劉穎韜， 郭廣平， 楊黨綱， 何方成， 霍 雁， 趙石彬

(1北京航空材料研究院，北京 100095;2北京理工大學(xué)光電學(xué)院，北京 100081;3北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191)

先進(jìn)復(fù)合材料以其優(yōu)異的性能，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于航空、航天器和各種武器裝備，對(duì)促進(jìn)結(jié)構(gòu)的輕量化、小型化和高性能化起了至關(guān)重要的作用。目前先進(jìn)復(fù)合材料已與鋁合金、鈦合金、合金鋼一起成為航空航天的四大結(jié)構(gòu)材料。先進(jìn)復(fù)合材料具有比強(qiáng)度和比模量高、性能可設(shè)計(jì)和易于整體成形等許多優(yōu)異特性，將其用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)上，可比常規(guī)的金屬結(jié)構(gòu)減重25%～30%，并可明顯改善飛機(jī)氣動(dòng)彈性特性，提高飛行性能，這是其他材料無(wú)法或難以實(shí)現(xiàn)的。先進(jìn)復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用還可以進(jìn)一步推進(jìn)隱身和智能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，因此，先進(jìn)復(fù)合材料在飛機(jī)上應(yīng)用的部位和用量的多少，現(xiàn)已成為衡量飛機(jī)結(jié)構(gòu)先進(jìn)性的重要指標(biāo)之一［1］。

復(fù)合材料常見(jiàn)的缺陷有分層、脫粘、夾雜、孔隙率超差、疏松、貧脂或富脂等。所采用的檢測(cè)方法有超聲、射線、渦流和激光錯(cuò)位散斑等。此外對(duì)于某些玻璃纖維復(fù)合材料構(gòu)件，如雷達(dá)罩，還可以采用目視和敲擊法進(jìn)行檢測(cè)。隨著復(fù)合材料的不斷發(fā)展，形狀和結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜的構(gòu)件不斷出現(xiàn)，對(duì)無(wú)損檢測(cè)提出了更高的要求，需要不斷建立新的檢測(cè)方法或?qū)嵤┬碌臋z測(cè)方式以應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)。

紅外熱像(熱波)檢測(cè)是一種較新的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，具有檢測(cè)速度快、非接觸、無(wú)污染、對(duì)構(gòu)件近表缺陷和特征敏感的特點(diǎn)，適于復(fù)合材料構(gòu)件缺陷快速檢測(cè)、在役檢測(cè)和構(gòu)件修補(bǔ)后的檢測(cè)，如層合板的分層缺陷、蜂窩夾層結(jié)構(gòu)和泡沫夾層結(jié)構(gòu)的分層缺陷與脫粘缺陷的檢測(cè)。紅外熱像檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)在航空工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家中得到了大量應(yīng)用，ASTM已經(jīng)制定了閃光燈激勵(lì)紅外熱像檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)［2］和航空航天復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)導(dǎo)則［3］，該導(dǎo)則中含有大量有關(guān)紅外熱像檢測(cè)的內(nèi)容。國(guó)外學(xué)者和工程技術(shù)人員除了通過(guò)新技術(shù)的研究，不斷拓展紅外熱像檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域和檢測(cè)能力［4～6］，進(jìn)行紅外熱像檢測(cè)的定量分析研究外［7，8］，還開(kāi)展了大量工程應(yīng)用研究，如在飛機(jī)構(gòu)件中的應(yīng)用研究［9］，檢測(cè)時(shí)外界環(huán)境對(duì)檢測(cè)結(jié)果影響的分析［10］。此外，紅外熱像檢測(cè)技術(shù)與其他無(wú)損檢測(cè)技術(shù)結(jié)合共同解決實(shí)際檢測(cè)問(wèn)題，如與渦流檢測(cè)相結(jié)合，同時(shí)對(duì)碳纖維蒙皮、鋁蜂窩制件進(jìn)行缺陷檢測(cè)［11］，與X射線檢測(cè)結(jié)合對(duì)碳纖維復(fù)合材料中的缺陷進(jìn)行定量分析［12］，以確定缺陷的尺寸和埋深等。紅外熱像檢測(cè)技術(shù)在我國(guó)也開(kāi)始受到普遍關(guān)注，近兩年相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)始制訂。但是，目前國(guó)內(nèi)對(duì)紅外熱像技術(shù)在復(fù)合材料構(gòu)件無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用，開(kāi)展的研究還很有限［13～15］，更多的是針對(duì)樣件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和研究。本工作主要研究閃光燈激勵(lì)的脈沖熱像法在航空復(fù)合材料實(shí)際構(gòu)件檢測(cè)中的應(yīng)用。

1 檢測(cè)原理

紅外熱像檢測(cè)，是基于紅外輻射原理，通過(guò)掃描、記錄或觀察被檢測(cè)工件表面由于缺陷或內(nèi)部結(jié)構(gòu)不連續(xù)所引起的熱量向深層傳遞的差別而導(dǎo)致表面溫度場(chǎng)變化，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)表面及內(nèi)部缺陷或分析內(nèi)部結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢測(cè)方法。

紅外熱像無(wú)損檢測(cè)技術(shù)針對(duì)被檢工件的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)和缺陷類型及檢測(cè)條件，設(shè)計(jì)不同特性的熱源(激勵(lì)裝置)并利用計(jì)算機(jī)和專用軟件對(duì)被測(cè)工件進(jìn)行周期、脈沖等函數(shù)形式的加熱，采用紅外成像技術(shù)對(duì)時(shí)序熱像信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，使用專用軟件對(duì)實(shí)時(shí)圖像信號(hào)進(jìn)行處理，最終將檢測(cè)結(jié)果以圖像形式顯示出來(lái)，從而達(dá)到檢測(cè)的目的。

本研究采用的是閃光燈激勵(lì)脈沖熱像法。這種方法采用閃光燈陣列對(duì)被測(cè)構(gòu)件表面進(jìn)行脈沖加熱，使用紅外熱像儀探測(cè)并記錄被測(cè)制件在閃光燈激勵(lì)前后的表面溫度分布及其變化，并經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析和處理可獲得被測(cè)制件內(nèi)部的缺陷、損傷和非均勻信息。

圖1 閃光燈激勵(lì)脈沖熱像法原理圖Fig.1 Principle of infrared flash thermography

2 檢測(cè)設(shè)備及影響檢測(cè)的參數(shù)

本工作中的實(shí)驗(yàn)所采用的設(shè)備包括:紅外熱像儀，工作波段為8～9μm，320×240像元，溫度靈敏度在室溫下為0.02K，采樣頻率為60Hz;閃光燈陣列，最大加熱量為9.6kJ，且加熱量可以調(diào)節(jié)，脈沖寬度為2ms。閃光燈和紅外熱像儀集成在一個(gè)矩形遮光罩內(nèi)。

對(duì)于閃光燈加熱方式，影響檢測(cè)結(jié)果的參數(shù)主要包括總的加熱量和加熱時(shí)間的長(zhǎng)短，熱像儀的采樣頻率和采集時(shí)間長(zhǎng)度也會(huì)影響檢測(cè)結(jié)果和檢測(cè)效率。有缺陷區(qū)和無(wú)缺陷區(qū)的溫差△Tm主要受加熱量的影響，隨加熱量的增加而增大［16］?！鱐m的增大有利于缺陷的識(shí)別。經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著加熱量的增加，埋深較深的缺陷越來(lái)越清晰，這反映了閃光燈激勵(lì)脈沖熱像法檢測(cè)能力的提高。在不損壞樣件的條件下，使用更大的加熱量，通常能夠得到更好的檢測(cè)結(jié)果。對(duì)于閃光加熱方式，能量釋放來(lái)自電容的放電，放電過(guò)程長(zhǎng)不利于檢測(cè)，所以需要把脈沖控制在很短的時(shí)間內(nèi)，尤其是對(duì)于鋁這種熱擴(kuò)散率高的材料，高熱流密度、短時(shí)加熱是一種更為合適的加熱方式［16］。

紅外熱像儀采樣頻率的設(shè)定因不同的檢測(cè)對(duì)象和檢測(cè)目的而不同，例如，檢測(cè)碳纖維和玻璃纖維復(fù)合材料使用的頻率通常要遠(yuǎn)低于檢測(cè)如鋁蒙皮蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的金屬?gòu)?fù)合材料所使用的頻率。采樣頻率不夠，將直接影響檢測(cè)結(jié)果，而采樣頻率過(guò)高，則造成檢測(cè)數(shù)據(jù)冗長(zhǎng)。因此檢測(cè)時(shí)應(yīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)事先確定好所要采用的采樣頻率。采集時(shí)間長(zhǎng)度的選擇可以依據(jù)對(duì)數(shù)-溫度曲線圖中缺陷的分離點(diǎn)確定，也可以根據(jù)圖像序列中缺陷信號(hào)的變化確定。通常綜合參考對(duì)數(shù)-溫度曲線和一階微分熱圖像序列來(lái)確定采集時(shí)間長(zhǎng)度。確定合理的采集時(shí)間長(zhǎng)度意義在于可以有效提高檢測(cè)效率，在實(shí)際工程應(yīng)用中有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

3 檢測(cè)結(jié)果及分析

3.1 泡沫夾層結(jié)構(gòu)件的檢測(cè)

對(duì)某碳纖維蒙皮泡沫芯夾層結(jié)構(gòu)的副翼進(jìn)行了檢測(cè)，蒙皮厚度為1.1mm，由于該構(gòu)件很長(zhǎng)，將其分成3段分別進(jìn)行檢測(cè)。圖2為該構(gòu)件的噴水穿透法超聲C掃描圖，圖3為該構(gòu)件A面的閃光燈激勵(lì)脈沖熱像法結(jié)果，其中(a)和(b)段的檢測(cè)結(jié)果由于上述兩種方法的檢測(cè)方向不同，而導(dǎo)致對(duì)應(yīng)的特征或缺陷區(qū)一個(gè)在左側(cè)，一個(gè)在右側(cè)(見(jiàn)圖2和圖3)。在紅外結(jié)果中不僅發(fā)現(xiàn)了超聲檢測(cè)出的脫粘區(qū)域，而且構(gòu)件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也清晰可見(jiàn)，如加強(qiáng)筋和填充物?？梢?jiàn)，閃光燈激勵(lì)脈沖熱像法給出了更清晰的檢測(cè)結(jié)果和更加豐富的構(gòu)件內(nèi)部信息，該方法適用于薄碳纖維蒙皮泡沫芯夾層結(jié)構(gòu)件的無(wú)損檢測(cè)。

3.2 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的檢測(cè)

對(duì)某雷達(dá)罩進(jìn)行維修前的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。該雷達(dá)罩蒙皮材料為玻璃纖維，厚度為0.6mm，蜂窩芯材為Nomex紙蜂窩。對(duì)外表面進(jìn)行了全面檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)原矩形修補(bǔ)區(qū)域的四角發(fā)生了脫粘，見(jiàn)圖4。罩體多處有積水，如圖5所示，圖中給出了一個(gè)積水區(qū)的一階微分熱圖。此外還發(fā)現(xiàn)了兩處沖擊損傷，見(jiàn)圖6和圖7?？梢?jiàn)，閃光燈激勵(lì)脈沖熱像法技術(shù)適用于薄蒙皮蜂窩夾層結(jié)構(gòu)件的無(wú)損檢測(cè)，可用于這類復(fù)合材料構(gòu)件的在役檢測(cè)。

3.3 復(fù)合材料層合板的檢測(cè)

對(duì)某碳纖維層合板曲面件進(jìn)行檢測(cè)，凸面為外表面，凹面為內(nèi)表面，實(shí)物見(jiàn)圖8，板厚4mm。圖9給出了超聲C掃描的檢測(cè)結(jié)果。圖10～13為閃光燈激勵(lì)脈沖熱像法的檢測(cè)結(jié)果。從圖10中發(fā)現(xiàn)圖9上邊兩個(gè)分層缺陷中左側(cè)的一個(gè)，實(shí)際上是一個(gè)小缺陷和一個(gè)大缺陷的疊加。當(dāng)在構(gòu)件內(nèi)表面檢測(cè)時(shí)，通過(guò)觀察圖像序列發(fā)現(xiàn)，最先出現(xiàn)的是小缺陷，藍(lán)色文字標(biāo)識(shí)處，然后出現(xiàn)的是相對(duì)較暗的大缺陷，即小缺陷疊在大缺陷的上面。從圖11可以看出，2個(gè)大缺陷信號(hào)很強(qiáng)，說(shuō)明它們距離外表面比距離內(nèi)表面近。此外圖11中未見(jiàn)小缺陷，說(shuō)明它在外表面檢測(cè)時(shí)被大缺陷遮擋［17］，進(jìn)一步驗(yàn)證了該缺陷較大缺陷更接近內(nèi)表面。圖12和圖13為工件下邊緣的熱像圖，對(duì)應(yīng)圖9下邊緣的缺陷區(qū)域。圖13中也發(fā)現(xiàn)了大、小缺陷重疊的現(xiàn)象。

圖10 某碳纖維層合板構(gòu)件上邊緣一階微分熱圖t=10s(在內(nèi)表面一側(cè)檢測(cè))Fig.10 First derivative image at t=10s of an edge of CFRP structure(testing on internal surface)

圖11 某碳纖維層合板構(gòu)件上邊緣原始熱像圖t=8s(在外表面一側(cè)檢測(cè))Fig.11 Infrared image at t=8s of an edge of CFRP structure(testing on external surface)

可見(jiàn)，若只在外表面一側(cè)進(jìn)行檢測(cè)，有些埋深較深的小缺陷難以看到，見(jiàn)圖13。這說(shuō)明閃光燈激勵(lì)脈沖熱像法的檢測(cè)深度與超聲檢測(cè)相比很有限，要想檢測(cè)更厚的碳纖維層合板需要改變激勵(lì)方式，如嘗試長(zhǎng)脈沖加熱方式，或改為振動(dòng)加載方式。若從內(nèi)、外兩個(gè)表面分別進(jìn)行檢測(cè)，見(jiàn)圖12和圖13的結(jié)果，閃光燈激勵(lì)脈沖熱像法能夠發(fā)現(xiàn)超聲檢測(cè)中檢測(cè)到的缺陷，只是當(dāng)缺陷距離檢測(cè)表面較遠(yuǎn)，即埋深較深時(shí)，由于橫向?qū)岬挠绊?，缺陷邊緣與超聲C掃描結(jié)果相比更加模糊。

4 結(jié)論

(1)對(duì)于薄碳纖維蒙皮泡沫芯夾層結(jié)構(gòu)件，閃光燈激勵(lì)脈沖熱像法能夠給出清晰的檢測(cè)結(jié)果和豐富的構(gòu)件內(nèi)部信息，適用于此類復(fù)合材料構(gòu)件的無(wú)損檢測(cè)。

(2)閃光燈激勵(lì)脈沖熱像法同樣適用于薄蒙皮蜂窩夾層結(jié)構(gòu)件的無(wú)損檢測(cè)，可以檢測(cè)出脫粘缺陷、損傷和蜂窩積水，能夠用于此類構(gòu)件的在役檢測(cè)。

(3)對(duì)于碳纖維層合板構(gòu)件，當(dāng)缺陷埋深較深時(shí)，由于橫向?qū)岬挠绊?，閃光燈激勵(lì)脈沖熱像法得到的缺陷邊緣與超聲C掃描結(jié)果相比更加模糊。

(4)閃光燈激勵(lì)脈沖熱像法的檢測(cè)深度與超聲檢測(cè)相比很有限，要想檢測(cè)更厚的碳纖維層合板需要改變激勵(lì)方式。所以閃光燈激勵(lì)脈沖熱像法適于檢測(cè)厚度較薄的層合板構(gòu)件。

以上結(jié)論僅依據(jù)有限的研究工作得出，閃光燈激勵(lì)脈沖熱像法的特點(diǎn)還沒(méi)有完全被展現(xiàn)出來(lái)，課題組將繼續(xù)進(jìn)行脈沖熱像法在航空復(fù)合材料構(gòu)件無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用研究。

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