新型高性能復(fù)合材料的研發(fā)在國內(nèi)外已經(jīng)成為一個(gè)熱點(diǎn),多種新型復(fù)合材料的優(yōu)異性能已得到了驗(yàn)證與普遍認(rèn)可,并在航空航天領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用?隨著材料工藝的成熟及產(chǎn)品質(zhì)量的提高,高性能復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的使用比例大幅度提升(波音787“夢(mèng)想”飛機(jī)的復(fù)合材料用量已達(dá)結(jié)構(gòu)質(zhì)量的50%),有些甚至已代替金屬成為某些核心部件的主要結(jié)構(gòu)材料,從而使航空航天技術(shù)的發(fā)展有了質(zhì)的飛躍?在航空航天領(lǐng)域已得到應(yīng)用的新型復(fù)合材料主要包括纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP?GFRP?GLARE)?夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料(蜂窩夾芯復(fù)合材料?泡沫夾芯復(fù)合材料)?耐高溫復(fù)合材料(C/C復(fù)合材料?C/SiC復(fù)合材料)等,此類材料普遍具有高比強(qiáng)度?高比剛度?高模量和耐腐蝕等優(yōu)異性能?碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)已廣泛應(yīng)用于雷達(dá)罩?客機(jī)機(jī)身?機(jī)翼?垂尾和方向舵等構(gòu)件?圖1(a)和圖1(b)分別為波音787復(fù)合材料機(jī)身及機(jī)翼后緣?蜂窩夾芯復(fù)合材料以高彈性模量?隔音?隔熱和防潮等特性用于雷達(dá)天線罩?發(fā)動(dòng)機(jī)隔音板?客機(jī)機(jī)身?直升機(jī)旋翼葉片和機(jī)艙地板等?圖2為Mi-24型直升機(jī)旋翼葉片結(jié)構(gòu)?纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料(Ceramic Matrix Composites,CMC)以耐高溫?抗氧化?抗燒蝕?良好的高溫機(jī)械性能等特性逐漸代替金屬成為新一代航空?航天器的高溫?zé)峤Y(jié)構(gòu)材料,典型應(yīng)用包括航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室?渦輪?火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管等耐高溫關(guān)鍵件?大型客機(jī)和新型軍用飛機(jī)的新一代高速剎車片等?圖3為液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)C/SiC噴管在高空臺(tái)試車?橡膠包覆金屬材料以其優(yōu)異的耐腐蝕性能應(yīng)用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃料筒?

    工藝?材料特性和服役條件等都是影響復(fù)合材料構(gòu)件中產(chǎn)生缺陷的重要因素,當(dāng)缺陷尺寸達(dá)到某一量值時(shí),會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件性能顯著下降,采用無損檢測(cè)技術(shù)對(duì)新型復(fù)合材料構(gòu)件進(jìn)行檢測(cè)及質(zhì)量評(píng)價(jià)以確保其完整性是制造及服務(wù)環(huán)節(jié)的重要內(nèi)容?由于航空航天新型復(fù)合材料制造成本高?結(jié)構(gòu)特殊和使用環(huán)境特殊等特點(diǎn),對(duì)無損檢測(cè)技術(shù)提出了更苛刻?更有針對(duì)性的檢測(cè)條件和檢測(cè)要求,包括不能使用耦合劑?檢測(cè)空間狹小?構(gòu)件尺寸大?結(jié)構(gòu)復(fù)雜?檢測(cè)高效和檢測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)直觀等?研究與新型復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展水平相適應(yīng)的無損檢測(cè)技術(shù),針對(duì)不同檢測(cè)條件及檢測(cè)要求提出合理的檢測(cè)與評(píng)價(jià)方法已成為國內(nèi)外研究人員需要思考的新課題?

    多種非接觸檢測(cè)技術(shù)的迅速發(fā)展為解決上述檢測(cè)要求提供了新思路,已有多種非接觸檢測(cè)技術(shù)為航空航天制造及維護(hù)提供服務(wù),各方法以其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在不同領(lǐng)域?不同檢測(cè)目的應(yīng)用中發(fā)揮巨大作用,這類技術(shù)在新型復(fù)合材料生產(chǎn)及維護(hù)中的質(zhì)量評(píng)價(jià)及對(duì)環(huán)境有特殊要求的檢測(cè)任務(wù)中(高溫?高壓?核輻射?腐蝕等)具有顯著優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用潛力?非接觸無損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用可以大大提高檢測(cè)效率?節(jié)約維護(hù)成本?縮短型號(hào)研制周期,此類技術(shù)主要可分為基于機(jī)械振動(dòng)的空氣耦合超聲檢測(cè)技術(shù),基于光學(xué)的紅外熱像技術(shù)?散干涉技術(shù)?全息成像?太赫茲技術(shù)?超導(dǎo)量子干涉技術(shù)(Superconducting Quantum InterferenceDevice,SQUID)等,以及激光超聲?電磁超聲等混合技術(shù)?本文結(jié)合航空航天技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)及該領(lǐng)域?qū)π滦蛷?fù)合材料的檢測(cè)需求,對(duì)目前研究較熱且在該領(lǐng)域具有較大應(yīng)用潛力的空氣耦合超聲檢測(cè)技術(shù)?紅外熱像技術(shù)?激光超聲檢測(cè)技術(shù)?散斑干涉技術(shù)的技術(shù)特點(diǎn)?研究進(jìn)展與應(yīng)用情況進(jìn)行綜述,最后展望非接觸無損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì),為此類技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的研究與應(yīng)用提供一定的參考和借鑒?

    1 非接觸無損檢測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展

    1.1 空氣耦合超聲檢測(cè)技術(shù)

    空氣耦合超聲檢測(cè)技術(shù)是一種以空氣作為耦合介質(zhì)的非接觸聲學(xué)檢測(cè)方法,除了耦合介質(zhì)差異外,在超聲激發(fā)與聲傳播機(jī)理方面與傳統(tǒng)超聲檢測(cè)技術(shù)相比差異不大?該技術(shù)具有非接觸?良好的檢測(cè)分辨率?易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化?適合原位檢測(cè)和技術(shù)較成熟等優(yōu)點(diǎn),但是該技術(shù)一般采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的掃查方式使得檢測(cè)效率較低,同時(shí)超聲衰減導(dǎo)致接收信號(hào)的信噪比較差?

    空氣耦合條件下,由于空氣同檢測(cè)對(duì)象之間巨大的聲阻抗差及空氣對(duì)高頻聲波的高吸收率,造成超聲接收信號(hào)微弱且信噪比低,提高空氣耦合條件下接收信號(hào)強(qiáng)度及信噪比是該技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用所面臨的首要難題?國內(nèi)外重點(diǎn)研究方向包括新型高性能空氣耦合超聲換能器?低噪聲激勵(lì)接收放大裝置?新型檢測(cè)方法?激勵(lì)信號(hào)編碼技術(shù)及數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)等?空氣耦合超聲換能器是決定空氣耦合超聲檢測(cè)技術(shù)發(fā)展水平的關(guān)鍵,按換能方式可分為壓電型和電容型(或靜電型)兩類?近年來針對(duì)壓電換能器研發(fā)出的多種高性能換能材料(如聚合物復(fù)合材料)和聲匹配膜材料,使壓電換能器具有更低的聲阻抗,同時(shí),具有低密度?多孔?良好的高頻機(jī)電響應(yīng)?低聲阻抗(0.028~0.040MRayl)?低介電損耗和機(jī)械損耗的高性能聲匹配膜材料的應(yīng)用,包括多孔聚丙烯鐵電體膜材料(Polypropylene Ferroelectric Films)?硅橡膠?聚偏二氟乙烯(Polyvinylidene Fluoride,PVDF)等,使得壓電換能器換能效率大幅提升(普遍提高30dB以上),頻率也已拓展到60kHz~2MHz,其應(yīng)用非常廣泛?由于新型電容型換能器(Capacitive Microfabricated UltrasonicTransducer,CMUT)較傳統(tǒng)壓電換能器而言機(jī)電轉(zhuǎn)換效率更高,具有高靈敏度?寬頻帶?良好的聲阻抗匹配特性,是空氣耦合超聲換能器發(fā)展的新趨勢(shì),圖4和圖5分別為電容型空氣耦合超聲換能器構(gòu)成原理及換能器結(jié)構(gòu)?

    激勵(lì)與接收放大系統(tǒng)是空氣耦合超聲檢測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分,現(xiàn)已研制出電壓峰峰值在500~800V的高性能低噪聲空氣耦合超聲換能器激勵(lì)放大系統(tǒng),結(jié)合空氣耦合換能器內(nèi)部的超低噪聲前置放大器,可使接收信號(hào)放大到100dB以上,滿足了大多數(shù)材料的檢測(cè)需求?檢測(cè)方法研究方面,穿透法檢測(cè)技術(shù)已很成熟且應(yīng)用廣泛,南伊利諾斯州立大學(xué)Stonawski使用225kHz換能器從厚度為36.33mm 的C/C復(fù)合材料剎車盤中可靠地識(shí)別出了直徑為12.7mm 的人工平底孔?Kａzys等使用470kHz換能器對(duì)GLARE3-3/2復(fù)合材料中直徑為25mm預(yù)置分層缺陷進(jìn)行了檢測(cè),對(duì)C掃描結(jié)果使用-6dB法求得缺陷直徑為22mm?使用空氣耦合超聲同側(cè)檢測(cè)技術(shù)可以檢測(cè)蜂窩夾芯材料中的損傷缺陷,可確定分層及損傷缺陷的類型?尺寸及位置,該技術(shù)滿足了快速原位檢測(cè)的需要?超聲信號(hào)數(shù)字化處理技術(shù)(濾噪及脈沖壓縮處理技術(shù)等)是提高接收信號(hào)信噪比的重要手段,Sasaki等利用一種幅值調(diào)制信號(hào)驅(qū)動(dòng)40kHz窄帶換能器,獲得了高信噪比的回波信號(hào),測(cè)距精度可達(dá)0.02mm(0.1~0.5m 內(nèi))?雷達(dá)技術(shù)中常用的線性/非線性調(diào)頻脈沖壓縮技術(shù)?相位編碼脈沖壓縮技術(shù)在超聲檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用,使檢測(cè)信號(hào)信噪比大幅度提升,國內(nèi)在頻率調(diào)制脈沖壓縮方法的研究方面也已獲得了實(shí)用化研究成果,已將線性調(diào)頻?非線性調(diào)頻?相位編碼脈沖壓縮技術(shù)應(yīng)用到CFRP/GFRP復(fù)合材料空氣耦合超聲檢測(cè)中,能檢出材料中脫粘?夾雜等缺陷?

    空氣耦合超聲技術(shù)最先于20世紀(jì)20年代用于南極冰蓋厚度的測(cè)量(頻率在20~100kHz之間)?過去40年來,該檢測(cè)技術(shù)發(fā)展非常迅速,已被證明是檢測(cè)與評(píng)價(jià)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP?GFRP?GLARE)?蜂窩夾芯/泡沫夾芯結(jié)構(gòu)材料?金屬?耐高溫陶瓷材料等質(zhì)量的有效手段?此方法不僅可以用來評(píng)價(jià)泡沫夾芯復(fù)合材料中蒙皮與泡沫芯之間的脫粘?層壓復(fù)合材料中的內(nèi)部分層缺陷,還能檢測(cè)C/C復(fù)合材料剎車盤中的夾雜和不均勻缺陷?空氣耦合超聲檢測(cè)技術(shù)已在航空航天新型復(fù)合材料檢測(cè)中得到應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了波音737機(jī)翼后緣蜂窩夾芯材料?A320副翼?波音737尾翼?黑鷹直升機(jī)旋翼?泡沫夾芯材料及相應(yīng)構(gòu)件的檢測(cè),圖6為采用該技術(shù)檢測(cè)波音737機(jī)翼后緣?德國無損檢測(cè)技術(shù)研究所的HFUS2400AirTech 系列?美國Ultran公司的NCT?NCG系列換能器及SecondWave M510系統(tǒng)?QMI公司的AS系列換能器及AirScan SONDA-007CX檢測(cè)系統(tǒng)?Japan Probe 公司NAUT21檢測(cè)系統(tǒng)等都已具有非常優(yōu)異的檢測(cè)性能,并已應(yīng)用在航空航天特殊材料及其構(gòu)件的質(zhì)量評(píng)價(jià)中?

    1.2 紅外熱像技術(shù)

    紅外熱像技術(shù)是基于物體的熱輻射特性,使用紅外熱像儀觀測(cè)材料缺陷區(qū)及完好區(qū)紅外輻射差異來檢測(cè)物體內(nèi)部缺陷?對(duì)紅外輻射差異信號(hào)的數(shù)字化處理使人眼可視范圍擴(kuò)展到紅外波段?該技術(shù)非常適合大型部件的全場(chǎng)快速檢測(cè),檢測(cè)速度是水浸C掃描檢測(cè)速度的30倍以上,還具有操作簡單?檢測(cè)結(jié)果直觀?實(shí)時(shí)?便于原位檢測(cè)等特點(diǎn),但是此方法的檢測(cè)分辨率受制于探測(cè)器自身性能,而且從熱像圖中對(duì)較深層缺陷的識(shí)別與定量分析有一定難度?

    該技術(shù)研究主要關(guān)注高性能探測(cè)器技術(shù)?新型檢測(cè)方法?信號(hào)與圖像后處理技術(shù)等?早期該技術(shù)受到檢測(cè)精度的影響,大大限制了其應(yīng)用范圍?隨著高速?高像元?高靈敏度紅外熱像儀的出現(xiàn)及計(jì)算機(jī)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的進(jìn)步,該技術(shù)得到了快速發(fā)展,探測(cè)器作為紅外整機(jī)系統(tǒng)的核心關(guān)鍵部件更是研究的重點(diǎn),半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展催生了新型探測(cè)器的研制熱潮,高像元碲鎘汞(HgCdTe)已得到廣泛應(yīng)用,制冷型量子阱探測(cè)器(如640×480像元?GaAs/AlGaAs焦平面型)已問世,非制冷焦平面探測(cè)器(非晶硅?氧化物晶體?熱釋電陶瓷)省去了昂貴的低溫制冷系統(tǒng)和復(fù)雜的掃描裝置,使紅外熱像儀向高精度?微型化?低功率?低成本?長壽命方向發(fā)展?在檢測(cè)方法研究方面,脈沖紅外熱像技術(shù)(Pulse Thermography,PT)檢測(cè)速度快,可以快速檢測(cè)CFRP/GFRP復(fù)合材料中脫粘?夾雜和沖擊損傷缺陷,但檢測(cè)結(jié)果易受熱源均勻性?熱輻射率?環(huán)境反射?幾何結(jié)構(gòu)等因素的影響?鎖相紅外熱像(Lock-inThermography,LT)技術(shù)已應(yīng)用到航空航天器?軍民用設(shè)備的安全可靠性檢測(cè)方面,采用較低調(diào)制頻率即能獲得較厚材料深層缺陷信息,但檢測(cè)時(shí)間較長?脈沖相位紅外熱像(Pulse PhaseThermography,PPT)技術(shù)抗干擾能力強(qiáng)?可探測(cè)深度缺陷,克服了脈沖熱像技術(shù)對(duì)加熱均勻性的苛刻要求和鎖相紅外熱像技術(shù)處理時(shí)間長的局限?由于此法基于相位信號(hào)的傅里葉變換獲得,在特定相位上能量有限,必須提高單次脈沖激勵(lì)能量?新型頻率調(diào)制紅外熱像方法克服了鎖相紅外熱像技術(shù)檢測(cè)時(shí)間長?脈沖紅外熱像技術(shù)需要更高激勵(lì)能量的問題,能夠以更小的激勵(lì)能量實(shí)現(xiàn)較深區(qū)域缺陷的檢測(cè)?紅外熱像技術(shù)已經(jīng)延伸出多種基于不同激勵(lì)方式的檢測(cè)技術(shù),常用的主動(dòng)式熱激勵(lì)源包括光?熱?磁?聲等,針對(duì)被測(cè)物體的材質(zhì)?結(jié)構(gòu)?缺陷類型及檢測(cè)條件,可采用不同的熱源對(duì)被檢試件進(jìn)行加熱,以獲得理想的檢測(cè)效果?超聲紅外熱像技術(shù)基于缺陷區(qū)機(jī)械波引起的摩擦熱效應(yīng)而建立,已在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片裂紋?Nomex蜂窩結(jié)構(gòu)蒙皮脫粘及表面裂紋等缺陷的檢測(cè)中得到驗(yàn)證和推廣,圖7為采用超聲紅外熱像技術(shù)檢測(cè)Nomex蜂窩結(jié)構(gòu)蒙皮脫粘及表面裂紋缺陷?電磁激勵(lì)紅外熱像無損檢測(cè)技術(shù)是基于電磁感應(yīng)原理和渦流熱效應(yīng)提出的,能在金屬板類材料內(nèi)部裂紋缺陷檢測(cè)中獲得較高的檢出率,佩特雷大學(xué)的Tsopelas和Siakavellas分別對(duì)比了圖像提取?溫度的空間導(dǎo)數(shù)及傅里葉變換等方法對(duì)鋁板中不同裂紋缺陷的檢測(cè)能力,發(fā)現(xiàn)傅里葉變換法可檢出更多裂紋缺陷(從20個(gè)中檢出15個(gè))?在信號(hào)與圖像后處理技術(shù)方面,可采用新型圖像邊緣檢測(cè)?圖像融合技術(shù)以降低加熱不均?表面反射等因素對(duì)結(jié)果的干擾,提高了檢測(cè)結(jié)果的可靠性及檢測(cè)精度?

    美國GE?波音?洛克希德?NASA 等已將紅外熱像技術(shù)作為重要檢測(cè)手段應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn),ASTM 已制定脈沖紅外熱像檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和航空航天復(fù)合材料無損檢測(cè)導(dǎo)則?瑞典?加拿大?俄國?德國?法國等已將該技術(shù)應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域金屬?陶瓷?橡膠?發(fā)動(dòng)機(jī)金屬噴管?膠接CFRP材料?鉚接蒙皮?膠接蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)等的質(zhì)量檢測(cè)方面?紅外熱像技術(shù)應(yīng)用設(shè)備的研發(fā)在國外開展較早,美國FLIR?德國InfraTec等公司研制出的便攜式高性能制冷型紅外熱像儀(碲鎘汞探測(cè)器,熱靈敏度NETD <20mK)已經(jīng)得到非常普遍的應(yīng)用?美國?法國?以色列等都已具備生產(chǎn)高性能非制冷型氧化釩紅外探測(cè)器的能力,并開始著手研制新一代非制冷微量熱型紅外熱像系統(tǒng)?國內(nèi)首都師范大學(xué)?北京航空航天大學(xué)?大連理工大學(xué)?南京航空航天大學(xué)?北京航空材料研究院等在紅外熱像技術(shù)研究方面也已取得較大成果,相應(yīng)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域包括火箭發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體?火箭殼體?航空發(fā)動(dòng)機(jī)噴管?發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件熱障涂層?渦輪葉片等的檢測(cè),能快速檢測(cè)出C/SiC復(fù)合材料構(gòu)件?蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)和多層膠接結(jié)構(gòu)中的分層和脫粘缺陷,而且對(duì)航空器近表面缺陷?導(dǎo)彈及艦船層壓材料內(nèi)部缺陷?蜂窩材料內(nèi)部積水?斷裂極限?疲勞極限等具有很好的檢出能力?

    1.3 激光超聲檢測(cè)技術(shù)

    1926年兩位法國科學(xué)家證明了脈沖激光束可在固體和液體中激發(fā)出聲波,后來基于該原理發(fā)展出光學(xué)?熱學(xué)?聲學(xué)等多學(xué)科交叉的激光超聲檢測(cè)技術(shù)獲得巨大發(fā)展?由于采用球面透鏡或柱面透鏡容易將激光束聚焦為點(diǎn)源或線源,給材料表面激發(fā)出聚焦點(diǎn)聲源或線聲源提供了便利,光導(dǎo)纖維還可以將激光引導(dǎo)至難以接近的區(qū)域,這為復(fù)雜形狀構(gòu)件的檢測(cè)及大型構(gòu)件遠(yuǎn)程在線檢測(cè)奠定了很好的技術(shù)基礎(chǔ)?激光超聲脈沖寬度可達(dá)到納秒級(jí),因此具有很高的微小缺陷探測(cè)能力,激光掃描速度比機(jī)械式掃描快很多?但該技術(shù)的接收信號(hào)受光聲轉(zhuǎn)換效率的影響很大,同時(shí)激發(fā)的寬帶信號(hào)特性給缺陷特征信號(hào)識(shí)別帶來一定難度?

    該技術(shù)研究的重點(diǎn)是激光超聲信號(hào)激發(fā)機(jī)理?超聲信號(hào)接收及檢測(cè)方法等?固體中激光激勵(lì)超聲波的機(jī)理較復(fù)雜,國內(nèi)外主要關(guān)注熱彈效應(yīng)和熱燒蝕效應(yīng),當(dāng)功率密度較小的激光束照射到固體材料表面時(shí),由于照射區(qū)域內(nèi)熱量高度集中產(chǎn)生熱彈效應(yīng),導(dǎo)致材料沿表面的快速膨脹并向材料內(nèi)部傳播而激勵(lì)出超聲波?當(dāng)激光功率密度大于材料損傷閾值時(shí),材料表面因燒蝕效應(yīng)瞬間氣化,并激發(fā)出超聲波,該效應(yīng)會(huì)激發(fā)出較強(qiáng)的縱波?橫波和表面波,但會(huì)造成材料表面一定深度的燒蝕,只適用于部分場(chǎng)合?激光源產(chǎn)生的超聲脈沖是一種寬帶窄脈沖(帶寬可擴(kuò)展到100MHz以上),因此一般要求是寬帶的信號(hào)接收系統(tǒng),常用的超聲信號(hào)接收方法可采用光學(xué)傳感器(干涉法和光束偏轉(zhuǎn)法),檢測(cè)方法以干涉法(包括零差?外差?邁克爾遜?法布里-珀羅?馬赫-曾德爾等)為主,還可以采用寬帶超聲傳感器(壓電型或靜電型)?電磁傳感器等?激光超聲主要面臨的問題包括能量轉(zhuǎn)換效率低?檢測(cè)靈敏度低,提高激光激勵(lì)能量或采用連續(xù)激光激發(fā)容易造成材料表面燒蝕,因此結(jié)合其他方法建立新型混合技術(shù)是研究的新思路?激光與空氣耦合超聲換能器相結(jié)合的檢測(cè)技術(shù)是一種簡便的超聲激勵(lì)與接收方法,可實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料及金屬構(gòu)件中垂直方向裂縫及裂開型缺陷的檢測(cè),對(duì)飛機(jī)上的熱塑性復(fù)合材料中近表面裂紋缺陷檢測(cè)效果優(yōu)異?該技術(shù)還可以激發(fā)和檢測(cè)體結(jié)構(gòu)中的縱波?橫波?固體界面漏表面波和薄板中的Lamb波?針對(duì)不同的檢測(cè)對(duì)象選擇合理的聲波模態(tài)進(jìn)行分析,可快速獲得不同檢測(cè)結(jié)果,圖8所示為采用激光干涉系統(tǒng)測(cè)量氣固界面漏表面波?

    由于樹脂基復(fù)合材料對(duì)激光的吸收能力較強(qiáng),激光超聲轉(zhuǎn)換效率能滿足檢測(cè)要求,因此應(yīng)用該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)CFRP復(fù)合材料?層壓復(fù)合材料?蜂窩夾芯材料(CFRP或GFRP蒙皮)中缺陷的檢測(cè)?洛克希德·馬丁公司已采用Laser UT激光超聲檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)F-22復(fù)合材料進(jìn)氣道?JSF機(jī)翼傳力結(jié)構(gòu)等部件進(jìn)行檢測(cè),檢測(cè)效率大大提高,還可實(shí)現(xiàn)飛機(jī)引擎和機(jī)翼的質(zhì)量評(píng)估,圖9為Laser UT激光超聲系統(tǒng)檢測(cè)F-22復(fù)合材料進(jìn)氣道?iPhoton公司的iPLUS大型機(jī)器人激光超聲檢測(cè)系統(tǒng),已應(yīng)用于新一代大型客機(jī)A380?A350XWB等機(jī)型復(fù)雜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料構(gòu)件的自動(dòng)快速檢測(cè)?國內(nèi)南京大學(xué)?北京航空航天大學(xué)等已將該技術(shù)應(yīng)用于復(fù)合材料內(nèi)部典型缺陷及鉆孔分層缺陷的檢測(cè)?

    1.4 散斑干涉技術(shù)

    電子散斑干涉(Electronic Speckle PatternInterferometry,ESPI)是以激光?光電子技術(shù)?數(shù)字圖像處理技術(shù)為基礎(chǔ)的現(xiàn)代光學(xué)測(cè)量技術(shù),該技術(shù)以激光散斑作為被測(cè)物場(chǎng)變化信息的載體,通過對(duì)待測(cè)材料加載時(shí)觀察缺陷表面因異常變形導(dǎo)致的異常光學(xué)干涉條紋來判斷缺陷特征?隨著電子技術(shù)?計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展,電子散斑干涉術(shù)的處理過程已完全實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化,實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)測(cè)量與分析?散斑干涉技術(shù)檢測(cè)速度快?通用性強(qiáng)?測(cè)量簡便?自動(dòng)化程度高?靈敏度高,但對(duì)內(nèi)部較深層缺陷敏感性較差且定量較困難?

    該技術(shù)研究重點(diǎn)關(guān)注加載方式?檢測(cè)方法?調(diào)制加載技術(shù)及圖像信號(hào)處理等?采用的加載方式主要包括真空加載?熱加載?聲加載?電磁加載等,選擇不同的加載方式,可實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料不同類型缺陷的檢測(cè)及評(píng)估?檢測(cè)方法研究方面,新發(fā)展出電子剪切散斑干涉(Electronic ShearographySpeckle Pattern Interferometry,ESSPI)技術(shù),該技術(shù)通過玻璃光楔塊偏折,在焦平面上產(chǎn)生與楔塊楔角相同方向的兩個(gè)剪切的像(即在像平面上形成一個(gè)物體的兩個(gè)錯(cuò)位的像),兩個(gè)變形前后的散斑干涉圖像經(jīng)處理,可使原來對(duì)位移敏感的干涉條紋變?yōu)閷?duì)位移變化量敏感,因此該技術(shù)較ESPI而言受外界干擾小,不用避光,無需專門隔振,成像容易,能快速測(cè)量表面位移?振動(dòng)?應(yīng)變?物體形貌等?加載技術(shù)及圖像信號(hào)處理技術(shù)也已獲得較大成果,大大推進(jìn)了該技術(shù)的發(fā)展,斯圖加特大學(xué)的Gerhard和Busse在常規(guī)ESPI技術(shù)的基礎(chǔ)上,通過調(diào)制加熱建立了鎖相散斑干涉檢測(cè)系統(tǒng),圖10為鎖相ESPI檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成原理?從相位圖中分析,可得出缺陷在材料中的位置,彌補(bǔ)了常規(guī)ESPI對(duì)較深層缺陷檢測(cè)效果不理想的缺點(diǎn),采用鎖相加載技術(shù),從6mm亞克力板(Poly Methyl Meth Acrylate,PMMA)及13mm蜂窩材料中,清楚地識(shí)別出位于同一平面坐標(biāo)不同深度的缺陷?應(yīng)用相移技術(shù)及小波圖像濾噪可使散斑圖像質(zhì)量和測(cè)量精度大大提高,Findeis等將相移技術(shù)應(yīng)用到ESPI及ESSPI中,實(shí)現(xiàn)了大羚羊直升機(jī)旋翼葉片的檢測(cè),如圖11所示?通過分析散斑條紋相位圖,還可以確定蜂窩芯材中位于20?40mm 等不同深度的直徑為12mm的人工缺陷?

    ESPI?ESSPI 能實(shí)時(shí)?可靠地檢測(cè)出GLARE?GFRP?蜂窩夾芯材料中的脫粘?分層?沖擊損傷?蜂窩積水等典型缺陷,尤其對(duì)復(fù)合材料內(nèi)部開裂?裂紋較敏感,圖12為采用ESPI技術(shù)檢測(cè)C/C復(fù)合材料中的開裂缺陷?散斑干涉技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于航空航天復(fù)合材料的質(zhì)量評(píng)價(jià)中?美國空軍將ESSPI技術(shù)作為檢測(cè)B-2飛機(jī)蒙皮與芯子粘接質(zhì)量的主要手段,肯尼迪航天中心用該技術(shù)檢測(cè)航天飛機(jī)外部燃料箱熱保護(hù)層和固體火箭推進(jìn)器的熱保護(hù)層?國內(nèi)天津大學(xué)?南京航空航天大學(xué)?上海交通大學(xué)等也將相應(yīng)技術(shù)應(yīng)用于復(fù)合材料夾雜?脫粘?芯格斷裂?沖擊損傷等缺陷的檢測(cè)?在檢測(cè)儀器方面,有早期英國Ealing公司的VIDISPEC?美國Newport生產(chǎn)的HC-4000 等,德國Ettemeyer研發(fā)的Laser Shearography系統(tǒng)已在航空航天領(lǐng)域得到應(yīng)用,Q830系統(tǒng)被美國Pratt & Whittney公司列入PW 系列發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)與大修的檢測(cè)規(guī)范,并被美國聯(lián)邦航空委員會(huì)認(rèn)定為飛機(jī)輪胎的強(qiáng)制性檢測(cè)與評(píng)價(jià)手段,且可用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)部件研磨密封裝置的脫粘(虛粘)缺陷檢測(cè)?火箭外殼材料粘接質(zhì)量的在線檢測(cè)?直升機(jī)復(fù)合材料旋翼檢測(cè)等?華南理工大學(xué)開發(fā)出BTJSLNDT-1200A型便攜式激光散斑輪胎測(cè)試儀,用于輪胎內(nèi)部缺陷的檢測(cè)?中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制出便攜式激光剪切散斑干涉系統(tǒng)用于飛機(jī)整機(jī)疲勞裂紋的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)?

    1.5 各檢測(cè)技術(shù)綜合特性對(duì)比

    各非接觸檢測(cè)技術(shù)綜合特性對(duì)比如表1所示

    2 非接觸無損檢測(cè)技術(shù)研究趨勢(shì)

    2.1 多技術(shù)融合的新型檢測(cè)方法

    任何基于單一技術(shù)原理的無損檢測(cè)方法都有其優(yōu)勢(shì)和局限性,探索多技術(shù)融合的新型混合檢測(cè)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),能以更合理的檢測(cè)手段達(dá)到質(zhì)量評(píng)價(jià)的目的,可提高檢測(cè)效率和可靠性,是未來無損檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的新趨勢(shì)?通過選擇不同的激勵(lì)與接收方法,可以組合出多種不同的檢測(cè)新技術(shù),例如由激光脈沖發(fā)生器激勵(lì)出超聲波,電磁超聲換能器(Electromagnetic AcousticTransducer,EMAT)接收的組合技術(shù)可用于裂紋及材料厚度的檢測(cè),圖13 為采用Laser-EMAT混合技術(shù)監(jiān)測(cè)焊縫質(zhì)量?激光激勵(lì)超聲波,用空氣耦合超聲換能器接收的檢測(cè)方法非常適用于基于表面波的無損檢測(cè),尤其在復(fù)合材料表面缺陷檢測(cè)中更有效?超聲紅外檢測(cè)技術(shù)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片表面/近表面閉合微裂紋及復(fù)合材料中脫粘缺陷的檢測(cè)效果優(yōu)異?空氣耦合超聲換能器激勵(lì)出聲波使閉合性裂紋區(qū)域產(chǎn)生摩擦熱,通過紅外熱像儀探測(cè)缺陷的方法可應(yīng)用于裂紋缺陷的檢測(cè)?新發(fā)展的電磁紅外熱像技術(shù)根據(jù)板中裂紋缺陷改變渦電流流向來實(shí)現(xiàn)缺陷分析,同時(shí)將脈沖相位法和鎖相法應(yīng)用于電磁紅外檢測(cè),可提高檢測(cè)可靠性?

    2.2 自動(dòng)化高速檢測(cè)系統(tǒng)

    快速高效的無損檢測(cè)技術(shù)已成為國外航空裝備研發(fā)和制造的重要發(fā)展方向,美國?俄羅斯?法國?德國等都在大力發(fā)展快速無損檢測(cè)技術(shù)以適應(yīng)現(xiàn)代航空裝備的研制和高效制造的需求?相控陣技術(shù)?自動(dòng)化控制系統(tǒng)及機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用解決了不規(guī)則型面構(gòu)件的快速自動(dòng)化檢測(cè)問題,特別是在復(fù)雜大型構(gòu)件的檢測(cè)中,大大節(jié)省了人力,同時(shí)也保證了檢測(cè)結(jié)果的完整性?重復(fù)性及可靠性,多通道檢測(cè)系統(tǒng)?導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研發(fā)也是大大提高大型構(gòu)件檢測(cè)效率的重要手段?圖14和圖15分別為自動(dòng)化超聲檢測(cè)系統(tǒng)及復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的三維C掃描檢測(cè)結(jié)果?檢測(cè)過程中99%以上的時(shí)間用在非缺陷區(qū)的檢測(cè),迅速識(shí)別疑似缺陷區(qū)域并對(duì)該區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)精確掃查可以大大縮短檢測(cè)時(shí)間?結(jié)合現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)化管理與智能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的快速?智能化?自動(dòng)化檢測(cè)是非接觸無損檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的一大趨勢(shì)?

    2.3 計(jì)算機(jī)仿真及數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)

    新型計(jì)算分析方法(如有限差分?有限元?邊界元?體積元等)及信號(hào)處理方法(如小波分析?數(shù)字濾波?功率譜分析等)已成為非接觸無損檢測(cè)技術(shù)研究與應(yīng)用的重要內(nèi)容?檢測(cè)技術(shù)復(fù)雜性及對(duì)象的多樣性使得檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與參數(shù)優(yōu)化至關(guān)重要,有限元等仿真與分析結(jié)果已成為檢測(cè)方法建立及系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要參考,并已應(yīng)用于EMATthermal檢測(cè)?換能器優(yōu)化設(shè)計(jì)?激光超聲檢測(cè)及相控陣系統(tǒng)研發(fā)中,圖16及圖17分別為采用有限元技術(shù)模擬電磁紅外渦電流及熱功率密度和激光激發(fā)超聲波在不同直徑孔洞材料中的聲場(chǎng)分布特性?仿真分析技術(shù)還為實(shí)驗(yàn)研究提供了重要的理論依據(jù),明顯減少了實(shí)驗(yàn)次數(shù),成為一種應(yīng)用于檢測(cè)技術(shù)研究方面的重要手段,圖18為采用有限差分(FDTD)技術(shù)模擬介質(zhì)中的聲場(chǎng)?電子技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展及其成本的大幅度降低,加快了現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在無損檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用步伐,FFT處理技術(shù)?STFT時(shí)頻分析?小波變換?Wiener濾波技術(shù)?Wigner-Ville分布?脈沖壓縮技術(shù)等在無損檢測(cè)中的應(yīng)用大大提高了信號(hào)分辨率和信噪比?同時(shí),檢測(cè)信號(hào)處理的硬件化(如DSP系統(tǒng)),使高效信號(hào)處理及成像方法面向?qū)嵱没?/span>,檢測(cè)結(jié)果可靠性明顯改善,結(jié)果分析更便利,并使高分辨率實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)成像成為現(xiàn)實(shí)?

    2.4 微型化?便攜化檢測(cè)設(shè)備及裝置

    微機(jī)電(Microelectro Mechanical SystemsMEMS)技術(shù)?電子信息技術(shù)及新材料技術(shù)的快速發(fā)展,使傳感器制造進(jìn)入了一個(gè)全新階段?采用大規(guī)模集成電路技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)電磁換能器線圈的快速設(shè)計(jì)與制造,MEMS技術(shù)已成為制作小型陣列式壓電換能器?陣列式線/面型CMUT空氣耦合超聲換能器及陣列式電磁換能器的重要加工手段?同時(shí),應(yīng)用MEMS制作工藝可大大降低換能器制造成本,使得多陣元換能器制作及相控陣技術(shù)應(yīng)用更普遍?上述關(guān)鍵技術(shù)的進(jìn)步加快了相應(yīng)系統(tǒng)向微型?便攜?智能?廉價(jià)方向發(fā)展的步伐,為研制現(xiàn)場(chǎng)在線檢測(cè)設(shè)備創(chuàng)造了良好條件?圖19和圖20分別為便攜式材料厚度測(cè)量儀和便攜式空氣耦合超聲檢測(cè)儀?激勵(lì)與接收系統(tǒng)?信號(hào)放大系統(tǒng)?數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的插卡式模塊化發(fā)展,使得檢測(cè)儀器的研制變得更高效,系統(tǒng)性能更優(yōu)異?

    2.5 材料特性分析方法及構(gòu)件性能在線監(jiān)測(cè)技術(shù)

    非接觸無損檢測(cè)方法在快速?準(zhǔn)確檢測(cè)材料物化特性方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)已逐漸體現(xiàn)出來?空氣耦合超聲檢測(cè)技術(shù)能分析材料濕度?材料表面粗糙度?表面形貌?基體材料或包覆層彈性模量?密度?泊松比?厚度等?激光超聲技術(shù)也可用于金屬材料組織分析,焊接構(gòu)件殘余應(yīng)力測(cè)試?彈性模量測(cè)量等,圖21和圖22分別為空氣耦合超聲用于紙幣水印形貌分析和激光超聲系統(tǒng)測(cè)量材料殘余應(yīng)力?散斑干涉則被廣泛用于表面位移?振動(dòng)?應(yīng)變?物體形貌等的測(cè)量?基于非接觸導(dǎo)波的快速健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)(Structural HealthMonitoring,SHM)技術(shù)能實(shí)現(xiàn)材料疲勞裂紋及復(fù)合材料損傷缺陷的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè),圖23為激光測(cè)振法分析材料疲勞裂紋的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)?

    3 結(jié)束語

    未來無損檢測(cè)要向檢測(cè)速度更快?檢測(cè)結(jié)果更直觀可靠?檢測(cè)流程更便捷?檢測(cè)系統(tǒng)更廉價(jià)的方向發(fā)展?我國航空航天事業(yè)發(fā)展如火如荼,同時(shí)也正面臨著對(duì)高端新型檢測(cè)技術(shù)的供需矛盾,隨著新材料技術(shù)?大規(guī)模集成電路及高端微機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步,非接觸無損檢測(cè)技術(shù)將具有很大發(fā)展?jié)摿?/span>,并將在未來航空航天及新材料等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用?

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