飞机复合材料损伤无损检测方法及其选择

侯胜利，姚武文，董 俊

（空军第一航空学院，河南 信阳 464000）

0 引言

随着航空科技的发展，复合材料在飞机上得到了越来越广泛的应用，其用量的多少已成为评价一架飞机先进与否的重要标志。据资料显示，目前国外军用飞机复合材料的用量占飞机总重的25%～40%，民用飞机达10%～15%，直升机则高达60%以上[1]。国内军用飞机上也越来越多的使用了复合材料。由于承载、受力和环境等因素的影响，飞机复合材料构件在使用中会出现界面脱胶、分层、冲击伤、裂缝、疏松和渗水等损伤情况[2，3]。复合材料一般具有导电性差、导热率低、声衰减高以及机械、物理性能显著的各向异性等特点，决定了复合材料构件的无损检测不能简单地沿用金属材料的检测方法，而必须根据结构材料和损伤的不同选择不同的检测方法。

1 飞机复合材料的损伤特征

飞机复合材料部件主要有纤维增强树脂层板结构部件和夹芯结构部件。纤维增强树脂层板结构部件，使用中由于受载荷、振动、湿热酸碱等环境因素的综合作用会导致初始缺陷（如分层、脱胶）的扩展和分层、脱胶、断裂等新的损伤和破坏的发生；对于其弹孔，周边伴有分层损伤。夹芯结构部件，使用中可出现初始缺陷（如弱脱胶）的扩展和脱胶、进水、蜂窝芯压塌等损伤；对于其弹孔损伤，周边伴有板芯脱胶和蜂窝塌陷等损伤（见图1）。

图1 蜂窝夹芯材料打击损伤Fig.1 Picture of Injured Honeycomb Sandwich Material

2 飞机复合材料损伤检测基本方法

无损检测方法现有十几种，但能够有效地用于复合材料损伤检测的方法，主要有目视法（包括渗透检测法）、敲击法、阻抗、谐振、超声、射线照像、红外热图和声发射等方法。

2.1 目视法

目视检查法是使用最广泛、最直接的无损检测方法。它是借助放大镜和内窥镜观测构件表面和内部可达区域表面的一检测方法。可用来检查表面划伤、裂纹、起泡、起皱、凹痕、变形、变色、断裂、螺钉松动等情况；尤其对透光的玻璃钢产品，可用透射光检查出内部的某些缺陷。

2.2 敲击法

敲击检测是胶接结构的最快捷和有效的检测方法之一，广泛应用于蜂窝夹芯结构、板板胶接结构的外场检测，检测速度快，准确性高。敲击检测分为：硬币敲击（Coin Tapping）和专用工具敲击，如敲击工具和自动敲击检测工具。

2.3 声阻法

声阻法是利用声阻仪，通过蜂窝胶接结构粘接良好区域与粘接缺陷区的表面机械阻抗有明显差异这一特点来实现检测的，主要用于检测铝制单蒙皮和蒙皮加垫板的蜂窝胶接结构的板芯分离缺陷检测。其特点是点接触干耦合，不需耦合剂，操作简单、易行。

2.4 谐振法

声谐振法是利用胶接检测仪，通过声波传播特性的测试实现对胶接结构的无损检测。适用于检测曲率半径在500mm 以上的金属蜂窝胶接结构，能检测单侧蒙皮和带垫板的金属蜂窝结构的脱粘缺陷。

2.5 超声法

超声波检测法是依据定向辐射超声波束至缺陷界面上产生反射，或使透过的能量下降等原理，通过测量回波的时间、透过波强度变化而指示的一种缺陷（损伤）检测方法。该方法的优点是：超声波穿透能力较大，例如在钢中的有效探测深度可达1米以上；对平面型缺陷如裂纹、夹层等，探伤灵敏度较高，并可测定缺陷的深度和相对大小。超声波探伤的种类很多，按探伤原理可分为脉冲反射法、穿透法和共振法；按显示方式可分为A型幅度、C 型断面、C 型平面和立体成像显示等。其中，C 扫描由于显示直观、检测速度快，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。A 扫描检测可逐点覆盖检测结构件的所有检测面，设备简单，实施方便，但检测可靠性低，主要取决于检测者的技术水平和敬业精神，目前在外场的复合材料超声检测多数采用人工超声波A 扫描检测。

2.6 射线法

对于复合材料结构而言，射线检测是最直接、最有效的无损检测技术之一。它是用X 射线透过复合材料（厚度方法），以感光胶片或像的黑度变化形式记录缺陷引起的射线强度变化，或将这种缺陷引起的射线强度变化通过感光屏和图像增强，利用计算机等辅助成像显示，进行缺陷检测。该法特别适合于检测纤维增强层板结构中的孔隙和夹杂等体积型缺陷和夹芯结构中的芯子变形、开裂、发泡胶发泡不足以及镶嵌物位置异常等缺陷的检测。射线检测对垂直于材料表面的裂纹也具有较高的检测灵敏度和可靠性，但对复合材料结构中的分层缺陷不敏感。

2.7 红外热成像法

红外热成像法是利用热像仪以热图的方式非接触地测定被检工件表面的温度分布及等温线轮廓的检测方法。可用于外场原位检测层压板结构中存在的分层、冲击损伤、脱粘和夹芯结构中的板芯脱粘、进水等缺陷。根据热激励方式的不同，该方法又分为脉冲加热法、调制加热法和超声波激励加热法。红外热成像法的特点是非接触，检测不受结构外形的影响，快速、高效、灵敏度高，但需对被检测结构进行热加载。

2.8 其它方法

此外，还有全息照相、核磁共振和微波等方法。

3 不同类型结构和缺陷检测方法的选取

飞机不同类型结构、缺陷检测方法的选择可参见表1 和表2。

表1 不同类型结构检测方法的选择Tab.1 Detection method for different structures

表2 不同缺陷检测方法的选择Tab.2 Detection method for different defects

飞机上不同类型结构、缺陷的检测，所采用的方法是不同的。例如，某飞机上复合材料、蜂窝夹芯结构和胶接结构的胶接质量检验，主要采用声振检测法，包括声阻抗、敲击法和声谐振。其中，声阻抗法用于复合材料蒙皮内分层、蒙皮与蜂窝间脱粘和板—板间脱粘的检测；敲击法用于蒙皮内分层和蒙皮与蜂窝间脱粘的检测；声谐振法用于铝合金蜂窝胶结结构蒙皮与框架间的未胶透的检测[4,5]。

4 结束语

飞机复合材料损伤检测，是确定复合材料构件损伤修复方案或报废的关键环节。其检测方法的选取不能简单地沿用金属材料的检测方法，应根据或参考有关标准合理的选取方法和进行检测。对于新机上出现的新的结构形式和损伤情况，应积极探索，建立新的检测标准，以适应新机修理的需要。

[1]姚武文.新机复合材料构件损伤修理技术研究，探索、创新、交流——第四界中国航空学会青年科技论坛文集[M].北京：航空工业出版社，2010.

[2]姚武文.飞机战伤分析、评估与修复[M].北京：解放军出版社出版，2006.

[3]姚武文，路阳，周平.如何预防飞机胶接修理的质量缺陷[J].北京：航空维修与工程，2006（增刊）.

[4]姚武文.粘接技术在飞机复合材料修理中的应用 [J].粘接，2001，5.

[5]陈绍杰.复合材料结构修理指南[M].航空工业出版社，2001.