复合材料无损检测和健康监测技术综述

复合材料因其独有的优势正在慢慢取代传统金属材料在各种结构中的应用。

复合材料在制造和使用过程中可能会受到疲劳、异物、环境条件(湿度、温度)等因素的影响而发生损伤，即使是低速冲击，也可能导致结构内部的损伤。复合材料中存在基体开裂、分层、纤维断裂等损伤，如果没有在早期检测到损坏，可能会发生灾难性的故障。因此，对复合材料进行有效的内部质量检测和早期损伤检测是非常重要的，但复合材料的各向异性特性使得损伤评估较为困难。在研究和工程实践中的经验表明，采用无损检测技术对复合材料的损伤进行评估是比较合适的。

本文简要介绍了各种用于航空航天、汽车和海洋结构的复合材料在疲劳载荷和冲击下发生的裂纹和分层等损伤的无损检测技术和健康监测技术。

根据检测和信息处理的原理和方式的不同，目前有70多种无损检测技术，主要包括射线检测(X射线、伽马射线、粒子射线等)、电、电磁检测(电阻法、电位法、涡流法、磁粉法、核磁共振、微波法、单独激发电子发射等)、机械及光学检测(目视法、内窥镜法、荧光法、着色法、脆性涂层和光弹性涂层线法、激光全息、应力测试等)、热力学方法(热电动势法、液晶法、红外热图法等)、化学分析方法(电解法、激光法、离子散射法、俄歇电子分析等)。


1、超声检测


传统超声检测(UT)：UT是各种无损检测技术中应用最广泛、最有效的检测方法。根据材料中缺陷区域与正常区域的超声反射、衰减和共振的差异来确定缺陷的大小和位置，然后根据材料的反射特性和实际经验来判断缺陷的类型。

超声可以检测复合材料中的层状缺陷、气孔、裂纹和夹杂物，对材料密度、纤维取向、弹性模量、厚度和几何形状的检测也有重要作用。超声C扫描以其检测速度快、显示直观、能准确判断大型复合材料构件的体积缺陷而被广泛应用。

由于复合材料结构的矛盾性和性能的离散性，其缺陷机理较为复杂。复合声衰减大，导致信噪比低。不易区分，同时耦合剂会对材料造成污染。


超声导波检测：超声导波检测是近年来一个新的研究热点。导波是由于介质边界的存在而产生的。介质通过多次反射或折射，使纵波和横波发生模式转换，形成复杂的干涉导波。

超声导波是一种快速宽范围的初始探测方法，不能进行准确的定量检测，一些可疑部位还需要使用其他检测来做出最终的评估。该方法主要用于管道的无损检测。


超声相控阵技术：超声相控阵是一种多波束扫描成像技术，它通过控制每个阵列传感器阵列单元发射或接收脉冲的时间，使球面波在传播过程中叠加，实现光束焦点和方向的变化，然后结合机械扫描和电子扫描完成成像。

与UT相比，该技术具有声束相位控制和动态聚焦的特点。无需或稍微移动探头即可完成复杂结构的高速、全方位、多角度检测。对于不稳定的板、管结构，超声相控阵能有效提高检测效率，简化设计，降低成本。


2、射线检测


X射线检测：X射线无损检测是复合材料损伤检测的常用方法，包括X射线胶片照相和X射线数字射线照相。

胶片照相是检测复合材料中孔隙和夹杂物等体积型缺陷的一种很好的方法，但对分层缺陷的检测非常困难，只能检测垂直于表面的裂纹。

X射线数字射线照相技术应用于复合材料产品检测的成像质量可与X射线胶片照相技术相媲美，并且在效率、经济、远距离传输等方面都优于X射线胶片照相。但当缺陷尺寸小于0.25mm时，胶片照相图像质量远优于数字射线照相。


中子辐射成像技术：通过准直器照射被测工件的中子源发出的中子束，由探测器记录透射中子束的分布图像。由于不同材料的中子衰减系数不同，透射中子束的像分布会形成缺陷和杂质的像。

中子对水、碳氢化合物、硼等轻元素的吸收系数较大，因此该方法对复合材料中腐蚀、水汽的检测灵敏度高于X射线。但主要缺点是中子源价格昂贵，使用中子时要特别注意安全保护。


计算机断层扫描(CT)：该技术通过测量物体内部X射线的衰减系数，求解衰减系数值在剖面上的二元分布矩阵，建立剖面图像。其特点是空间分辨率和密度分辨率高(通常小于0.5%)，动态检测范围大，图像尺寸精度高。

它可以实现直观的三维图像。在足够的能量下，试样的几何结构不受限制。因此，国际无损检测行业认为工业CT是无损检测的最佳手段，但检测效率低，成本高。

双边透射成像不适用于平板元件测试和大型元件的现场测试。


康普顿背散射成像技术(CST)：CST是一种新型的射线检测技术，其特点是单侧非接触、高灵敏度和快速三维成像。它非常适合于低密度、低原子序数材料的检测。当检测到的目标结构复杂或不能进行双侧成像时，CST具有独特的优势。

目前，CST在国外航空航天领域得到了广泛的应用，但在中国仍处于探索阶段。


3、激光探测


激光全息术(LH)：LH是最早、应用最广泛的激光无损检测技术。根据缺陷零件和其他零件施加载荷时的不同变形，利用施加载荷前后的全息图像叠加来判断材料是否存在不连续。

LH可以检测微米级的变形，其优点是灵敏度高，无接触，不受材料和尺寸限制，测试结果保存方便。


激光错位散斑(LS)：LS综合运用了现代激光技术、散斑干涉测量、图像采集与处理技术、计算机技术和精密测试技术。其原理是通过加载前后激光散斑图的叠加，在缺陷部位形成干涉条纹。

与LH相比，LS干扰小、检出率高，便于现场检测，易于调整灵敏度和测量面内位移。就LH和LS而言，LS性能更可靠，影响因素更少。


激光超声检测（LUT）：LUT的基本原理是使激光和材料直接激发超声波测试，或使用被测对象的材料作为介质来产生超声波，然后使用非干涉技术，如表面网格衍射和反射，或使用干涉测量技术，如光学外差来确定材料的缺陷。

LUT不需要耦合剂，能通过不透明材料，具有较强的抗干扰能力，便于实现远程控制和在线检测。它具有快速、非接触和不受被测物体结构形状限制的特点。


4、其他检测技术


电涡流检测（ECT）：ECT是一种基于电磁感应原理对导电材料表面及近表面缺陷进行检测的无损检测方法。

ECT具有速度快、自动化程度高的特点，非常适合于管材和棒材的检测，同时可以检测电导率、导磁率、热处理、硬度和几何尺寸。但ECT只能检测导电材料，在检测时边界效果不佳。


超声波测试(AU)：AU利用压电换能器或激光在材料表面产生脉冲应力波，应力波与材料微观结构相互作用。通过多次反射和模态转换，接收并提取应力波，找出能够反映材料性能的因素，称为应力波因子。

AU主要用于检测微小缺陷簇及其对结构力学性能的整体影响，是一种材料完整性评估技术。


声发射测试（AE）：声发射是利用损伤部位释放的瞬态弹性波进行缺陷检测的一种方法。声发射研究的主要问题是如何识别声发射源。

与常规无损检测相比，它有两个基本特点：一个是对动态缺陷敏感的，可以实时发现缺陷的产生和扩展过程；另一个是高灵敏度和分辨率，由于声发射波来自缺陷本身，可以获得丰富的信息。


微波测试：微波检测是通过测量微波与材料相互作用后微波基本参数的变化来检测材料内部缺陷。微波在复合材料中穿透能力强，衰减小。该方法无需特殊处理即可获得内部缺陷区域的三维实时图像。

微波对复合材料中不可避免的缺陷如气孔、裂纹、分层和脱粘具有良好的灵敏度。但由于微波无法穿透导电性能较好的金属及复合材料，因此无法检测该类复合材料内部缺陷。


渗透测试(PT)：PT是最早使用的无损检测方法之一，该方法是让液体渗透剂流入工件表面的开口缺陷中，然后用去污剂去除多余的渗透剂，用显像剂识别缺陷。

该方法可检测的缺陷类型较多，一次操作可检测多个产品。但只能检测出产品表面的开孔缺陷，不适用于多孔材料的检测。


磁粉检测（MT）：MT是一种基于磁粉与漏磁场相互作用的表面及近表面缺陷检测的无损检测方法。可用于检测裂纹、褶皱、夹层、夹渣等，尤其对裂纹敏感。

MT具有设备简单、操作方便、检测直观快速、灵敏度高等优点。


5、小结

目前，所有应用的复合材料无损检测技术都有其优点和局限性。复合材料无损检测技术未来的发展方向主要是提高材料检测自动化水平、原位检测自动化水平、定量检测自动化水平和结构健康监测水平。随着复合材料性能要求的不断提高，多种无损检测方法的综合交叉发展可以更好地提高检测的有效性。