摘 要：隨著復(fù)合材料在飛機(jī)上的應(yīng)用增長(zhǎng)，其損傷檢測(cè)及評(píng)估的作用至關(guān)重要。文章介紹了飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷類(lèi)型，分析了常用的飛機(jī)復(fù)合材料檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)及適用范圍，最后介紹飛機(jī)復(fù)合材料的損傷評(píng)估方法。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料結(jié)構(gòu)；損傷；無(wú)損檢測(cè)；損傷評(píng)估

引言

復(fù)合材料由于其高比強(qiáng)度和比剛度、良好的抗腐蝕和抗疲勞性能，在航空制造領(lǐng)域中應(yīng)用越來(lái)越多。飛機(jī)復(fù)合材料是一種復(fù)雜的多相體系，并且結(jié)構(gòu)及材料成形同時(shí)完成，成型過(guò)程中各種不確定的影響因素都難以避免會(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生缺陷。飛機(jī)在使用過(guò)程中，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)會(huì)受到載荷的作用、人為因素和自然環(huán)境條件的影響而導(dǎo)致各類(lèi)的損傷產(chǎn)生。無(wú)論制造缺陷還是使用損傷都會(huì)嚴(yán)重威脅飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的安全使用。了解復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件損傷的類(lèi)型及其檢測(cè)和評(píng)估方法，對(duì)于保障飛機(jī)安全高效運(yùn)行是十分重要的。

1 飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷類(lèi)型

飛機(jī)的復(fù)合材料構(gòu)件從制造到服役使用過(guò)程都可能會(huì)產(chǎn)生各種缺陷和損傷。復(fù)合材料制造過(guò)程中缺陷的典型原因包含原材料缺陷、固化過(guò)程沒(méi)控制好、鋪層錯(cuò)誤、混入雜質(zhì)，脫模方法錯(cuò)誤等。缺陷主要有氣孔、分層、層間斷裂、界面分離、夾雜物、固化不佳、鉆孔損傷等。在飛機(jī)使用過(guò)程中，伴隨著意外損傷和環(huán)境損傷的產(chǎn)生，例如不當(dāng)操作、疲勞、外來(lái)物、撞擊，沙石、冰雹和雷擊、腐蝕等都是產(chǎn)生損傷的原因。損傷形式包括裂紋、劃傷、燒傷、凹坑、分層、穿透損傷、腐蝕坑、表面氧化、夾層結(jié)構(gòu)脫粘等等。

按照飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷的嚴(yán)重程度，可將其分為允許、可修理和不可修理三種損傷?？稍试S損傷是指不影響結(jié)構(gòu)性能或完整性的輕微損傷，界定結(jié)構(gòu)件可允許損傷的范圍和標(biāo)準(zhǔn)（例如具體的尺寸和條件等）應(yīng)由相應(yīng)機(jī)型的結(jié)構(gòu)修理手冊(cè)中給出。對(duì)可允許損傷，應(yīng)根據(jù)具體情況確定是否修理。如果允許損傷有擴(kuò)展的可能性導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的剩余強(qiáng)度下降并引起設(shè)計(jì)壽命的下降，應(yīng)當(dāng)在要求的時(shí)限內(nèi)完成修復(fù)。通常對(duì)可允許損傷做簡(jiǎn)單的修理，以防損傷進(jìn)一步擴(kuò)展。可修理?yè)p傷是指損傷的嚴(yán)重程度超過(guò)了許可損傷的范圍，致使結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度等性能下降而加強(qiáng)的損傷。不可修理?yè)p傷是指超出可修理范圍極限的損傷，對(duì)此只能更換損失的原復(fù)合材料構(gòu)件。

2 飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)方法

通過(guò)適當(dāng)方法對(duì)飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)是發(fā)現(xiàn)缺陷和損傷的重要技術(shù)手段?，F(xiàn)在針對(duì)飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)的有效且常用的方式主要有目視檢測(cè)、敲擊、超聲波、X射線(xiàn)、渦流、紅外線(xiàn)成像檢測(cè)等，下面簡(jiǎn)單介紹其基本原理和適用范圍。

2.1 目視檢測(cè)

目視檢查是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)完整性檢查的常用檢查方法。所有復(fù)合材料部件在進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)之前，凡是能夠目視檢查到的部位，都必須進(jìn)行目視檢查。這一方法既不包括在無(wú)損檢測(cè)范圍內(nèi)，也不屬于破壞性檢查，但它是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)維修工作中實(shí)際應(yīng)用的重要檢查方法。在目視檢查時(shí)，因環(huán)境條件和檢查條件的不同，視線(xiàn)可達(dá)性和視力局限性以及要達(dá)到的檢查目的不同，往往需要借助照明光源、放大鏡和內(nèi)窺鏡等簡(jiǎn)單的輔助工具。目視檢查能發(fā)現(xiàn)構(gòu)件常見(jiàn)的沖擊、凹痕、裂紋、外沿分層和脫膠、燒蝕等損傷。

2.2 敲擊檢測(cè)

敲擊檢測(cè)是基于聲學(xué)原理，用一小錘、硬幣等輕輕敲擊被檢測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，根據(jù)聲音的變化確定損傷部位。這種方法對(duì)于檢查脫膠和分層損傷是最簡(jiǎn)單和最通用的方法。當(dāng)用一枚硬幣或其他小的金屬件輕輕敲打沒(méi)有脫膠的夾芯結(jié)構(gòu)時(shí)，將會(huì)聽(tīng)到清脆的金屬鈴聲。如果出現(xiàn)脫膠，將會(huì)聽(tīng)到鈍的重?fù)袈?。敲擊的速率?yīng)當(dāng)足夠快，以便產(chǎn)生足夠的聲響并用耳朵來(lái)辨別任何的聲調(diào)差異。敲擊法可檢出分層、脫粘等損傷；最適合夾層結(jié)構(gòu)中脫粘損傷。最常見(jiàn)的檢測(cè)工具是根據(jù)被檢測(cè)結(jié)構(gòu)制作的敲擊小錘，敲擊錘可以是由有機(jī)玻璃、木質(zhì)、鋼、銅等制成。智能敲擊檢測(cè)是基于普通敲擊法基礎(chǔ)上結(jié)合聲振檢測(cè)原理，利用數(shù)字敲擊錘敲擊使待檢結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)來(lái)判斷構(gòu)件的強(qiáng)度和缺陷等的新型敲擊檢測(cè)方法，適用于蜂窩結(jié)構(gòu)檢測(cè)。敲擊有可能把結(jié)構(gòu)內(nèi)部原件變化所產(chǎn)生的聲調(diào)改變誤認(rèn)為缺陷。此外，這種方法不適于噪聲較大的環(huán)境，應(yīng)當(dāng)在盡可能安靜的地方，由熟悉零件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的人員進(jìn)行檢測(cè)。在檢查薄壁時(shí)，應(yīng)避免工作表面產(chǎn)生小的凹坑。

圖1 敲擊檢測(cè)實(shí)例

2.3 超聲檢測(cè)

超聲檢測(cè)技術(shù)是通過(guò)對(duì)超聲波與被檢件的相互作用后的反射或衰減進(jìn)行分析，從而根據(jù)回波或透過(guò)波的差異判斷損傷情況的一種檢測(cè)方法。用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)的超聲波頻率一般在1～10MHz范圍，常用頻率為5MHz。該檢測(cè)方法技術(shù)已較為成熟，具有強(qiáng)穿透力、靈敏度高、方便安全等特點(diǎn)，檢測(cè)設(shè)備輕便且成本低，尤其是便攜式超聲波檢測(cè)儀，在外場(chǎng)維修檢測(cè)中使用十分方便。超聲波檢測(cè)技術(shù)目前是復(fù)合材料檢測(cè)中使用最廣泛的一種方法，適用于結(jié)構(gòu)的分層、脫膠、層間疏松、膠接氣孔和疏松、孔隙含量等損傷或缺陷的檢測(cè)。用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的超聲波檢測(cè)法主要有兩種：超聲脈沖反射法和超聲穿透法。超聲脈沖反射法通過(guò)超聲波探頭發(fā)射脈沖波到被測(cè)構(gòu)件內(nèi)，然后根據(jù)反射波的情況來(lái)確定構(gòu)件損傷或缺陷。超聲穿透法是依據(jù)脈沖波或連續(xù)波穿透構(gòu)件之后的能量變化來(lái)判斷損傷或缺陷。穿透法常采用兩個(gè)探頭，一個(gè)用作發(fā)射，另一個(gè)用作接收，分別放置在被測(cè)構(gòu)件的兩側(cè)進(jìn)行檢測(cè)，如圖2所示。

圖2 超聲穿透檢測(cè)

2.4 X射線(xiàn)檢測(cè)

X射線(xiàn)是一種能量高、波長(zhǎng)短、穿透力強(qiáng)的電磁波，當(dāng)穿過(guò)某種物體時(shí)會(huì)由于其被吸收或散射而衰減導(dǎo)致強(qiáng)度下降。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中存在的孔穴、裂紋、疏松等缺陷或者和夾雜物部分對(duì)X光的吸收程度都與完好結(jié)構(gòu)部分不同。通過(guò)感光膠片對(duì)穿過(guò)構(gòu)件的X射線(xiàn)顯影并檢驗(yàn)之后便可以判斷結(jié)構(gòu)中是否存在缺陷。除了上述缺陷外，采用此方法還可檢測(cè)復(fù)合材料構(gòu)件中的橫向裂紋。

圖3 射線(xiàn)檢測(cè)原理示意圖

2.5 渦流檢測(cè)

渦流檢測(cè)的基本原理是電磁感應(yīng)，可用于檢測(cè)導(dǎo)電材料的缺陷或損傷，檢測(cè)靈明度高。因此，采用渦流檢測(cè)法只能檢測(cè)導(dǎo)電的樹(shù)脂基復(fù)合材料的纖維斷裂損傷。渦流檢測(cè)能發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料表面的損傷和近表面的內(nèi)部損傷，尤為對(duì)斷裂損傷敏感，其最大優(yōu)點(diǎn)是在位檢測(cè)方便。渦流檢測(cè)分為高頻渦流檢測(cè)和低頻渦流檢測(cè)。高頻渦流用于檢測(cè)復(fù)合材料構(gòu)件表面或近表面的纖維斷裂與裂紋；低頻渦流用于檢測(cè)復(fù)合材料表面以下部分的裂紋。圖4所示為渦流檢測(cè)原理。渦流檢測(cè)除檢測(cè)損傷外，還可用于檢測(cè)復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)的厚度，例如，采用渦流檢測(cè)儀和探頭用于檢測(cè)機(jī)頭雷達(dá)罩的厚度，檢測(cè)誤差在±0.005in以?xún)?nèi)。

圖4 渦流檢測(cè)原理

2.6 紅外線(xiàn)成像

紅外線(xiàn)成像是基于物體的熱輻射特性，利用被檢構(gòu)件的不連續(xù)性的缺陷對(duì)熱傳導(dǎo)性能的影響使構(gòu)件表面的紅外輻射能力發(fā)生變化，通過(guò)紅外照相將這種變化轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)的溫度圖像，從而判斷構(gòu)件缺陷或者損傷的一種非接觸式檢測(cè)方法。它具有檢測(cè)靈敏度高、檢測(cè)效率高、檢測(cè)結(jié)果顯示直觀(guān)等特點(diǎn)，可用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的脫膠、撞擊損傷和積水的檢測(cè)。

其它檢測(cè)方法還有激光全息檢測(cè)、著色滲透、微波檢測(cè)等等。飛機(jī)上不同類(lèi)型結(jié)構(gòu)、損傷的檢測(cè)所采用的方法是不同的。上述檢測(cè)方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，并且相互之間往往不能完全替代，應(yīng)當(dāng)依據(jù)結(jié)構(gòu)損傷的具體情況和檢測(cè)需求選擇合適的一種或者多張方法，從而準(zhǔn)確、完整地檢測(cè)構(gòu)件的缺陷和損傷。另外，實(shí)際操作過(guò)程中還需要考慮資金成本、安全、實(shí)施的環(huán)境和工序等問(wèn)題。

3 飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷評(píng)估

飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件的損傷評(píng)估是維修過(guò)程中重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。如果飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)檢測(cè)出了損傷，就需要對(duì)其損傷進(jìn)行評(píng)估，并據(jù)此選擇修理方法和制訂修理方案。損傷評(píng)估主要從結(jié)構(gòu)（件）的重要程度、損傷的位置、損傷類(lèi)型、損傷程度等方面綜合考慮。

結(jié)構(gòu)的重要程度可由其重要性確定，飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)包含關(guān)鍵部件、主要部件和次要部件。受損而失效會(huì)導(dǎo)致飛機(jī)發(fā)生危險(xiǎn)甚至失事的部件為關(guān)鍵部件；主要部件受損而失效則會(huì)嚴(yán)重影響飛行正常操縱；次要部件則是指自身受損失效對(duì)飛機(jī)正常工作不產(chǎn)生干擾也不會(huì)發(fā)生人機(jī)安全問(wèn)題的部件。修理關(guān)鍵部件時(shí)，應(yīng)十分小心謹(jǐn)慎，嚴(yán)格按照結(jié)構(gòu)修理手冊(cè)和工卡實(shí)施修理工作。損傷的程度包括損傷面積的大小、深淺和數(shù)量。采用相應(yīng)的檢測(cè)方法對(duì)復(fù)合材料部件的損傷區(qū)域?qū)嵤氐椎貦z測(cè)，可以確定損傷的程度。

損傷檢測(cè)時(shí)應(yīng)以可見(jiàn)損傷的最長(zhǎng)軸單邊為中心的半徑100mm內(nèi)的圓形區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)，如圖5所示。損傷類(lèi)型根據(jù)產(chǎn)生原因和檢測(cè)結(jié)果界定。一個(gè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件有時(shí)會(huì)出現(xiàn)幾個(gè)相同或者不同性質(zhì)的損傷。對(duì)相鄰的損傷可按下面的原則來(lái)處理：如果兩個(gè)及兩個(gè)以上損傷靠得很近，則將它們視為一個(gè)整體損傷；具體的損傷距離x值在結(jié)構(gòu)修理手冊(cè)相關(guān)章節(jié)中給出，如圖6所示；對(duì)于分處不同結(jié)構(gòu)區(qū)域和跨結(jié)構(gòu)區(qū)域的同一種損傷，都應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)更高的結(jié)構(gòu)修理方法修理；相鄰區(qū)域的維修鋪層不可重疊，一般都要求滿(mǎn)足間隙≥5mm。

圖5 最小檢查區(qū)域

圖6損傷之間的距離

4 結(jié)束語(yǔ)

伴隨復(fù)合材料在飛機(jī)上的應(yīng)用范圍和重要性的增加，對(duì)其損傷的檢測(cè)和評(píng)估要求也相應(yīng)提高。通過(guò)合適的方法對(duì)飛機(jī)復(fù)合材料損傷檢測(cè)并按照相關(guān)進(jìn)行準(zhǔn)確的損傷評(píng)估，是制定具體維修方案和維修實(shí)施的前提和基礎(chǔ)，是保證飛行安全的重要技術(shù)手段。

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