<p>復合材料由于其優(yōu)異的性能而備受<a href="http://cn.newmaker.com/cat_1020016.html" target="_blank">飛機</a>設計者的青睞，已引起飛機設計及<a href="http://cn.newmaker.com/cat_1020016.html" target="_blank">航空</a>制造業(yè)的巨大變革，且這一變革正朝著繼續(xù)加深的趨勢發(fā)展[1]。目前，航空飛行器上所用的復合材料結(jié)構主要有增強層板結(jié)構和夾芯結(jié)構兩種，而在夾芯結(jié)構中以NOMEX蜂窩夾芯結(jié)構的應用最為廣泛，它具有重量輕、比強度高、比剛度高、抗振、隔熱、隔音、透波性能好等優(yōu)點，因此在飛機的雷達罩、操縱舵面及客機的客艙地板等部位獲得了大量應用。<br /> <br /> NOMEX蜂窩夾芯結(jié)構是由上下2層面板和中間蜂窩芯粘合而成（圖1），蒙皮一般為玻璃纖維板或碳纖維薄板，芯材為NOMEX蜂窩，其網(wǎng)格形式通常為正六邊形。因制造工藝不當或服役載荷作用下，NOMEX蜂窩復合材料容易形成缺陷，這些缺陷的存在威脅著復合材料蜂窩結(jié)構的安全，因此，對復合材料蜂窩結(jié)構的無損檢測非常重要。</p> <p align="center"><img alt="newmaker.com" src="http://cn.newmaker.com/nmsc/u/2013/20134/art_img/201342315372979150.gif" border="0" /></p> <p>NOMEX復合材料蜂窩夾芯結(jié)構的缺陷類型及無損檢測方法分析<br /> <br /> NOMEX蜂窩復合材料中常見的缺陷有面板與芯材脫粘、面板分層、蜂窩芯內(nèi)夾雜、蜂窩芯材褶皺、蜂窩芯節(jié)點開裂等。而對于這些缺陷，很難采用一種檢測方法進行全面、有效的檢測。因此，本文將針對NOMEX復合材料蜂窩結(jié)構中不同缺陷類型，開展各種無損檢測方法比對分析的綜合研究。<br /> <br /> 1 聲學檢測法<br /> <br /> 1.1 脈沖反射法<br /> <br /> 外場檢測時通常結(jié)構不可拆卸，此時只能從單側(cè)蒙皮對結(jié)構進行檢測，脈沖反射法尤其適用于該種情況下的檢測。<br /> <br /> 1.1.1 高頻超聲脈沖反射法<br /> <br /> 蜂窩夾芯結(jié)構蒙皮偏薄，對蒙皮自身的分層或蒙皮與蜂窩芯脫粘類缺陷，高頻超聲的檢測效果較好。鑒于蜂窩夾芯結(jié)構的特點，高頻超聲只能穿透蒙皮，所以顯示屏上只能看見單層蒙皮的面波與底波。蒙皮分層缺陷超聲波形信號表現(xiàn)為蒙皮自身底波消失，原面波與底波間出現(xiàn)明顯缺陷回波。</p> <p align="center"><img alt="newmaker.com" src="http://cn.newmaker.com/nmsc/u/2013/20134/art_img/201342315374253156.gif" border="0" /></p> <p>對蒙皮與蜂窩芯脫粘類缺陷，要針對蜂窩格的尺寸選擇合適聲束直徑的探頭，通常聲束直徑要小于蜂窩格尺寸。在實際檢測中，采用聲束直徑1mm的聚焦探頭可以有效檢出被檢面的板芯脫粘。檢測中，當超聲聲束入射至A區(qū)（圖2）的正上方，聲波一部分被蜂窩芯吸收，繼續(xù)向下傳播，另一部分在蒙皮底部直接被反射，此時屏幕上可以看到蒙皮底部的反射回波；當超聲聲束入射至B區(qū)的正上方，聲波到達蒙皮底部遇到空氣層，直接反射回來，由于沒有蜂窩芯對聲波能量的吸收，B區(qū)的反射回波要明顯高于A區(qū)（圖3）。對于沒有缺陷的結(jié)構，檢測過程中，超聲波形信號表現(xiàn)為底波波幅時高時低呈規(guī)律性跳動。檢測時，設置合適的閘門高度，使B區(qū)底波超過閘門而A區(qū)底波低于閘門。如果材料無異常，此時檢測過程中看到的報警指示燈忽明忽暗，呈規(guī)律性閃爍；如果材料出現(xiàn)脫粘缺陷，會出現(xiàn)報警指示燈長明現(xiàn)象，據(jù)此即可判斷結(jié)構中的缺陷情況。但檢測過程中應嚴格控制檢測速度和掃查間距，避免缺陷的漏檢。</p> <p align="center"><img alt="newmaker.com" src="http://cn.newmaker.com/nmsc/u/2013/20134/art_img/201342315375241697.gif" border="0" /></p> <p>超聲C掃描檢測蜂窩夾芯結(jié)構的檢測結(jié)果比較直觀。2MHz陣列式聚焦探頭能滿足大部分結(jié)構的檢測要求，但如果蒙皮厚度過厚，蜂窩格成像質(zhì)量相對較差。對曲面結(jié)構，陣列式探頭耦合不良，單晶片聚焦探頭可很好的解決耦合問題（圖4）。</p> <p align="center"><img alt="newmaker.com" src="http://cn.newmaker.com/nmsc/u/2013/20134/art_img/201342315385181276.jpg" border="0" /><br /> 圖4 陣列式聚焦探頭檢測結(jié)果</p> <p>1.1.2 低頻超聲脈沖反射法<br /> <br /> 低頻超聲通常采用1MHz 以下具有能量高、穿透力強的較大晶片直徑的探頭，它可以穿透結(jié)構全厚度，缺點是探頭直徑尺寸偏大、分辨力低、較小缺陷容易漏檢。采用低頻超聲檢測蜂窩夾芯結(jié)構時，蒙皮分層、脫粘、蜂窩芯塌陷等缺陷都會造成底波波幅突降或消失（見圖5），對缺陷的定性、定量存在一定難度。低頻超聲常用于對結(jié)構質(zhì)量進行快速篩查，以發(fā)現(xiàn)結(jié)構中存在的較大尺寸的缺陷，檢測速度較高。</p> <p align="center"><img alt="newmaker.com" src="http://cn.newmaker.com/nmsc/u/2013/20134/art_img/201342315391875953.gif" border="0" /></p> <p>1.2 脈沖穿透法<br /> <br /> 在結(jié)構生產(chǎn)過程中或結(jié)構可拆卸的情況下，脈沖穿透法是常用的檢測方法。脈沖穿透法通常配合機械自動掃查系統(tǒng)，極大提高了掃查速度，節(jié)省了人力。工廠車間或大型實驗室的機械自動掃查系統(tǒng)通常采用兩個同步的機械臂帶動探頭同步移動，一側(cè)探頭發(fā)射聲波，另一側(cè)探頭接收聲波，探頭與檢測件之間采用水柱耦合，檢測結(jié)果以C掃描形式顯示出來，形象直觀，見圖6。</p> <p align="center"><img alt="newmaker.com" src="http://cn.newmaker.com/nmsc/u/2013/20134/art_img/201342315393099727.gif" border="0" /></p> <p>1.3 發(fā)射-接收法（導波法）<br /> <br /> 常規(guī)的脈沖法是逐點對檢測件進行檢測，超聲導波可以在材料中傳播較遠的距離，實現(xiàn)了線掃描檢測，大大提高了檢測效率。導波檢測一般采用兩個斜探頭，發(fā)射探頭以一定的角度發(fā)射超聲波進入蜂窩結(jié)構。蒙皮一般比較薄，所以超聲波一部分能量被蜂窩芯吸收，一部分能量在蒙皮內(nèi)以漏蘭姆波形態(tài)向前傳播，接收探頭與發(fā)射探頭在同一直線上，接收蒙皮內(nèi)的漏蘭姆波能量。當出現(xiàn)脫粘情況時，能量向下傳播受阻，大部分能量橫向傳播被接收探頭接收，聲波波幅較高；若蒙皮與蜂窩芯粘接完好，由于大部分能量沿蜂窩芯傳播，蒙皮內(nèi)的漏蘭姆波能量減少，接收信號較弱，聲波波幅較低[2]。<br /> <br /> 膠接檢測儀的發(fā)射- 接收模式同樣利用上述原理。發(fā)射- 接收模式使用的是雙晶、點接觸型、干耦合的超聲探頭。在該模式下，一系列的脈沖聲能由一個晶片發(fā)送至測試工件，在工件中傳播的聲波由另一個晶片接收。探頭晶片下的粘接狀態(tài)將影響在尖端間傳播的聲能，見圖7（a）。這些聲能特性通過相位和波幅的變化顯示出來。在良好的粘接狀態(tài)下，一部分聲能被檢測表面下的結(jié)構吸收，此時信號波幅較低。在脫粘情況下，聲波在發(fā)射接收的傳播過程中幾乎不受蜂窩芯影響，此時信號波幅較高。粘接良好區(qū)域與脫粘區(qū)域的波幅比較見圖7（b）和圖7（c）。</p> <p align="center"><img alt="newmaker.com" src="http://cn.newmaker.com/nmsc/u/2013/20134/art_img/201342315394362385.gif" border="0" /></p> <p>2 機械阻抗法<br /> <br /> 機械阻抗法也叫聲阻法，它是通過測量結(jié)構件被測點振動力阻抗的變化來確定是否有異常結(jié)構的存在。機械阻抗法使用單個尖端的雙晶探頭。驅(qū)動晶片發(fā)出可聽見的聲波進入試件。圓錐體底部接收晶片的負載受到試件剛度的影響，從粘接良好的區(qū)域到脫粘區(qū)域，負載由高到低變化，接收晶片的負載將影響信號的波幅及相位，見圖8（a）。缺陷區(qū)域的剛度取決與脫粘的尺寸和厚度。該模式下，無需耦合劑，接觸面積小，尤其適用于不規(guī)則的或彎曲的表面。檢測中當探頭位于正常結(jié)構區(qū)時，漂點位于屏幕十字交叉線的中心；而當探頭處于脫粘缺陷區(qū)時，漂點飛離十字交叉線的中心，越過圓形閘門，見圖8（b）、圖8（c）。</p> <p align="center"><img alt="newmaker.com" src="http://cn.newmaker.com/nmsc/u/2013/20134/art_img/201342315395660094.gif" border="0" /></p> <p>3 敲擊檢測法<br /> <br /> 3.1 常規(guī)輕質(zhì)量物體敲擊檢測<br /> <br /> 該方法一般使用小錘、螺絲刀把手或硬幣等質(zhì)量較輕的物體，對被檢測對象進行逐點敲擊檢測。其主要原理是當試件中存在缺陷時，人耳所聽到的由敲擊產(chǎn)生的聲音會比較沉悶，否則聲音清脆。該敲擊檢測方法是膠接結(jié)構和復合材料結(jié)構檢測中常用的一種檢測方法，可有效檢測蜂窩材料內(nèi)部的脫粘、蒙皮的分層[3]。<br /> <br /> 3.2 敲擊檢測儀敲擊檢測<br /> <br /> 電子敲擊檢測儀通過比較敲擊探頭與被檢件表面的撞擊持續(xù)時間來判斷被檢件的粘接質(zhì)量好壞。所謂撞擊持續(xù)時間是指當敲擊頭敲擊在被檢件上，記錄起始時間，敲擊頭彈起脫離表面，記錄結(jié)束時間，這一過程為敲擊頭工作的撞擊持續(xù)時間。<br /> <br /> 根據(jù)能量轉(zhuǎn)換關系，敲擊在無損傷區(qū)的撞擊持續(xù)時間比有損傷區(qū)的撞擊持續(xù)時間短。在實際工作時探頭敲擊試件良好部位的撞擊持續(xù)時間作為標準參考值T0，敲擊被檢結(jié)構其它部位的撞擊持續(xù)時間記為T，將比值R=（T -T 0）/T0&times;100%作為判斷被檢部位脫粘程度的依據(jù), 最終儀器通過一串發(fā)光二級管和聲音同時進行聲光報警來表征材料的脫粘程度。<br /> <br /> 4 紅外檢測法<br /> <br /> 紅外熱成像檢測技術就是根據(jù)紅外輻射原理，利用紅外熱像儀掃描記錄被測物體的表面紅外輻射（熱輻射）情況，并根據(jù)測得的被測物體表面熱圖，通過分析進而來判別結(jié)構內(nèi)部是否有損傷的一種先進的無損檢測技術。<br /> <br /> 紅外熱成像檢測技術在實施過程中有多種形式，按照其有無激勵可分為被動熱成像和主動熱成像兩種形式。航空結(jié)構領域檢測所采用的一般為主動熱成像方式，即檢測時需對被測對象外加激勵（熱激勵、聲激勵、振動激勵等）。對蜂窩夾芯材料，在反射式主動熱成像方式下，調(diào)制激勵鎖相熱成像所得到的檢測結(jié)果較為令人滿意[4]。<br /> <br /> 5 射線檢測法<br /> <br /> 當射線穿過被檢測件時會發(fā)生衰減，衰減程度除了和射線本身的能量有關，還與被檢物體的性質(zhì)、厚度、密度有關。如果被檢件在透照方向存在一定的厚度差，那么透射射線強度就會產(chǎn)生一定的差異，將散射比控制在一定范圍內(nèi)，這種差異便會在膠片上體現(xiàn)出來。X射線垂直蒙皮方向透照被檢件，可以有效地檢出蜂窩芯內(nèi)部積水、蜂窩節(jié)點開裂，蜂窩芯缺損等缺陷。<br /> <br /> 常規(guī)射線照相技術需要實時現(xiàn)場操作，耗費大量膠片，暗室處理耗費大量時間，計算機射線照相技術（CR）及數(shù)字化實時成像技術（DR）已經(jīng)很好地解決了上述問題，且分辨率甚至優(yōu)于常規(guī)射線照相技術。<br /> <br /> 各種檢測方法比對分析<br /> <br /> 蜂窩夾芯結(jié)構無損檢測方法的比較見表1。</p> <p align="center"><img alt="newmaker.com" src="http://cn.newmaker.com/nmsc/u/2013/20134/art_img/20134231540736527.gif" border="0" /></p> <p>結(jié)束語<br /> <br /> 本文所提到的幾種無損檢測方法均適用于蜂窩結(jié)構的檢測。每種方法各具自身的優(yōu)缺點。在實際檢測中，考慮到檢測條件的限制和檢測要求的不同，為達到理想的檢測效果，可選擇最優(yōu)方法或綜合多種不同的檢測手段進行檢測。<br /> <br /> 參 考 文 獻<br /> [1] 陳紹杰.復合材料技術發(fā)展及其對我國航空工業(yè)的挑戰(zhàn).高科技纖維與應用，2010,35(1):1-7.<br /> [2] 馮占英.蜂窩結(jié)構的超聲和聲無損檢測技術.無損探傷，2007, 31(6):1-4.<br /> [3] 雷洪.復合材料與膠接結(jié)構綜合檢測儀的研制.第十二屆全國無損檢測新技術交流會論文集,2011:56-66.<br /> [4] 詹紹正.紅外熱成像檢測技術在復合材料蜂窩夾芯結(jié)構上的應用研究.結(jié)構強度研究，2009(4):32-36.(end)</p>