X射线检测技术在复合材料检测中的应用与发展

董方旭，王从科，凡丽梅，赵付宝，李金鹿，张　霞，郑素萍

(中国兵器工业集团第五三研究所， 济南 250031)



X射线检测技术在复合材料检测中的应用与发展

董方旭，王从科，凡丽梅，赵付宝，李金鹿，张霞，郑素萍

(中国兵器工业集团第五三研究所， 济南 250031)

摘要：论述了X射线检测技术在复合材料检测中的研究进展。着重介绍了近几年来国内外利用不同的X射线检测技术对不同种类复合材料的检测现状，并对检测结果进行了分析；最后，根据目前国内X射线检测技术的不足及存在的问题，结合复合材料检测的质量要求，对未来的发展趋势进行了展望。

关键词：X射线检测技术；复合材料；发展趋势

复合材料[1]是由两种或两种以上具有不同性质、不同形态的材料经过复合工艺制备而成的综合性能优于原组成材料的新型材料。其具有重量轻、强度高等优点，故广泛应用于航空航天、电子电气、汽车等领域，在军用及民用方面都发挥着重要的作用。

由于其独特的结构特点，以及生产制造过程中工艺技术及操作等因素的影响，复合材料不可避免地会产生缺陷与损伤[2]，而影响复合材料的性能、结构完整性及使用寿命。因此，使用无损检测方法，对复合材料结构完整性进行检测至关重要。适用于复合材料的无损检测技术有很多，在检测条件、检测过程及检测结果方面都具有各自的优势与局限性。

常规超声检测技术可用于检测大部分种类的缺陷且能对缺陷进行定位，但对于分层类缺陷，超声波传播路径的选择比较困难，同时还受检测工件形状的影响。激光超声检测技术不受检测工件形状的影响，但其对工件的材料有要求，需要有低的激励激光透射率。空气耦合超声检测技术的检测分辨率高，但检测效率和信噪比低。声发射检测技术既能实时监控缺陷的发展趋势又可对缺陷进行定位，但其仅适用于可发射声信号的分层、树脂开裂等动态缺陷的检测，且难于检测形状复杂的复合材料构件。红外热成像检测技术检测范围广且能显示缺陷信息;激光错位散斑检测技术可通过大面积地观察工件表面的位移变化来检测缺陷;太赫兹无损检测技术可用于检测超声波无法穿透的材料;但红外热成像与激光错位散斑检测技术均只能进行近表面检测，太赫兹无损检测技术对如碳纤维增强复合材料等表面会反射太赫兹波的材料，也只能进行表面检测[3-9]。

X射线检测技术从最初的胶片射线照相技术，经过近100年的发展，已形成了由X射线照相、X射线实时成像、X射线层析成像等构成的比较完整的X射线检测技术体系。X射线检测技术不仅不受被检测复合材料种类的影响，同时适用于检测复合材料中大部分的缺陷，如分层、裂纹、缩孔、疏松、孔隙、夹杂、脱粘等，且不受缺陷所在位置的影响。X射线检测技术的检测结果直观、可靠，还可以定性地描述材料的密度分布和定量地测量材料的密度值。近年来发展比较迅猛的工业CT检测技术更是适用于对复杂结构件的检测，并可与CAD、CAM等制造技术结合而形成所谓的逆向工程。这些优势都是其他无损检测技术所不具备的，因此X射线技术是检测复合材料的常用方法[10]。

笔者对X射线检测技术在复合材料无损检测中的应用与进展进行阐述，同时结合当前的发展状况，指出X射线检测技术存在的问题，并对未来的发展趋势进行展望。

1国内外X射线检测技术在复合材料检测中的研究现状

1.1　概述

从获得图像的角度分类，X射线检测技术[11]可分为常规射线检测技术和数字射线检测技术。常规射线检测技术主要指采用胶片完成的射线照相检测技术；数字射线检测技术是指借助计算机和探测器建立起来的可获得数字化图像的射线检测技术。

胶片射线照相技术应用广泛，经过多年的发展，该技术已经相当成熟，同时也为其他射线检测技术的发展奠定了坚实的基础。

数字射线检测技术主要包括X射线计算机照相技术(CR)、X射线实时成像技术(DR、图像增强器)、X射线断层CT成像检测技术、X射线显微CT成像检测技术、X射线锥束CT三维成像检测技术和康普顿背散射技术(CBS)等。

国内外已经将多种X射线检测技术应用于复合材料的检测中。

1.2　X射线照相检测技术

X射线照相检测技术是最传统的无损检测技术之一，在工业领域中得到了广泛的应用，其主要优点是对复合材料中的夹杂、孔隙等体积型缺陷及密度分布不均等均有很好的检出效果，且检测结果直观，具有较高的灵敏度。但其对分层缺陷的检测相对比较困难，且处理步骤繁琐、过程复杂，不仅成本较高，而且有污染物质产生。

罗京华等[12]通过利用X射线照相检测技术，检测了具有不同尺寸的人工裂纹缺陷的碳纤维增强碳基体(C/C)复合材料，并估算其中一个样品的缺陷厚度为2.95 mm，与人工设计的实际厚度(3 mm)接近；同时，采用X射线断层扫描技术对所估算的缺陷厚度进行了验证，结果表明：通过观察X射线透视图中灰度值的大小，可以有效检测出C/C复合材料的微缺陷。

武高辉等[13]采用X射线照相检测技术，不仅可以清晰地观察碳纤维增强铝基(Cf/Al)复合材料中碳纤维的编织纹路和其间的密度变化，同时对缩孔、疏松等铸造缺陷也具有较高的检测灵敏度。

1.3　X射线实时成像检测技术

随着X射线检测技术的发展，数字射线检测技术逐渐得到了推广和应用。探测器代替传统的X射线胶片，不仅成像速度更快，成像质量更高，而且不需要洗片、显影、定影等操作过程，减少了化学药品的消耗，从而价格成本更低、更加经济环保。

X射线实时成像检测技术具有很高的分辨力和较高的动态范围，可检测密度差或厚度差很大的工件，同时还可以实时地进行在线检测。

但是，X射线实时成像检测技术与传统的X射线照相检测技术一样，所得到的检测图像为二维投影图，存在信息叠加的问题；如果要确定缺陷的尺寸及形状等信息，还需要结合X射线CT成像检测技术。

钟飞等[14]采用X射线实时成像检测技术，在任意旋转角度下，对任意位置的碳纤维复合芯导线进行实时在线监测，不仅可检测到大多数的界面缺陷，而且得到的检测图像具有较高的清晰度，检测灵敏度高，从而在一定程度上解决了碳纤维复合芯导线在应用过程中易损伤、易断线的问题。

史建军等[15]针对某型号卫星用碳纤维复合材料气瓶，采用X射线实时成像检测技术代替传统的射线照相检测技术，其内部的孔隙、夹杂、脱粘和折皱变形等缺陷可以很容易地被检出，同时所得到的检测图像具有较高的清晰度和对比度。

陈腾飞等[16]采用X射线实时成像检测技术，成功检测出了碳纤维预制体中存在的锥状断针和局部结构疏松缺陷；同时，从该方法得到的灰度值图像中，通过灰度值的变化可以检测实测为0.01 g·cm-3的密度差变化。

高远飞[17]采用X射线实时成像检测技术，不仅实现了基本的检测功能和图像处理，而且通过图像的拼接技术可获得完整的大尺寸碳纤维复合板成像图，进而更好地对缺陷的实际位置进行标定。

胡保花[18]首先利用设备软件对测量尺寸进行标定，然后测量出复合材料中两结构单元间的间距为0.17 mm，从而表明该检测系统具有很高的空间分辨率；接着使用该检测系统对含人工设计的填埋薄铝片(3 mm×2 mm)和模拟泡沫裂开缺陷的碳纤维复合制件进行检测，缺陷均可有效地被检出。

1.4　X射线CT成像检测技术

X射线CT成像检测技术得到的检测图像是与工件材料、结构、组成成分及密度等特性相对应的二维断层图像，同时还可进行三维重建来获得被检测工件的三维立体图，不存在信息叠加的问题。其检测图像是数字化的结果，从中可直接得到CT值、像素尺寸等物理信息，且数字化图像便于储存、传输、分析和处理等。它还具有高的空间和密度分辨能力，高的动态范围和可靠性。随着高能量工业CT系统的研制，在足够的穿透能量下，受检工件的几何结构可不受限制。X射线CT成像检测技术适用于对多种缺陷的检测。

金虎等[19]通过CT值可以定量地检测C/C复合材料的内部缺陷，可分辨密度差异为0.1%、尺寸差异为0.125 mm的缺陷，其空间分辨率和密度分辨率可满足C/C复合材料中缺陷的检出要求。

朱延霆等[20]针对3.0 L呼吸器用铝内胆碳纤维复合材料气瓶，利用X射线断层CT成像检测技术，不仅对使用过程中出现的表面划痕、纤维层分层等缺陷具有良好的检测效果，还能准确检测到纤维层内部的孔隙缺陷。检测结果为：纵划痕深度约2.1 mm；环划痕深度约1.53 mm；分层中心距筒体外表面约2.35 mm；空隙中心距筒体外表面约2.41 mm。

Mei等[21]利用CT系统，检测含10 mm×8 mm×0.4 mm人工嵌入缺陷的碳纤维增强碳化硅陶瓷基(C/SiC)复合材料面板，从检测图像中可看到与所设计缺陷具有很好的一致性；并且，可检测出直径约0.5 mm的针孔状缺陷。

徐惠娟等[22]利用工业CT系统对用于航空刹车材料的几种C/C复合材料进行检测，通过分析检测图像，可有效检出该复合材料中的分层、夹层、孔隙、疏松和密度不均等缺陷。

Hocheng等[23]利用CT检测技术，对碳纤维/环氧树脂复合材料钻头在钻孔过程中产生的分层缺陷进行检测，成功检测出钻头中尺寸为1.1～7.2 mm的分层缺陷；并与超声C扫描检测技术进行比较，得出CT检测技术对钻孔产生的分层缺陷具有更有效的检出作用的结论。

Katunin等[24]利用CT检测技术结合三维小波分析去噪方法，对由水切割的方法得到的具有缺陷的复合材料面板进行检测。结果表明,所使用的方法可对其中特定的缺陷进行识别并对不同的缺陷类型进行分类。

Pejryd等[25]通过运用光学显微镜及工业CT检测技术对被钻孔的碳纤维增强复合材料的表面及表面下缺陷进行观察检测，不仅可看到样品中的显微脱粘及表面粗糙度，还易通过碳纤维、环氧树脂和玻璃纤维之间的密度差分辨不同材料，并且可观察到表面下的纤维裂缝和孔壁上的玻璃纤维残渣等这些光学显微镜难以看到的缺陷。

Amenabar等[26]采用包括CT检测技术在内的四种无损检测技术，对含人工设计分层缺陷的复合材料风力涡轮机叶片样品进行检测；结果显示，虽然材料的衰减系数对CT检测技术的检测效果影响很大，但通过系统的三维重建还是可以检测到大部分类型的缺陷，相比于其他检测技术具有更明显的潜力。

X射线CT成像检测技术还适用于定性描述材料的密度分布以及定量测量材料的密度值。

吴东流等[27]将工业CT技术应用于实际，从经过拉伸试验后的碳/环氧板矩形缺口拉伸试样中观察到了缺口周围由于应力损伤造成的密度变化；从圆盘状复合材料中观察到了疏松区域的形状及密度分布；从铝合金、陶瓷和橡胶构成的复合材料中观察到了各成分的空间结构和分布状况。从而说明了工业CT技术在复合材料检测中的重要作用。

陈慧能等[28]以纤维增强复合材料缠绕结构的密度检测为例，表明工业CT可以代替常规射线检测和超声检测技术，通过准确判定成品的密度分布状况来检测产品的生产质量。

刘红林等[29]通过利用工业CT技术对炭/炭复合材料进行断层扫描分析，从得到的断层图像的基础上建立CT值与材料物理密度之间的对应关系，从而定量地得到材料各处的密度值，同时又与用排水法测得的密度值相比较，验证了该方法的可行性，并指出工业CT技术还可用于其他复合材料的密度测试。

X射线CT成像检测技术在逆向工程中的应用也十分广泛。

王晓艳等[30]首先通过工业CT测量了喷管的尺寸信息，然后利用IMAGEWARE软件进行了曲面建模，经过图像处理实现了喷管的逆向重构，并达到了0.01 mm的有效精度。

1.5　X射线显微CT成像检测技术

X射线显微CT是一种利用X射线成像原理进行高分辨率三维成像的新型检测技术。X射线显微CT成像检测技术可以用于对孔隙度及孔径的测量。

Li[31]利用显微CT不仅实现了碳纳米管增强多孔镁复合材料的三维可视化，而且定量地分析了其微观结构，试验检测该复合材料的孔隙率约为48.5%，孔径为1.5～145 μm。为碳纳米管增强多孔镁复合材料在氢储存和生物医学上的应用打下了坚实的基础。

Yuri等[32]利用显微CT对钻出已知直径(0.113 mm)微孔的单向碳纤维/环氧树脂复合材料试件进行检测。结果表明,此方法不仅可用于定量检测复合材料的孔隙尺寸，且可在各个方向上测量切片的孔隙度，试验中测量的孔隙度为0.4%～9.5%不等。

Rique等[33]为了得到玻璃纤维增强塑料试样中的孔隙率，利用显微CT分别对对比试样、缺少胶黏剂的试样及部分区域没有被胶黏剂粘结的试样进行实际检测，结果显示孔隙率分别为20.09%，2.35%和1.35%，说明显微CT可有效、可靠地定量检测孔隙率。

X射线显微CT成像检测技术还可用于质量检测和探伤中。

冯炎建等[34]采用显微CT技术很好地分辨出C/SiC复合材料中的各结构单元(纤维束、基体及孔隙)，同时有效地检测出SiC基体中存在的密度缺陷。

Bull等[35]分别用同步辐射CT及显微CT定量地估算了碳纤维增强环氧树脂冲击试样的裂纹张开尺寸为4.9 μm及4.8 μm；他们[36]还利用此两种技术，检测了受冲击损伤而具有多尺度缺陷的碳纤维复合材料。经过比较可知，这两种检测技术都可以在短时间内获得高质量的图像，而且在整体损伤程度的评估上具有类似的结果。

Schilling等[37]运用显微CT可以很容易地表征玻璃纤维增强复合材料内部的结构缺陷，如：孔隙、分层、基体裂纹等，并对裂纹扩展的形貌进行了三维重构分析。

Gennadiy等[38]利用显微CT结合自动生成有限元网格的方法，检测出不同类型的单向碳纤维/环氧树脂及玻璃纤维/环氧树脂复合材料内部的波纹缺陷。

1.6　康普顿背散射成像检测技术

康普顿背散射成像检测技术[39]具有单侧非接触、不受被检测对象几何尺寸的限制、灵敏度高、可以进行快速三维成像等特点，在国外航空航天领域得到了广泛应用。

Sanjeecareddy等[40]采用X射线散射技术进行航空航天复合材料的检测：利用高能X射线源验证了该技术的适用性；其不仅可以检测出材料性能的微小变化，而且可检测低密度材料；通过将原有的探测器更换为空间分辨率为200 μm的数字探测器阵列，可将检测时间由数小时缩减到3 min，同时改善了图像质量。

2X射线检测技术存在的问题

X射线检测技术应用于复合材料的无损检测中,具备的优势是其他无损检测技术无法比拟的，但仍存在一些问题：

(1) 存在的最突出问题就是X射线对人体的辐射。如何减少X射线的透照时间，提高X射线的利用率，减少X射线机的使用频率来达到尽可能减少工作人员摄入X射线剂量的目的是需要引起足够重视并解决的问题。

(2) 由于目前工业CT主要采用的是三代扫描方式，同时在X射线扫描的过程中存在着射线束硬化等问题，检测出的图像不可避免地会产生伪影，而伪影的存在会影响检测结果的评定，如何对伪影进行校正也是需要解决的问题。

(3) X射线检测技术还存在检测效率较低的问题，如何提高扫描速度和数据处理、图像重建速度也亟待解决。

(4) 针对特定的复合材料构件，没有相应的判废标准，既降低了检测及判定效率，又增加了安全隐患。

3结论与展望

X射线检测技术应用于复合材料的检测，不仅具有灵敏度高、分辨率高、动态范围大、图像质量好等系列优点；同时适用于大多数缺陷、材料密度不均、材料结构特性等方面的检测并广泛应用于逆向工程中。但是，随着科学技术的不断发展，对检测精度，检测速度及图像质量的要求越来越高。

针对国内X射线检测技术的不足及X射线检测技术存在的问题，结合对复合材料检测质量的要求，对未来X射线检测技术应用于复合材料检测的发展趋势，提出以下几点：

(1) 研制新型检测设备。重点研发X射线实时成像及工业CT系统，以提高检测精度，减少X射线的透照时间；同时，对于康普顿背散射成像设备的研制与开发也是未来研究的重点。

(2) 复合材料的三维快速成像检测。重点在于基于面阵探测器的锥束CT系统的应用及数据处理和图像重建方面的发展，以提高X射线的利用率。

(3) 加强仿真技术的研究，X射线检测技术与仿真模拟的完美结合。采用仿真技术，不仅可获得X射线检测技术用于不同结构不同材料复合材料的最佳检测工艺，同时可减少不必要的X射线机的使用，减少成本、省时且环保。

(4) 研究新的重建算法。主要指X射线断层CT成像检测技术、X射线显微CT成像检测技术及X射线锥束CT三维成像检测技术中的重建算法，提高重建速度；同时对图像中各类型伪影进行有效地校正，以提高重建图像质量。

(5) 复合材料缺陷的自动检测与判定，判废标准的建立。升级检测成像系统软件，针对缺陷尺寸设定特定复合材料产品合格的阈值，并对不合格的产品及时判废，同时建立相应的标准，以降低复合材料在应用过程中的安全隐患。

随着X射线检测技术的发展、检测设备与处理软件的研制与创新与检测标准的建立，在X射线检测技术应用于复合材料的检测方面，我国将跟随国际的发展步伐，使X射线检测技术逐渐发展成为具有国际领先水平的无损检测技术。

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The Application and Development of Detection of Composite Materials by

X-ray Nondestructive Testing Techniques

DONG Fang-xu, WANG Cong-ke, FAN Li-mei, ZHAO Fu-bao, LI Jin-lu, ZHANG Xia, ZHENG Su-ping

(CNGC Institute 53, Jinan 250031, China)

Abstract：The X-ray detection technology in detection of composite materials is reviewed. The detection by different X-ray detection technology used for different composite materials at home and abroad in recent years is mainly introduced and the detection results are also analyzed. Finally, according to the shortcomings and the problem of X-ray detection technology at home, combined with the requirements of the detection quality of composite materials, the future development trend of this technology is pointed out.

Key words:X-ray detection technology; Composite material; Development trend

中图分类号：TG115.28

文献标志码：A

文章编号：1000-6656(2016)02-0067-06

DOI:10.11973/wsjc201602017

作者简介：董方旭(1990-)，男，硕士研究生，主要从事复合材料的X射线无损检测研究。通信作者：王从科(1966-)，男，研究员，硕士生导师，主要从事无损检测应用及技术研究。

收稿日期：2015-05-18