复合材料压力容器无损检测研究

1、学院：航空航天工程学部班级：14030102学号：2011040301091姓名：赵洪畅复合材料无损检测技术的分类及研究现状摘要:随着复合材料压力容器的研究及其在航空航天等领域的广泛应用，检测复合材料压力容器内部缺陷、损伤的无损检测技术也得到迅速的发展总结了用于复合材料压力容器无损检测的超声波技术、声发射技术、声-超声技术、涡流检测技术、计算机断层扫描技术、红外热波、数字散斑等主要无损检测方法，对上述方法的原理、特点、适用范围及其在复合材料压力容器无损检测中的检测特征作了简要评述;并对复合材料压力容器无损检测研究进行了展望.关键词:复合材料压力容器、无损检测方法、超声波、声发射技术、数字散斑、

2、无损检测、红外热波、涡流检测序言:随着新型复合材料和复合材料压力容器的开发及其在航空航天领域的广泛应用，作为产品缺陷检测和质量评价手段的无损检测技术也相应得到迅速发展。总结了航空航天复合材料构件无损检测的主要方法，即：涡流检测法、射线检测法、超声波检测法、光学检测法、声发射和机械阻抗分析法等，及用于复合材料压力容器无损检测的超声波技术、声发射技术、声一超声技术、涡流检测技术、计算机断层扫描技术、红外热波、数字散斑等主要无损检测方法，对上述方法的原理、特点、适用范围及其在复合材料压力容器的无损检测中的检测特征作了简述，并对复合材料压力容器无损检测研究进行了展望止文：1、复合材料压力容器的发展简介

3、与无损检测意义金属压力容器经过多年的研究与应用已成为高可靠性工程结构。由于复合材料性能的提高，特别是纤维缠绕技术的发展，先进复合材料与金属内衬复合的压力容器的研究与应用有了较大进步，金属内衬复合材料压力容器广泛用于航空、航天等领域。轻质高强、可靠性高、使用疲劳寿命长的压力容器已成为各主要工业国航空航天压力容器发展方向。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。复合材料压力容器在制造与使用过程中产生的缺陷与损伤是导致复合材料压力容器失效或事故的主要原因。采用无损检测的方法评估复合材料压力容器的损伤状态与损伤发展规律。对评价压力容器的服役性能与鉴定压力容器的失效具有重要作用.2、复合

4、材料压力容器的无损检测方法2.1超声波检测超声波是复合材料无损检测应用最广泛的技术。超声无损检测是用换能器向被检构件发射超声波，利用材料内部缺陷区域和正常区域对超声波的反射、衰减与共振的差异，来定材料内部缺陷的位置和尺寸，超声仪将含损伤信息的超声波信号显示出来，无损检测人员可根据显示结果结合材料特点与实际检测经验来判断缺陷的类型由于显示直观、检测速度快，超声C扫描已经成为大型复合材料构件或结构普遍采用的无损检测技术S.M.Aceves等采用水浸超声C扫描分别检测了经历1000次循环（900次高压循环与100次低温循环）与未经任何循环的两个芳纶纤维缠绕铝内衬容器，反射振幅的灰度显示经历了1000

5、次循环的压力容器有几个区域出现了芳纶复合材料分层损伤，未经过循环的作为参照的压力容器粘接良好。说明超声C扫描技术适用于检测复合材料结构内部的分层缺陷。超声检测技术能检测出复合材料构件或结构中的孔隙、裂纹、界面脱粘、分层等缺陷。其优点是检测灵敏度高，可准确定位缺陷及其分布，并且操作简单；缺点是检测过程中需要使用耦合剂，检测效率低下，缺陷类型不同，需采用的探头规格也不同，并且要求检测人员的专业水平较高与经验积累较丰富。超声检测的传统方法是接触式的，即在超声探头和待测试样之间必须用水或其他液体作为声耦合介质为了有效便利地检测复合材料构件，现在许多学者都在研究非接触空气耦合式超声检测方法.2.2声发射

6、技术20世纪60年代，美国首次将声发射技术应用于玻璃钢固体发动机壳体检测。随着声发射检测系统与分析方法的改进，声发射技术已经发展成为广泛应用的无损检测方法。声发射分析通过参数分析法与波形分析法来获取材料的损伤特征。声发射技术利用耦合在材料表面上的压电陶瓷探头采集材料内部的声发射信号，通过声发射信号的分析，可获得材料内部的缺陷情况。如果用多通道声发射检测系统，还可以确定声发射源即缺陷的具体部位。声发射主要是检测压力容器中的活性缺陷，利用少量固定不动的换能器，在容器的加载过程中，获得活性缺陷的动态信息。活性缺陷一声发射源的位置可通过时差定位、区域定位及次序冲击方法来确定，不必对整个构件进行扫描。美

7、国MANSANTO化学工业公司应用声发射技术成功地检测了数千台大型金属和复合材料压力容器，该项技术在日本、意大利、澳大利亚和中国等国家也得到广泛研究和应用.声发射探测到的能量来自测试物体本身，可提供结构随外部变量(荷载、温度等)连续变化的损伤信号，适用于在线监测与破坏预测。其检测灵敏度高，适用范围广，不受被检构件几何形状的限制，适用于检测形状复杂的构件，并且检测不受环境的影响，可在恶劣与危险环境下进行检测。声发射检测的局限是结构必须承载，对缺陷定位的精度有限。将声发射技术和数据分析结合起来，实现检测设备全数字化、低噪声，并对缺陷精确定位是声发射技术进一步发展的方向。2.3声一超声检测技术声一超

8、声技术(AcousticUltrasonic，AU)又称应力波因子技术(StressWaveFactor，SWF)。声一超声是超声波与声发射技术相结合的无损检测技术。声一超声C扫描技术可有效地检测复合材料与金属材料间的界面缺陷，并且克服了超声反射技术信号清晰度不高、超声透射技术传感器可达性差的缺点。声一超声技术可应用于复合材料制成的非金属压力容器的裂纹及接头的结合质量检测。在声一超声检测中，用一个宽带传感器在被检非金属压力容器表面发送一系列可重复的超声脉冲波，将另一传感器置于容器同一侧离发射传感器的给定距离处，以接收由发射超声脉冲所形成的沿容器壁传播的应力波.对胶粘及多层复合材料压力容器，应力

9、波经历了容器材料边界表面多重反射并与占有显著比率的胶接层相互作用，因而会含有结构中微结构与组织性质的信息。声一超声测量结果会受到传感器布置方式、传感器的压紧力、发送与接收装置的性能与设置等有关因素的影响。声一超声检测与声发射技术不同，它不关心声源的位置和特征，而主要用于检测复合材料构件中的细微缺陷群.声一超声可提供复合材料分层、孔隙、界面脱粘以及胶接结构脱粘、孔隙等宏观不连续与结构不连续的多种信息，能指示胶接结构和复合材料的整体状况和极限强度，适用于复合材料的完整性评估.声一超声的局限是对单个、分散缺陷不敏感。2.4微波检测技术20世纪60年代美国在大型导弹固体发动机玻璃钢壳体中的缺陷检测中采

10、用了微波技术。经过几十年的研究，我国的微波技术已向数字化、检测缺陷尺度精、从厘米波向毫米波与亚毫米波的方向发展。微波检测技术可有效检测复合材料构件中的孔隙、裂纹、分层和界面脱粘等缺陷，并且操作简单，可自动显示检测结果，但对较小缺陷的检测灵敏度低。2.5涡流检测技术涡流检测是基于电磁感应原理揭示导电材料表面和近表面缺陷的无损检测方法Y.Hatsukade等采用基于量子干涉仪的涡流检测技术检测了多层复合材料缠绕铝内衬压力容器的损伤情况。检测结果显示，经过压力循环试验的的容器椭圆形封头处铝内衬含有贯通的裂纹，复合材料压力容器的总厚度为6mm,纤维复合材料与铝内衬的厚度均为3mm.分别采用100Hz与

11、7Hz两种频率检测压力容器，都能清晰地探测到因裂纹存在而出现的异常信号。测试结果表明基于量子干涉涡流无损检测技术可以用于多层复合材料缠绕铝内衬高压容器的无损检测。涡流检测技术可检测出碳纤维增强复合材料中碳纤维纤维的含量与界面脱粘、分层等缺陷，并可用于检测复合材料与金属粘接结构中金属材料的翘曲变形,但涡流检测技术只适用于导电的复合材料，并且需要标准试件对照。2.6射线检测2.6.1工业CT技术计算机断层扫描法ComputedTomography起源于X射线照相技术，它使射线穿过被摄物体的某一个断面而得到该断面的图像，对每片物体的观察可获得该物体的结构和性能方面的大量信息，从而达到检测缺陷的目的工

12、业CT作为一种先进的无损检测手段，自20世纪80年代以来取得了迅速发展和广泛应用。将工业CT技术应用于固体火箭发动机的质量检测，结果表明工业CT技术对固体火箭发动机的绝热层和药柱中的气孔、夹杂、裂纹及脱粘等常见缺陷具有很高的检测灵敏度,并能准确测定其尺寸和部位。工业CT技术可用于固体火箭发动机多界面的质量检测.工业CT检测结果直观可靠.局限是设备庞大，成本高，效率低，双侧透射成像，不适用于大型构件的现场检测，且射线对人体有伤害。2.6.2射线康普顿散射成像康普顿散射成像技术是20世纪80年代末发展起来的一种射线检测新技术.康普顿散射成像具有单侧非接触、快速三维成像、灵敏度高，并且不受被检测构件

13、几何尺寸限制等特点。康普顿散射成像(CST)技术在国外航空航天领域得到了广泛的应用，国内由于缺少相关的技术与设备，尚处于探索性阶段。文献显示射线康普顿散射成像检测已应用于固体火箭发动机结构的分层检测，并可检测出0.15mm的分层间隙。2.7光学检测方法2.7.1数字散斑方法数字散斑相关方法是在20世纪80年代初由WH-Peters和W.F.Ranson等人提出的，是一种用于测量物体面内位移的非接触光学测量方法与传统的干涉测量方法相比，DSCM直接从物体表面随机分布的人工或自然散斑场中提取变形信息，具有全场测量、非接触等优点，且其光路简单，要求的测量环境低，因而在实际工程测量中有着广泛的应用前景

14、。散斑是基于激光的全场测试表面变形的技术，它不像全息技术需要隔振装置，因此散斑技术可应用于现场测试散斑通过将异常的变形转换成不规则的条纹图案鉴别出现的缺陷，虽然散斑方法是测试表面变形，但它却可以探测表面与内部的缺陷.其原因是除了远离表面的内部缺陷，其他缺陷也会影响表面变形。文献采用DSCM(digitalspecklecorrela-tionmethod)测试了直径为1400mm,轴向长为1800mm,呈圆筒状碳纤维复合材料压力容器在水压下的局部区域的位移场和应变场，测试结果显示在8MPa水压作用下测试区域的环向应变大约是轴向应变的4倍，其值在1500017000p之间.Y.Y.Hung展示了

15、采用散斑方法检测的复合材料压力容器在内压作用下分层损伤的变形条纹图，分层损伤位置的条纹图与周围的条纹图相比明显致密且呈闭合区域，说明散斑方法可直观有效地检测到复合材料压力容器在内压作用下的变形、损伤位置与损伤状态.采用散斑的方法可探测构件服役时在应力作用下的临界裂纹，可忽略虚假的裂纹.数字散斑技术可即刻探测到复合材料试样某部分的裂纹，并能提供临界裂纹的方向.散斑技术是揭示复合材料结构分层与疲劳损伤的有效方法采用数字散斑技术的局限是需要对检测对象施加应力，散斑检测方法需要防止测试物体的刚体运动，过大的刚体运动将引起变形与未变形散斑图像失去关联性。散斑技术已被复合材料结构的无损检测行业认可.2.7

16、.2红外热波检测20世纪90年代，国际上积极开展红外热波技术的研究自90年代中期，美国多家大公司（如GE、GM、波音、福特、洛克西德和西屋等）及政府机构（如NASA、FAA、空军、海军）等已经在广泛应用和推广该技术。红外热波技术的研究在我国起步较早，我国已在复合材料壳体界面粘接、蜂窝夹芯结构脱粘、设备检测与产品质量检测等方面取得了许多成果红外热波检测采用外部热源加热被检试样，利用被检材料内部热学性质的差异在试样表面局部区域产生的温度梯度，产生的表面红外辐射能力差异，再借助红外热像仪探测被检试件的辐射分布，分析其在热图上的反映推断内部的缺陷情况.红外热波检测方法尤其适合用于检测复合材料薄板与金属粘接结构中的界面脱粘类缺陷，能够准确地检测出复合材料中分层的深度红外热波无损检测适用于各种压力容器、承载装置表面及表面下疲劳裂纹的探测。可用于大到航天飞机，小到纤维、薄膜，不同材料，不同结构和检测环境的各类探伤和检测问题外热波无损检测具有非接触、实时、高效、直观的特点，一次测量可覆盖达平方米量级.对大型检测对象能对结果进行自动拼图处理.可直接测量缺陷的深度与厚度，并能作表面下的识别.检测方便，适用于构件的现场与在役检测.其局限是对缺陷的检测深度不够深，检测分辨率低于超声C扫描，对于某些金属检测，表面需进行抗反射处理，且受周围环境温度