航空航天复合材料检测中的无损检测方法

一、概述

在航空航天领域，复合材料因其卓越的性能，如高强度、高刚度、低密度等特点，被广泛应用于飞机、航天器等结构中。然而，复合材料在制造和使用过程中可能会出现各种缺陷，如分层、孔隙、脱粘等，这些缺陷会严重影响结构的安全性和可靠性。因此，对复合材料进行无损检测显得至关重要。

航空航天器在极端的环境下运行，承受着巨大的压力、温度变化和机械应力。任何微小的缺陷都可能在飞行过程中逐渐扩大，导致结构失效，危及飞行安全。例如，飞机机身的复合材料结构如果存在分层缺陷，可能会在飞行过程中因气压变化而进一步扩展，影响机身的强度和稳定性。航天器的复合材料部件如果有孔隙或脱粘问题，可能会在太空环境中受到辐射、微流星体撞击等因素的影响而失效，影响任务的成功执行。

为了确保航空航天器的安全可靠运行，需要采用先jin的无损检测技术对复合材料进行全面、准确的检测。这些技术应能够检测出各种类型的缺陷，包括内部缺陷和表面缺陷，并且具有高分辨率、高灵敏度和高可靠性。同时，无损检测技术还应能够适应不同形状和尺寸的复合材料结构，以及在复杂的制造和使用环境下进行检测。只有通过有效的无损检测，才能及时发现复合材料中的缺陷，采取相应的修复措施，保证航空航天器的结构完整性和安全性。

二、航空航天复合材料常用无损检测方法

航空航天领域常见的复合材料主要有玻璃增强纤维、石英增强陶瓷、隐身涂料、隔热泡沫等。X光、超声、红外等都是在航空航天复合材料无损检测中常用的检测手段。每一种检测方式都各有所长，有其适用的使用场景，没有一种检测方式可应对所有材料。

（1）超声检测

超声可以对玻纤夹杂、分层缺陷及对隔热陶瓷裂纹进行检测。具有一定精度。可以适用于多种材料，包括金属、非金属和复合材料等。其擅长的领域为：

a) 几乎适用于所有成型手段的产品，包含铸件、锻件、焊缝、管材、板材；

b) 超声检测适用的材料类型有：铸铁；各种碳钢及合金钢；铝、镁、铜、钛、锆、铪等有色金属及其合金；

c) 非金属复合材料：如玻璃钢/碳纤维材料等。

图1 机翼复合材料超声检测

超声技术成像成熟，相对检测成本不高。但超声检测的局限性在于超声在空气中会有明显的衰减，因而其检测需要耦合剂来与材料表面进行贴合。这样给检测带来了比较大的不便。

超声检测与其检测材料也有关系，一些多孔的材料，如隔热泡沫会对超声波进行吸收，导致超声无法传导至材料内部，因而无法检测。同样对于编织类材料，由于编织中存在大量的空隙，也会造成其因超声波损耗无法实现对其内部进行检测。

此外对材料表面状态也有关系。不平整的表面对检测效果会有较大影响。对一些复杂表面，需要定制相应的超声探头，才能准确的对材料进行检测。

另外超声的检测精度和检测深度是相互制约的。目前超声200MHz的探头精度可以达到几十个微米，但是检测深度只能达到较浅的表层。反之，能达到一定深度但精度会有较大的下降。

（2）红外检测

以红外热波为代表的红外检测技术，主要利用热量在材料间的传导，来实现对物体内部的无损检测。其检测效率高。可以对金属、非金属及复合材料进行有效检测。对玻纤缺陷、碳纤维缺陷、对隔热陶瓷表面裂纹都具备良好的检测能力。

红外检测技术可应用于航空航天领域金属、陶瓷、橡胶、发动机金属喷管胶接质量、金属叶片裂纹、飞机复合材料构件内部缺陷及胶接质量检测及蒙皮铆接质量检测。

图2 航天复合材料红外热成像检测

红外检测技术的局限性在于对目标物体的厚度和热导率较低的材料会产生一定的限制。如隔热泡沫，这种具有一定厚度，热传导较困难的材料，热量很难渗透到材料的内部。其次，环境温度和湿度对于检测结果也会产生一定的影响。另外，热波红外检测方法在低温物体、小尺寸缺陷和局部细节的检测上可能存在一定的挑战。

除此之外，其检测精度和深度相关，表面的话可以在1mm左右，但深度超过5mm其精度下降到4mm左右。越往下检测精度越低。

（3）X射线检测

X射线检测技术是zui常用的检测技术，技术相当成熟。其检测精度高、实时性强、对材料表面和内部都适用。经过验证对陶瓷裂纹、玻纤金属夹杂缺陷都有非常好的效果，对玻纤分层缺陷，经验证也具备检测能力。

图3 航空薄壁导管X射线检测

主要应用涵盖金属、非金属复合材料检测：

a) 航空航天零部件生产制造过程中产生的缺陷。

b) 飞行器复合材料内部的气孔、夹层、挤压变形、裂纹等，损害了复合材料结构件的机械性能和物理性能。

c) 飞行器飞行过程中，受到环境影响，例如部分地区潮湿空气，酸雨等，造成复合材料脱粘、结构件的整体损伤。

d) 飞行器产生过大的负载造成的结构损伤，往往出现在轮毂的轮座圆角过渡区、连接螺栓的螺纹处等飞机应力集中部位产生裂纹。

e) 日常维护过程中造成的刮伤、撞伤等检测。

从检测深度来讲，X射线检测是目前技术中检测深度zui深的。只要调整功率变高能量射线便可以对更深层的目标缺陷进行检测，无论金属还是非金属都适用。

X射线对于密度差异大的缺陷非常擅长，如裂纹、金属夹杂。但对于一些密度较低的材质，如隔热泡沫，由于对射线吸收较少，很难对其内部进行成像。

X射线具有电离效应，射线会对人体构成危害。不仅如此，射线也会对一些半导体材料和器件有影响。长时间暴露在X射线下会对器件的触发阈值有影响。对一些精密设备检测时需要考虑其射线累积量。

（4）太赫兹检测

太赫兹检测相对其他技术而言是一种新的检测技术，主要应用于非金属、非极性材料的无损检测，其检测具备高精度，对材料和人无损害的特点，同时也具备三维成像检测能力，对玻纤缺陷、隔热材料、涂层都有非常理想的检测效果。特别是隔热泡沫内部缺陷的检测，是其他检测手段所不能实现的。

图4 航天隔热泡沫太赫兹检测

太赫兹检测的局限性在于不能对金属进行检测，也不能对高介电常数的材料进行检测，如碳纤维。目前受制于器件功率，其检测深度还达不到X射线检测深度。

三、航空航天复合材料常用无损检测方法比较

表1 常见无损检测技术特点对比表

表2 常见无损检测技术适用领域