浅谈适用于复合材料的几种无损检测技术

贺梦悦 黄 梅

（广州大学-淡江大学工程结构灾害与控制联合研究中心 广州 510006）

1 引言

复合材料由两种或多种材料经高温高压复合而成，因轻质高强、比强度高、耐腐蚀、抗震和可塑性强等优点被广泛应用于航空航天、汽车船舶、体育器材和建筑加固等行业，然而在生产加工、运输及服役过程中，由于材料的自身缺陷、人为因素或环境因素等将会带来不同类型和程度的损伤缺陷，常见缺陷包括分层、脱胶、纤维断裂、夹杂、孔隙和裂纹等等。复合材料属于非均匀各向异性材料，因此其无损检测比各向同性的金属更为复杂。人们起初尝试将适用于金属的无损检测技术用于复合材料，如超声波检测、射线检测及智能敲击检测等。此外，根据复合材料的自身特性还发展了压力传感检测[1]等新型技术。

2 国内外主要无损检测技术

无损检测通过观察局部缺陷对声、光、电、磁、热的变化来确定缺陷的位置和程度。目前国内外用于复合材料的无损检测技术主要包括超声波、射线、智能敲击、压力传感、声发射和红外热成像等，本文将对其一一列举。

2.1 超声检测技术

国际上，超声检测技术被用于近80%的无损检测[2]，其优点是穿透性强，可对缺陷进行精确定位，但大多数情况需使用专用耦合剂、油或水等，使得探头激发的超声波能够传播至被测结构。此外，不同的被测结构需对应不同探头，尤其是泄露兰姆波C扫描系统的探头更需专门定制。目前空气耦合超声系统因无需耦合和快速检测的优势成为研究热点，用于大型复合材料的无损检测，北京工业大学的刘增华等人通过空气耦合超声系统发射和接收兰姆波，分别从理论和实验两部分对复合材料层合板内的分层缺陷进行了研究[3]。

2.2 射线检测技术

X射线、计算机层析照相（CT）、红外线、激光和微波等无损检测均属于射线检测技术，此类技术离不开昂贵的仪器，操作复杂，需对操作人员进行专业培训，且往往产生辐射危及人体健康。其中，X射线和CT扫描技术最早被应用于医疗事业，以直观图像显示，成像快速且易保存。X射线适合检测体积型缺陷，可有效识别复合材料中的夹杂和孔隙，但应注意伪象的干扰，对分层损伤不太敏感。而CT扫描技术因组成元素与人体相近，可通过被测物质对辐射的吸收和衰减来进行无损检测，可有效检测复合材料的分层、夹杂和裂纹等，重庆大学的魏彪[4]指出CT技术是国际无损检测界中最佳的无损检测手段，同样指出了国外先进CT技术在高科技领域及森林资源检测等领域的优势，因此面对技术垄断与封锁，我国应加大投资力度，发展和保护我们的研究成果。

2.3 智能敲击检测技术

传统的敲击技术是利用锤子、棒或硬币等刚性物体对被测结构施加激励，根据回声的音色进行损伤有无的辨别。例如铁路工人通过对铁轨和车体的关键部位敲击，当回声比较“闷”时，说明敲击点处受损，该技术虽简单快速，且无需庞大昂贵的检测仪器，但易受主观因素影响，过于依赖工作经验，且往往仅能识别较大损伤的有无，对受损点的局部响应难以对损伤的位置和大小及微小损伤不敏感。

而智能敲击技术将传感器与敲击锤融合，有效避免了大量传感器需固定于被测结构的情形，通过对物体机械振动信息的采集、放大和处理得到结构的局部响应，故不受背景噪声的影响，可实现实时现场检测。哈尔滨工业大学的冷劲松[5]通过采用智能敲击技术对CFRP复合材料进行了无损检测，分别提取有损区和无损区的时域曲线指标并进行对比，包括撞击持续时间、峰值力和频域下的力幅值衰减速度三个指标。然而，该技术也存在一定的缺陷，敲击锤在敲击之前的速度难以控制，且易出现撞击“拖尾”的现象。

2.4 压力传感检测技术

传感器常用于对结构应变、应力、位移和速度等物理量的测量，常见的传感器有压电片、电阻应变片、位移计和加速度计等，它们在测试过程中往往易受电磁干扰，并需大量的电缆连接，或需要耦合剂。对此，近年来兴起的光纤光栅传感器因体积小、质量轻、可实现单根光纤串联多个光纤光栅等优点被广泛应用于海洋船舶和地下管道监控等，该技术避免了压电片等传统传感器的线路复杂情况，可分布式粘贴于被测结构表面或相嵌于内部，尤其是微型光纤光栅传感器能够内嵌于薄板结构而不影响结构性能。

2.5 其它检测技术

除了以上几种适用于复合材料的无损检测技术，还有声发射、红外热成像技术、微波检测和涡流检测技术等。其中声发射主要用于复合材料承力结构的检测，对动态缺陷敏感，其原理是当结构内部或外部产生缺陷时，在应力作用下易发生缺陷扩展，并在缺陷周围释放瞬态弹性波。而红外热成像主要通过记录被测结构表面红外辐射发的变化，分为有源和无源两种，前者是通过对被测结构加热使其表面温度上升，同时采用红外成像仪中的光敏元件记录被测结构表面的红外辐射能量分布，但该技术对较深的缺陷不敏感。

3 结束语

目前，复合材料的无损检测正朝着智能化、自动化、高效化和综合化的方向发展，但传感器的优化布置和嵌入技术还需进一步研究。应针对不同的复合材料需求选择最佳的无损检测技术，通过对其的成本投入、生产加工、技术用途、服役环境和常见缺陷等多方面进行综合分析，最终将人工智能、传感技术、信号采集、图像处理和计算机技术等板块充分融合，实现科学在役检测，并对结构剩余寿命进行预测和损后修复，从而形成一套成熟完备的标准检测体系。

[1]葛 邦，杨 涛，高殿斌，李 明.复合材料无损检测技术研究进展[J].玻璃钢/复合材料，2009（06）：67～71.

[2]高铁成，郭恒飞，赵传阵，毕武，张微.航天复合材料无损检测技术的发展现状[J].天津工业大学学报，2017，36（01）：71～76.

[3]Liu Z H，Hongtao Y U，Cunfu H E，et al.Delamination damage detection of laminated composite beams using air-coupled ultrasonic transducers[J].Science China（Physics,Mechanics&Astronomy），2013,56（7）：1269～1279.

[4]魏彪，先武.从14届世界无损检测会议看工业CT技术的发展现状[J].无损检测，1997（10）：298～299.

[5]冷劲松，杜善义，王殿富，李全龙.复合材料结构敲击法无损检测的灵敏度研究[J].复合材料学报，1995（04）：99～105.