美國加利福尼亞圣地亞國家實驗室的研究人員David Moore正面對著一塊長方形的硬碳復合材料，這個樣品看起來像是正常磨損，直到Moore將其翻轉過來才發現有一個帶裂縫的圓形沖擊痕跡。現在對于Moore以及他的同事Timothy Briggs而言，最大的問題則在于了解該沖擊造成的影響是否顯著，是否會在復合材料內部造成損傷。因此，他們正在研究利用無損檢測技術檢測復合材料內部損傷情況，包括傳統的X射線檢測、磁粉檢測、超聲檢測以及先進的紅外成像檢測和計算機斷層掃描檢測等。

    圣地亞國家實驗室在很早之前就已經開始對復合材料進行研究，主要研究方向為輕質復合材料在國家安全領域的應用。“一般用于手機中的復合材料的性能只需要維持幾年內穩定即可，但是用于國家安全領域的復合材料則往往需要具有幾十年的使用壽命；使用壽命的不同要求我們去仔細思考這些復合材料適用于哪些方面，以及為何適合用于這些方面”，從事結構動力學與X射線無損檢測技術研究的Moore說道：“我們需要研究材料的使用周期，并且深入研究材料斷裂和變形帶來的后果，以及我們應當如何對其進行檢測”。

    “圣地亞國家實驗室的研究工作已經在許多國家安全領域取得了應用，包括提高能源使用效率、輕量化汽車的性能提升以及風力機葉片性能的改善等”，從事輕量化結構組織研究的Briggs說道：“復合材料通常是將許多具有不同性質的單獨材料結合在一起而形成的，例如，高分子復合材料就是以聚合物材料作為基體材料，以增強型纖維作為增強體（例如碳纖維、凱芙拉纖維以及玻璃纖維等）結合形成的”。復合材料能夠通過加入束狀的、比頭發絲還細的碳材料提高整體材料的強重比；最后通過在工業烤爐中對復合材料進行熱處理能夠得到具有特定形狀以及優異性能的復合材料成品。

    由于具有較好的機械強度，并且比金屬材料更輕，復合材料在航空航天以及許多工業領域內的應用變得越來越為重要；在某些方面可以結合金屬甚至代替金屬材料使用，例如用作飛機機翼材料，能夠使得飛機質量更輕，性能更好，還有助于減少飛機的飛行成本。

    復合材料的外表面特征并不能揭示內部結構信息

    “我們對于金屬材料及其失效機理已經有了非常廣泛的研究”，Moore說道：“但是，復合材料與金屬材料完全不一樣”。如果機場的一輛服務汽車撞到了飛機的復合材料機身，只對撞擊位置進行檢查并不會檢測出表面以下的內部可能造成的損傷。因此，在不同的環境下都能夠對復合材料的損傷進行檢測及評估的無損檢測技術就顯得越發重要了。Moore所在的研究小組正在評估無損檢測技術的準確性以及如何將這些技術應用于生產車間內。

    “在材料的加工工藝中，你需要知道最可能會出問題的步驟以及如何避免這些步驟，這樣才能確定生產出的成千上萬件產品都是性能一致、符合標準的”。Moore說道：“一旦我們了解了這些無損檢測技術的檢測準確性以及檢測極限，我們就能夠輕易的對產品的質量進行檢測及控制，對于某一類特殊的產品能夠快速的選擇一種最合適的檢測方法”。

    在制備好復合材料后，研究人員從上述材料中取下部分樣品進行儀器分析實驗——小心取下部分樣品并對其進行變形、斷裂以及損傷機理研究。“對樣品進行拉伸、彎曲以及壓縮等機械處理以便于我們能夠更好的研究及理解復合材料的斷裂機理”，Moore說道：“我們試圖檢測其中的一些失效模式”。

    材料表征有助于計算機建模及模擬

    “對復合材料進行基本的性能及結構表征能夠提供一些有效的信息進行計算機建模和仿真驗證”，Briggs說道。從一些破壞性測試中獲取的數據與研究小組利用無損評估方法獲取的結果密切相關。

    復合材料通常需要能夠支撐起一定的體積及重量。“設計出一種能夠載重的結構并不難，但是我們需要設計出一種符合特定形狀且輕量化的結構，而且需要具有長期的穩定性，”Briggs說道。不同的材料在工業烤爐中進行熱處理時通常會具有不同的熱膨脹率，例如鋁材料的膨脹要超過纖維增強型高分子復合材料。一旦熱處理結束后，在復合材料的冷卻過程中，材料的內部會產生殘余應力，尤其是集中于材料的內表面區域，如果沒有對這些殘余應力進行有效的處理，將會對材料的性能產生巨大的影響，所以圣地亞國家實驗室也在研究針對殘余應力的新型快速無損檢測，在某些情況下，希望能實現5分鐘內完成全部檢測工作。

    無損檢測技術研究

    超聲檢測技術從起源到現在已經有將近60年的歷史，隨著計算機以及其他相關技術的改善，超聲檢測技術如今可以用于檢測一些更加復雜的樣品。該研究小組成員Andrew Lentfer利用一種類似于油漆輥的手持式超聲檢測裝置對復合材料進行了檢測研究，當他利用這種裝置對復合材料的進行掃描時，連接的計算機屏幕會出現相應的具有不同顏色的圖像：黃-綠色表示ok，藍色則代表缺陷或者不連續處。這種手持式超聲裝置還能夠檢測材料的曲面以及體型較大的樣品，如飛機機翼等。

    圣地亞國家實驗室的研究人員Andrew Lentfer（右）和David Moore（左）正在利用一種手持式超聲檢測裝置對復合材料進行檢測；

    復合材料中的纖維和界面會將注入的超聲波分散開；Moore將這種現象類比為海洋中的波浪現象；“如果海洋中的海浪撞上了巖石，海浪將會繞過巖石；如果海浪撞上了沙灘，則會被沙灘吸收，如果撞上了防波堤，海浪的能量將會快速的重新發生變化。這些現象與我們研究的超聲檢測技術有許多相似之處。根據材料表征獲取的知識信息有助于研發出新型的無損檢測技術，而且，當我們建立了相關的檢測標準，就能夠更好的判斷出哪種樣品可以進行檢測以及采取何種檢測技術”。

    計算機斷層掃描技術對于檢測復合材料內的小缺陷同樣非常高效。這種技術利用輻射（通常為X射線）產生掃描件的三維圖形；X射線直接照射到測試件上，捕獲測試件內部和外部的完整、精確的圖像。其工作原理可以簡單概括為：從X射線源發射出來的X射線對在X射線源和檢測器之間做平移運動的被檢測物體進行掃描，在一次掃描結束后，被檢測物體旋轉一個角度再進行下一次掃描，如此反復操作，即可得到被檢測物體的某一斷面的若干組數據。這些信息數據經過計算機計算、處理，重新建立一個完整的斷面圖像顯示在監視器上，而所有的斷面就可以組成一個完整的三維立體圖像，類似于醫學上的CT掃描。

    此外，隨著計算機技術的進步以及相關附件的改良，紅外熱成像技術以及聲發射檢測技術在復合材料檢測方面也起著越來越重要的作用。Moore說道：“一旦建立了相關的檢測標準以及檢測精度要求，我們將能夠快速的選取合適的無損檢測技術對復合材料產品進行有效的檢測”。

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責任編輯：王元

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