复合材料无损检测方法.pdf

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1、综 述复合材料无损检测方法刘怀喜,张 恒,马润香(郑州大学 机械学院,河南郑州 450052)摘 要:介绍国内外常用的复合材料无损检测方法,如超声检测法、X射线检验法、计算机层析照相检测法、微波检测法、声2超声检测法和声发射检测法等的原理、应用范围和进展,最后介绍声发射技术应用于检测复合材料飞轮损伤与断裂的初步研究情况。关键词:复合材料;超声检验;射线检验;声发射检测;微波检测;综述中图分类号:TG115.28 文献标识码:A 文章编号:100026656(2003)1220631204NONDESTRUCTIVE TESTING TECHNIQUES FOR COMPOSITE MATERI

2、ALSLIU Huai2xi,ZHANG Heng,MA Run2xiang(Mechanical Institute,Zhengzhou University,Zhengzhou Henan 450052,China)Abstract:The principle,application and development of nondestructive testing techniques for composite includingultrasonic testing,X2ray testing,computer2aided tomography,microwave testing,ac

3、oustic2ultrasonic testing and acousticemission testing home and abroad are introduced.The detection of the damage and fracture of composite flywheel byacoustic emission is described also.Keywords:Composite;Ultrasonic testing;Radiographic testing;Acoustic emission testing;Microwave testing;Sur2vey20世

4、纪复合材料在工业部门得到了广泛应用,领域涉及航空航天、汽车、海洋工程甚至超导工程,其中无损检测技术发挥了十分重要的推动作用。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,即使经过研究和试验制定了合理的工艺,但在复合材料结构件的制造过程中还有可能产生缺陷,引起质量问题,甚至导致整个结构件的报废,造成重大经济损失。因此自20世纪70年代起,国外针对复合材料的制造和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的检测方法,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,发现完全采用金属材料无损检测方法不能解决复合材料检测问题。20世纪80年代后,许多适

5、应复合材料特点的无损检测新技术、新方法相继诞生,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收稿日期:2003208219基金项目:国家自然科学基金资助项目(19972063)要作用。如今无损检测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。1 复合材料检测方法及应用1.1 超声检测法超声波是指频率 20kHz的声波,其波长与材料内部缺陷的尺寸相匹配1。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

6、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,宜采用水浸式反射板法;对于小或稍厚的复杂结构件,无法采用水浸式反射板法时,可采用水浸或喷水脉冲反射136第25卷第12期2003年12月无损检测NDTVol.25No.12Dec.2 0 0 3法和接触延迟块脉冲反射法;对于大型结构和生产型的复合材料构件的检测宜采用喷水穿透法或喷水脉冲反射法。由于复合材料组织结构具有明显的各向异性,而且性能的离散性较大,因而,产生缺陷的机理复杂且变化多样,再加上复合材料构

7、件的声衰减大,由此引起的噪声与缺陷反射信号的信噪比低,不易分辨2,所以检测时应选合适的方法。超声检测技术,特别是超声C扫描,由于显示直观、检测速度快,已成为飞行器零件等大型复合材料构件普遍采用的检测技术。ICI Fiberite公司采用九轴C扫描对蜂窝泡沫夹心等复杂结构的复合材料构件进行无损检测。麦道公司专为曲面构件设计的第五代自动超声扫描系统可在九个轴向运动,并能同时保证脉冲振荡器与工件表面垂直3。该系统可完成二维和三维数据采集,确定大型复杂构件内的缺陷尺寸。由波音民用飞机集团等单位组成的研究小组用超声波研究复合材料机身层合板结构的冲击强度和冲击后的剩余强度,结果表明,超声波不仅可检测损伤,

8、而且能确定损伤对复合材料构件承载能力的影响。Dows公司先进的复合材料实验室用超声波确定了各种损伤参数(深度、形状、面积、直径以及分层频率等)与有机纤维复合材料压缩强度的关系。为适应复合材料制造过程的在线监控,还研制了脉冲激光超声波检测系统。该系统已成功用于复合材料固化过程的远距离非接触在线检测监控,包括温度分布、固2液态界面、微观结构、再生相(疏松、夹杂物)以及粘流2粘滞特性的检测4。1.2X射线检验法X射线无损探伤是检测复合材料损伤的常用方法。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方法5,对增强剂分布不匀也有一定的检出能力,因此是一种不可缺少的检测手段。该

9、方法检测分层缺陷很困难,裂纹一般只有当其平面与射线束大致平行时方能检出,所以该法通常只能检测与试样表面垂直的裂纹,可与超声反射法互补。随着计算机技术的飞速发展,X射线实时成像检测技术应运而生,开始应用于结构的无损探伤。其原理可用两个转换来概述,即X射线穿透材料后被图像增强器接收,图像增强器把不可见的X射线检测信息转换为可视图像,称为光电转换;就信息的性质而言,可视图像是模拟量,不能为计算机所识别,如要输入计算机进行处理,需将模拟量转换为数字量,进行模/数转换,再经计算机处理将可视图像转换为数字图像。其方法是用高清晰度电视摄像机摄取可视图像,输入计算机,转换为数字图像,经计算机处理后,在显示器屏

10、幕上显示出材料内部的缺陷性质、大小和位置等信息,按照有关标准对检测结果进行缺陷等级评定,从而达到检测的目的。数字图像的质量可以与X射线照相底片相媲美。X射线实时成像无论在检测效率、经济性、表现力、远程传送和方便实用等方面都比照相底片更胜一筹,因而具有良好的发展前景。1.3 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多年历史。这项工作的开展首先利用的是医用CT扫描装置,由于复合材料和非金属材料元素组成与人体相近,医用CT非常适于检测其内部非微观(相对于电子显微镜及金相分析)缺陷以及测量密度分布,但医用CT不适合检测大尺寸、高密度(如金属)物体,因此,20世纪80年代初,美

11、国ARACOR公司率先研制出用于检测大型固体火箭发动机和小型精密铸件的工业CT。其特点是空间分辨力和密度分辨力高(通常 0.5%)、检测动态范围大6、成像的尺寸精度高,可实现直观的三维图像,在足够的穿透能量下试件几何结构不受限制。其局限性表现为检测效率低、检测成本高、双侧透射成像(相对于反射式CT)不适于平面薄板构件以及大型构件的现场检测。CT主要用于 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)。精确测量内部结构尺寸(如发动机叶片壁厚)。检测装配结构和多余物。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)7。1.4 微波检测

12、法微波无损检测技术始于20世纪60年代,作为一种新的检测技术正日益受到重视。微波是一种高频电磁波,其特点是波长短(11 000mm)、频率高(300MHz300GHz)、频带宽。微波无损检测的基本原理是综合利用微波与物质的相互作用,一方面微波在不连续界面产生反射、散射和透射,另一方面微波还能与被检材料产生相互作用,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改变即可达到检测材料内部缺陷的目的。236刘怀喜等:复合材料无损检测方法微波在复合材料中的穿透力强、衰减小,因此适于复合材料无损检测。它可以克服一般检测方法的不足,如超声波在复合材料中衰减大,难以穿透,较难检

13、验其内部缺陷;X射线法对平面型缺陷的射线能量变化小,底片对比度低,因此检测困难。微波对复合材料制品中难以避免的气孔、疏孔、树脂开裂、分层和脱粘等缺陷有较好的敏感性。据报道,美国在20世纪60年代就采用微波进行无损检测。后来又利用毫米微波段对大型导弹固体火箭发动机玻璃钢壳体内的缺陷和喷管内部质量进行检测,其工作频率从最初的10GHz提高到目前的300GHz以上。陆荣林等8用微波反射法测量不同复合材料中孔洞型缺陷,证实了Rockwitz等提出的针对金属介质的微波无损检测理论同样适用于复合材料。1.5 声2超声检测法声2超声(Acoustic2Ultrasonic,简称AU)技术又称应力波因子(St

14、ress Wave Factor,简称SWF)技术。与通常的无损检测方法不同,AU技术主要用于检测和研究材料中分布的细微缺陷群及其对结构力学性能(强度或刚度)的整体影响,属于材料完整性评估技术9,10。AU技术的基本原理为,采用压电换能器或激光照射等手段在材料(复合材料或各向同性材料)表面激发脉冲应力波,应力波在内部与材料的微结构(包括纤维增强层合板中的纤维基体,各种内在的或外部环境作用产生的缺陷和损伤区)相互作用,并经过界面的多次反射与波型转换后到达置于结构同一或另一表面的接收传感器(压电传感器或激光干涉仪),然后对接收到的波形信号进行分析,提取一个能反映材料(结构)力学性能(强度和刚度)的

15、参量,称为应力波因子。AU的基本思想是应力波的传播效率更有效,即提取的SWF数值越大,相当于材料(结构)的强度、刚度和断裂韧度更高,或材料内损伤更少。AU技术在石墨2环氧单向板的冲击损伤测试中曾有很好的SWF与冲击次数的关联关系11。宁志威和孙良新12采用普通压电陶瓷传感器和数字式示波器替代商用声发射仪器,对具有预冲击脱层损伤的碳2碳复合材料薄板作了AU测试。结果表明,AU测试能较好地检测损伤的存在。1.6 声发射检测法声发射(AE)又称应力波发射,是指物体在受力作用下产生变形、断裂或内部应力超过屈服强度而进入不可逆的塑性变形,以瞬态弹性波形式释放应变能的现象。随着声发射研究领域的扩大,声发射

16、的含义也已广义化,如泄漏、轴承的滑动、钻井过程和木材干燥时发出的声音等也被称为AE13。声发射作为一种检测技术起步于20世纪50年代的德国;60年代该技术在美国原子能和宇航技术中迅速兴起,并首次应用于玻璃钢固体发动机壳体检测;70年代,在日本、欧洲及我国相继得到发展,但因当时的技术和经验所限,仅获得有限的应用;80年代开始获得较为正确的评价,引起许多发达国家的重视,在理论研究、实验研究和工业应用方面做了大量的工作,取得了相当的进展。声发射理论和技术研究主要围绕声发射源识别和评价两个问题,内容概括为 不同声发射源模式或物理机制的理论与实验研究。声发射波在固体材料中的传播理论。声发射信号与材料微观

17、力学特性和断裂特性之间的关系。研制多参量、多功能、高速度和实时分析的数字式新型声发射检测分析仪。声发射信号处理(如利用人工神经网络技术对声发射源特性进行模式识别、模糊综合评价)的新理论、新方法。声发射检测/监测、评价的新方法及标准。声发射含义的广义化,即扩展新的研究和应用领域。声发射技术用于结构完整性评价的经济和可靠性分析等。声发射检测已应用于航空、航天、石油、化工、铁路、汽车、建筑和电力等许多领域,是一种重要的无损检测技术,它与常规无损检测技术相比有两个基本特点,其一是对动态缺陷敏感,在缺陷萌生和扩展过程中能实时发现;其二是声发射波来自缺陷本身而非外部,可以得到有关缺陷的丰富信息,检测灵敏度

18、与分辨力高。与其它无损检测技术相比,其优点是 可获得关于缺陷的动态信息,并据此评价缺陷的实际危害程度以及结构的完整性和预期使用寿命。对大型构件,无需移动传感器作繁杂的扫查操作,只要布置好足够数量的传感器,经一次加载或试验即可大面积检测缺陷的位置和监视缺陷的活动情况,操作简便、省时省工。可提供随载荷、时间和温度等外部变量而变化的实时瞬态或连续信号,适用于过程监控以及早期或临近破坏的预报。对被检工件的接近要求不高,因而适用于其它无损检测方法难以或无法接近(如高低温、核辐射、易燃、易爆和极毒等)环境下的检测。对构件的几何形336刘怀喜等:复合材料无损检测方法表1 复合材料常用无损检测方法比较方法适用

19、范围优点缺点超声波法 内部缺陷(疏松、分层、夹杂物、孔隙和裂纹)检测、厚度测量和材料性能表征 易于操作、快速、可靠、灵敏度高、精确度高,可精确确定缺陷的位置与分布 操作者须经过专门培训,需使用耦合剂,对不同缺陷要使用不同的探头X射线法 表面微裂纹、孔隙、夹杂物(特别是金属夹杂物)、贫胶、纤维断裂等 灵敏度高,可提供图像,进行灵活的实时检测,可检测整体结构 对人体有害,操作者必须经过专门培训,需要图像处理设备计算机层析 照 相 法(CT)裂纹、夹杂物、气孔、分层、密度分布 空间分辨力高、检测动态范围大、成像的尺寸精度高、可实现直观的三维图像 检测效率低,成本高,双侧透射成像,不适于平面薄板构件以

20、及大型构件的现场检测声2超声法 检测细微缺陷群(孔隙、基体裂纹、纤维断裂、富胶、固化不足等)适于材料完整性评估损伤产生的信号与噪声较难区分声发射法 加载过程中产生的各种损伤及损伤的扩展 能检测缺陷和损伤等的动态状态,只需要接收传感器损伤产生的信号与噪声较难区分热成像法厚度较薄的复合材料检测提供全场图像要求工件表层有较好的热吸收率微波法 较大的物理缺陷,如脱胶、分层、裂纹、孔隙等操作简单、直观,可自动显示,无需预处理仅适于较大缺陷的检测目视法表面裂纹与损伤快速、简便、成本低人为因素大渗透法表面开口裂纹与分层简便、可靠、快速 检测前必须清洁工件,渗透液和显影液有污染状不敏感,适用于其它方法不能检测

21、的复杂形状构件。适用范围广,几乎所有材料在变形和断裂时均产生声发射。1.7 其它检测方法其它常用于复合材料损伤检测的还有目视法、敲击法、渗透法和红外成像法等。其中目视法和渗透法最简便、廉价和粗略。各种方法的优缺点及适用范围列于表1。任何物体,只要其温度高于绝对零度,都从表面发出与温度有关的热辐射能。红外热像检测的基本原理14是利用被检物体的不连续性缺陷对热传导性能的影响,在物体表面的局部区域产生温度梯度,导致物体表面红外辐射能力发生差异,根据这种差异即可推断物体内部是否存在缺陷。检测方法分两种,有源红外检测法,又称主动红外检测法。它利用外部热源向被检测工件注入热量,再借助设备测得工件表面各处热

22、辐射分布来判断缺陷。无源红外检测法,又称被动红外检测法。其特征是利用工件本身热辐射进行测量,无需任何外加热源。2 研究方向通过以上总结可知,复合材料无损检测的方法很多,每种方法都有其适用范围;有些方法较为成熟,还有些方法存在一些问题有待解决。笔者承担的自然科学基金资助项目为复合材料飞轮的损伤与断裂研究,复合材料飞轮的工况是周期性超高速运转,对其危害最大的是活动性的缺陷与损伤。因此在此课题中拟采用声发射技术检测飞轮损伤的形成与发展,并与现代断裂力学和损伤力学结合起来,为飞轮的损伤容限设计提供依据,通过人工神经网络方法对损伤程度进行识别和预报。参考文献:1 Josep HB,et al.Model

23、 control of voice and productthickness during autoclave curing of carbon/epoxy com2posite laminates J.Journal of Composite Materials,1995,(8):1000-1023.2Prosser WH,et al.Advanced waveform based acoustic2e2mission detection of matrix tracking in compositesJ.Materials Evaluation,1995,53(9):1052.3Krist

24、en Weight.An overview of NDE methods for thickcomposites and proposal for analysis of computed technol2ogy dataR.ADA288733,1994.4Robert E,Green JR.Nondestructive characterization ofmaterial propertiesJ.Mechanical Engineering,1987,109(2):268.5Jiang Futang,He Shuangqi.Ultrasonic and radiographytesting

25、 of metal matrix compositeA.7th Asian2PacificConference on Nondestructive Testing C.Shanghai:1993.240.6Armistead Rober A.CT:quantitative 32D inspectionJ.Metal Progress,1988,133(3):42-48.(下转第656页)436刘怀喜等:复合材料无损检测方法在洛阳市召开(62295)无损检测理化检验 物理分册理化检验 化学分册19632001年度过刊光盘已出版发行(62316)JB/T 6066和JB/T 7523标准征求意见稿

26、已在网上刊载(62331)2003年中国机械工程学会年会开始征文(72351)中国国际物料搬运与物流技术展览会将于8月在沪举行(72351)2003中国(南京)首届城市与工业安全国际会议暨技术设备展示会将在南京举行(72381)机械工业上海无损检测培训中心2003年下半年招生通知(72381)第八届全国无损检测大会暨国际无损检测技术研讨会电力系统第九届无损检测学术会议将于9月在苏州举行(82394)中国光电行业商务指南 即将出版(82427)有关美国ASNT证书转换美国ACCP等证书的通知(82435)第16届世界无损检测会议征文(92446)九项无损检测国家标准送审稿通过审查(92461)第

27、16届世界无损检测会议将在加拿大召开(102514)闸桥厢梁及球铰重点受力部位超声波相控阵检测系统通过鉴定(102518)欢迎浏览无损检测资讯网(102523)提供信息 为你服务 助你进步 中国无损检测学会信息网成立五周年(102547)中国机械工程学会无损检测分会无损检测 级(高级)人员取证培训班通知(112550)第十届全国声发射学术研讨会征文(112594)深圳市发利构件机械技术服务有限公司诚聘(122605)2004大连国际分析计量测试、无损检测展览会(122608)第八届中国国际质量控制与测试工业设备展览会胜利闭幕(122637)其 它贺岁寄语(121)制造业与现代化(摘登)(122

28、)团结奋斗 开拓创新 建设制造强国(摘登)(127)团结奋斗 与时俱进 让无损检测事业再创辉煌(1213)无损检测 征稿简则(1262)作者须知(62293)沉痛哀悼无损检测分会创始人陶亨咸同志(82438)中国机械工程学会无损检测分会第八届全国年会、国际无损检测技术研讨会暨展览会在苏州成功举办(112549)中国机械工程学会无损检测分会第八届委员会组织机构(112551)(上接第634页)7ASTM E14411993,Standard Guide for Computed To2mography(CT)ImagingS.8 陆荣林,费云鹏,白宝泉.微波检测原理及其在复合材料中的应用J.玻璃

29、钢/复合材料,2001,(2):40-41.9Vary A.Acoustic2ultrasonic in nondestructive testing offiber reinforced plastics compositesJ.Elsevier AppliedScience,1990,28(1):1-54.10Vary A,Lark RF.Correlation of fiber composite tensilestrength with the ultrasonic stress wave factorJ.Jour2nal of Testing and Evaluation,1979,

30、7(4):185-191.11Williams J H,Lampert NR.Ultrasonic evaluation of im2pact2damaged graphite fiber compositeJ.Materials E2valuation,1980,38(12):68-72.12 宁志威,孙良新.声2超声技术在碳2碳复合材料薄板损伤检测中的应用J.振动、测试与诊断,2001,21(1):15-20.13 戴 光.压力容器安全工程学M.哈尔滨:黑龙江科学出版社,1995.14 朱建堂.激光、红外和微波无损检测技术的应用与发展J.无损检测,1997,19(11):314-316.欢

31、 迎 订 阅2004年 宁夏石油化工宁夏石油化工 是国内外公开发行的石化类综合性科技期刊,1981年创刊。本刊主要栏目有专论与综述、企业风采、科研与生产、化工产品的分析与测试、化工设计、化工机械、新产品、新工艺、新技术的开发及应用、化工环保、安全生产、工业自动化、政策要闻、国内外科技信息、市场信息、主要化工产品的统计与价格等。本刊为季刊,大16开,全年订价32元(含邮费),自办发行。订阅者可与编辑部联系,也可在当地邮局订阅,邮发代号:74235。收款单位:宁夏石油化工 编辑部;开户银 行:银 川 市 工 商 行 西城 支 行;帐 号:2902002109200023060(注明订阅2004年 宁夏石油化工);地址:银川市文化西街107号;联系人:张萍;电话:095125045375;邮编:750001;传真:095125041112。656本刊2003年总目次