基于红外热成像技术的复合材料蜂窝结构积水检测

陈俊逸

基于红外热成像技术的复合材料蜂窝结构积水检测

陈俊逸

基于红外热成像原理技术对航空器复合材料蜂窝结构积水缺陷进行检测，分析比较目前常规复合材料的检测方法与红外热成像检测的特点，详述了红外热成像的应用程序及注意事项，并在此基础上提出了红外热成像技术现况和未来广泛的应用前景。

先进复合材料是上世纪60年代中期崛起的一种新型材料，因其具有比强度和比刚度高、可设计性好等优异特性，备受科学家和航空器设计者们的青睐而得到广泛应用。但随着复合材料在飞机结构中使用比重的加大，同时伴随其老龄化所带来的复合材料结构各类损伤亦不可避免的出现。其中蜂窝积水是比较常见却又难以检测的一种内部损伤情况；蜂窝积水能造成复合材料部件结构重量增加、层板脱胶、内部腐蚀从而导致整个部件失效而危及飞行安全。综观现有的检测技术，红外热成像无损检测技术在航空器复合材料制件尤其蜂窝层合板内部积水缺陷的检测问题上有着明显的优势。目前，应用于航空复合材料检测的手段基本沿用金属材料的方法主要以超声检测、涡流检测、射线检测为主；但由于复合材料与金属材料在组成结构本身存在较大的物理性能、结构特征和制造工艺差异，针对金属材料的检测方法并不能准确检测复合材料制件的问题。红外热成像新兴技术具有高速、直观、准确等优点，极其适合外场、大修现场、在线在役检测；所以空客、波音等飞机制造厂家和政府机构如NASA、FAA、空军等均大力发展该项技术以进一步提高飞机安全性能和可靠性。

红外热成像基本原理

1800年英国科学家赫歇尔在对太阳光的三棱镜分解试验过程中首先发现了红外线，随后红外热检测技术得到飞速发展。作为一项新兴的无损检测手段，它具有快速实时、无需耦合、远距离、大面积检测、准确直观等优点而得到了不断发展。

任何物体的温度高于绝对零度（-273℃）时，物体内部都有热的传导和表面的红外辐射。其辐射能量的主波长既是物体表面温度的函数，也与物体表面状态有关。当被检物体内部出现不连续性时，其热传导性能将发生改变，并使表面温度分布出现差别。利用红外热成像检测装置测定被检物体的热辐射的差异并将其形成影像，从而检测出被检物体内部不连续性的方法，我们称为红外热成像检测方法。通常用于红外成像检测的波长是在电磁波谱红外波段范围的 3～30μm 。红外热成像检测中的热辐射属于电磁波，它与我们熟知的其他电磁辐射如x射线、光、无线电波一样可以被反射、传导和吸收。物体所发射的红外线数量和波长取决于物体的温度。因此物体具有不同的温度和发射系数，热像仪接收来自物体的辐射，便可测定物体表面的温度场分布，图1为红外热成像仪工作原理。

根据检测的激励方式，红外检测分为有源红外检测法和无源红外检测法。有源红外检测法是指检测时利用热源向工件表面辐射热量，热量扩散传递到工件内部；当工件内部存在缺陷时，热流就会被阻隔或加速扩散，经过一段时间后缺陷区域就会有热量堆积或过量损失，从而形成温度梯度变化和差异，再通过热成像设备捕获工件内部各处热辐射分布情况，进而判定工件内部缺陷的方法称之为主动式热激励方式。无缘红外检测法是指不向工件注入热量而利用工件本身的热辐射进行检测，又称被动式红外检测。民用航空器维修中主要采用主动式热激励方式进行红外成像检测，通过利用检测件内部结构或成分的非均匀性导致的热传导差异特性，针对不同检测对象采用对应的加热方式给予热量激励，再使用红外热像仪对试件的温场变化进行记录并通过专用软件进行数据处理最后获得检测结果。常用的热激励方式有电热毯、热风枪、红外线灯、烤箱等，在遇到某些检测件不能加热的特殊情况时可考虑使用冷却方法，如冷气喷射、冷冻存储、低温冷媒浇注等激励方式使检测件内部温度发生差异变化。民用航空器维修中，也有用无源红外检测法检测蜂窝积水的工作，例如对波音飞机在执行飞行任务落地后1h内进行内外侧襟翼后缘蜂窝结构积水检查就属于这种类型。

常用复合材料损伤检测技术对比

图1　红外热成像工作原理

红外热成像技术检测蜂窝积水与传统X射线照相法、液晶成像和超声脉冲回波检测相比较具有明显的优势，红外热成像更为适用在民航外场在位复合材料蜂窝积水损伤的检测。

表1　蜂窝积水常用检测方式对比

图2　波音B737NG大翼某盖板结构图

图3　盖板加热及热谱获取

图4　盖板红外热谱检测结果

应用实例

在对蜂窝结构部件的实际检测过程中主要利用积液自身的热容量大，从而使其相对周边材料保热时间长这一特点；使用电热毯及热谱仪对检测区域进行控温加热，利用不同材料与积液的温差效应通过红外热成像仪扫掠和捕获积液区域的红外线频谱并获得检测区域内部各部位的温度，最终确定积液缺陷的位置、形状和尺寸等信息。

检测试件为波音B73NG系列飞机大翼某前缘盖板，该盖板为典型蜂窝夹芯制件；面板增强材料为BMS8-139cl1sty120预浸料玻璃纤维，蜂窝夹芯为BMS8-124cl4tp5gr3型的NOMEX蜂窝。在检测过程中通过使用热谱仪及电热毯对盖板进行控温加热，温度控制在45℃以下，以防止温度过高水汽热涨导致盖板二次损伤，再通过FLIR T610型红外线成像仪获取盖板整体红外线频谱定位蜂窝内积液情况。

通过上图检测结果我们可以直接标出盖板内部积水区域为图中33.3～38℃区间位置；可以让工程师更直接确定受损区域和面积，为后续修理方案的确定提供更直观的检测结果。

结语

飞机复合材料制件在役使用过程中产生的损伤主要为各类冲击或撞击所导致的冲击损伤、分层、蜂窝芯塌陷、积水等，这些损伤多数为面积型损伤且损伤的扩展由表面或近表面向内部延伸。由前面的检测案例和已有的实际应用可得出，红外热波无损检测通过损伤面积测量等功能，可为损伤部位修理方案制订和修理后的质量检测等提供准确的参考数据；能直接提升航空器维修现场的NDT检测效率并缩短部件损伤后的修理时间。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.15.004