜂窩、鋁蜂窩等常用復合材料的原位檢測，可有效檢出分層和脫粘缺陷。

采用該設備配備10MHz延時探頭，對預置分層缺陷的6mm厚碳纖維壁板試件進行了超聲縱波檢測試驗。采用配套的定距發送/接收探頭，對預置脫粘缺陷的鋁蜂窩試件進行了定距發送/接收檢測，檢測效果如下圖所示。

采用該設備，可以在外場對飛機上的各類常用復合材料實施原位檢測。但是該設備需要采用逐點掃查的方式進行檢測，近年來飛機上復合材料分布面積明顯增大，檢測效率偏低的問題日益突出。而利用滾輪探頭進行的超聲相控陣C掃描檢測技術，相比傳統A掃描超聲檢測技術，檢測效率顯著提高，該技術將是今后的一個重點發展方向。

紅外熱成像檢測方法研究

紅外熱成像檢測方法具有快速、無需耦合、非接觸、檢測結果顯示直觀等諸多優點，能夠實現對飛機復合材料的大面積、快速外場原位檢測，對脫膠、分層等故障有理想的檢測效果。

紅外熱成像檢測技術可分為主動式和被動式兩類，飛機復合材料檢測通常采用主動式檢測。主動式紅外熱波成像檢測又可以分為反射法和透射法兩種，飛機復合材料原位檢測需要從單側進行，因此通常采用反射法。

主動式紅外熱成像檢測的基本原理是：通過熱激勵源對被檢件表面進行熱波激勵；有缺陷處的表面溫度在熱傳導過程中會出現異常，紅外輻射亮度不同，通過熱像儀對紅外輻射亮度進行觀測并生成圖像，最后經過信號處理和圖像分析實現對被檢件表面和近表面缺陷的檢測和識別。其中，熱激勵源有高能閃光燈、電吹風、電熱毯、激光、鹵素燈等多種形式。

北京航空工程技術研究中心利用TWI公司生產的紅外熱成像檢測設備對預置人工缺陷的復合材料試件以及直升機槳葉等工件進行了檢測試驗。該設備采用制冷型熱像儀進行熱像采集，采用雙閃光燈陣列進行熱激勵。檢測的直升機槳葉膠接結構中，鋁蒙皮與鋁肋板通過膠層粘接到一起。由于直升機槳葉長度較長，采用了分段檢測。

試驗表明，閃光燈激勵的紅外熱成像檢測方法能夠有效檢測埋藏深度較淺的復合材料分層、脫粘等面積型缺陷，尤其適合檢測導熱較快的或蒙皮較薄的工件。

檢測現場

檢測結果

圖3 直升機槳葉紅外熱成像檢測

以閃光燈作為熱激勵源，需要大容量電容進行充放電，檢測設備小型化、便攜化困難，因此研究了采用其他形式熱激勵源的紅外熱成像檢測方法。

研制了基于鹵素燈加熱的便攜式紅外熱成像檢測系統，利用該系統對預置人工缺陷的復合材料試件進行了檢測試驗。

其中，碳纖維壁板試件厚6mm，預先加工了φ10mm和φ5mm人工缺陷各5個，距表面距離分別為1，2，3，4，5mm。

試驗結果表明，研制的設備能夠檢測出埋藏深度較淺的φ5mm人工缺陷和埋藏深度略深的φ10mm人工缺陷，但不能檢測出埋藏深度接近試件厚度的人工缺陷。

圖4 碳纖維壁板試件紅外熱成像檢測

激光剪切散斑檢測方法研究

相比紅外熱成像檢測方法，激光剪切散斑檢測方法同樣具有快速、無需耦合、非接觸、檢測結果顯示直觀等優點。

激光剪切散斑檢測方法的基本原理是：物體用相干激光照射，借助帶有雙折射晶體的圖像剪切照相機成像；雙折射晶體把一個物點分成像面上的兩個像點，從而在視頻照相機的圖像傳感器上產生一對側向錯位像，物體加載變形前后得到兩幅散斑圖像經視頻圖像探測器采集數字化；通過兩幅散斑圖相減形成新的干涉條紋圖，根據干涉條紋圖變化就可以判斷物體內部是否存在缺陷。

北京航空工程技術研究中心利用LTI公司生產的激光剪切散斑檢測設備對鋁蜂窩構件進行了檢測試驗。檢測結果直觀地顯示出了兩處脫粘缺陷。試驗結果表明，激光剪切散斑檢測技術能夠有效檢測出鋁蜂窩脫粘缺陷。

設備實物

檢測結果

圖5 鋁蜂窩構件激光剪切散斑檢測

結論與展望

不同的聲學檢測方法互補，可以實現各類常用復合材料缺陷檢測，但是傳統檢測方法效率偏低的問題突出，需要采用新技術新手段改善；紅外熱成像和激光剪切散斑檢測方法對于其適用的檢測對象和缺陷類型，可以顯著提高原位檢測效率。傳統聲學檢測方法與紅外熱成像或激光剪切散斑檢測方法配合使用，有望在確保檢測可靠性的前提下大幅提高復合材料外場檢測效率。

本文作者：郭 奇，景 鵬，耿榮生，付剛強，雷 洪，何海生（北京航空工程技術研究中心）

本文來源：《2016中國無損檢測年度報告》

很不錯的文章，我得借鑒一下。

學習啦。