复合材料无损检测技术

2024-07-25

复合材料无损检测技术（精选6篇）

复合材料无损检测技术第1篇

复合材料的无损检测技术

复合材料(composite materials)是指由两种或两种以上不同性能、不同形态的组分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。复合材料是应用现代技术发展涌现出的具有极大生命力的材料，具有刚度大、强度高、重量轻的优点，而且可根据使用条件的要求进行设计和制造，以满足各种特殊用途，从而极大地提高工程结构的效能，已成为一种当代新型的工程材料。

然而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。

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。下面就主要的复合材料无损检测技术作简要的概述：

一、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。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。中北大学电子测试国防重点实验室的研究人员将X射线与现代测试理论相结合，在数字图像处理阶段，通过小波变换与图像分解理论，将一幅图像分解为大小、位置和方向都不同的分量，改变小波变换域中的某些参数的大小，实时地识别出X射线图像的内部缺陷。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，但医用CT不适合检测大尺寸、高密度(如金属件)的物体，为此八十年代初，美国RACOR公司率先研制出用于检测大型固体火箭发动机和小型精密铸件的工业CT。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.微博检测法

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。

二、超声检测技术

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

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。

超声检测技术的发展：八十年代中期，美国人首先利用兰姆波接触法对金属板/板胶接结构的性能和质量进行了检测试验，九十年代以来则更为集中地探索研究了复合材料层板、蜂窝夹层结构在液浸条件下的泄漏兰姆波检测技术。近年来，我们参考国外相关文献开展了树脂基碳纤维增强型复合材料层板的泄漏兰姆波C扫描检测技术研究，取得了理想的试验结果。2007年,亚洲最大的复合材料生产基地在哈飞建成，随着该基地的建成，哈飞也陆续采购了一批国内外最先进的设备，其中包括英国超声波科学有限公司(USL)生产的超声波C扫描喷水复合材料检测系统。目前, GE公司推出了便携式相控阵探伤仪 Phasor XS，使相控阵检测技术在无损检测中得到很大的推广，已在航空复合材料的检测、气轮机叶片(根部)、涡轮圆盘的检测、石油天然气管道焊缝检测、火车轮轴检测、核电站检测等领域得到广泛运用。相控阵探伤仪能够通过图像的形式直观地显示缺陷，并通过线性B扫描图或扇形图显示一定区域范围内的缺陷，有利于对缺陷的评判。从应用效果来看，应用便携式相控阵探伤仪检测复合材料能极大地提高检测效率，提高检测准确性，节省检测成本。

三、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。

四、视觉检测技术

近年来计算机图像技术得到了快速发展,在复合材料无损检测技术上,一般与射线检测技术结合应用，具有直观，高效的特点，也是现在检测技术研究的一个热门方向。天津工业大学在三维编制复合材料检测中应用视觉检测技术的系统。其基于一类特殊的小波变换对三维编织复合材料拉伸断面进行图像处理、测量复合材料纤维体积含量的方法。通过实验及对比，得到了比传统边缘检测更加清晰连贯的图像。

五、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、石利华等研究人员研究了兰姆波检测技术。

六、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，通过数字敲击锤激励被检件产生机械振动，经测量被检件振动的特征来判定胶接构件的缺陷及测量胶接强度等，可用于蜂窝状结构检测、复合材料检测、胶接强度检测等。

4.激光全息无损检测法

对被检测构件施加一定载荷后(力载荷或热载荷)，构件表面的位移变化与材料内部是否存在分层性缺陷及构件的应力分布有关，内部存在分层性缺陷及应力集中区的位移量大于其他区域的位移量。

国内研究人员跟随国际上先进技术的发展方向,在复合材料无损检测研究领域进行了卓有成效的探索与研究，并取得了较好的研究成果。由于复合材料的应用与航空航天技术的发展有着密切的联系，所以国内在这方面研究较深入的主要单位有各航空航天相关的研究所及院校,如北航,南航,航空材料研究院。南京理工大学、浙江大学及中北大学在无损检测的理论方面都有较深入研究。西北工业大学在无损检测信号处理技术方面也做了不少工作。天津工业大学在三维编制复合材料的研究及其检测领域也开展了有益的研究并取得了不错的成绩。

复合材料无损检测技术第2篇

摘要：随着现代航空航天业对复合材料应用的不断增多，对这些材料的检测日益成为该领域的重点和难点。本文主要介绍了一些常用的与航空航天复合材料相适应的超声无损检测技术。

关键字：航空航天复合材料无损检测超声检测 C扫描检测 RF超声检测空气耦合

1.引言

复合材料是指由两种或两种以上不同的物质以不同方式组合而成的材料，它可以发挥出各种材料的优点，克服单一材料的缺陷，扩大材料的应用范围。由于复合材料具有重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀和耐候性等特点，已逐步取代木材及金属合金，广泛应用于航空航天领域，近几年更是取得了飞速的发展。

然而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，制造过程复杂，在制作成型过程中受设备、环境、人员及原材料等因素的影响极易在产品内部产生空穴、裂纹、分层、多孔、输送、界面分离、夹杂、树脂固化不良、钻孔损伤等缺陷。在应用过程中，由于疲劳积累、撞击、腐蚀等物理化学因素影响，复合材料也容易产生脱胶、分层、基本龟裂、空隙增长、纤维断裂、褶皱变形、腐蚀坑、划伤、下陷、烧伤等缺陷，这些缺陷很大一部分还是产生在复合材料的内部[1]。这些对产品的质量和安全性能影响极大，因此，对产品的检测尤为重要。

用于复合材料无损检测的方法主要有超声、射线、磁粉、渗透、涡流、激光全息及红外无损检测技术等，超声波检测法(Ultrasonic)是广泛用于材料探伤的常用方法，也是最早用于复合材料无损评价的方法之一。它主要利用复合材料本身或其缺陷的声学性质对超声波传播的影响来检测材料内部和表面的缺陷，如气泡、分层、裂纹、脱粘、贫胶等[2]。超声波探伤具有灵敏度高、穿透性强、检验速度快、成本低和对人体无害等优点。因此，超声无损检测技术一直都是研究的热点，本文将对复合材料的某些超声波无损检测方法做具体的介绍。

2.复合材料及其无损检测技术特点

与传统的金属材料结构相比，复合材料结构是一种通过基体-增强物之间的物理结合和铺层设计来达到预期性能的集材料工艺于一体的新型材料结构。其最为显著的优点是材料和结构的重量-性能比(即比性能)好、可设计性强、材料利用率高和制造工序少(从材料制备到结构成型，往往仅需要一两个热循环就能完成制造)。因此，一旦进入复合材料结构制造工序，其输出结果就是结构件，而且复合材料结构越来越复杂，结构尺寸越来越大，整体结构越来越多，如飞机机翼、机身和壁板等。

复合材料的无损检测不能简单沿用金属材料检测的思维惯性和方法，而必须根据复合材料结构特点，研究和采用复合材料的无损检测技术和方法。

图1 典型的复合材料界面[3](1)由于复合材料内部各结构元素(如纤维、树脂和铺层等)之间主要是通过物理界面相结合(图1)，而且存在明显的各向异性。大量的检测结果和破坏分析表明，最容易产生缺陷的部位正是在复合材料内部的物理界面。因此，界面缺陷的检测是复合材料无损检测的重点。特别是对于复合材料层压结构，研究和掌握其结构特点，对选择和研究复合材料无损检测技术具有正确性的指导意义。

2(2)复合材料结构多为非厚度结构，厚度约0.3-40 mm，因此，对复合材料的检测必须结合具体的应用对象。特别值得指出的是，复合材料不允许存在表面检测盲区。对于复合材料层压结构，单个铺层的厚度小至0.125 mm，而且通常复合材料结构在厚度方向不存在加工余量之说[3]。

(3)对复合材料层压结构，必须充分考虑内部的微结构与所研究和选择的检测方法在检测机理、缺陷信号成因上的有机联系。例如，声波在复合材料中的传播特性的变化和缺陷识别方法就与复合材料内部微结构存在密切联系[3]。不能简单地根据换能器接收到的物理信号的变化判别缺陷是否存在。例如，图2是来自碳纤维层压复合材料内部的典型超声回波信号，图中F来自材料表面的声波反射，B来自材料底面的声波反射，D来自材料内部的声波反射。按照传统的超声检测思维惯例，信号D应是判别材料内部缺陷的依据。但在复合材料超声检测中，信号D并不是来自缺陷的反射波，而是材料结构变化引起的入射声波反射。

图2 复合材料内部典型超声回波信号[3](4)缺陷特点与特征总是与材料、工艺和结构密切相关，因此需要掌握这些特点，才能建立正确的复合材料判别方法。

3.复合材料的超声波检测技术

3.1 超声波检测简介

超声波是指频率≥20kHz的声波，其波长与材料内部缺陷的尺寸相匹配。根据超声波在材料内部缺陷区域和正常区域的反射、衰减与共振的差异来确定缺陷的位置与大小。超声波检测主要分为脉冲反射法、穿透法和反射板法，根据不同的缺陷来选择合适的检测方法。

超声波不仅能检测复合材料构件中的分层、孔隙、裂纹和夹杂物等，而且在判断材料的疏密、密度、纤维取向、曲屈、弹性模量、厚度等特性和几何形状等方面的变化也有一定作用。对于一般小而薄、结构简单的平面层压板及曲率不大的构件，宜采用水浸式反射板法；对于小或稍厚的复杂结构件，无法采用水浸式反射板法时，可采用水浸或喷水脉冲反射法和接触延迟块脉冲反射法；对于大型结构和生产型的复合材料构件的检测宜采用喷水穿透法或喷水脉冲反射法。由于复合材料组织结构具有明显的各向异性，而且性能的离散性较大，因而，产生缺陷的机理复杂且变化多样，再加上复合材料构件的声衰减大，由此引起的噪声与缺陷反射信号的信噪比低，不易分辨，所以检测时应选合适的方法[4]。

超声波探伤具有灵敏度高、穿透性强、检验速度快、成本低和对人体无害等优点。由于这些优点超声C扫描、RF超声检测、空气耦合式超声检测等已成为飞行器零件等大型复合材料构件普遍采用的检测技术。

3.2 超声C扫描检测技术

超声C扫描是通过采用计算机技术控制超声波探头的移动位置，控制超声波探伤仪（或数据采集卡）经探头发射超声波信号，并在超声波信号经过检测工件后被自身（或别的）探头接收超声波探伤仪（或数据采集卡）将获得信号进行处理，由计算机进行检测结果的显示、记录、存储，在计算机显示屏上显示整个检测区域的有无缺陷情况、缺陷大小和位置。现以检测平面构件为例加以说明其成像原理。当探头在探测平面内作X，Y方向的扫描运动时，在计算机的显示屏上有一个和零件表面相一致的直角坐标。探头在零件表面的位移和显示屏上的光点的位移 4 同步，光点的颜色对应着接收探头接收到的信号能量的大小，如果探头所在位置下面如有缺陷，则对应的信号能量将发生变化，于是在显示屏上显示一个不同颜色点[5]，成像原理如图3所示。

图3 超声C扫描成像原理

超声C扫描，由于显示直观、检测速度快等优点使其在大型复合材料构件的无损伤检测中得到了广泛的应用。由波音民用飞机集团等单位组成的研究小组用超声波研究复合材料机身层合板结构的冲击强度和冲击后的剩余强度，结果表明，超声波不仅可检测损伤，而且能确定损伤对复合材料构件承载能力的影响。Dows公司先进的复合材料实验室用超声波确定了各种损伤参数(深度、形状、面积、直径以及分层频率等)与有机纤维复合材料压缩强度的关系。为适应复合材料制造过程的在线监控，还研制了脉冲激光超声波检测系统。该系统已成功用于复合材料固化过程的远离非接触在线检测监控，包括温度分布、固一液态界面、微观结构、再生相(疏松、夹杂物)以及粘流一粘滞特性的检测[6]。

3.3 RF超声检测

3.3.1 RF超声检测的优点

RF超声检测技术具有高分辨率，可以有效实现复合材料冲击损伤、分层等缺陷的超声扫描成像检测和孔隙率数值评估，因此可以有效地实现复合材料的缺陷检测。目前该项技术已在多个型号生产和新机研制中得到广泛应用。3.3.2 合材料RF超声检测方法

纤维增强/树脂基复合材料层压结构可以被声波视为厚度hhi(i1,2,,n)的层状介质，其中hi为第i个铺层厚度，n为铺层数。声波在这种层状介质中的传 5 播特性及其变化与波长λ、铺层声学特性(如声速)及其内部均匀性密切相关，对于沿厚度方向传播的入射声波，当λ>hi时层压复合材料被声波视为均匀介质。当复合材料内部质量均匀(无缺陷)时，入射声波将会在复合材料内部均匀传播，而不会形成明显的层间反射[7]。

入射声波在缺陷周围的反射与缺陷的性能(即声阻抗)有关，通常可以利用声压反射系数表征人射声波的反射情况。若用Z和Zd分别表示复合材料和缺陷区的声阻抗，则声波在缺陷界面的声压反射系数尺可表示为：

RZZd(1)

ZZd通常由于缺陷区(如分层)的声阻抗Zd比复合材料声阻抗小得多，即Z>>Zd，因此声波中90％以上的能量将会产生反射，形成缺陷反射回波。

图4 分层区RF超声回波信号

图4是一典型的碳纤维增强/树脂基复合材料层压结构中分层区的RF超声回波信号，从图4中可以清晰地看到来自试样表面的声波反射信号F和来自分层缺陷的声波反射信号D，且F和D相位相反[7]。

由于入射声波传播声程s=tv，因此，通过测量回波信号F和D之间的时间t，可以确定损伤在复合材料厚度方向的深度hD：

hD1tv(2)2入射声波在缺陷周围形成的反射声波的幅频特性与缺陷的取向、姿态有关。当入射声波与缺陷取向表面的法向方向夹角较大时，即使入射声波在缺陷界面产生了强烈的反射，也难以接收强烈的反射回波信号。此外，入射声波在缺陷周围形成的声波反射特性还将与缺陷尺寸和声波波长有关，对于复合材料中的微气孔，入射声波在气孔周围的传播主要表现为散射特性，而且气孔越小，散射特性越明显。

通过分析表明声波在碳纤维增强/树脂基复合材料中传播特性的变化，可以得到复合材料内部缺陷或结构信息，但不同的缺陷特征或不同性能的缺陷，对声波反射特性的影响明显不同。由于复合材料层合结构特征，通常单个铺层的厚度可小至0．13mm[7]，因此必须设计采用合理的脉冲超声波检测技术，以得到一个在时间和空间上可以分辨的声波检测信号，实现对复合材料缺陷的定性定量评估和检测分析。

3.4 空气耦合式超声检测技术

3.4.1 空气耦合式超声检测技术进展

空气耦合式超声无损检测技术的进展得益于空气耦合理论、新型换能器及信号处理技术的不断进展。尽管空气耦合式超声检测技术壁垒不断，但研究工作还是取得很多成果：Dean D S系统评估了实际应用环境中空气耦合换能器的特点。Lynnworth L C，Kim B T研究开发的空气耦合式固体绝缘换能器，推动了空气耦合式超声检测技术的发展[8]。

然而目前国内对空气耦合式超声检测技术研究很少，国外许多国家已经将之应用于各种材料研究中。如比利时的E Blomme和德国的RStoessel分别对几种复合材料中(如布料上的涂层以及铝板、钢板和薄铸件)的缺陷检测，得到比较满意的结果。美国QMI公司生产的空气耦合式数字超声波探伤仪，性能可与普通超声波探伤仪相比。意大利空军已将空气耦合用于飞机复合材料检测中。由于空气耦合衰减过大，适用的频率范围最高只能在1MHz左右，而且作用距离短、带宽窄，限制了其应用范围[9]。为了达到工业化应用的目的，超声的空气耦合正向两个方向发 7 展，即①研制适用于不同用环境的空气耦合式超声波换能器。②研制适用于工业化的在线检测系统。

3.4.2 空气耦合式超声测基本原理及其理论

在空气耦合式超声检测中，由于空气和待检试样(固体材料)之间声阻抗存在巨大差异，一般相差约5个数量级，因而2个界面间的声能损失非常巨大，换能器最佳匹配层的声阻抗率Zm为:

ZmZiZ0(3)式中：Zi为固体换能器材料的声阻抗率；Z0为空气的声阻抗率。在室温下，PZT压电陶瓷的Zi约为3107瑞利，空气Z0为4.2102瑞利，按照上式计算Zm辨为1.1102瑞利[8]，如此低阻抗率的固体材料在自然界中难以寻觅，即使人工合成也有相当难度。阻抗不匹配将引起强反射、强折射等效应，进而导致接收端信号信噪比大幅降低，严重影响后续处理系统对回波信号的处理。在空气耦合式超声检测方式中，有反射式和穿透式2种检测模式，分别如图5(a)和图5(b)所示。对于反射式超声检测，可采用单换能器或双换能器，图5(a)中为单换能器。

(a)反射式空气耦合超声检测(b)穿透式空气耦合超声检测

图5 空气耦合超声检测模式[8] 超声信号进入待测试样后，经过受检材料底部反射再次为接收换能器获得，若待测试样中包含缺陷，超声信号部分能量将被缺陷反射，接收换能器能够检测到该反穿透式空气耦合超声传播路径如图6所示。

接收换能器获得的信号强度取决于4个气/固分界面的信号衰减程度，接收信 8 号信噪比可用下式来描述

PaDS/N10log4kTfNFCLALABDLEL(4)

式中：Pa为有效发射功率；k为Boltzman常数；T为绝对温度(开氏温标)；△f为接收换能器带宽；NF为噪声因子(范围1～10)，它是接收换能器电子输入阻抗与放大器噪声阻抗匹配的量度，利用射信号[8]。对于空气耦合单换能器反射超声检测模式，信号经过多次分界面的反射、折射及空气传播衰减，返回的信号非常微弱，目前实现反射式空气耦合方式还有很大的技术难度。对于穿透式检测方式，收发换能器分别置于待检试样的两侧，若待测试样中存在缺陷则缺陷的大小和形状都将对传播信号产生不同程度的反射和衰减，接收端根据信号的衰减程度判断出内部缺陷状况。基于理论研究和工程应用为背景，在此重点对穿透式空气耦合超声检测技术展开研究。

图6 穿透式空气耦合超声传播路径

电子阻抗匹配转换器或自谐振换能器可以减少噪声因子；D为发射系数；CL为发/收换能器的转换损失；AL为空气吸收损耗；DL为折射损失；EL为其他额外传输损失[8]。根据公式(4)现将制约回波信噪比提高的因数归结为以下4个方面。①气/固分界面强反射影响。②气/固分界面强折射影响。③空气吸收影响。④信号处理技术。之后再经过检测数据处理与显示，便可得到复合材料无损检测的结果。

空气耦合可进行快速扫查，易实现波形的模式转换，在大面积在线实时扫查、复合材料缺陷检测、表面成像等方面有着良好的应用前景。

4.结论

复合材料是现代飞机设计应用的重要材料，在飞机上用量达到52%，直升机上用量甚至达到70%以上。因此，未来复合材料无损检测有着广阔的发展前景，但无损检测只有与复合材料自身特点相结合，才能有效地建立合适的检测方法和技术。此外，现代工业与科技的发展使得超声检测技术在各方面也都有了长足的进步。超声检测技术正向着数字化、自动化、智能化、图像化和多领域方向发展，以实现复杂形面复合构件的超声扫描成像无损检测，满足现代质量对无损检测的要求。在复合材料规模应用的趋势下，还有许多超声检测技术难题需要不断地去研究和开发，特别是一些快速高效的超声无损检测新技术都是今后复合材料无损检测发展的重要方向。

参考文献

复合材料无损检测技术第3篇

1 复合材料无损检测技术

随着社会的发展, 在对复合型材料生产的过程中, 主要就是会出现以下的缺陷, 例如气孔、疏松、分层、界面分离、夹杂、钻孔损伤以及树脂固化不良等。在其中使用过程中主要会出现疲劳与环境损伤的缺陷, 损伤形式主要就是有分层、脱胶、断裂、划伤、孔隙和烧伤等。目前我国研究人员为了能够更好的赶上先进技术水平, 在复合材料的无损检测方面进行的深入广泛的研究, 同时也得到良好的成绩, 其主要的表现形式有射线检测、超声检测、声发射检测、设觉检测等检测技术。

1.1 射线检测技术

对于射线检测技术也就是有效利用射线对物体进行穿透, 同时具有吸收和散射的特征, 从而检测内部结构是否具有连续性的技术。对于X射线检测方法也就是复合材料损伤检测技术中的常见的一种方法, 主要适用于复合材料孔隙、夹杂等体积型缺陷的检测, 也是一种十分重要的检测技术, 但是其主要就是对于相应的平衡穿透方向具有较好的检测效果, 但是很多检测方法也就只能检测出垂直裂纹, 但是我们可以通过超声反射技术进行有效的整合, 同时可以进行互补, 取得良好的检测结果。在对射线技术的运用过程中最早的时候就是胶片照相技术的运用, 同时发展最快的也就是数字射线检测技术, 与相应的胶片照相技术相比, 数字射线检测技术在成像效果与胶片照相检测技术不相上下, 但是其检测可以做到实时检测, 具有高效率性、易用性和经济性, 因此, 数字射线检测技术得到了更快的发展。

1.2 超声波检测技术

超声波检测技术主要就是利用材料的声学特性和内组织的变化对超声波的传播具有一定的影响, 很多时候通过对超声波受到的影响程度和状况的分析来了解材料性能和结构变化的技术, 主要是使用穿透法、串列法、脉冲反射法等方法。同时对于超声波技术能够直观的观察, 进行快速的检测, 目前在航空复合型材料的检测过程中已经是十分普遍的检测技术, 通过计算机技术的应用实现对超声波探头的控制, 利于控制方向的移动改变。对于超声波探伤仪器发出了信号, 同时当超声波信号经过需要检测的工件后, 也就会被自身的探头接受, 很多也就会接收自身的探头信号, 超声波探伤仪器就可以接收到相应的信息, 然后对信息进行计算分析处理, 最后通过计算机对结果进行分析。

1.3 声发射检测技术

声发射检测技术主要就是通过复合材料的局部能量能够快速释放除需要发生的态弹波性的现象, 对于这种材料会在应力的作用下发生变形, 很多时候都会产生裂纹或者是扩展的现象。对于声音的频率范围十分的广泛, 可以从次声波到超声波, 对于弹性波可以在穿过检测介质之后, 直接到达检测物的表面, 从而使得检测被检测物的表面发生震动, 但是传感器接受这样的振动并将其转化为电信号, 当声发射信号逐渐增强之后, 也就可以形成一定的数据信号, 并能够很好的记录下来, 对于这种检测信号对复合材料整体来说十分重要, 还可以有效的对整体质量水平作出评价。

2 复合材料无损检测技术的发展趋势

2.1 自动化水平迅速提高

对于我国技术现在主要就是提倡节约成本, 在我国航空工业生产中为了有效的节约成本, 很多时候也都采用的加大其结构, 减少整体的零件部位的施工, 这也就是使得复合型材料的结构越来越大, 对原来传统的检测方法已经无法满足检测的要求, 为了能够有效的对工件进行自动化检测, 对于相应数据的检测, 检测一些裂缝的出现, 这也就可以有效的提高航空业的自动化技术, 可以有效的降低认为的误差。

2.2 提高原位检测能力成了研究重点

对于复合材料的检测十分重要, 也是保证企业生产安全性的重要前提, 对于结构体积越来越大的复合材料来说, 在安装和维修的过程中也就出现了很多的困难, 由于这种体积较大的材料, 许多的行业也都希望能够提高材料的检测能力, 有效的防治材料的故障。对于目前存在两种检测方案, 第一就是采用大型设备, 对于整个设备进行整体的无损检测, 这种方法需要占用大量的空间。第二就是采用多功能小型化检测设备, 这些检测设备可以直接对产品进行无损检测, 使用的时候十分的方便。

2.3 可视化定量检测水平不断提高

对于现代计算机技术的不断发展, 计算机数字成像技术不断的提高, 同时也得到全面的运用, 对于复合型材料无损检测的速度也大大的提高了, 同时精准度也得到提高。

2.4 结构智能监控将成为可能

对于复合材料无损检测技术的发展与进步, 对于现代科学中传感器的出现, 将传感器进行嵌入也就是当期检测技术研究的重点, 对于未来复合材料的使用也是社会的发展方向, 同时也符合社会环境发展需要, 对于未来复合材料无损检测技术也能研究出反应智能的结构。

3 结束语

对于复合材料来说具有各项异性, 在相应的制造过程中, 经常会出现很多的缺陷, 存在很多的不稳定性因素。因此我们在实际的运用过程中, 要不断的创新复合型材料的检测技术, 在检测方法中无损检测技术具有十分重要的作用。

摘要：对于复合型材料具有十分优良的特性, 在目前各个行业得到广泛的使用, 对于这种材料不仅运用在航天领域, 在我国建筑行业和汽车生产中也得到广泛的运用, 复合型材料的检测技术在再生产中得到十分重要的作用, 对其发展也十分的迅速, 很快在人们生活中得到广泛的运用。文章针对复合型材料检测技术的现状与发展进行探讨, 同时对复合型材料的发展方向进行分析, 更好的满足人们生产生活的需要。

关键词：复合材料,无损检测,研究进展

参考文献

[1]汪星明.复合材料无损检测研究进展[J].玻璃钢/复合材料增刊, 2012 (26) .

[2]王金辉.复合材料无损检测方法及其研究进展[J].科技传播, 2012 (34) .

复合材料无损检测技术第4篇

广东省汕头市超声仪器研究所有限公司广东汕头 515041

摘要：随着复合材料的广泛应用，特别是在航空航天领域的大量应用，开发便携式、应用于复合材料大面积快速扫查的检测技术就显得很有必要。超声检测作为一项比较成熟的检测技术，其衍生的各种检测新技术开始应用于复合材料的檢测，有效地解决了复合材料的一些检测难题。对于复合材料来说，超声检测主要应用于对服役构件的在役检测，以及对复合材料的性能无损表征。文章主要分析了复合材料构件的超声无损检测关键技术及其应用。

关键词：复合材料；超声；无损检测；关键技术

引言

复合材料（Composite materials）是由两种及两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观尺度上组成的具有新性能的材料。在复合材料的超声检测应用方面，相控阵超声检测技术可以有效检测出层压板分层及夹杂缺陷，碳纤维蒙皮铝蜂窝工件、带涂层以及不带涂层的碳纤维蒙皮纸蜂窝工件等蜂窝复合材料的内部脱粘缺陷，对复合材料的拐角（R区）等特殊部位也能很好地进行检测。复合材料的超声C扫描检测通常采用多轴联动超声C扫描检测系统，对复合材料进行喷水穿透法、喷水脉冲反射法、水浸穿透法以及水浸脉冲反射法检测，如采用喷水穿透法对层压板和蜂窝结构粘接缺陷进行检测可得到清晰的超声C扫描图像。多轴联动超声C扫描检测系统虽然可以对某些复合材料进行有效检测，但是受检测工件和检测场地的限制，不利于应用于在役飞机的快速扫查检测上，因此，笔者开发了适用于复合材料的大面积快速C扫描检测以及特殊位置的双轴定位C扫描检测系统。

1.复合材料构件的超声无损检测技术概述

复合材料之所以能得到广泛的应用，除了其自身优异的性能外，还得益于与复合材料密切相关的配套技术的同步研究和发展，而质量控制是设计要求得以满足，产品质量得以保证的关键，其中无损检测技术发挥了十分重要的推动作用。无损检测的目的和任务就是采用合理有效的方法、技术和检测手段，及时准确地发现和检测出材料内部的缺陷和损伤，从而为进一步评价材料、结构的可靠性奠定基础。研究结果表明，复合材料在正常使用情况下不会发生突然断裂，材料的失效通常都是由缺陷损伤积累引起的，因此迫切需要采用先进的无损检测技术对复合材料的制造和服役过程中的内部质量状况进行客观、准确和可靠的表征和评估，提高复合材料构件的安全可靠性。目前，针对复合材料常用的无损检测方法主要有目视法、超声波法、X射线法、光学法、微波法和声发射法等。

因此，要确保复合材料构件的安全可靠性，避免重大事故的发生，必须对其进行无损检测，而超声检测是最有效的方法之一，对于大型复杂曲面复合材料构件的无损检测，必须研制自动化检测系统，才能实现快速、高效、高精度的检测

2.复合材料构件的超声无损检测关键技术

2.1相控阵超声检测原理

（1）发射与接收。相控阵超声的基本原理来源于相控阵雷达技术，相控阵超声探头由多个晶片按一定的规律分布排列，通常是线阵列，通过软件可以单独控制每个晶片的激发时间，从而控制发射超声波束的形状和方向，实现超声波束的扫描、偏转和聚焦。

（2）电子扫描。相控阵超声具有独特的波束扫描和聚焦特点，因此使用一个多阵元的相控阵探头，在不移动探头的情况下就可以实现工件断面的扫描检测。

（3）相控阵C扫描方式。采用相控阵电子扫描不需要移动探头就可实现对工件一定宽度的断面扫查，因此，对比于单晶探头常规锯齿形的扫查方式，相控阵扫查只需单轴直线扫查便可获得工件的C扫描图像。

2.2相控阵C扫描检测系统

（1）滚轮探头检测系统。根据相控阵检测原理，为实现复合材料的快速C扫描检测，开发了适合检测用途的滚轮探头。滚轮探头的结构为：相控阵探头放置在一个密闭的套筒里，套筒两端安装有可旋转的滑轮，套筒里面充满水，相控阵探头发出的超声波经过水层后到达橡胶套，橡胶套采用与水声阻抗接近的材料以使超声波传播时可透射更多的能量。滚轮探头加装一个高精度的位置编码器进行定位和同步数据采集。系统检测时一般采用水作为耦合剂，轻轻滚动探头，C扫图像即刻呈现，特别适合大面积复合材料的C扫描检测。

（2）双轴拉线编码器检测系统。拉线编码器的底座根据材料不同可选择真空、夹持或磁铁吸附的安装方式。检测时将编码器吸附在工件表面上，固定拆卸灵活方便，而且对工件表面无任何损伤，两个拉线编码器拉出的线汇聚于扫查探头并固定于扫查夹具上。拉线编码器的最高扫查精度为0.1mm/步，拉线最大长度为1.5m。以前的手动双轴扫查器定位方式比较死板，探头的移动不好操作，而这种定位方式很方便，探头移动也比较灵活，在进行特定区域的C扫描检测上具有较大的优势，可对缺陷进行完整的扫查、测量和评定。

3.复合材料构件的超声无损检测技术的应用

3.1 缺陷检测

金属零件内的缺陷超声检测方法同样的适用于复合材料中缺陷评价，对于其内部的孔状缺陷来说目前主要是利用超声C扫描、相控阵超声检测、超声导波检测技术等。超声C扫描是超声检测的一种显示方式，它是在A信号的基础上对信号进行处理，得到的一种垂直于缺陷的显示结果，它具有显示直观，操作简便，可以对缺陷进行定量分析等优点，而且对孔状缺陷的显示比较清晰。国内有江苏大学的魏勤利用超声C扫描对SiC 颗粒增强铝基复合材料试件进行研究，研究表明利用该方法能够清晰的检测到材料中的孔状缺陷，并且能够对材料中的团聚现象有一定的显示。

然而超声C检测对于一些缺陷检测精度要求更精确的复合材料来说还是显得有一定的困难，而实际中对于一个工件的完全检测也并不是一种超声检测方法能够胜任的，通常对于一个工件的检测常常应用几种超声检测方法，有时也会应用其他的无损检测手段，比如红外热成像检测方法。相控阵超声检测是超声检测中比较先进的一种检测手段，近年来，以其偏转、聚焦的优势而广泛的应用在常规超声检测不能够完成的复杂构件中，而且针对超声相控阵检测还设计了专用的仿真检测软件，能够在优化实验方案方面节省很大的费用，并且能够更加的清楚声波的传播以及与缺陷的相互作用，使检测更加的直观。

3.2 性能评价

超声波能够对金属零件的硬度、弹性模量、衰减性等进行评价，利用相同的方法超声波可以对复合材料的这些性能进行评价，并且能够对其孔隙率进行测量。对于复合材料来说孔隙率是其重要的一个性能参数，孔隙率过大会导致材料内部疏松，直接导致材料的力学性能下降。因此对孔隙率的检测显得十分重要。对于复合材料来说常用的孔隙率测定方法主要有超声声速法、超声衰减法、微波法等，然而每一种方法并不是直接的给出孔隙率的大小，而是间接的获得对应的相互关系。

在上述的三种方法中应用最多的是超声衰减法，它主要是利用频率的变化曲线斜率与超声孔隙百分率之间的关系建立数学模型进而评价复合材料的孔隙率，除此之外也可以根据超声波透过复合材料后的衰减量的大小，计算孔隙率与声束面积之比。

4.结语

随着航空航天事业的发展，对复合材料的质量要求将越来越高，如何快速的对其进行质量检测是值得大家思考的一个问题，因此未来超声检测将面向快速检测、自动化检测的方向发展，同时超声探伤将会从对材料的质量检测像对材料的质量评价的方向发展。

参考文献：

[1]刘松平，傅天航，刘菲菲，史俊伟，刘勋丰.复合材料冲击损伤超声回波特性及其成像检测[J].航空制造技术.2011（15）.

[2]原可义，韩赞东，王柄方，陈以方，黄志刚.复合材料喷水耦合超声C扫查检测系统的研制[J].航空制造技术.2009（15）.

复合材料无损检测技术第5篇

现代先进航空武器装备发展的明显特点是性能好、功能强、小批量、多品种、技术含量高、制造成本也高，其设计思想的实现强烈依赖于新材料新工艺的研发水平、制造技术和制造设备能力。为了提升战场和市场竞争力，通常航空武器装备必须在质量（高）、效率（高）、寿命（长）、成本（低）等方面具有综合优势。而质量、效率、寿命、成本的完美结合，需要通过先进的制造工艺和装备技术加以实现。先进的无损检测技术及其检测装备则是实现设计思想和制造理念，增强用户信心，提高竞争力的重要保障。

发展先进的制造工程技术，提升设备数字化、自动化制造能力，是合理解决现代化航空武器装备快速研制和生产的重要发展方向和工程途径。特别是以数字化、自动化为重要特征的快速敏捷制造技术已成为先进航空武器装备研制和生产中的重要工程技术方向。而数字化、自动化无损检测技术是数字化、自动化制造和先进航空制造装备的重要组成部分。随着复合材料等新材料的不断应用，数字化、自动化无损检测技术的发展和成功应用已成为飞机设计和数字化、自动化制造过程的关键技术，特别是在新材料与新工艺研究、新结构与新机研制的过程中，数字化、自动化无损检测技术发挥着越来越重要的作用。

复合材料在飞机上的应用与数字化、自动化无损检测

近年来复合材料的装机应用水平已成为现代航空装备先进性的标志，Joseph F Rakow 预测，在未来10年里，下一代飞机是复合材料的飞机，复合材料从过去非承力结构正不断被用于主承力结构。10年前，Boeing777复合材料用量为结构重量的10%左右，而Boeing787复合材料用量达到结构重量的50%左右。除了Boeing787，Airbus380复合材料用量也达到结构重量的25%左右，与 Boeing787复合材料机身相比，Airbus380一个惊人之举就是设计了全复合材料中央翼盒。复合材料在军机上的应用态势丝毫不逊于民机，例如F/A-18C/D复合材料用量高于20%，而据Joseph F Rakow报道，F-22复合材料用量则猛增至60%左右。复合材料应用结构也由早先非承力的简单结构发展到承力结构、整体结构、大型结构和复杂结构。因此，复合材料结构在现代飞机中具有举足轻重的作用。

（1）复合材料制造工艺优化与成本的控制离不开数字化、自动化无损检测技术。

目前复合材料结构的材料和制造成本居高不下，结构尺寸越来越大，结构件形状越来越复杂，需要采用先进可靠的数字化、自动化复合材料无损检测技术，及时为复合材料工艺优化和结构件制造提供反馈信息，帮助稳定工艺，提高产品的合格率。由于复合材料无损检测贯穿于复合材料结构成型、装配、试验、维护/ 维修、使用全过程，因此，复合材料无损检测成本和效率直接影响复合材料的总成本，而降低检测成本的一个有效技术途径是发展数字化、自动化无损检测技术，提高检测效率。

（2）复合材料结构的批量生产与检测需要采用数字化、自动化无损检测技术。

复合材料结构通常需要进行100％覆盖检测。随着复合材料大量装机应用和飞机批量生产，复合材料结构无损检测的量急剧增加，检测的耗时、效率和进度等直接影响飞机的研制和生产全过程。以F-22复合材料进气道无损检测试验为例，采用超声检测技术，约需24h / 件。复合材料结构尺寸越大，检测耗时越多；结构形状越复杂，检测效率会明显降低，检测耗时也会更多。因此，如此大的检测工作量，仅靠传统的手工检测，显然难以满足要求。

（3）复合材料承力结构的设计应用需要采用数字化、自动化无损检测技术。

目前复合材料应用已经由早先非承力的简单结构发展到次承力结构甚至承力结构、整体结构、大型结构和复杂结构。因此，对复合材料结构无损检测技术的要求更高：不仅需要进行无损检测，更需要得到复合材料内部质量和缺陷的量化信息；不仅要求检出缺陷，还需要建立复合材料缺陷与结构性能的有机联系，建立相应缺陷评估准则；不仅需要能检出分层、疏松等一些影响结构力学性能的宏观缺陷，还需要检出可能影响结构疲劳性能的微观或分布型缺陷。这就需要采用数字化、自动化无损检测技术来满足这些要求。

（4）飞机长寿命设计与复合材料结构可靠性需要采用数字化、自动化无损检测技术。

现代飞机的一个重要技术特点就是要求长寿命，而随着复合材料在机身、机翼等重要部位的设计应用，复合材料结构必须满足预期的设计寿命。由于复合材料结构整体上没有中间材料加工过程，一旦固化过程完成，就意味着复合材料结构整体力学性能固定，除非在制造过程中出现了明显的质量问题，如其内部产生了缺陷。当那些设计上不允许存在的缺陷随复合材料结构带到飞机结构中时，将会影响整机的安全服役和使用寿命。因此，必须通过先进可靠的无损检测技术确保复合材料结构的可靠性和质量。显然，仅靠传统的手工检测不能满足要求，一个有效的技术途径就是采用数字化、自动化无损检测技术。

复合材料数字化、自动化无损检测技术的现状

复合材料数字化、自动化无损检测技术是近年来随着复合材料不断扩大装机应用规模和现代飞机设计制造特点提出来的。针对不同的检测环境、工序阶段、结构形状等，目前复合材料数字化、自动化无损检测在技术上分为两大方向：一是基于仪器的复合材料数字化检测技术；二是基于设备的复合材料数字化、自动化无损检测技术。

基于仪器的复合材料数字化检测技术主要用于解决一些难以实现自动化检测的应用场合和复合材料结构的无损检测，如复合材料修理过程中的无损检测、复合材料复杂结构和复杂结构部位的检测。主要是通过对检测仪器的数字化，来提高对检测信号的数字化处理能力和缺陷量化分析能力，实现一些诸如检测参数、典型检测信号的记录存储等。目前主要是以超声检测仪器技术为主，多采用超声反射法检测。值得指出的是，目前市场上的数字化超声检测仪器和缺陷评估方法大多是针对金属材料设计开发的。由于复合材料结构的自身特点和缺陷特征，通常需要开发专门的数字化检测技术，实现检测信号高保真数字化处理，提高检测分辨率，减少检测盲区，进行缺陷的量化评估。就树脂基复合材料而言，目前主要是采用超声数字化无损检测技术，它包括超声换能器技术、超声技术、信号处理技术、缺陷评估技术和仪器技术。从20世纪80年代初，北京航空制造工程研究所就开展了复合材料数字化无损检测技术的研究，成功研究了高分辨率超声换能器、复合材料RF超声检测方法、缺陷识别与评估方法、复合材料高分辨率超声检测系列仪器等，一直是国内复合材料无损检测的支柱技术和主要手段，在航空、航天、兵器、交通、空军等部门的科研和生产第一线发挥了关键作用，特别是研究建立的高分辨率超声换能器技术和缺陷评估技术，至今在国际上具有明显的技术特点。

基于这些复合材料数字化超声检测仪器和缺陷评估技术，可以对复合材料中的缺陷及其位置（深度）、面积、性质、类型等进行量化评估。采用北京航空制造工程研究所生产的多功能复合材料高分辨率超声检测仪器（MUT-1）和已建立的复合材料孔隙率超声数字化评估技术，可以对典型复合材料孔隙含量进行超声量化评估，从结果中可以看出孔隙在复合材料中不同位置的分布情况。

随着复合材料批量装机应用和批量生产，基于设备的复合材料数字化、自动化检测技术近年来发展迅速，目前NASA、Boeing、LockheedMartin、Airbus 等在复合材料结构制造和生产过程中，都在大力发展数字化、自动化无损检测技术。目前主要基于超声方法，在检测信号数字化处理基础上，针对不同复合材料构件，利用扫查机构设计技术和数控技术，通过专门的技术设计和设备研发，解决复合材料构件的超声数字化、自动化无损检测。目前基于设备的复合材料超声数字化、自动化检测技术主要包括超声换能器技术、超声技术、扫描技术、控制技术和缺陷评估技术，可分为超声穿透法和超声反射法两大类。

（1）基于超声穿透法的复合材料数字化、自动化无损检测技术。

利用入射声波在穿过复合材料时能量的衰减变化进行缺陷识别与检测，西方比较青睐这种检测方法，超声换能器分别安装在2个对称的多轴扫描机构上，在数控系统作用下，通过运动编程控制，使2个探头对被检测复合材料构件进行自动扫描检测。采用穿透法检测时，对超声换能器和仪器的分辨率和检测盲区要求相对较低，但需要有很好的同步与扫描控制技术。

与超声反射法相比，其主要技术特点还有：

·超声换能器需要从两侧接近工件；

·超声换能器同步控制和型面跟踪复杂；

·对于复杂的零件，通常只能采用单通道工作；

·检测效率不高；

·技术成本高。

（2）基于超声反射法的复合材料数字化、自动化无损检测技术。

利用入射声波在复合材料中传播产生的反射信息进行缺陷识别与评估，欧洲比较青睐这种检测方法，超声换能器安装在一多轴扫描机构上，通过运动编程，换能器在数控系统作用下，对被检测复合材料构件进行自动扫描检测。通常复合材料单个铺层厚度约0.13m m，因此采用反射法检测时对超声换能器和仪器的分辨率和检测盲区要求较高，但不需要有同步扫描机构，检测灵敏度比穿透法高。与超声穿透法相比，其主要技术特点还有：

·超声换能器只需要从一侧接近被检测工件；

·超声换能器型面跟踪要求高；

·可实现多通道检测；

·检测效率高；

·技术成本较低。

不论采用哪种数字化、自动化超声检测方法，都需要有很好的型面跟踪技术、信号处理技术和超声系统综合技术。特别是针对大型复合材料结构，目前国际上采用的扫描方法主要有3种：示教、基于零件的CAD模型和测量仿形。但实际检测应用情况都不理想：示教和仿形的方法效率太低，被检测零件的CAD模型到了复合材料检测工序，已经不适用。所以，寻找新的快速适用的扫描方法是解决复合材料构件数字化、自动化检测的当务之急。近年来北京航空制造工程研究所一直在开展这方面的新技术研究，正在研究一种基于被检测复合材料零件自由型面的跟踪扫描技术，以解决7500mm×6000mm以上大型复合材料构件的超声数字化、自动化高效无损检测，目前已完成技术方案试验，进入系统设计制造阶段。

北京航空制造工程研究所是国内最早从事复合材料无损检测的专业研究所，早在 20世纪70年末80年代初，就开始了复合材料无损检测技术研究，针对复合材料特点，先后提出并成功研究了高分辨率RF超声检测技术、缺陷识别方法、检测仪器、微盲区换能器、缺陷成像方法、自动扫描成像检测设备等，形成了独特的复合材料检测技术体系，一直在国内复合材料应用领域发挥主要作用。如研制了FJ系列高分辨率无盲区超声换能器、复合材料系列超声检测仪器、CUS-21复合材料构件复杂部位超声检测系统、CUS-22超声自适应检测设备、MUI-21 大型复合材料结构超声自动检测技术设备、CUS-2F复合材料缠绕超声自动检测技术设备等，为国内复合材料研究和工业应用部门提供了强有力的技术支持和支撑，在航空型号研制和生产中一直在发挥重要作用。特别是正在研制的 UltraScan 9000复合材料数字化、自动化超声自动扫描检测系统，多达20检测通道，采用独特的自动跟踪扫描技术，可以适应7500mm×6000mm以上规格的复合材料构件的自动扫描检测。

采用这种数字化、自动化超声检测技术，可以通过直观的图像方式再现被检测复合材料结构内部缺陷的详细分布和整个结构的内部质量情况，进行缺陷的量化评估。

对复合材料数字化、自动化无损检测发展的思考

复合材料数字化、自动化无损检测是一个与复合材料及其制造工艺密切相关的专业技术，其发展和应用必须紧密结合自身的复合材料、结构设计与制造、应用等特点进行合理规划，例如Boeing 和Airbus公司一直结合自身的复合材料研发计划和生产任务，在开展复合材料数字化、自动化无损检测技术的研究和应用。特别是基于设备的复合材料数字化、自动化无损检测，针对性更强，去过Boeing和Airbus公司参观的人都能感觉到在复合材料数字化、自动化无损检测方面，他们具有明显的不同特点和技术思路。复合材料数字化、自动化无损检测技术的关键是需要有十分强大的技术支持的特殊专业设备，集无损检测、传感器、仪器、信号处理、扫描控制、成像以及计算机、机械、电器、数控等多专业、多学科于一体，专业性极强，属于特殊的个例技术设计应用，必须结合复合材料、工艺和结构设计制造等进行专门的设计。Boeing和 Airbus公司都花费巨资，进行了长时间的持续研发和技术积累，才有今天的技术规模。

我国在这方面几十年的简单引进案例反复表明，要从根本上解决复合材料数字化、自动化无损检测，仅单纯或机械地引进一两台检测设备，远不能从根本上解决复合材料结构数字化、自动化无损检测。

一方面，目前我国每年都要花费大量资金从国外购买一些不太适合自身型号研制和生产特点的检测设备，而且这些检测设备的引进又大多缺乏技术依托和配套技术支持，缺少应用开发和相关技术配套，因此难以形成有效的生产能力。另一方面，在型号研制和生产中又急需无损检测技术设备来确保装机结构件的质量，帮助稳定工艺，为材料研究提供评价手段，为设计应用反馈信息，保证复合材料结构研制和型号生产过程中装机件质量。