复合材料红外检测--艾创

1、0 引言21 复合材料21.1复合材料的结构和功能特性21.2复合材料无损检测的必要性22 红外热波检测32.1红外热波检测的原理32.2主要应用和技术特点32.2.1主要应用32.2.2技术特点32.3红外线检测与其他无损检测技术比较43 复合材料红外线检测应用实例53.1玻璃纤维层合板红外热波检测53.2 雷达罩蜂窝夹芯红外热波检测74 复合材料红外检测的发展展望85 结论8参考文献8复合材料红外线检测0 引言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

2、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。红外线检测作为无损检测技术的一种，本文将对复合材料的红外线检测进行重点介绍。1 复合材料复合材料(Composite Materials)一词，国外20世纪50年代开始使用， 国内使用大约开始于60年代，复合材料是一类成分复杂的多元多相体系，很难准确地予以定义。比较简明的说法是，复合材料是由两种或两种以上的不同性能、不同形态的组分材料通过复合工艺组合而成的一种多相材料，它既保持了原组分材料的主要特点，又显示了原组分材料所没有的新性能。材料大词典对复合材料给出了比较全面完整的定义：复合材料是由有机高分子、无机非金属、活金属等几类不同材

3、料通过复合工艺组合而成的新型材料，它既能保留原组分材料的主要特色，又通过复合效应获得原组分所不具备的性能。可以通过材料设计使组分的性能互相补充又彼此关联，从而获得新的优异性能，与一般材料的简单混合有本质的区别。该定义强调了复合材料具有可设计性的重要特点。1.1复合材料的结构和功能特性复合材料的特性主要体现在以下七个方面： （1）比强度和比刚度较高（2）力学性能可以设计（3）抗疲劳性能良好（4）减振性能良好（5）通常都能耐高温（6）安全性好（7）成型工艺简单【1】。1.2复合材料无损检测的必要性尽管复合材料在传统材料的基础上已经有了很大的飞跃，但也存在一些缺陷和问题：（1）常规材料存在的力学问题

4、，如结构在外力作用下的强度、刚度，稳定性和振动等问题，在复合材料中依然存在；（2）复合材料中还有许多常规材料中不存在的力学问题，如层间应力(层间正应力和剪应力耦合会引起复杂的断裂和脱层现象)、边界效应以及纤维脱胶、纤维断裂、基体开裂等问题；（3）复合材料的材料设计和结构设计是同时进行的，因而在复合材料的材料设计(如材料选取和组合方式的确定)、加工工艺过程(如材料铺层、加温固化)和结构设计过程中都存在力学问题。（4）复合材料难以分解，污染环境，且焚烧会产生有毒物质，危害人的身体健康。这些还有待我们的进一步研究来解决，使复合材料更适合我们人类使用。随着复合材料广泛应用于生产生活的各个领域，人们对于

5、符合材料的质量要求也越来越高，各种检测技术开始应用于复合材料质量检测中，而无损检测以其不破坏材料完整性等优点得到广泛应用。2 红外热波检测2.1红外热波检测的原理红外热成像无损检测技术的基本原理是利用红外物理理论, 把红外辐射特性的分析技术和方法应用于被检对象的一个综合性无损检测应用技术。此检测法是通过检测物体的热量和热流来鉴定该物体质量。当物体内部存在裂缝和缺陷时, 将会改变该物体的热传导性能, 使物体表面温度分布有差别, 此时通过检测装置可显示出其热辐射的不同, 从而判别并检查缺陷的位置。红外热成像法具有成本低、快速、方便、精确的优点, 可用于多层材料与复合材料的夹杂、脱粘、分层、开裂等缺

6、陷与损伤的检测评估, 但要求被测件传热性能好, 表面发射率高。2.2主要应用和技术特点2.2.1主要应用红外热波技术可应用于检测航空/ 航天器铝蒙皮加强筋开裂与锈蚀, 机身蜂窝结构材料、碳纤维和玻璃纤维增强多层复合材料缺陷的检测、表征、损伤判别与评估【2】。火箭液体燃料发动机和固体燃料发动机的喷口绝热层附着检测。涡轮发动机和喷气发动机叶片的检测。新材料( 特别是新型复合结构材料) 的研究。对其从原材料到工艺制造、在役使用研究的整个过程中进行无损检测和评估；加载或破坏性试验过程中及其破坏后的评估。多层结构和复合材料结构中, 脱粘、分层、开裂等损伤的检测与评估。 各种压力容器、承载装置表面及表面下

7、疲劳裂纹的探测。各种粘接、焊接质量检测, 涂层检测, 各种镀膜、夹层的探伤。测量材料厚度和各种涂层、夹层的厚度。表面下材料和结构特征识别与表征。运转设备的在线、在役监测。2.2.2技术特点热波检测具有如下特点， 即:1.适用面广, 可用于所有金属和非金属材料；2.速度快, 每个测量只需几十秒钟；3.观测面积大, 根据被测对象和光学系统, 一次测量可覆盖至平方米量级，对大型检测对象还可对结果进行自动拼图处理；4.直观, 测量结果用图像显示、直观易懂 5.定量, 可以直接测量到缺陷深度、厚度, 并能作表面下的识别6.单向非接触, 加热和探测在被检试件同侧, 且通常情况下不污染也不需接触试件；7.设

8、备可移动、探头轻便, 十分适合外场、现场应用和在线、在役检测。2.3红外线检测与其他无损检测技术比较作为一种综合性应用技术, 无损检测技术经历了从无损探伤( NDI) , 到无损检( NDT) , 再到无损评价( NDE) , 并且向自动无损评价( ANDE) 和定量无损评价( QNDE) 发展。在航空领域, 损伤容限理论已经逐步替代了安全寿命设计理论。无损检测不但应能检测出已经存在的缺陷, 而且应能对缺陷( 裂纹、锈蚀、脱粘等一类疲劳缺陷) 的发展规律进行监测, 以保证损伤容限理论的正确实施 。热波检测技术正是顺应了这种发展趋势, 从功能上看, 非常适合检测和监测裂纹、锈蚀、脱粘等一类疲劳损

9、伤的发展性缺陷； 从性能上看, 具有快速、观测面积大、直观、准确、非接触等特点优势, 适合于外场应用、在线在役检测。因此, 此项技术在某种程无损检测度上势将取代一些传统的检测技术。红外热波检测技术与超声、磁粉、涡流、渗透、X射线等五大常规检测技术的比较见表1：表1 常见无损检测方法的比较检测技术适用范围优点缺点X 射线检测内部缺陷；铸件、 焊接件、非金属制品和复合材料等不受材料、几何形状限制，能保持永久性记。射线探伤对气孔、夹渣、未焊透等体积型缺 陷最敏感设备投资大；不易发现与射线垂直方向上的裂纹；不便给出缺陷深度；对 安装及安全方面有 严格要求，不适于现场在线测；检测周期长；胶片照相法胶片消

10、耗大，成本高超声波检测表面、内部缺陷；锻 件、焊接件、胶接 接头和非金属材料对缺陷敏感，获得结果迅速，缺陷定位方便对小、薄及复杂零件难以检测；需耦合剂耦合；粗晶材料散射严重；形状复杂的结构难以检测；速度慢，检测 周期长。目前尚不能做三维检测磁粉检测表面、近表面缺陷；铁磁性材料采用磁粉探伤方法检验铁磁性材料的表面缺陷比采用超声波探伤或射线探伤灵敏度高，而且操作简便，结果可靠，显示直观只限于铁磁性料，定量测定缺陷深度困难。对于有色金属、奥氏体钢、非金属与非导磁性材料，不能采用磁粉探伤的方法检验缺陷渗透检测表面开口缺陷；各种非疏松材质原理简明易懂，设备简单，操作简便，灵敏度高。显示缺陷直观。对大型工

11、件和不规则零件的检查以及现场机件的检修查工艺程序复杂，试液易 挥发，只能检测表 面开口缺陷；不能检测表面多孔性材料涡流检测表面和近表面缺陷；导电体材料设备自动化程度高， 不必清理试件表面，省时，不需耦合剂对零件几何形状、 突变引起的边缘效应敏 感，容易给出虚假的显示红外热波无损检测技术可以测量损伤深度、材料厚度和各种涂层、夹层的厚度以及 表面下的材料和结构特性的识别；用于金属和非金属材料快速：每个测量一般只需数秒钟；观测面 积大：一次测量可覆 盖面积近一平方米；直观：测量结果用图像显示，直观易懂；准确。可以直接测量到深度、角度、面积等；非接触：多数情况不污染也不需接触试件对外形复杂的结构件要确

12、定缺陷的深度 时，需要更有效的数 学计算模型；检测 深 度还不够深（受限于 加热设备的能量)；对 缺陷的分辨率还不如 超声C扫描高。用于某些金属时，表面 需进行抗反射处理3 复合材料红外线检测应用实例3.1玻璃纤维层合板红外热波检测试件为某新型战机垂尾翼尖结构件，主要为玻璃纤维复合材料，表面涂有耐热漆层，试件损伤形式为人工钻孔模拟损伤，孔径从左至右分别为 3.6，5，5.1 和 6 mm，埋深从下至上为1 3 mm不等；试件左部边缘有一采用气动切割斜向制作的人工分层损伤，埋深约为1.5mm 。检测时采用高能闪光加热方式，脉冲加热时间为2 ms ,能量为 4. 8 kJ，热图采集速率为 60 帧

13、/ s。图1为检测热图结果。其中黑孔为铆钉孔，右端黑色部位表面的耐热涂层已磨光，距表面深度不同的小孔缺陷随时间逐渐显现出来。距表面一定深度的大面积分层缺陷也显现出来 。图1 玻璃纤维层合板红外热波检测结果缺陷的温度2时间对数曲线见图 2，可见不同深度的缺陷与参考区域(无缺陷区 )的分离时间不同，深度越深，分离时间越晚，即在热图上显现的时间越晚。理论推导与试验证明，缺陷深度的平方与缺陷显现的时间成正比(其比例系数与材料的热传导性、密度和比热容有关），因此可利用试验曲线判定缺陷埋藏深度和缺陷类型。试验中，孔径的大小对显现时间也有一定的影响。分层缺陷的温度2时间曲线与人工孔缺陷有所不同。图2 典型缺

14、陷温度2时间的对数曲 线图从图1检测结果可见，人工损伤都能够被发现，热图能直观准确地显示出 缺陷位置、大小及形状等，并且还能存档备查。通过专用软件，根据试件尺寸大小和厚度可以计算出损 伤的面积和埋藏深度，并且还能进行定性分析，从而为后续的损伤评估和修理工作提供可靠的数据。3.2 雷达罩蜂窝夹芯红外热波检测试件为某新型战机机头雷达罩蜂窝夹芯结构件，分为内、中、外三层层合板和两层蜂窝芯，材料主要为 S22 玻璃纤维，中间层合板较厚。原始损伤为飞机坠毁时造成的撞击损伤和擦伤，表面可见的主要是擦伤及漆层脱落，内部损伤不可见。另外还使用敲击的方法制作了三处人工冲击损伤。检测时采用高能闪光灯进行主动加热，

15、脉冲加热时间 为 2 ms，能 量 为 4. 8 kJ，热图采集速率为20 帧/ s。从检测热图结果(图3)可见，除表面的擦伤及漆层脱落外，人工冲击损伤和内部由于高速撞击造成的损伤也清晰可见，图像能准确显示出试件内部损伤的位置、大小及形状等信息。由于脉冲激励能量有限，因而无法对试件整个厚度内的损伤进行全面检测。图3 雷达罩蜂窝夹芯红外热波检测结果4 复合材料红外检测的发展展望实践表明，由于复合材料的多样性，不同的复合材料制造过程的复杂程度也不尽相同，适用场合各异，不同材料间有着很大的性能差异，所以不同条件下选用的无损检测方法也不一样，红外线检测由于检测面积大、速度快和非接触从而在复合材料缺陷检

16、测中的应用越来越广泛【3】。1990年以来，国际上积极开展红外热波无损检测技术的研究。美国无损检测协会组织编写的无损检测手册红外与热检测分册里，有大量的篇幅论述红外热像无损检测在航空航天、电子、石化、建筑等许多领域的应用 。美国、俄罗斯、法国、加拿大等国已把红外热波检测技术广泛应用 于飞机复合材料构件内部缺陷及胶接质量检测、蒙皮铆接质量检测。美国还把它用于航天飞机耐热保护层潮湿检测，Atlas空间发射舱复合材料的脱粘检测，A3火箭无损检测。美国韦恩州立大学的工业制造研究所在该技术领域的研究上一直得到美国政府机构和许多大公司科研基金的支持，处在该领域研究的最前沿，取得了很多实际的研究成果。在 F

17、AA 1998，1999 和 2000年飞机机身无损探伤技术竞标中，此技术击败包括X 射线、超声波、暗电流检测等多项技术而唯一胜出。并逐渐被 NA SA、美国空军和海军、波音、 洛克希德，各大汽车公司及各大航空公司等许多知名 大公司 所采用。 自 20 世纪 90 年代中期以来，这些政府机构和大公司纷纷设立了红外热波无损检测实验室，用于研究解决各自独特的无损检测问题。据介绍，中国目前从事与无损检测技术相关工作的人员约有25万人，涉及无损检测技术应用、科研、教学与培训、经销、技术咨询、工程服务等的专业单位在 5000 个以上。 截止2002年10月份，中国无损检测器材设备的制造单位大约有 400 家，分布在25 个省、自 治区和直辖市。据调研结果显示，目前国内对此项技术的研究与应用与国外的差距甚大，仅有一些技术介绍和综述文章，以及初步试验。必须指出 ，由于被检物在材质、尺寸、制造工艺、形状等方面存在不同，所含缺陷也千差万别 ，因此没有一种无损检测的方法是万能的。通常选择使用的检测手段都是有针对性和个性化的。热波检测技术应被视为是对一些传统方法的补充、替代与进步，也可与各种现有