陳名華，楊小林，涂明武，郭孝歡

（空軍第一航空學(xué)院，河南 信陽(yáng) 464000）

0 引言

復(fù)合材料具有質(zhì)量輕，比強(qiáng)度和比剛度大，可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，且耐腐蝕、抗疲勞等、易加工成型等優(yōu)點(diǎn)，而廣泛應(yīng)用到飛機(jī)的設(shè)計(jì)和制造中如： 飛機(jī)的雷達(dá)罩和尾翼、直升機(jī)的各種整流罩，無(wú)人機(jī)的機(jī)翼和機(jī)身等。由于復(fù)合材料對(duì)沖擊較敏感，在訓(xùn)練和維護(hù)過(guò)程中易因異物撞擊而發(fā)生損傷，嚴(yán)重影響復(fù)合材料的機(jī)械性能和完整性，給飛機(jī)帶來(lái)了嚴(yán)重的安全隱患，因此，經(jīng)常對(duì)飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)成為了保障飛機(jī)飛行安全必不可少的環(huán)節(jié)。目前復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)技術(shù)有很多如： 超聲波、X 射線、聲發(fā)射、紅外熱波和激光散斑等，其中，紅外熱成像技術(shù)具有快速，觀測(cè)面積大，直觀易懂，準(zhǔn)確、非接觸、無(wú)污染，可原位檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛研究，成為了飛機(jī)復(fù)合材料損傷檢測(cè)的主要發(fā)展方向之一。

1 基本原理與分類

紅外熱波無(wú)損檢測(cè)的基本原理是利用被檢物的不連續(xù)性缺陷對(duì)熱傳導(dǎo)性能的影響，使得物體表面溫度不一致，即物體表面的局部區(qū)域產(chǎn)生溫度梯度，導(dǎo)致物體表面紅外輻射能力發(fā)生差異，借助紅外熱像儀探測(cè)被檢物的輻射分布，通過(guò)形成的熱像圖序列就可推斷出內(nèi)部缺陷情況。具體檢測(cè)方法分為以下兩種： ①有源紅外檢測(cè)法又稱主動(dòng)紅外檢測(cè)法，其特征是利用外部能源，向被檢測(cè)工件注入熱量，再借助檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)的方法；②無(wú)源紅外檢測(cè)法又稱被動(dòng)紅外檢測(cè)法，其特征是，無(wú)外加熱源，利用工件本身熱輻射的一種測(cè)量方法。而有源紅外檢測(cè)法還可細(xì)分為： 脈沖紅外熱成像技術(shù)、鎖像紅外熱成像技術(shù)和超聲紅外熱成像技術(shù)等，它們施加的能源分別為： 脈沖式熱源、周期性熱源和低頻超聲脈沖波[1]。其中脈沖熱源發(fā)展比較成熟，是本文研究采用的主要熱源。

2 紅外熱成像試驗(yàn)

2.1 試樣制備

本文設(shè)計(jì)制作了材料為T300／QY8911 的層合板標(biāo)準(zhǔn)試塊。試塊標(biāo)準(zhǔn)及結(jié)構(gòu)為35 層層合板結(jié)構(gòu)，每層厚0.12mm，試塊的形狀及尺寸如圖1、2 所示。在 （300×180）mm 的層合板上，沿長(zhǎng)度方向挖出3 行直徑分別為19mm、13mm、10mm 的圓柱形平底孔，每行5 孔，共15 孔。每列孔的鉆孔深度相同，自左至右分別為3.6mm（30 層）、3.0mm（25 層）、2.4mm（20 層）、2.04mm（17層）、0.96mm （8 層）。將標(biāo)準(zhǔn)試塊無(wú)人工孔一面正對(duì)紅外熱像儀進(jìn)行損傷測(cè)量，具體如圖1、2 所示。

圖1 含人工平底孔層合板外形圖Fig.1 T he drawing of laminated board included man-made holes

圖2 含人工平底孔層合板標(biāo)準(zhǔn)試塊尺寸簡(jiǎn)圖Fig.2 T he structure chart of laminated board included manmade holes

2.2 紅外熱像檢測(cè)工藝

采用ThermoVision A40 型紅外熱像儀，熱像儀的成像距離固定，焦距為300mm，熱源為脈沖氙燈，采用雙燈頭平行布置方式，脈沖單燈功率為3000J，離工件距離為280mm。測(cè)試時(shí)，采用連續(xù)加熱方式，加熱時(shí)間為5～10s，采集頻率為50Hz，分別對(duì)預(yù)制平底孔層合板試件和某無(wú)人機(jī)蜂窩復(fù)合材料板材進(jìn)行檢測(cè)。

2.3 層壓板復(fù)合材料檢測(cè)結(jié)果分析

脈沖加熱后得到不同時(shí)刻典型的熱圖像（熱波序列圖），如圖3 所示，圖中亮斑對(duì)應(yīng)為平底孔缺陷，因?yàn)樵嚰臻W光燈的能量后，能量逐漸向深層傳播，當(dāng)遇到平底孔時(shí)，由于空氣的熱導(dǎo)率比碳纖維復(fù)合材料低，因此熱波在此反射較大，使得試件表面對(duì)應(yīng)的部位溫度相對(duì)較高，在熱圖中就顯現(xiàn)出白色亮斑，并且隨時(shí)間延長(zhǎng)，從3s 到12s，不同深度的平底孔依次顯現(xiàn)。從熱波序列圖可以看出： ①平底孔離檢測(cè)表面越近，則缺陷最先顯現(xiàn)；②平底孔直徑越大，其亮度也越大，持續(xù)的時(shí)間也越長(zhǎng)；③平底孔達(dá)到一定深度后，不能被紅外熱波檢測(cè)。這也說(shuō)明，通過(guò)對(duì)紅外熱波檢測(cè)，可以對(duì)平底孔缺陷進(jìn)行定量分析，其深度與時(shí)間有關(guān)，其面積與亮斑大小一致[2]。

圖3 含人工平底孔層合板標(biāo)準(zhǔn)試塊熱波序列圖Fig.3 The thermal wave sequence imaging of laminated board included man-made holes

文獻(xiàn)資料表明： 紅外檢測(cè)時(shí)，不同缺陷的深度的平方與缺陷顯現(xiàn)的時(shí)間成正比（其比例系數(shù)與被測(cè)材料的熱傳導(dǎo)性、密度和比熱容有關(guān)），因此可利用試驗(yàn)曲線判定缺陷埋藏深度和缺陷類型。對(duì)于面積的測(cè)量，必須知道紅外熱圖像上每一像素點(diǎn)代表的實(shí)際面積，可先計(jì)算出顯示圖像坐標(biāo)與實(shí)際檢測(cè)面積之間的比例關(guān)系，再通過(guò)計(jì)算機(jī)編制算法，計(jì)算具體缺陷面積[3]。

當(dāng)然，由于熱傳導(dǎo)的三維效應(yīng)、缺陷的邊界效應(yīng)和操作人員的判斷等對(duì)測(cè)量結(jié)果都有影響。因此缺陷深度和面積的測(cè)量值和真實(shí)值之間可能存在較大的誤差。在實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)檢測(cè)物的材料和缺陷形式、設(shè)計(jì)出含各種缺陷的精細(xì)的標(biāo)準(zhǔn)試件，在實(shí)際檢測(cè)中，通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)試件比對(duì)得到更準(zhǔn)確的定量分析結(jié)果。

2.4 復(fù)合材料蜂窩結(jié)構(gòu)檢測(cè)結(jié)果分析

研究表明，紅外熱成像技術(shù)還能有效地檢測(cè)出復(fù)合材料蜂窩結(jié)構(gòu)中存在的主要缺陷（如：蜂窩與面板脫粘和蜂窩積水），我們對(duì)某無(wú)人機(jī)的機(jī)身玻璃鋼蜂窩結(jié)構(gòu)進(jìn)行了紅外檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖4、圖5，由圖可知，在正常區(qū)域，其蜂窩輪廓清晰，而不顯示蜂窩輪廓區(qū)域，表明缺陷存在。一般來(lái)講，玻璃鋼層壓板、水（油）、空氣的熱導(dǎo)率是依次減小的，對(duì)于分層和脫粘而言，由于空氣存在，其傳熱慢于玻璃鋼或膠粘劑，使得相應(yīng)試樣表面溫度高于周圍，出現(xiàn)亮斑；對(duì)于蜂窩積水（油）而言，其傳熱快于蜂窩中的空氣，使得相應(yīng)區(qū)域表面溫度低于周圍，在熱像圖上顯示為黑斑。在圖4 中，熱像圖上出現(xiàn)白色亮斑，說(shuō)明此處存在分層或脫膠缺陷；在圖5 中，熱像圖上出現(xiàn)幾塊黑色斑區(qū)、說(shuō)明黑斑區(qū)存在積水或積油，而對(duì)于蜂窩積油和積水的判斷，可以通過(guò)分別設(shè)計(jì)含蜂窩積油和積水的標(biāo)準(zhǔn)試件，進(jìn)行熱像圖對(duì)比而進(jìn)一步區(qū)分開(kāi)來(lái)[4]。

圖4 含分層缺陷的蜂窩復(fù)合材料Fig.4 the thermal imaging of honeycomb composites included delamination

圖5 含蜂窩積水 （油） 蜂窩復(fù)合材料Fig.5 the thermal imaging of honeycomb composites included water in honeycomb

3 結(jié)論

實(shí)踐表明，紅外熱成像無(wú)損檢測(cè)技術(shù)可廣泛應(yīng)用于飛機(jī)復(fù)合材料層壓板和蜂窩結(jié)構(gòu)的損傷檢測(cè)中，它不僅能夠檢測(cè)分層和脫粘，還能檢測(cè)蜂窩積水 （油）、蜂窩塌陷等損傷，不僅能進(jìn)行定性分析，還可進(jìn)行深度和面積等定量分析，因此該技術(shù)發(fā)展前景廣泛，不僅能夠用于航空復(fù)合材料的無(wú)損檢測(cè)，也可用于其他軍事裝備復(fù)合材料的無(wú)損探傷，還可應(yīng)用于民用復(fù)合材料的檢測(cè)維修中。

[1] 張小川，金萬(wàn)平，李艷紅，等. 玻璃鋼平底洞缺陷試件紅外熱波檢測(cè)方法[J].激光與紅外，2006，1.

[2] 楊小林，馬虎，江濤. 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)可視化檢測(cè)中的損傷面積測(cè)量[J].航空維修與工程，2008，5.

[3] 王焰，張煒，楊正偉，等. 玻璃纖維復(fù)合材料分層缺陷的紅外熱波檢測(cè)[J].無(wú)損檢測(cè)，2010，11.

[4] 楊小林，代永朝，李艷紅，等.紅外熱波技術(shù)在飛機(jī)復(fù)合材料無(wú)損傷檢測(cè)中的應(yīng)用[J].無(wú)損檢測(cè)，2007，4.