复合材料无损检测概述

结课论文结课论文 复合材料的无损检测复合材料的无损检测 姓 名 学 院 专 业 导 师 时 间 复合材料的无损检测 摘 要复合材料以其优异的特性得到了越来越多人的重视 随着 其应用范围和应用量的不断增加 人们对其质量的要求也越来越高 在这种情况下 各种检测手段便开始被应用在了复合材料的质量检测 中 其中 无损检测技术 简称 NDT 以其不破坏材料完整性等优点而 成为亮点 2 目 录 第一章 绪论 4 1 1 复合材料 4 1 2 无损检测 4 1 3 复合材料的无损检测 5 1 4 复合材料在民用飞机上的应用概况 5 第二章 复合材料无损检测方法 7 2 1 射线检测技术 7 2 2 超声检测技术 9 2 3 声发射检测技术 11 2 4 视觉检测技术 11 2 5 传感器检测技术 12 2 6 其他检测方法 13 2 7 参考文献 14 3 第一章 绪论第一章 绪论 1 1 复合材料复合材料 复合材料 Composite materials 是由两种或两种以上不同性质的材料 通过物理或化学的方法 在宏观上组成具有新性能的材料 各种材料在性能上 互相取长补短 产生协同效应 使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足 各种不同的要求 复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类 金属基体常 用的有铝 镁 铜 钛及其合金 非金属基体主要有合成树脂 橡胶 陶瓷 石墨 碳等 增强材料主要有玻璃纤维 碳纤维 硼纤维 芳纶纤维 碳化硅 纤维 石棉纤维 晶须 金属丝和硬质细粒等 再生树脂复合材料 复合材料中以纤维增强材料应用最广 用量最大 其特点是比重小 比强度和 比模量大 例如碳纤维与环氧树脂复合的材料 其比强度和比模量均比钢和铝 合金大数倍 还具有优良的化学稳定性 减摩耐磨 自润滑 耐热 耐疲劳 耐蠕变 消声 电绝缘等性能 石墨纤维与树脂复合可得到膨胀系数几乎等于 零的材料 纤维增强材料的另一个特点是各向异性 因此可按制件不同部位的 强度要求设计纤维的排列 以碳纤维和碳化硅纤维增强的铝基复合材料 在 500 时仍能保持足够的强度和模量 碳化硅纤维与钛复合 不但钛的耐热性提 高 且耐磨损 可用作发动机风扇叶片 碳化硅纤维与陶瓷复合 使用温度可 达 1500 比超合金涡轮叶片的使用温度 1100 高得多 碳纤维增强碳 石墨纤维增强碳或石墨纤维增强石墨 构成耐烧蚀材料 已用于航天器 火箭 导弹和原子能反应堆中 非金属基复合材料由于密度小 用于汽车和飞机可减 轻重量 提高速度 节约能源 用碳纤维和玻璃纤维混合制成的复合材料片弹 簧 其刚度和承载能力与重量大 5 倍多的钢片弹簧相当 1 2 无损检测无损检测 无损检测 Non destructive testing 就是利用声 光 磁和电等特性 在不损害或不影响被检对象使用性能的前提下 检测被检对象中是否存在缺陷 或不均匀性 给出缺陷的大小 位置 性质和数量等信息 进而判定被检对象 4 所处技术状态 如合格与否 剩余寿命等 的所有技术手段的总称 从事无损 检测的人员需要接受专业的培训 获得资质才能持证上岗 各个国家 区域 机构针对无损检测培训资质认证均有不同的要求 受训前应该了解清楚 选择 合适的标准 机构进行相关的培训与考核 常用的无损检测方法 射线照相检验 RT 超声检测 UT 磁粉检 测 MT 和液体渗透检测 PT 四种 其他无损检测方法 涡流检测 ET 声 发射检测 AT 热像 红外 TIR 泄漏试验 LT 交流场测量技术 ACFMT 漏磁检验 MFL 远场测试检测方法 RFT 等 无损检测的主要目的之一 就是对非连续加工 例如多工序生产 或连续 加工 例如自动化生产流水线 的原材料 半成品 成品以及产品构件提供实 时的工序质量控制 特别是控制产品材料的冶金质量与生产工艺质量 例如缺 陷情况 组织状态 涂镀层厚度监控等等 同时 通过检测所了解到的质量信 息又可反馈给设计与工艺部门 促使进一步改进设计与制造工艺以提高产品质 量 收到减少废品和返修品 从而降低制造成本 提高生产效率的效果 由 此可见 在生产制造过程中采用无损检测技术 及时检出原始的和加工过程中 出现的各种缺陷并据此加以控制 防止不符合质量要求的原材料 半成品流入 下道工序 避免徒劳无功所导致的工时 人力 原材料以及能源的浪费 同时 也促使设计和工艺方面的改进 亦即避免出现最终产品的 质量不足 另一 方面 利用无损检测技术也可以根据验收标准将材料 产品的质量水平控制在 适合使用性能要求的范围内 避免无限度地提高质量要求造成所谓的 质量过剩 利用无损检测技术还可以通过检测确定缺陷所处的位置 在不影响设计性能 的前提下使用某些存在缺陷的材料或半成品 例如缺陷处于加工余量之内 或 者允许局部修磨或修补 或者调整加工工艺使缺陷位于将要加工去除的部位等 等 从而可以提高材料的利用率 获得良好的经济效益 因此 无损检测技 术在降低生产制造费用 提高材料利用率 提高生产效率 使产品同时满足使 用性能要求 质量水平 和经济效益的需求两方面都起着重要的作用 1 3 复合材料的无损检测复合材料的无损检测 由于复合材料的非均质性和各项异性 在制造过程中工艺不稳定 极易产 生缺陷 在应用过程中 由于疲劳累积 撞击 腐蚀等物理化学的因素影响 复合材料也容易产生缺陷 这些缺陷很大一部分还是产生在复合材料内部 复合材料在制造过程中的主要缺陷有 气孔 分层 疏松 越层裂纹 界面 分离 夹杂 树脂固化不良 钻孔损伤 在使用过程中的主要缺陷有 疲劳损伤 和环境损伤 损伤的形式有脱胶 分层 基本龟裂 空隙增长 纤维断裂 皱褶 变形 腐蚀坑 划伤 下陷 烧伤等 由于复合材料在使用工程中承担着重要作用 因此在材料进入市场前 应该 进行严格的缺陷检测 这是对使用者和加工者负责的行为 相应的 复合材料 检测技术也得到了快速的发展 在检测技术中无损检测技术发展尤为突出 1 4 复合材料在民用飞机上的应用概况复合材料在民用飞机上的应用概况 70 年代初期 波音等厂家开始研究用复合材料来减轻飞机结构重量 飞机扰 5 流板 整流罩 方向舵和水平安定面等部件逐步采用复合材料制造 到90 年代 复 合材料在飞机上的应用更为广泛 玻璃纤维 碳纤维 卡夫隆 碳纤维 卡夫隆 复合材料结构占了飞机总面积30 以上 以波音777 为例 随着复合材料的广 泛应用 复合材料的检测也显得越来越重要 复合材料中最常见缺陷为脱胶和未粘接 采用超声穿透法 脉冲反射法 粘接检 测器及射线照相进行检测 超声穿透法是常用的方法 常采用单通道到六通道声 C 扫描对蜂窝结构材料及层状复合材料进行分层和脱胶检查 也可采用喷水穿透 法探头架进行自动或手动检查 对于边缘及曲率大的部分多采用直接接触法手动 检查 检查频率为1 2125MHz 在役飞机维护检查中 复合材料存在的最常见的缺陷有撞击 雷击 侵蚀等损伤 以及应力疲劳裂纹 变形 撕裂 孔洞边缘损伤 分层 脱胶 蜂窝结构单元 渗水 燃烧 过热等 目视检查是维修检查中常见的基本方法 其它无损检测方 法用于评估损伤情况 精确测定受损面积 复合材料经修补后也需采用无损检测 方法进行检查 对某些部件采用目视检查与无损检测相结合 复合材料无损检 测方法有渗透 射线 红外 液晶 超声和涡流法等 6 第二章 复合材料无损检测方法第二章 复合材料无损检测方法 2 12 1 射线检测技术 射线检测技术 1 X射线检测法 X射线无损探伤是检测复合材料损伤的常用方法 基本原理 如图6 1当射 线穿过被检测物体后 由于被检测物体的成分 密度 厚度等不同 致使射线 穿过物体后产生不同的吸收和散射 衍射等特性 根据射线穿过物体的这些特 性的变化 可对该物体的重量 尺寸 特性等作出判断 目前常用的是胶片照 相法 它是检查复合材料中孔隙和夹杂物等体积型缺陷的优良方法 对增强剂分 布不均也有一定的检出能力 因此是一种不可缺少的检测手段 该方法检测分层 缺陷很困难 一般只有当裂纹平面与射线束大致平行时方能检出 所以该法通 常只能检测与试样表面垂直的裂纹 可与超声反射法互补 2 计算机层析照相检测法 计算机层析照相 CT 应用于复合材料研究已有十多年历史 这项工作的开 展首先利用的是医用CT扫描装置 由于复合材料和非金属材料元素组成与人体 相近 医用CT非常适合于复合材料和非金属材料内部非微观 相对于电子显微 镜及金相分析 缺陷的检测及密度分布的测量 基本原理如图6 60所示 来自射 线源的一束锥形X射线经过射线准直器后以薄片扇面形状照射被测工件的某一 断面 射线透射过工件后会产生能量衰减 衰减量与射线的透照厚度及被测工 件一定厚度的薄片断面 断面厚度由射线厚度决定 上各点的线衰减系数有关 置于工件后方的图像数据采集系统 包括图像曾强器 CCD和采集卡等 接收 到透射线后 将其转换为与各接收点所接收到的射线能量相对应的数据信号 并送往计算机进行数据处理 均匀旋转工件 则可变换射线的入射角度 得到 一系列新的数据点 计算机根据接收到的射线能量数据 可得出不同入射角度 的X的不同点的能量衰减值 同时 由于工作断面形状不变 则不同入射角度 的射线所经过的透射厚度可确定 计算机根据这些已知数据 可计算出透射断 面内各点的线衰减系数 不同的线衰减系数赋予不同颜色 则计算机便可根据 各点的线衰减系数勾画出被测工件的平行于射线入射方向的断面图像 CT主 要用于检测非微观缺陷 裂纹 夹杂物 气孔和分层等 测量密度分布 材料均 7 匀性 复合材料微气孔含量 精确测量内部结构尺寸 如发动机叶片壁厚 检 测装配结构和多余物 三维成像与CAD CAM等制造技术结合而形成的所谓反 馈工程 RE 航天材料及工艺研究所的研究人员用这种方法对碳 碳复合材料的 研究表明 CT检测技术的空间分辨率和密度分辨率完全可以满足碳 碳复合材 料内部缺陷的检出要求 但应注意伪像与产品自身缺陷的区别 以避免产生误 检 3 微波检测法 微波无损检测的基本原理是综合利用微波与物质的相互作用 一方面 微 波在不连续面产生反射 散射和透射 另一方面 微波还能与被检材料产生相互 作用 此时微波均会受到材料中的电磁参数和几何参数的影响 通过测量微波 信号基本参数的改变 即可达到检测材料内部缺陷的目的 微波检测复合材料 是在检测金属材料的基础上改进来的 这种方法不仅能检测复合材料的体积缺 陷 同时还可以检测出平面缺陷 灵敏度较高 适用于在线检测的要求 4 红外热波法 红外热波无损检测的工作原理是根据变化性热源与媒介材料及其几何结构 之间的相互作用 通过控制热激励并适时监测和记录材料表面的温场变化 经过 特殊的算法和图像处理来获取被检物体材料的均匀性信息及其表面下的结构及 热属性的特征信息 从而达到检测和探伤的目的 此检测法具有非接触 实时 高效 直观的特点 分为主动式 有源红外 检测法和被动式 无源红外 检测法 两种 首都师范大学陈大鹏等研究人员利用超声热红外技术对一个碳纤维复合 材料T形接头和一块埋有裂纹缺陷的有机玻璃板进行检测 说明了红外热超声无 8 损检测技术具有灵敏快速的优点 适合于对多种材料进行实时检测 2 22 2 超声检测技术 超声检测技术 超声无损检测技术是复合材料非常重要的检测手段 其使用的检测频率通 常0 5 25MHZ 超声波在复合材料内部传播过程中遇到材料内部缺陷时 由于 缺陷的声阻抗与材料的声阻抗不同 超声波在缺陷处被反射 或散射 而出现 缺陷波信号 根据超声反射信号幅度 可检测材料内部缺陷 此法能够检测出 复合材料中的裂纹 脱粘 孔隙 分层等缺陷 但存在检测盲区 1 超声脉冲反射法 超声脉冲通过探头发射进入待检测材料 并对反射和穿透信号进行分析 以得到材料结构的相关信息 采用一个探头兼作发射和接收器件 接收信号在 探伤仪的荧光屏上显示 并根据缺陷及底面反射波的有无 大小及其在时基轴 上的位置来判断缺陷的有无 大小及其方位 直接接触脉冲反射法检测原理如 图 2 1所示 反射波的强弱以及方向主要取决于界面两侧介质的声阻抗 z 1和 z2 例如 当 2 z1 z 2时 界面反射系数y二 Pr P 0 z2 z1 z2 z1 z1时 y Pr P0 z2 z1 z2 z1 0 反射波声压 P r与入射波 声压P0同相位 界面上反射波与入射波发生叠加 形成类似驻波 合成声压振 幅增大为 P r P 0 例如 超声平面波由水中垂直人射到水 钢界面的情况 见图 2 2 b 检测技术 用于自动化检测的设备通常使用 3 种耦合方式 9 从使从探头发射的超声有效进入待检零件 他们分别是接触法 水浸法和喷水 法 此法能够检测出复合材料中的裂纹 脱粘 孔隙 分层等缺陷 但存在检 测盲区 2 超声脉冲透射法 该方法原理与超声脉冲反射法基本相同 由于超声波在缺陷处被反射或散 肘 造成超声穿透信号的能量衰减 而后根据超声穿透信号幅度检测材料的内 部缺陷 这种方法对复合材料中贫胶 疏松等缺陷的检测效果良好 3 扫描超声显微镜技术 利用表面超声波束的传播行为 探测到在物体中声波传送持性 衰减和速 度 的改变 将此信号通过计算机控制处理 在扫描显示器可以显示平面图形 利用该技术能够实时监测像金属基复合材料开孔制件在循环应力作用下逐渐破 坏的过程 内置高精度超声扫描显微镜体系 HIPSAM 的扫描超声显微镜 已 被成功地应用于复合材料特性研究 这套系统是实验室型的 其探测空间距离 可小至1um 操作频率可达200MHZ 超声显微镜的基本原理是 利用宽10um 10 20um 深20um的表面超声波束的传播行为 探测到在物体中声波传送特性 衰 减和速度 的改变 将此信号显示在计算机控制的C扫描显示器上 平面图形 利用该技术能够实时监测像金属基复合材料开孔制件在循环应力作用下逐渐破 坏的过程 它主要用于研究材料的基本破坏机理和材料对所处应力及环境的反 应 在监测复合材料过程中可获得有关图像 要实现用超声波对材料进行无损检测 需要通过超声波探伤仪来完成 目 前超声波探伤仪种类很多 分类方法也不相同 通常按检测缺陷大体可分为A型 显示 B型显示和C型显示 A型显示又称A扫描 它是根据脉冲反射法中的缺陷 反射波来反映缺陷 能看到由于缺陷造成的波形 B型显示也称B扫描 特点是 在荧光屏上能显示出沿探头发射脉冲方向剖开缺陷图形 C型显示则称C扫描 它能显示缺陷的平面图形 是有效检测复合材料缺陷常用的一种方法 2 32 3 声发射检测技术 声发射检测技术 声发射是在材料局部因能量的快速释放而发出瞬态弹性波的现象 是材料 在应力作用下的变形 形成裂纹与裂纹扩展 声发射波的频率范围很宽 从次声 波 声波到超声波 其幅度从微观的位错运动到大规模的宏观断裂 弹性波在 经介质传播后到达被检体表面 引起工件表面的机械振动 传感器将表面的瞬 态位移转换成电信号 声发射信号经放大 处理后形成其特性参数 被记录与 显示 经数据的解释 可评定声发射源的特性 2 42 4 视觉检测技术 视觉检测技术 视觉检测俗称目视监测 是重要的无损检测方法之一 顾名思义 它是利 11 用人眼的视觉或加上辅助工具 仪器等来对试件表面进行直接或间接的侦查及 检视 从而判断各种表面缺陷的一种无损检测技术 在所有的无损检测方法中 此种方法最方便 最经济 也是在进行所有检测作业之前 中 后经常必须进 行的检测方法 它的主要优点是简单 快速 主要缺点是仅能检查零件表面情 况 而且表面可能需要做好某些准备 如清洗 去除油漆氧化皮及污渍 喷砂 或喷丸等 另外 目视检测受人的影响因素较大 主要有 1 检查员的自身状况 如感冒 头疼 头晕和其他不舒服的症状 以及疲 劳 年龄 视力 熟练度 个人差异检查姿势等 2 精神条件 如家庭的烦恼 心情不愉快 精神无法集中等 3 作业环境的条件 照明 检查场所的气温 湿度 环境 作业平台 日 夜的差异 检测物速度的差异 表面状况 作业是否单调等 2 52 5 传感器检测技术 传感器检测技术 1 光纤传感器测试技术 与传统的传感器相比 光纤应变传感器具有一系列的优点 如稳定性好 可 靠性高 精度高 抗电磁干扰 结构简单 便于与光纤传输系统形成遥测网络 而且不会破坏复合材料自身的完整性 因此 可以将其埋入或者贴在复合材料 结构内 实现对复合材料结构长期和在线的实时检测 南京航空航天大学飞行 器系的研究人员基于埋设在复合材料层板中的多方位多模光纤网络的特点 提 出了检测层板内部发生多处横向冲击损伤的重构算法 根据光纤损伤图像检测 系统获得的图像信号 可实时 定量 直观重构并显示出层板内部各处损伤的 位置和各处的损伤程度 2 压电传感器复合材料脱层检测 基于压电元件的在线检测方法是把压电元件使用环氧树脂或其他粘合剂直 接贴到被测结构的表面或埋入层状结构 国外的Swann Cynthia等研究人员研究 了优化的压电传感器复合材料脱层检测 其研究表明 传感器的最佳位置是一 个检测损伤复合材料结构的关键问题 其目的是利用最低数量的传感器 放置 在正确的位置 以便从确定的传感器收到的电压信号来发现存在和受损程度 用统计模型 在板块中损伤分布的概率就能够确定 国内基于压电阵列 李刚 12 石利华等研究人员研究了兰姆波检测技术 2 62 6 其他检测方法 其他检测方法 1 液晶图像检测法 该方法利用液晶随温度变化而变色的原理来进行检查 用抽真空将液晶薄 膜紧贴在蜂窝结构下方外表蒙皮上 即靠近水的一方 再用加热器对液晶薄膜 加温 有水的部位热量被水吸收 升温慢 无水的部位升温快 使得液晶薄膜 上呈现与含水区域变化相对应的液晶图像 该方法检测除需要液晶薄膜外 还需 真空袋 抽真空皮球及耦合剂等辅助材料 操作较复杂 且检测图像不能保存 Khatibi Akbar Afaghi等研究人员研究了液晶热传感在复合材料分层无损检测中 的应用 在这项研究中 一种新技术使用热变色液晶 薄层色谱 热介绍来评估 这些机构 通过敏感的液态晶体产生温度梯度用于检测复合材料脱层标本 对 组成材料和脱层大小 地点的影响进行调查 薄层热的结果与从红外热像得到的 结果比较 最后 对新方法的优点 缺点进行了讨论 在这项研究基础上 得出结 论 薄层色谱法热可作为一种廉价的非破坏性检验复合材料结构试验方法 2 涡流检测法 可用于检查碳纤维 环氧树脂复合材料表面 次表面的裂纹和纤维损伤 由 于随着纤维编织排列花样和环氧树脂配比不同 材料电导率有差异 检测涡流场 与碳纤维 环氧树脂的空间相关位置不同 电导率也不同 因而每块碳纤维 环 氧树脂复合材料都有其不同的涡流场特性 直接影响涡流检测的检测灵敏度 由于以上特点 决定碳纤维 环氧树脂复合材料的涡流检测不同于金属涡流检测 人员需专门培训 3 敲击法 这是最常用的一类复合材料结构无损检测方法 最早是利用硬币 棒 小 锤等物敲击蒙皮表面 仔细辨听声音差异来查找缺陷 在此基础上发展起来的 智能敲击检测法是利用声振检测原理 通过数字敲击锤激