民机复合材料超声无损检测技术

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1、民机复合材料超声无损检测技术摘要：随着现代航空航天业对复合材料应用的不断增多，对这些材料的检测日益成为该领域的重点和难点。本文主要介绍了一些常用的与航空航天复合材料相适应的超声无损检测技术。关键字：航空航天复合材料无损检测超声检测C扫描检测RF超声检测空气耦合1.引言复合材料是指由两种或两种以上不同的物质以不同方式组合而成的材料，它可以发挥出各种材料的优点，克服单一材料的缺陷，扩大材料的应用范围。由于复合材料具有重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀和耐候性等特点，已逐步取代木材及金属合金，广泛应用于航空航天领域，近几年更是取得了飞速的

2、发展。然而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，制造过程复杂，在制作成型过程中受设备、环境、人员及原材料等因素的影响极易在产品内部产生空穴、裂纹、分层、多孔、输送、界面分离、夹杂、树脂固化不良、钻孔损伤等缺陷。在应用过程中，由于疲劳积累、撞击、腐蚀等物理化学因素影响，复合材料也容易产生脱胶、分层、基本龟裂、空隙增长、纤维断裂、褶皱变形、腐蚀坑、划伤、下陷、烧伤等缺陷，这些缺陷很大一部分还是产生在复合材料的内部[1]。这些对产品的质量和安全性能影响极大，因此，对产品的检测尤为重要。用于复合材料无损检测的方法主要有超声、射线、磁粉、

3、渗透、涡流、激光全息及红外无损检测技术等，超声波检测法(Ultrasonic)10是广泛用于材料探伤的常用方法，也是最早用于复合材料无损评价的方法之一。它主要利用复合材料本身或其缺陷的声学性质对超声波传播的影响来检测材料内部和表面的缺陷，如气泡、分层、裂纹、脱粘、贫胶等[2]。超声波探伤具有灵敏度高、穿透性强、检验速度快、成本低和对人体无害等优点。因此，超声无损检测技术一直都是研究的热点，本文将对复合材料的某些超声波无损检测方法做具体的介绍。2.复合材料及其无损检测技术特点与传统的金属材料结构相比，复合材料结构是一种通过基体-增强物之间的物理结合和

4、铺层设计来达到预期性能的集材料工艺于一体的新型材料结构。其最为显著的优点是材料和结构的重量-性能比(即比性能)好、可设计性强、材料利用率高和制造工序少(从材料制备到结构成型，往往仅需要一两个热循环就能完成制造)。因此，一旦进入复合材料结构制造工序，其输出结果就是结构件，而且复合材料结构越来越复杂，结构尺寸越来越大，整体结构越来越多，如飞机机翼、机身和壁板等。复合材料的无损检测不能简单沿用金属材料检测的思维惯性和方法，而必须根据复合材料结构特点，研究和采用复合材料的无损检测技术和方法。图1典型的复合材料界面[3](1)由于复合材料内部各结构元素(如纤

5、维、树脂和铺层等)之间主要是通过物理界面相结合(图1)，而且存在明显的各向异性。大量的检测结果和破坏分析表明，最容易产生缺陷的部位正是在复合材料内部的物理界面。因此，界面缺陷的检测是复合材料无损检测的重点。特别是对于复合材料层压结构，研究和掌握其结构特点，对选择和研究复合材料无损检测技术具有正确性的指导意义。10(2)复合材料结构多为非厚度结构，厚度约0.3-40mm，因此，对复合材料的检测必须结合具体的应用对象。特别值得指出的是，复合材料不允许存在表面检测盲区。对于复合材料层压结构，单个铺层的厚度小至0.125mm，而且通常复合材料结构在厚度方向

6、不存在加工余量之说[3]。(3)对复合材料层压结构，必须充分考虑内部的微结构与所研究和选择的检测方法在检测机理、缺陷信号成因上的有机联系。例如，声波在复合材料中的传播特性的变化和缺陷识别方法就与复合材料内部微结构存在密切联系[3]。不能简单地根据换能器接收到的物理信号的变化判别缺陷是否存在。例如，图2是来自碳纤维层压复合材料内部的典型超声回波信号，图中F来自材料表面的声波反射，B来自材料底面的声波反射，D来自材料内部的声波反射。按照传统的超声检测思维惯例，信号D应是判别材料内部缺陷的依据。但在复合材料超声检测中，信号D并不是来自缺陷的反射波，而是材

7、料结构变化引起的入射声波反射。图2复合材料内部典型超声回波信号[3](4)缺陷特点与特征总是与材料、工艺和结构密切相关，因此需要掌握这些特点，才能建立正确的复合材料判别方法。103.复合材料的超声波检测技术3.1超声波检测简介超声波是指频率≥20kHz的声波，其波长与材料内部缺陷的尺寸相匹配。根据超声波在材料内部缺陷区域和正常区域的反射、衰减与共振的差异来确定缺陷的位置与大小。超声波检测主要分为脉冲反射法、穿透法和反射板法，根据不同的缺陷来选择合适的检测方法。超声波不仅能检测复合材料构件中的分层、孔隙、裂纹和夹杂物等，而且在判断材料的疏密、密度、纤

8、维取向、曲屈、弹性模量、厚度等特性和几何形状等方面的变化也有一定作用。对于一般小而薄、结构简单的平面层压板及曲率不大的构件