一、航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)類型及其缺陷

    航空結(jié)構(gòu)中常用的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)主要有纖維增強(qiáng)樹(shù)脂層板結(jié)構(gòu)和夾芯結(jié)構(gòu)。纖維增強(qiáng)樹(shù)脂層板結(jié)構(gòu)按照材料的不同又分為碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂結(jié)構(gòu)（CFRP）和玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂結(jié)構(gòu)（GFRP）；夾芯結(jié)構(gòu)主要是蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)、泡沫夾芯結(jié)構(gòu)和少量的玻璃微珠夾芯結(jié)構(gòu)。

    復(fù)合材料構(gòu)件在使用過(guò)程中往往會(huì)由于應(yīng)力或環(huán)境因素而產(chǎn)生損傷，以至破壞。復(fù)合材料損傷的產(chǎn)生、擴(kuò)展與金屬結(jié)構(gòu)的損傷擴(kuò)展規(guī)律有比較大的差異，往往在損傷擴(kuò)展到一定的尺度以后，會(huì)迅速擴(kuò)展而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效，所以復(fù)合材料在使用過(guò)程中的檢測(cè)，就顯得極為重要，也越來(lái)越受到人們的重視。
 

    1 纖維增強(qiáng)樹(shù)脂層板結(jié)構(gòu)中存在的主要缺陷

    纖維增強(qiáng)樹(shù)脂層板結(jié)構(gòu)在成型過(guò)程中往往會(huì)由于工藝原因而產(chǎn)生缺陷，人為操作的隨機(jī)性會(huì)產(chǎn)生夾雜、鋪層錯(cuò)誤等缺陷；固化程控不好會(huì)產(chǎn)生孔隙率超標(biāo)、分層、脫膠等缺陷；在制孔過(guò)程和裝配中會(huì)形成孔邊的分層缺陷；使用中由于受載荷、振動(dòng)、濕熱酸堿等環(huán)境因素的綜合作用會(huì)導(dǎo)致初始缺陷（如分層、脫膠）的擴(kuò)展和分層、脫膠、斷裂等新的損傷和破壞的發(fā)生。

    2 夾芯結(jié)構(gòu)中存在的主要缺陷

    夾芯結(jié)構(gòu)在成型過(guò)程中也會(huì)由于工藝原因而產(chǎn)生某些缺陷；為操作誤差等會(huì)產(chǎn)生蜂窩芯的變形、節(jié)點(diǎn)脫開(kāi)、因?yàn)榉涓C芯過(guò)低導(dǎo)致的弱粘接等缺陷，固化程控不好會(huì)導(dǎo)致局部的貧膠或富膠、弱粘接、發(fā)泡膠空洞等缺陷；使用中會(huì)導(dǎo)致初始缺陷（如弱脫膠）的擴(kuò)展和脫膠、進(jìn)水、蜂窩芯壓塌等新的損傷和破壞的發(fā)生。泡沫夾芯結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生脫膠、芯子開(kāi)裂等類型的缺陷。

二、超聲檢測(cè)

    超聲檢測(cè)法是無(wú)損檢測(cè)最主要的手段之一，超聲檢測(cè)廣泛應(yīng)用于金屬、非金屬、復(fù)合材料內(nèi)部缺陷的檢測(cè)。對(duì)于較厚的復(fù)合材料，例如多層金屬膠接復(fù)合板，通常采用超聲脈沖回波、脈沖穿透等方法檢測(cè)工件內(nèi)部的脫粘、空穴、孔隙、膠接質(zhì)量不良等缺陷[1]，如圖1、2所示。

         
圖1  超聲脈沖回波檢測(cè)方法示意圖

 
圖2  超聲脈沖穿透法檢測(cè)示意圖

三、聲阻抗檢測(cè)

    聲阻抗檢測(cè)，又稱機(jī)械阻抗（MIA）檢測(cè)法。它把反映材料振動(dòng)特性的力學(xué)阻抗轉(zhuǎn)換為換能器的負(fù)載阻抗。由于材料的力學(xué)阻抗與材料結(jié)構(gòu)存在著一定的關(guān)系，因此通過(guò)對(duì)換能器特性的測(cè)量來(lái)判斷材料力學(xué)阻抗的變化，從而達(dá)到檢測(cè)的目的。點(diǎn)源激發(fā)被檢測(cè)材料使被檢測(cè)材料作彎曲振動(dòng)的聲阻法一般用來(lái)檢測(cè)粘接質(zhì)量，如薄蒙皮粘接和蜂窩結(jié)構(gòu)粘接質(zhì)量等，如圖3所示。圖4為聲阻抗檢測(cè)的彈簧模型示意圖，粘接良好結(jié)構(gòu)上的彈簧剛度只是接觸剛度，脫粘上方的彈簧剛度是探頭接觸剛度與不連續(xù)剛度的串聯(lián)。不連續(xù)剛度依賴于脫粘的大小與埋藏深度。 當(dāng)缺陷變小或埋藏深度增加時(shí)，彈簧剛度增加，缺陷就難以檢測(cè)。阻抗還隨頻率變化，所以選擇適當(dāng)頻率是獲得良好的檢測(cè)結(jié)果的關(guān)鍵[2]。

    聲阻抗檢測(cè)是為復(fù)合材料板-板膠接結(jié)構(gòu)件與蜂窩結(jié)構(gòu)件的整體性檢測(cè)發(fā)展起來(lái)的便攜式檢測(cè)儀器。利用聲阻儀，通過(guò)蜂窩膠接結(jié)構(gòu)粘接良好區(qū)域與粘接缺陷區(qū)的表面機(jī)械阻抗有明顯差異這一特點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的，主要用于檢測(cè)鋁制單蒙皮和蒙皮加墊板的蜂窩膠接結(jié)構(gòu)的板芯分離缺陷檢測(cè)。

圖3  聲阻抗檢測(cè)示意圖                                   圖4  聲阻抗檢測(cè)脫粘的彈簧模型示意圖

四、聲掃頻檢測(cè)

    聲掃頻檢測(cè)原理與聲-超聲檢測(cè)類似，采用板波檢測(cè)技術(shù)。利用雙晶片、雙觸點(diǎn)的不需耦合劑的低頻超聲探頭，將探頭的兩個(gè)傳聲觸點(diǎn)置于掃查線前后的走向，以低頻或射頻電子信號(hào)激勵(lì)發(fā)射換能器，產(chǎn)生的超聲波經(jīng)觸頭進(jìn)入被檢工件；超聲波以板波橫向傳播，接收換能器通過(guò)與發(fā)射換能器定距間隔的另一個(gè)觸頭拾取經(jīng)工件傳播的聲波信號(hào)，以幅度和相位顯示，表征工件聲波路徑上的粘接質(zhì)量，如圖5所示。

 
圖5  聲掃頻檢測(cè)示意圖

五、聲諧振檢測(cè)

    聲諧振檢測(cè)法與常規(guī)聲阻抗檢測(cè)法類似，即通過(guò)電聲換能器激勵(lì)被檢測(cè)物體，并測(cè)量因被檢測(cè)對(duì)象參量的不同而引起的阻抗變化量，區(qū)別是聲諧振探頭檢測(cè)時(shí)需要耦合劑，如圖6所示。聲諧振檢測(cè)可用于檢測(cè)復(fù)合材料膠接板的剪切內(nèi)聚強(qiáng)度、蜂窩結(jié)構(gòu)的拉伸內(nèi)聚強(qiáng)度以及內(nèi)聚強(qiáng)度為零的脫粘、氣孔、分層等缺陷。聲諧振大致又可以分為兩類：以單一頻率聲波入射被檢測(cè)件的單頻諧振檢測(cè)法和以頻率隨著時(shí)間變化的聲波入射被檢測(cè)件的掃頻諧振檢測(cè)法[3]。

 圖6  聲諧振檢測(cè)示意圖

    1  單頻諧振檢測(cè)法
    單頻諧振檢測(cè)法是以單一頻率的激勵(lì)聲波入射被測(cè)件，在輸入頻率的作用下，被檢結(jié)構(gòu)作為換能器的負(fù)載，其聲阻抗的變化必然會(huì)改變換能器電信號(hào)輸出的振幅、相位、諧振頻率等，通過(guò)測(cè)量換能器接收信號(hào)的振幅與相位就可以評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。

    2  掃頻諧振檢測(cè)法
    掃頻諧振檢測(cè)法所選用的激勵(lì)聲波為頻率隨時(shí)間變化的連續(xù)聲波。當(dāng)被檢工件的自然頻率及諧振頻率與激勵(lì)信號(hào)的頻率相符時(shí)，換能器所承受的載荷相比于其他頻率成分時(shí)要重得多，從而易于檢測(cè)到因?yàn)檩d荷變化而引起的信號(hào)電流變化。利用這種方法可以可靠地檢測(cè)出板材的厚度，膠接結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料構(gòu)件中的脫粘、分層、氣孔等缺陷的位置和深度。

六、定距發(fā)射/接收檢測(cè)

    定距發(fā)射/接收檢測(cè)原理與聲-超聲檢測(cè)類似，采用板波檢測(cè)技術(shù)。利用雙晶片、雙觸點(diǎn)的不需耦合劑的低頻超聲探頭，將探頭的兩個(gè)傳聲觸點(diǎn)置于掃查線前后的走向，以低頻或射頻電子信號(hào)激勵(lì)發(fā)射換能器，產(chǎn)生的超聲波經(jīng)觸頭進(jìn)入被檢工件；超聲波以板波橫向傳播，接收換能器通過(guò)與發(fā)射換能器定距間隔的另一個(gè)觸頭拾取經(jīng)工件傳播的聲波信號(hào)，以幅度和相位顯示，表征工件聲波路徑上的粘接質(zhì)量，如圖7所示。

 
圖7  定距發(fā)射/接收檢測(cè)示意圖

 SMART-6000復(fù)合材料綜合檢測(cè)儀

    基于NDT集成檢測(cè)技術(shù)理論[4]，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)集超聲、聲阻抗、聲掃頻等多功能于一體的便攜式復(fù)合材料與膠接結(jié)構(gòu)綜合檢測(cè)設(shè)備成為可能。SMART-6000復(fù)合材料綜合檢測(cè)儀為愛(ài)德森（廈門）電子有限公司和空軍裝備部合作開(kāi)發(fā)的新一代多功能復(fù)合材料與膠接結(jié)構(gòu)綜合檢測(cè)設(shè)備，如圖8所示。

 
圖8  SMART-6000復(fù)合材料綜合檢測(cè)儀

    SMART-6000復(fù)合材料綜合檢測(cè)儀集超聲、聲阻抗、聲掃頻等多種檢測(cè)方法于一體的便攜式復(fù)合材料與膠接結(jié)構(gòu)綜合檢測(cè)設(shè)備。儀器具有超聲A掃描、脈沖、掃頻、機(jī)械阻抗等多種檢測(cè)模式，以適應(yīng)不同材料、不同結(jié)構(gòu)部件的檢測(cè)。

七、探頭

    SMART-6000復(fù)合材料綜合檢測(cè)儀可配接各種超聲探頭、機(jī)械阻抗檢測(cè)探頭、諧振檢測(cè)探頭、定距發(fā)射/接收掃頻檢測(cè)探頭、定距發(fā)射/接收脈沖檢測(cè)探頭等，部分探頭結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示。

           
圖9  復(fù)合材料與膠接結(jié)構(gòu)檢測(cè)儀專用探頭示意圖

八、應(yīng)用

    SMART-6000復(fù)合材料綜合檢測(cè)儀可廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、化工制造領(lǐng)域中的復(fù)合材料與膠接結(jié)構(gòu)的在役無(wú)損檢測(cè)工作。我們以航空工業(yè)中的飛機(jī)機(jī)身復(fù)合材料與膠接結(jié)構(gòu)的在役無(wú)損檢測(cè)為例，介紹復(fù)合材料與膠接結(jié)構(gòu)綜合檢測(cè)儀的應(yīng)用。

    在現(xiàn)代航空制造領(lǐng)域中，復(fù)合材料已逐步替代常規(guī)金屬材料，成為飛機(jī)制造中的主要材料。例如，波音公司的波音787飛機(jī)上的復(fù)合材料的用量已經(jīng)達(dá)到了50%，如圖10所示。其機(jī)身和機(jī)翼部位采用碳纖維增強(qiáng)層壓復(fù)合板代替了鋁合金板；發(fā)動(dòng)機(jī)短艙、水平尾翼和垂直尾翼、舵面、翼尖等部位均采用了碳纖維增強(qiáng)夾芯板結(jié)構(gòu)；機(jī)身與機(jī)翼銜接處的整流蒙皮采用玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料[5]。隨著復(fù)合材料在飛機(jī)制造中的大量應(yīng)用，復(fù)合材料的無(wú)損檢測(cè)工作也逐步成為重點(diǎn)，傳統(tǒng)的單一檢測(cè)方法已經(jīng)無(wú)法滿足日益復(fù)雜的復(fù)合材料及復(fù)合膠接結(jié)構(gòu)的檢測(cè)要求。常用復(fù)合材料與膠接結(jié)構(gòu)缺陷類型如圖11、圖12所示，表1給出了針對(duì)蜂窩膠接結(jié)構(gòu)的常用外場(chǎng)檢測(cè)方法性能比較，可見(jiàn)每種檢測(cè)方法都有其優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)，一種檢測(cè)方法無(wú)法檢測(cè)出所有缺陷。

圖10 波音787飛機(jī)復(fù)合材料的應(yīng)用

圖11 復(fù)合蜂窩膠接板受到?jīng)_擊后可能產(chǎn)生的缺陷示意圖

 
圖12 復(fù)合材料層壓膠接板缺陷示意圖

表1  超聲、聲阻抗、聲諧振、定距發(fā)射/接收檢測(cè)的比較

    SMART-6000復(fù)合材料綜合檢測(cè)儀的研制成功解決了這一檢測(cè)難題。它將當(dāng)今幾乎所有的已經(jīng)成熟的復(fù)合材料與膠接結(jié)構(gòu)檢測(cè)方法集成在一起，檢測(cè)人員可以方便地根據(jù)具體檢測(cè)對(duì)象選擇適合的檢測(cè)方法，或者對(duì)同一檢測(cè)對(duì)象用不同的檢測(cè)方法進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)多種檢測(cè)方法得到的檢測(cè)結(jié)果可以進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，綜合分析，相互驗(yàn)證，從而得出更加完整的評(píng)估結(jié)論，大大提高了檢測(cè)效率與檢測(cè)精度。