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八种复合材料无损检测方法盘点

浏览量:302次发布时间:2024年02月26日

前言

复合材料是运用先进的材料制备技术,将不同性质的材料组分优化组合而成的新材料。20世纪40年代,因航空工业的

需要,发展了玻璃纤维增强塑料(俗称玻璃钢),从此出现了复合材料这一名称;50年代以后,陆续发展了碳纤维、

石墨纤维和硼纤维等高强度和高模量纤维;70年代出现了芳纶纤维和碳化硅纤维。随着复合材料在各个领域的应用越

来越广泛,特别是在航空航天、汽车、建筑、电子、新能源等领域,全球复合材料行业的现状呈现出持续增长的趋势。

随着越来越多的复合材料与结构被用于各个行业,了解如何检查它们的损坏情况是一个重要话题。本文将盘点几种常见

的复合材料无损检测方法。

无损检测(Non-Destructive Testing,NDT)是复合材料工业中的一种标准测试方法,无需切割或以其他方式改变材

料,也是制造高质量产品的基础。NDT有多种方法可供选择,有时可能需要同时使用多种方法来充分了解复合材料层压

板中的缺陷和缺陷的类型、尺寸、位置和深度等。


01 目视检测

对复合结构进行检查的一个基本且有用的方法是目视检测,它应该是检测人员使用的第一种方法,但却经常被忽视。在

光线下以浅角度观察复合材料层压板有助于发现明显的缺陷,如划痕、褶皱、桥接、表面孔隙、剥离蒙皮、分层、热损

伤等可见冲击损伤。

目视检测最重要的优点是它的快速过程,以及该过程的相对可承受性,以及不需要设备,节省了费用,但这种方法有其

固有的缺点。

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02 敲击测试

这是另一种基本的检查方法。可沿着零件的表面用敲击锤或硬币轻轻的敲击,明亮的金属声音表明结构良好;沉闷的“砰”声表示存在缺陷,例如分层或脱粘。

数字敲击锤可以测量敲击响应,并以毫秒为单位显示层压板响应所需的时间。响应时间越短,结构吸收的冲击就越少,这表明结构是实心的。当发现缺陷时,响应时间更长,导致显示器上的数字更高。

这种方法在厚度小于3.05毫米的薄层压板中更有效,而在非常厚的层压板上则没有效果。另一个缺点是它有时也会给出错误的读数,比如当背面连接了另一个结构。

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03 超声检测

这是目前应用最广泛的无损检测方法。超声检测(UT)的工作原理是将高频(0.5~25 MHz)能量波发送到层压板中,捕捉并量化这些波形的振幅和飞行时间,从而分析了解材料性能和结构变化。使用的主要方法有两种:

脉冲回波超声检测:单面超声检测可用脉冲回波技术完成。这种方法通过单个搜索单元作为发射和接收换能器工作,由高压脉冲激励。每个电脉冲激活换能器元件。该元件将电能以超声波的形式转化为机械能。声波能量通过特氟龙(Teflon)®或甲基丙烯酸酯接触尖端进入测试部分。在测试部分产生波形,并由换能器元件拾取。接收信号振幅的任何变化,或回波返回到换能器所需的时间,都表明存在缺陷。脉冲回波检测用于发现分层、裂纹、气孔、水和粘结部件的脱粘,但对于发现夹层表皮与蜂窝芯之间的粘结脱粘或缺陷较为困难。

透射超声检测:使用两个换能器,在被检查区域的两侧各有一个。超声波信号从一个换能器传送到其他传感器。然后用仪器测量信号强度的损失。该仪器以原始信号强度的百分比或分贝表示损失。将信号损耗与参考标准进行比较。损失大于参考标准的区域表示为缺陷区域。

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低频和高频粘接检测仪:这种粘接检测仪使用带有一个或两个换能器的检查探针。高频粘接检测仪用于检测分层和空

洞,可检出直径小至0.5英寸的缺陷,但无法检测到表面到蜂窝芯的脱粘或孔隙;低频粘接检测仪使用两个传感器,用

于检测分层、空洞和蜂窝状芯的剥离,但无法检测出零件的哪一侧损坏,不能检测出小于1.0英寸的缺陷。

相控阵超声检测:相控阵检测是复合材料结构缺陷的最新超声检测手段之一。它的操作原理与脉冲回波法相同,但它

同时使用数十个甚至更多的传感器,极大地加快了检测过程。


04 热成像检测

脉冲红外热成像的工作原理是利用主动加热技术,通过红外热成像系统自动记录试件表面缺陷和基体材料由于不同热

特性引起的温度差异,进而判定被测物表面及内部的损伤。

该方法具有非接触、实时、高效、直观的特点,十分适合于检测复合材料薄板与金属粘接结构中的脱粘、孔隙率、剥

离、分层、分层类面积型缺陷等,尤其是当零件或组件不能浸入水中进行超声C扫描检测,以及零件表面形状使得超

声检测实施比较困难时可使用红外热波检测方法。

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05 射线检测

射线检测(RT)通常是指X射线检测,是一种非常有用的NDT方法,因为它本质上允许射线进入部件内部形成直观的视图。这种检测方法是使X射线通过被测试的部件或组件,同时在对X射线敏感的胶片上记录射线的吸收。曝光的胶片显影后,检测人员分析记录胶片上曝光不透明度的变化,在效果上创建一个组件内部细节关系的可视化图像。

由于该方法通过厚度记录总密度的变化,因此并不是检测缺陷的首选方法,如在与射线方向垂直的平面上的分层。但对于检测平行于X射线光束中心线的缺陷来说,这是一种最有效的方法。内部异常,如角落的分层,压碎的核芯,断裂的核芯,核芯细胞中的水,泡沫粘合剂接头中的空洞,以及内部细节的相对位置,都可以很容易地通过X射线看到。

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大多数复合材料对X射线几乎是透明的,所以必须使用低能射线。出于安全考虑,在飞机周围使用是不现实的。操作人员应始终使用足够的铅护罩保护,因为X射线管或其散射辐射都有可能使其直接接触射线辐射,与射线源保持最小的安全距离是非常必要的。

射线检测技术有许多类型,每种类型都有特定的应用。当零件既不太厚也不太薄时,常规射线照相是最有用的;对于1~5 mm的薄零件,使用低压射线照相;而γ射线照相适用于厚零件。

中子射线照相是X射线照相的一种补充技术,这两种技术都是通过介质可视化衰减对样品的内部特征进行成像。中子通过介质的传输取决于介质中原子核的中子截面,中子通过介质的微分衰减可以被测量、绘制,然后可视化。中子射线照相的主要优点是它能够揭示光元素,如在腐蚀物和水中发现的氢。


剪切成像测试

剪切成像测试是一种激光光学方法,通过使用图像剪切干涉仪来检测和测量零件的平面外变形。

首先在无载荷条件下测量零件,然后在施加的载荷下再次针对热学、机械振动、声振动、压力、真空、电场、磁场、微波或机械等进行测试,这使得摄像机可以看到缺陷,以便在存在亚表面缺陷的层压板表面上捕捉等应变条纹图案。计算机软件对包裹的相位图图像进行外推,并创建一个展开的相位图,该相位图被转换为用于显示和评估的集成可见图像。

需要注意的是,该技术可以快速显示缺陷的位置,但需要使用超声技术进行进一步检测以确定深度。

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07 声发射检测

声发射(Acoustic Emission,AE)检测是通过对复合材料或结构在加载过程中产生的声发射信号进行检测和分析,对复合材料构件的整体质量水平进行评价的一种检测技术,是一种有效的缺陷分析方法。

该方法能够反映复合材料中损伤的发展与破坏模式,预测构件的最终承载强度,并能够确定出构件质量的薄弱区域。

声发射技术是检测复合材料结构整体质量水平的非常实用的技术手段,使用简单方便,可以在测试材料力学性能的同时获取材料动态变形损伤过程中的宝贵信息。使用的方法主要有三种:

参数分析法:通过记录和分析声发射信号的特征参数,如幅度、能量、持续时间、振铃计数和事件数等,来分析材料的损伤破坏特征,如损伤程度和部位、破坏机制等。它最大缺点是有关AE源本质的信息往往被谐振式传感器自身的特点所掩盖或模糊掉,其实验结果的重复性很差。

波形分析法:对声发射信号的波形进行记录与分析,得到信号的频谱及相关函数等,通过分析材料不同阶段和不同机制引起损伤的频率特征,可以获取材料的损伤特征。

频谱分析法:可以分为经典谱分析和现代谱分析,是声发射信号处理中最常用的分析方法。两种谱分析方法都是通过把声发射信号从时域转换到频域,在频域中研究声发射信号的各种特征,找到识别声发射源本征信息。但信号的频谱分析要求被分析的信号是周期性的平稳信号,并且谱分析是一种忽略局部信息变化的全局分析方法。

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声-超声检测

声-超声(Acoustic-Ultrasonic ,AU)检测是声波和超声波检测的组合方法,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(强度或刚度等)的整体影响,属于材料的完整性评估技术。

在无损检测中,基于最佳经济性、灵活性和灵敏度的声波/超声波类检测具有巨大的潜力。这是一种有用的方法,因为它允许查看和评估非关键缺陷。第二个优点是它是结构中由于疲劳载荷或冲击损坏而累积损坏的良好指标。

采用声-超声振幅C扫描技术也能够对复合材料与金属材料间的粘接界面进行有效检测,而且克服了超声反射技术信号清晰度不高、超声透射技术传感器可达性差的缺点。


来源:CCIA维修检测与回收专委会、复合材料前沿


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