复合材料具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、抗疲劳等优点，已发展成为飞机结构的基本材料之一。机体结构中的复合材料，从制造到使用的全寿命周期中都需要进行无损检测，以监控其状态。无损检测技术已成为复合材料应用研究的关键技术之一，并出现了众多检测方法。在飞机使用过程中，复合材料的无损检测同样是航空维修和机务维护工作的重要内容之一。

航空维修中的复合材料无损检测需求分析

机体结构中需要检测的复合材料主要分布在飞机表面，结构形式以壁板、蒙皮等板状结构为主。飞机使用过程中，复合材料除表面损伤外，还易出现内部分层、脱粘等缺陷，这类缺陷也是航空维修中需要检测监控的主要缺陷。

航空维修中的复合材料无损检测工作，尤其是外场的检测工作，与制造过程中的检测工作有显著不同。

首先，检测缺陷类型不同，航空维修中仅需要检测复合材料使用过程中产生的缺陷，例如分层、脱粘等胶接界面缺陷，而制造过程中还需要检测气孔、夹杂等制造缺陷。

其次，适用的检测方法和设备差异很大，制造过程中可以从复合材料两侧进行检测，可以采用超声透射、X射线检测等方法，并可以使用大型自动扫查设备，而维修过程中复合材料已经成为飞机零部件的一部分，通常仅能进行单侧检测，而且受到现场操作环境的限制，往往需要使用便携式检测设备。

最后，航空维修过程中的无损检测工时需要与飞机整体的检修周期相适应，飞机上复合材料结构件越来越多，一般检测效率偏低，因此对复合材料的快速检测技术也提出了迫切需求。

声学检测方法研究

适用于复合材料检测的声学检测方法有很多，包括超声波、声振、声发射等。

作为五大常规检测方法之一，超声波检测技术应用广泛，其采用延时探头实施纵波检测，可准确检测出复合材料的常见缺陷，如碳纤维壁板分层缺陷、碳纤维壁板纸蜂窝结构蒙皮脱粘缺陷等。高分辨率超声检测技术也是目前应用最广泛的一类复合材料检测技术。

声振检测与超声波检测技术相比，前者将被检工件作为一个振动结构，而后者通常将被检工件作为超声波脉冲传输的介质。声振检测通过检测工件的振动阻抗率、振动幅度、振动频率、振动相位等振动特性来判别缺陷，具体包括敲击、声阻抗、声谐振、定距发送/ 接收等检测方法。

针对外场复合材料检测需求，在深入比较分析各类声学检测方法优缺点和适用范围的基础上，北京航空工程技术研究中心与爱德森（厦门）电子有限公司联合研制了SMART-6000型复合材料综合检测仪。

该设备集成了高分辨率超声和定距发送/接收等声振检测方法，并配备了各型复合材料专用检测探头，适用于碳纤维壁板、碳纤维壁板纸蜂窝、铝蜂窝等常用复合材料的原位检测，可有效检出分层和脱粘缺陷。

采用该设备配备10MHz延时探头，对预置分层缺陷的6mm厚碳纤维壁板试件进行了超声纵波检测试验。采用配套的定距发送/接收探头，对预置脱粘缺陷的铝蜂窝试件进行了定距发送/接收检测，检测效果如下图所示。
 
采用该设备，可以在外场对飞机上的各类常用复合材料实施原位检测。但是该设备需要采用逐点扫查的方式进行检测，近年来飞机上复合材料分布面积明显增大，检测效率偏低的问题日益突出。而利用滚轮探头进行的超声相控阵C扫描检测技术，相比传统A扫描超声检测技术，检测效率显著提高，该技术将是今后的一个重点发展方向。

红外热成像检测方法研究

红外热成像检测方法具有快速、无需耦合、非接触、检测结果显示直观等诸多优点，能够实现对飞机复合材料的大面积、快速外场原位检测，对脱胶、分层等故障有理想的检测效果。

红外热成像检测技术可分为主动式和被动式两类，飞机复合材料检测通常采用主动式检测。主动式红外热波成像检测又可以分为反射法和透射法两种，飞机复合材料原位检测需要从单侧进行，因此通常采用反射法。

主动式红外热成像检测的基本原理是：通过热激励源对被检件表面进行热波激励；有缺陷处的表面温度在热传导过程中会出现异常，红外辐射亮度不同，通过热像仪对红外辐射亮度进行观测并生成图像，最后经过信号处理和图像分析实现对被检件表面和近表面缺陷的检测和识别。其中，热激励源有高能闪光灯、电吹风、电热毯、激光、卤素灯等多种形式。

北京航空工程技术研究中心利用TWI公司生产的红外热成像检测设备对预置人工缺陷的复合材料试件以及直升机桨叶等工件进行了检测试验。该设备采用制冷型热像仪进行热像采集，采用双闪光灯阵列进行热激励。检测的直升机桨叶胶接结构中，铝蒙皮与铝肋板通过胶层粘接到一起。由于直升机桨叶长度较长，采用了分段检测。

试验表明，闪光灯激励的红外热成像检测方法能够有效检测埋藏深度较浅的复合材料分层、脱粘等面积型缺陷，尤其适合检测导热较快的或蒙皮较薄的工件。
以闪光灯作为热激励源，需要大容量电容进行充放电，检测设备小型化、便携化困难，因此研究了采用其他形式热激励源的红外热成像检测方法。

研制了基于卤素灯加热的便携式红外热成像检测系统，利用该系统对预置人工缺陷的复合材料试件进行了检测试验。

其中，碳纤维壁板试件厚6mm，预先加工了φ10mm和φ5mm人工缺陷各5个，距表面距离分别为1，2，3，4，5mm。

试验结果表明，研制的设备能够检测出埋藏深度较浅的φ5mm人工缺陷和埋藏深度略深的φ10mm人工缺陷，但不能检测出埋藏深度接近试件厚度的人工缺陷。
 
激光剪切散斑检测方法研究

相比红外热成像检测方法，激光剪切散斑检测方法同样具有快速、无需耦合、非接触、检测结果显示直观等优点。

激光剪切散斑检测方法的基本原理是：物体用相干激光照射，借助带有双折射晶体的图像剪切照相机成像；双折射晶体把一个物点分成像面上的两个像点，从而在视频照相机的图像传感器上产生一对侧向错位像，物体加载变形前后得到两幅散斑图像经视频图像探测器采集数字化；通过两幅散斑图相减形成新的干涉条纹图，根据干涉条纹图变化就可以判断物体内部是否存在缺陷。

北京航空工程技术研究中心利用LTI公司生产的激光剪切散斑检测设备对铝蜂窝构件进行了检测试验。检测结果直观地显示出了两处脱粘缺陷。试验结果表明，激光剪切散斑检测技术能够有效检测出铝蜂窝脱粘缺陷。
 
结论与展望

不同的声学检测方法互补，可以实现各类常用复合材料缺陷检测，但是传统检测方法效率偏低的问题突出，需要采用新技术新手段改善；红外热成像和激光剪切散斑检测方法对于其适用的检测对象和缺陷类型，可以显著提高原位检测效率。传统声学检测方法与红外热成像或激光剪切散斑检测方法配合使用，有望在确保检测可靠性的前提下大幅提高复合材料外场检测效率。


本文作者：郭奇，景鹏，耿荣生，付刚强，雷洪，何海生（北京航空工程技术研究中心）
本文来源：《2016中国无损检测年度报告》