黃領(lǐng)才

西北工業(yè)大學 航空學院，西安 710072

復合材料是由兩種或兩種以上材料通過復雜方式組合而成的，這種新型材料具備卓越的綜合性能［1］。這種特殊的組合使材料的強度、硬度和重量都有顯著改善。復合材料憑借其卓越的性能和獨特的性質(zhì)，已被廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)，尤其是航空航天、汽車制造、軍事、船舶和建筑等領(lǐng)域，其中最具代表性的是纖維增強聚合物（FRP）復合材料［2］。現(xiàn)如今，波音787 客機中有近一半的材料都采用了復合材料［3］。

盡管復合材料在實踐中的應(yīng)用具有顯著優(yōu)勢，但在制造和裝配過程中，F(xiàn)RP 復合材料容易出現(xiàn)各類復雜的缺陷或在使用過程中出現(xiàn)磨損現(xiàn)象［4-5］。這些缺陷主要由低速沖擊引發(fā)的極難被肉眼察覺的沖擊損傷（BVID）導致，如裂紋、脫粘、分層及纖維斷裂等［6-7］，這類缺陷可能會不斷擴大，進而引發(fā)結(jié)構(gòu)的整體性破壞。因此準確識別此類缺陷并制定嚴格的容限標準以防止此類失效現(xiàn)象的發(fā)生顯得至關(guān)重要［8-9］。在美國聯(lián)邦航空管理局發(fā)布的飛機審定指南中，也充分體現(xiàn)了損傷容限的重要性［10］。

無損測試和評估（NDT&E）通過設(shè)計周密的測試程序進行有效的檢測與監(jiān)控，旨在防止損傷的蔓延和相關(guān)的負面影響。NDT&E 提供了在預定時間間隔內(nèi)識別、定位和量化缺陷的手段。因此為確保無損檢測技術(shù)與復合材料實際應(yīng)用的高效整合，充分理解損傷表征的無損檢測技術(shù)最新發(fā)展至關(guān)重要。

本研究對NDT&E 技術(shù)的最新進展，特別是針對FRP 復合材料的檢測和評估進行了深入回顧，同時也概述了相關(guān)后處理技術(shù)及每種無損檢測技術(shù)的優(yōu)缺點。此外，根據(jù)4 個關(guān)鍵準則（測試對象尺寸、測試時間、測試成本和測試方式）對特定應(yīng)用無損檢測技術(shù)的適用性進行了評估。采用層次分析法分析無損檢測技術(shù)并根據(jù)文獻中的相關(guān)準則、基于真實信息對備選方案進行評價。

1 無損檢測與評估技術(shù)

一般而言，在避免對被測物體造成損害的前提下，使用無損檢測與測試方法對其表面和內(nèi)部缺陷進行識別和表征已成為公認做法［4］。在無損檢測領(lǐng)域中，目視檢測（VI）被廣泛應(yīng)用，被視作是檢測的首要步驟。對缺陷進行檢測的過程可通過使用沖擊敏感涂層、液體滲透劑和磁性顆粒等方式進行加強［11］。目視檢測方法不僅簡單易行且價格低廉，對技能的要求也不高，但其適用范圍僅限于可見的近表面缺陷［12］。除此之外，還有其他多種無損檢測技術(shù)可供選擇，如聲發(fā)射檢測、超聲波檢測、紅外熱成像檢測、激光錯位散斑干涉檢測、數(shù)字圖像相關(guān)檢測、渦流檢測、太赫茲成像檢測、微波檢測、電學層析成像檢測和X 射線檢測等。

1.1 聲發(fā)射檢測

聲發(fā)射（Acoustic Emission，AE）檢測是一種獨特于傳統(tǒng)無損檢測技術(shù)的方法，采用無外施激勵的聲學手段進行測量。其基本原理是探知材料在承載過程中引發(fā)的塑性形變、裂紋生成與擴充及剝離等諸多變化引起的區(qū)域源能量高速釋放，進而產(chǎn)生的瞬態(tài)彈性波或音爆現(xiàn)象，即聲發(fā)射信號，并依據(jù)檢獲的聲發(fā)射信號特征研究判斷材料的破壞起點、損害演進過程及最終失效情況［13］。其核心參數(shù)是從時域波形聲發(fā)射信號中提取的最大幅度值（Maximum Amplitude）、上升時間（Rise Time）、下沉時間（Decay Time）及振動次數(shù)（Counts）等關(guān)鍵指標［14］。這一技術(shù)與其他檢測技術(shù)相比不依賴于缺陷尺寸，因此適用于微觀缺陷檢測［12，15］。聲發(fā)射技術(shù)具備多項優(yōu)勢，如對任何形式的缺陷都具備敏感性、在損傷識別和定位方面具備很高的準確性、可提供有關(guān)損傷起始的信息、能準確識別分層和裂紋等損傷模式［16-21］。圖1［22］為聲發(fā)射檢測示意圖。

圖1 聲發(fā)射檢測示意圖［22］Fig.1 Schematic of acoustic emission test［22］

一些研究已將聲發(fā)射技術(shù)用于監(jiān)測FRP 復合材料在拉伸和彎曲等力學試驗中的缺陷，實驗收集的聲發(fā)射信號參數(shù)不僅涵蓋振幅，還包括各種其他形式的參數(shù)，這些參數(shù)與各種類型的缺陷密切相關(guān)。然而振幅作為信號分析中的重要參數(shù)，在檢測過程中可能會受衰減、散射、反射和折射等因素影響［23］。其他聲發(fā)射信號能量參數(shù)在描述缺陷特征時展現(xiàn)出更強的關(guān)聯(lián)性，這一點在文獻［24-27］中得到了證實，研究者們在不同的機械測試中使用聲發(fā)射信號能量參數(shù)預測分層的開始和擴展，這一現(xiàn)象證明其比振幅更具優(yōu)勢，因能量參數(shù)對擴展現(xiàn)象的敏感性相對較低。

然而一些研究在分析因缺陷引起的動態(tài)信號時采用了不同的后處理方法及基于單一聲發(fā)射參數(shù)的方法［25-27］，使記錄數(shù)據(jù)的處理和分析更具挑戰(zhàn)性。如多個機制之間的重疊需仔細分析以區(qū)分這些機制［24，28］。此外缺陷以外的聲源會給信號帶來隨機噪聲［29-30］，從而增加了解碼采集數(shù)據(jù)的復雜性。

解決將采集到的數(shù)據(jù)與損壞機制相關(guān)聯(lián)問題的常見方法是采用多個聲發(fā)射參數(shù)或整合聲發(fā)射技術(shù)與其他技術(shù)。當采用多個聲發(fā)射參數(shù)時，可采用兩個或多個聲發(fā)射參數(shù)提高損傷表征的準確性。許多研究采用從記錄的聲發(fā)射信號中提取多參數(shù)的方法區(qū)分不同模式損傷［31］。與文獻［25-26］中使用的方法相比，上述方法提供了更精準的損傷分析，因它可區(qū)分特定的損傷模式。如基體開裂的波形特征主要表現(xiàn)為持續(xù)時間相對較長、上升時間較慢、振幅較低和能量相對較低。因此采用聲發(fā)射信號的多個參數(shù)能有效檢測、識別和定位缺陷。然而典型的聲發(fā)射特征會受聲發(fā)射設(shè)備設(shè)置、聲發(fā)射源與傳感器之間的距離等因素影響，導致與許多損傷模式未知內(nèi)在特征的一致性變得復雜，尤其是當這些損傷模式重疊時。

此外，環(huán)境干擾（如噪聲）也會對這些聲發(fā)射特征產(chǎn)生影響［32-33］。Xu［32］和Friedrich［33］等運用基于小波包分解（WPD）的聚類方法解決了這一問題，并通過分析AE 信號的特征分別計算出其他全局參數(shù)，包括b值、升角、平均頻率、頻率譜密度和c值，從而能簡單、精確地呈現(xiàn)損傷演變的不同方面，并減少對傳感器類型的依賴。此外這些全局參數(shù)還能進一步揭示復合材料中的主要應(yīng)力/應(yīng)變成分。Kalteremidou 等［34］研究了聲發(fā)射技術(shù)在表征損傷發(fā)生前應(yīng)力/應(yīng)變場發(fā)展方面的潛力，研究結(jié)果表明聲發(fā)射特征（包括上升時間、平均頻率、費利西蒂比）可區(qū)分不同的應(yīng)力成分。

在聲發(fā)射技術(shù)與其他技術(shù)的協(xié)同應(yīng)用中，不同的研究將聲發(fā)射技術(shù)與不同的技術(shù)結(jié)合進行損傷評估，提供了一種實用的損傷監(jiān)測和定位方法［35-37］。另聲發(fā)射技術(shù)可實現(xiàn)損傷定位。在確定損傷位置時，Saeedifar 等［38］成功利用經(jīng)散射還原處理的聲發(fā)射信號的到達時間、速度確定了分層裂紋尖端位置。Eaton 等［39］開發(fā)了一種稱為Delta T-mapping 的損傷定位算法，將定位精度提高了50 mm。此外，Zhou 等［19］開發(fā)了一種改進的基于聲發(fā)射的沖擊定位估計算法，解決了結(jié)構(gòu)邊界反射波形導致定位精度降低的問題，該算法可預測沖擊位置，估計誤差為3.7%。

綜上所述，聲發(fā)射技術(shù)是一種卓越的損傷診斷工具，具有實現(xiàn)損傷實時監(jiān)測的巨大潛力。表1［24-27，31-33，35，37，39-41］介紹了復材結(jié)構(gòu)中使用聲發(fā)射技術(shù)進行損傷診斷的情況。聲發(fā)射技術(shù)具備靈敏度高、實時監(jiān)測、早期和迅速的損傷識別能力，可定位缺陷并對損傷進行分類。然而，它對環(huán)境噪聲敏感，采集率及測量值較高，從而導致設(shè)備造價昂貴，只能在樣品受壓過程中追蹤損傷動態(tài)變化，無法明確損傷的嚴重程度（深度、大小、分布）。聲發(fā)射信號檢測技術(shù)對大型構(gòu)件，尤其是那些結(jié)構(gòu)外形復雜、材質(zhì)混雜且界面豐富的大型復材構(gòu)件，能精確無誤地實時定位構(gòu)件內(nèi)部可能存在的各種缺損情況及其類型。鑒于當下復合材料在各類工程領(lǐng)域中的廣泛運用，這項技術(shù)無疑具備巨大的發(fā)展?jié)摿Γ故局鴱V闊的前景。

表1 復材結(jié)構(gòu)使用聲發(fā)射的損傷診斷Table 1 Damage diagnostics in composite structures using acoustic emission

聲發(fā)射技術(shù)是一項仍處于發(fā)展階段的無損檢測技術(shù)，它在缺陷識別、狀態(tài)監(jiān)測及結(jié)構(gòu)評估等多個領(lǐng)域仍有改進之處：首先，針對復合材料內(nèi)部各項損傷乃至破壞模式產(chǎn)生的聲發(fā)射信號特征參量，需采取更為精確深入的方式獲取，以期能更好地挖掘聲發(fā)射信號特征值的獨特性。值得注意的是由于纖維增強復合材料在不同失效模式下表現(xiàn)出的聲發(fā)射信號特征參數(shù)往往受多種因素綜合影響，其取值范圍相當廣泛。同時各類失效模式對應(yīng)的聲發(fā)射信號中往往包含大量噪聲干擾及其他失效模式的混疊信號，因此如何有效地區(qū)分這些復雜信號并提升分析精度就顯得尤為重要和緊迫。其次，應(yīng)積極嘗試將聲發(fā)射信號與其相關(guān)聯(lián)的復合材料本身特性及其在加載過程中展現(xiàn)出的應(yīng)力、應(yīng)變及變形特性結(jié)合，以便能更全面深刻地揭示復合材料的損傷和破壞機制［14］。

1.2 超聲波檢測

超聲波檢測（UT）是一種基于超聲波在被檢測結(jié)構(gòu)中傳播的主動聲學無損評估技術(shù)。超聲波檢測的工作原理在某些方面類似于回聲探測。通過在壓電晶體上施加電荷產(chǎn)生短脈沖超聲波，壓電晶體在極短的時間內(nèi)以與晶體厚度相關(guān)的頻率振動。在探傷過程中，這個頻率通常為1～6 MHz，這個頻率的振動或聲波能在均質(zhì)彈性材料（如許多金屬）中傳播很遠的距離，且衰減很?。?2］。一般來說，壓電傳感器、電磁聲學傳感器和激光源皆可產(chǎn)生超聲波［43-44］。由缺陷導致的信號強度、能量和飛行時間等形式的超聲波特征變化使該技術(shù)適用于復合材料和金屬結(jié)構(gòu)的質(zhì)量控制、厚度測量和損傷檢測［45-53］。根據(jù)超聲產(chǎn)生源的不同，超聲波檢測可分為接觸式和非接觸式兩種，包括浸入式系統(tǒng)和空氣耦合系統(tǒng)。圖2［54］為超聲波檢測示意圖。表2［2，47，55-61］列出了采用不同超聲波檢測發(fā)生源的相關(guān)文獻。

表2 超聲波測試損傷表征Table 2 Damage characterization using ultrasonic test

圖2 超聲波檢測示意圖［54］Fig.2 Schematic of ultrasonic test［54］

接觸式超聲波檢測是指超聲波傳感器與被測物體表面緊密接觸的情況。盡管有幾項研究使用接觸式超聲波技術(shù)進行損傷評估，但相位陣列超聲波檢測（PAUT）被認為是一種革命性的接觸式超聲波檢測系統(tǒng)。與傳統(tǒng)超聲波檢測傳感器相比，它能改善超聲波信號的衰減特性和分辨率，從而簡化復雜形狀的檢測工作［29，55-56］。從表2 可看出一些研究人員證明了PAUT 在檢測、定位和觀察損傷方面的實用性［47，55-56］。然而由于衰減和聲阻抗失配等傳播現(xiàn)象會嚴重影響超聲波傳播，接觸式超聲波系統(tǒng)需校準信號以確保測量準確性。Rakotonarivo 等［57］為解決這一問題提出了一種超聲波接觸方法，只需一個壓電傳感器，無需在校準介質(zhì)中進行參考測量。此外，浸入式超聲波檢測系統(tǒng)是解決這一問題的另一種途徑。在浸入式測試系統(tǒng)中傳感器和測試材料都浸入水中。水有助于超聲波在試樣中的傳播，確保了耦合的一致性，并便于操作傳感器和/或材料。如表2 所示，這些研究成功地檢測到了局部缺陷，但還需進一步分析以便將信號與基體裂紋、纖維斷裂和脫粘等損傷模式關(guān)聯(lián)。然而由于被檢測結(jié)構(gòu)的尺寸或形狀，導致液體的使用在某些工業(yè)應(yīng)用中具有挑戰(zhàn)性。此外由于需對水進行維護、過濾、儲存、噴灑和洪澇防控，因此水的使用會增加檢測成本。與其他類型的耦合介質(zhì)相比，空氣具有明顯的成本優(yōu)勢，同時還能提高檢測效率。氣基超聲波檢測系統(tǒng)在損傷評估中的實用性在Derusova［58］、Shin［59］和Bustamante［62］等的研究中得到了證明，氣基超聲波檢測與其他超聲波檢測方法相比成本更低。

綜上所述，基于超聲波檢測的無損檢測系統(tǒng)在表征不同F(xiàn)RP 基材料缺陷方面已展現(xiàn)出其強大的功能。然而超聲波檢測技術(shù)仍面臨著一些挑戰(zhàn)，表2 突出了這些方法的優(yōu)點和局限性。不同領(lǐng)域的碳纖維增強聚合物（CFRP）構(gòu)件往往具有結(jié)構(gòu)復雜、材料特殊、更新迭代迅捷等特點，這就對先進超聲無損檢測技術(shù)和設(shè)備提出了更高要求。高精度、自動化、智能化及工程化逐漸成為未來超聲檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢。在航空航天領(lǐng)域，對CFRP 各種缺陷的檢測必須結(jié)合各種先進超聲波檢測及成像技術(shù)進行交叉整合，以期提升檢測效率。此外有必要開展CFRP 復合材料聲學特性及檢測模型的基礎(chǔ)研究，提升CFRP 的檢測精準度與可靠性。

針對先進超聲波檢測技術(shù)，必須依據(jù)復雜CFRP 構(gòu)件的檢測研究確定合適的缺陷檢測方法、位置標定、類型判定及并行控制技術(shù)等，進一步提高與其他先進無損檢測技術(shù)相結(jié)合的自動檢測精度和效率。另隨人工智能快速發(fā)展，可結(jié)合多種超聲波技術(shù)檢測CFRP 缺陷，并利用深度學習等方法優(yōu)化相關(guān)參數(shù)。機器人技術(shù)可幫助檢測技術(shù)實現(xiàn)實時檢測、自動化、智能化等操作，可用于大型復雜CFRP 構(gòu)件和高精度區(qū)域的無損檢測，達到更好的檢測效果［63］。

1.3 紅外熱成像檢測

紅外熱成像技術(shù)（IRT）是一種快速無損檢測技術(shù)，其工作原理是運用熱輻射與溫度間的精確對應(yīng)性，通過多種形態(tài)的主動熱激勵使物體表層溫度分布的差異得以呈現(xiàn)，從而對物體的非均質(zhì)結(jié)構(gòu)進行準確定位和有效識別。當熱信號作用于物體表面時，若材料均勻且在其傳播方向上沒有缺陷，熱波將在材料內(nèi)部平穩(wěn)傳播。最終積聚于表面的熱響應(yīng)信號將呈現(xiàn)出均勻的分布形式，即試樣表面的溫度分布保持一致且無任何異常現(xiàn)象出現(xiàn)。然而若試樣存在缺陷，熱波傳至其位置時將會發(fā)生反射，使表面溫度分布產(chǎn)生極大突變［64］。其核心參數(shù)包括熱導率、密度、溫度和比熱容。圖3［65］為熱紅外成像技術(shù)原理。

圖3 熱紅外成像技術(shù)原理［65］Fig.3 Principle of infrared thermography technique［65］

紅外熱成像技術(shù)主要有兩種工作模式：主動模式和被動模式。主動模式測量使用外部熱源（如光輻射、電磁刺激或機械超聲波）刺激目標物體，并通過紅外攝像機收集溫度破壞數(shù)據(jù)進行損傷分析［48，66-67］；被動模式則通過測量試件耗散的能量檢測和確定損傷位置［68-70］。光學激發(fā)和電磁刺激等不同激發(fā)源的出現(xiàn)使這項技術(shù)出現(xiàn)了多種變體［71］。不同紅外熱成像技術(shù)見表3［69，71-83］。

表3 利用熱成像技術(shù)進行損傷評估Table 3 Damage evaluation using thermography techniques

基于不同的加熱激勵形式，紅外熱成像技術(shù)中得以分化出諸如紅外脈沖熱成像、紅外鎖相熱成像及紅外熱波雷達成像等多種模式。此種分類方式是依據(jù)紅外熱成像技術(shù)的演化進程、對比分析當前采用得最廣泛的各種方法后確立的。紅外脈沖熱成像技術(shù)具備較高的探測效率，但這類技術(shù)通常難以探測深度較大的內(nèi)部缺陷，無法滿足對材料深層次缺陷進行精準識別的需求。此外檢測結(jié)果還會受物體表面加熱分布不勻、表面反射率和發(fā)射率差異等因素干擾，繼而導致瞬間高強度脈沖可能會引起材料表面熱損害。為解決以上紅外脈沖熱成像技術(shù)中出現(xiàn)的類似問題導致的制約，近期誕生了一項全新技術(shù)——紅外鎖相熱成像。然而，此項技術(shù)盡管可實現(xiàn)在單一調(diào)制頻率熱激勵條件下于材料內(nèi)部與熱擴散長度相當?shù)纳疃确秶鷥?nèi)進行探測，但對于FRP 復合材料這類結(jié)構(gòu)中缺陷位于不同深度或不同鋪層界面上的情況，不得不針對性地選擇相應(yīng)的調(diào)制頻率激勵實驗樣本。

因此用這種方法進行精細檢測所需的時間仍相對較長，且還存在遺漏某些重要缺陷的風險。然而紅外熱波雷達作為一種最新崛起的無損探測技術(shù)，展現(xiàn)出了諸如紅外脈沖熱成像及紅外鎖相熱成像技術(shù)無法匹敵的顯著優(yōu)勢，如極高的分辨率、遠超其他技術(shù)的檢測效率及廣泛的探測深度等。這項源于近些年的技術(shù)引起了全球范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注。然而，紅外脈沖熱成像和紅外鎖相熱成像的激勵源在某些情況下可能并不適用，如單面接觸測試對象或無法接觸被檢測結(jié)構(gòu)某些部分的情況［83］。針對解決無法使用外部源的問題，自熱振動熱像儀（SHVT）無損檢測方法極具潛力［84］。自熱振動熱像儀先利用缺陷振動或超聲激勵產(chǎn)生的熱量進行損傷檢測和定位［85］，隨后通過紅外攝像機捕捉熱響應(yīng)進行進一步處理。如表3 所示，許多研究采用不同處理方法的自熱振動熱像儀增強了損傷可檢測性，并證明了自熱振動熱像儀在損傷評估的實用性。

最近，深度學習集成熱成像技術(shù)的研究在復合材料內(nèi)部損傷檢測領(lǐng)域引起廣泛關(guān)注，其旨在開發(fā)一種自主后處理器，能自動檢測熱圖中的缺陷，無需任何人工干預。人工智能工具的最新進展對熱成像數(shù)據(jù)的后期處理起到了顯著的促進作用，特別是對非線性或復雜的熱成像掃描程序。如表3 所示，一些研究人員應(yīng)用了不同的基于深度學習的算法處理熱圖，從而提供了更為精準的結(jié)果。

綜上所述，熱成像技術(shù)提供了多種無損檢測方法。紅外熱成像技術(shù)的優(yōu)勢在于其簡便、迅速、非接觸式檢測方式、多元激勵源、寬廣的掃描范圍以及強大的損傷檢測、定位和量化能力；其局限性在于無法實現(xiàn)損傷分類功能。在深入探索FRP 復合材料無損檢測方法的過程中，筆者也觀察到紅外熱成像檢測技術(shù)正逐步朝著多元化、智能化、集成化及多源信息融合的方向深化發(fā)展，呈現(xiàn)出以下幾種主要發(fā)展趨勢：

1）由于待檢樣本的復雜性及檢測要求的多樣性日益增加，用于實現(xiàn)此類檢測任務(wù)的方法亦趨于多樣化。突出表現(xiàn)在以下幾個方面：首先，熱激勵方式已從普通鹵素燈、超聲波與電磁輻射等傳統(tǒng)熱激勵手段過渡到采用高性能的半導體激光器及相控陣式超聲波等新型熱激勵方式；其次，得益于計算機及電子信息科技的迅速進步，傳統(tǒng)紅外脈沖熱成像和紅外鎖相熱成像等檢測方法正逐漸轉(zhuǎn)換到更具創(chuàng)新性、更為尖端的激勵波形脈沖壓縮熱成像或熱波雷達成像等新型檢測領(lǐng)域。

2）隨著近些年人工智能科技的飛速發(fā)展，以深度學習模式為基礎(chǔ)的紅外目標識別及跟蹤方法已然取得了顯著進步，這無疑為紅外熱像技術(shù)更大范疇的應(yīng)用及發(fā)展開拓了廣闊的空間和機遇。由于深度學習方法具備高識別準確度的特性，其在諸如紅外目標特點識別、紅外圖像分割及分類等多個關(guān)鍵領(lǐng)域展現(xiàn)出卓越的性能，不論是從精確性還是實時性的角度看都已超越傳統(tǒng)檢測手段。將人工智能科技引入紅外熱像技術(shù)中，具有改進人工判斷并加速推動紅外熱像無損檢測技術(shù)向自動化檢測方向發(fā)展的巨大潛力。

3）紅外熱成像檢測系統(tǒng)在設(shè)計時往往要配置激勵熱源、紅外熱像儀、光路等調(diào)節(jié)裝置及固定裝置等模塊，因此整個系統(tǒng)體積龐大并具有一定的構(gòu)造復雜性。同時，手動或通過儀器采集樣本也是此系統(tǒng)不可缺少的環(huán)節(jié)。為滿足在無損檢測實踐中實現(xiàn)原位測量并有效降低能源消耗的實際需求，紅外熱成像檢測技術(shù)需逐步向微型化集成系統(tǒng)方向轉(zhuǎn)型升級，以期最終達到可在無損檢測現(xiàn)場便捷攜帶并輕松操作的效果。

4）相對于單一類型熱成像數(shù)據(jù)生成的信息，多源多模態(tài)熱成像數(shù)據(jù)能揭示的關(guān)鍵信息要更為豐富。同時在信息展示及表達方面，由多個來源和多種模式的紅外熱成像數(shù)據(jù)構(gòu)成的無損檢測成果亦能提升其抵抗各種干擾因素的穩(wěn)定性，提高魯棒性。因此在面對高端檢測需求時，通常會選擇相互補充、組合使用多元化檢測手段的策略，并通過對多源多模態(tài)熱成像數(shù)據(jù)進行全面且深入的融合及整合帶來更優(yōu)秀、高效、安全、可靠的無損檢測解決方案。故而紅外熱成像技術(shù)未來應(yīng)朝向?qū)Χ嘣葱畔⑦M行融合處理的方向發(fā)展［86］。

1.4 光學方法

1.4.1 激光錯位散斑干涉檢測

伴隨著無損檢測技術(shù)的迅猛發(fā)展和非接觸式測量方法的性能日益改善，研究者們對光學檢測方法的關(guān)注逐漸升溫。最初為全場應(yīng)變測量而研發(fā)的電子斑點模式剪切干涉測量（激光錯位散斑干涉）現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于復合材料缺陷檢測［87-88］。激光錯位散斑干涉乃是一種精密的干涉測量技術(shù)，其研發(fā)初衷在于突破全息術(shù)的若干局限性。其特性顯著，包括：①無需參考光束，實現(xiàn)了簡化的光學設(shè)置，降低了對激光相干長度的要求，增強了振動隔離效果；②可直接測量表面應(yīng)變（即表面位移的一階導數(shù)）。這些無可比擬的優(yōu)勢使激光錯位散斑干涉技術(shù)實現(xiàn)了在無損檢測中的實際應(yīng)用，且得到了業(yè)界的高度認可［89］。

激光錯位散斑干涉的原理是通過激光等相干光束照射試樣表面，形成干涉儀中的斑點圖，然后由數(shù)碼相機記錄。當測試樣品上存在缺陷時，其周邊將形成應(yīng)變集中現(xiàn)象。若缺陷未深入樣品內(nèi)，誘導的應(yīng)變集中便會導致表面應(yīng)力分布出現(xiàn)異樣。接著比較樣品加載前后的兩個斑點圖，這些異常便會轉(zhuǎn)變?yōu)闂l紋異常。因此激光錯位散斑干涉技術(shù)通過識別條紋圖案中的異常特征揭示物體表面與內(nèi)部的缺陷；此外它還可進行非接觸式全域檢測［89］。圖4［90］為激光錯位散斑干涉技術(shù)原理，其核心參數(shù)包括剪切強度、表面位移、相位角、波長等。

圖4 激光錯位斑干涉技術(shù)原理［90］Fig.4 Principle of laser shearography technique［90］

激光錯位散斑干涉的記錄機制主要有3 種：攝影記錄、熱塑性記錄及數(shù)字化記錄。其中攝影記錄的方式在成本方面存在較高要求，因此在測量過程中需較大的時間和精力投入。此種技術(shù)運用濕式攝影工藝，采用以高分辨率攝影乳劑為介質(zhì)的人像相機為記錄設(shè)備。而在熱塑性記錄方法中，拍照板被可反復使用的熱塑性板替代。數(shù)字激光錯位散斑干涉（Digital Shearography，DISH）則是利用電荷耦合器件（CCD）等視頻傳感器作為記錄介質(zhì)進行數(shù)據(jù)收集，并通過數(shù)字化處理技術(shù)深入分析圖像［91］。

De Angelis［92］、Kim［93］、Kadlec［94］等的研究將DISH 用于評估CFRP 試件的平底孔（FBH）缺陷和沖擊損傷，證明了DISH 在檢測FBH 缺陷和估計深度方面的實用性：誤差小于9%且可檢測小至5 J 的沖擊造成的缺陷（0.1 mm 深凹痕，輕微分層）。然而這種技術(shù)僅局限于表面損傷檢測。另一種基于激光錯位散斑干涉的技術(shù)稱為相移激光錯位散斑干涉，它比傳統(tǒng)的實時激光錯位散斑干涉技術(shù)具有更高靈敏度。Zhao 等［95］指出基于相移技術(shù)的DISH 靈敏度可比傳統(tǒng)DISH 提高至少10 倍。Sun 等［96］介紹了一種基于空間相移的激光錯位散斑干涉缺陷檢測系統(tǒng)，實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)可準確檢測出直徑為4 mm 的缺陷。Katunin 等［97］提出了一種新方法，將激光錯位散斑干涉技術(shù)與二維未估計小波變換相結(jié)合，作為一種后處理工具，該方法對單個或多個缺陷（包括邊緣和各種缺陷配置）都具有很高的靈敏度。

綜上所述，激光錯位散斑干涉技術(shù)是一種快速非接觸式技術(shù)，但它僅限于表面和次表面缺陷的檢測，因隨著缺陷的深入，檢測損傷的能力也會降低［98］。此外它也無法提供有關(guān)破壞模式的信息。表4 總結(jié)了激光錯位散斑干涉技術(shù)的優(yōu)勢和局限性。激光錯位散斑干涉技術(shù)不但享有光學無損檢測技術(shù)的諸多優(yōu)勢，且相對其他光學手段具備以下顯著特性：兼具光學無損檢測技術(shù)的全部優(yōu)點（全場性、非接觸式、高靈敏度、堅固耐用）。相對于非相干測量技術(shù)（如數(shù)字圖像相關(guān)方法），激光錯位散斑干涉技術(shù)展現(xiàn)出更高的測量靈敏度。借助移相技術(shù)的應(yīng)用，激光錯位散斑干涉技術(shù)可達數(shù)十納米級別的測量靈敏度。

表4 光學法對比Table 4 Comparison of optical methods

相比于其他相關(guān)測量手段，如全息干涉測量法，激光錯位散斑干涉技術(shù)因其優(yōu)秀穩(wěn)定性而極其適于實際應(yīng)用。主要原因在于該技術(shù)能直接反映變形的一階導數(shù)，即應(yīng)變信息。因此在對抗環(huán)境干擾方面，激光錯位散斑干涉技術(shù)相較于其他相干方法具備更優(yōu)秀的承受力。借助于自參考干涉裝置，激光錯位散斑干涉簡化了光學系統(tǒng)。同時自參考干涉裝置對激光源的相干長度并無特定要求，采用低成本的激光二極管即可實現(xiàn)照射。

盡管有些阻礙已得到相應(yīng)的解決途徑，然而激光錯位散斑干涉技術(shù)在無損檢測方面依然面臨挑戰(zhàn)，利用激光錯位散斑干涉技術(shù)難以評估遠離物體表面的缺陷。盡管定向聲學剪切成像技術(shù)可探測表面之下的問題，但卻難以察覺離物體表面較遠的缺陷，因其無法在物體表面生成足以被剪切成像技術(shù)檢測到的異常。盡管針對鏡面材料研發(fā)了一種創(chuàng)新性的激光錯位散斑干涉系統(tǒng)，但其測量范圍受光路中粗糙表面尺寸的限制。作為一種基于干涉原理的技術(shù)，激光錯位散斑干涉技術(shù)對環(huán)境擾動依舊頗為敏感。大的剛性體運動、強烈的熱氣流等均可能對測量結(jié)果造成影響。激光錯位散斑干涉技術(shù)獲取的相位圖像依然包含大量噪聲，這將給缺陷的檢測帶來困擾。如何在動態(tài)測量過程中有效提升相位圖像的質(zhì)量無疑是一項挑戰(zhàn)［95］。

1.4.2 數(shù)字圖像相關(guān)檢測

數(shù)字圖像相關(guān)方法（DIC）是一種基于圖像的無接觸式表面形態(tài)、形變及應(yīng)變測量技術(shù)［99-100］，其最早的研究起始于20 世紀80 年代［101］。DIC 技術(shù)以獲取試件在不同狀態(tài)（包括機械載荷與環(huán)境條件等）下的數(shù)字圖像為基礎(chǔ)，通過運用相關(guān)算法追蹤局部區(qū)域的位移變化。此過程中能獲得成像階段間位移與應(yīng)變變化的全局定量數(shù)據(jù)［102］。DIC 技術(shù)通過跟蹤圖像中的獨特特征，可在一組不同變形階段拍攝的照片中獲得全場位移和應(yīng)變圖。DIC 是一種要求不高的方法，其設(shè)置簡單，靈敏度和分辨率變化范圍大，位移和應(yīng)變測量自動化程度高。圖5［103］為數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)原理示意圖。

圖5 數(shù)字圖像相關(guān)方法原理［103］Fig.5 Principle of digital image correlation technique［103］

DIC 系統(tǒng)根據(jù)測量對象的并行視角數(shù)目進行分類。2D-DIC 方法采用單一相機，因此只能對平面物體的平面內(nèi)變形進行測量［104］。而對表面外的運動或曲線形表面，其準確度大大降低，使2D-DIC 在許多實際應(yīng)用中不再適用。盡管可用高品質(zhì)的遠心鏡頭降低2D-DIC 因有限表面外運動而產(chǎn)生的誤差，然而它們龐大的物理尺寸和重量、相對較高的成本及固定的放大倍數(shù)限制其廣泛應(yīng)用［105］。

更為常見的立體視覺DIC（也稱為3D-DIC）則采用兩個視角（即兩臺相機）觀察同一區(qū)域，依據(jù)雙目觀察法可針對物體表面上的各點測量全場三維位移，同時還能獲取所有3 個組件的表面應(yīng)力分布情況。通過棱鏡、色彩過濾器或鏡子等設(shè)備可實現(xiàn)僅利用單個相機的立體視覺DIC 系統(tǒng)。然而在多數(shù)情況下，人們傾向于使用兩臺以上的相機。對超過單個相機傳感器容許的高分辨率圖像拍攝區(qū)域或是高度彎曲的物體［106］，可采用多DIC 系統(tǒng)，多個相機圍成一圈。然后通過相機之間的結(jié)果進行重建，將其拼接起來，以提供完整的表面視圖［107］。

當施加載荷時，因進行檢驗的對象發(fā)生了形變，產(chǎn)生模式變形。由兩臺DIC 相機捕捉并記錄在特定加載條件下的結(jié)構(gòu)形變。在整個成像區(qū)域中通過初始圖像處理定義獨特的相關(guān)區(qū)域，通常其面積為5～20 平方像素［108］。用亞像素精度跟蹤每對連續(xù)照片，測量點位于每個小面中心。利用攝影測量原理，通過圖像相關(guān)算法監(jiān)測這些小面的移動［108］。圖像相關(guān)軟件設(shè)計的本質(zhì)是實現(xiàn)圖案的匹配，這種圖案匹配方式可在彎曲和平面表面同時執(zhí)行［109］。每次加載階段檢測前后可確定每個小面在三維空間中的坐標，從而實現(xiàn)三維位移、平面應(yīng)變張量及三維形狀的測量［110］。在應(yīng)用常規(guī)圖案的測量方面，可從測量小面點跟蹤獲取全場位移數(shù)據(jù)。

Lee等［111］采用DIC 和數(shù)字體積相關(guān)（DVC）技術(shù)研究了CFRP 試樣在拉伸荷載作用下的變形行為，得出了合理的結(jié)果，相關(guān)系數(shù)值普遍大于0.7。此外DIC 還能即時檢測缺陷，從而在機械測試期間進行快速、實時的現(xiàn)場測量［112-113］。Azadi［114］、Miskdjian［115］和Pannier［116］等分別用DIC 研究了CFRP 試件在模式Ⅰ單調(diào)拉伸加載和疲勞加載下的裂紋生長行為。在另一項研究中，Zhu 等［117］應(yīng)用DIC 對雙懸臂梁試驗下CFRP 試樣的模式Ⅰ疲勞分層起始和擴展進行了表征；實驗結(jié)果表明應(yīng)用DIC 方法可監(jiān)測疲勞分層的擴展速率并確定裂紋尖端位置，誤差小于0.5 mm。

綜上所述，數(shù)字圖像相關(guān)測試是一種非接觸式全場光學數(shù)字測量技術(shù)，能在施加機械載荷時進行現(xiàn)場測量。DIC 在復合材料結(jié)構(gòu)的實驗損傷表征方面顯示出良好的效果［112-113］。然而它并不能提供有關(guān)損傷微觀機械特征的信息，只能有效識別表面缺陷或變化。表4 綜述了有關(guān)數(shù)字圖像相關(guān)測試的優(yōu)勢和局限性。

關(guān)于DIC 在處理復合材料缺陷無損檢測技術(shù)領(lǐng)域中應(yīng)用的理論探討仍處于基礎(chǔ)研究階段，尚未取得實踐應(yīng)用案例；而對DIC 在探究復合材料制品性能及預測方面的應(yīng)用研究工作剛剛起步，研究成果少且缺乏詳細的文獻記載。以上兩個問題需投入更多的精力進行深入研究。經(jīng)全面系統(tǒng)地總結(jié)，DIC 在未來復合材料研究領(lǐng)域會有以下幾個發(fā)展趨勢［118］：①DIC 應(yīng)該積極尋求與其他檢測方法的聯(lián)合運用，如與聲發(fā)射、X 射線斷層成像（CT）及紅外熱成像（IR）等技術(shù)相結(jié)合；②假使DIC 在應(yīng)用于復合材料缺陷無損檢測的原理方面取得重大突破，那么無疑在檢測上將會受到越來越多的關(guān)注；③DIC 有望與仿真分析軟件（如Ansys、Abaqus 等）及有限元仿真修整技術(shù)有機結(jié)合，通過對復合材料產(chǎn)品在安全負載（或非破壞性負載）下應(yīng)力和應(yīng)變的準確測量，推斷出產(chǎn)品可能達到的破壞負載（或失效負載），進而對產(chǎn)品的質(zhì)量進行科學預測及評估；④將DIC引入復合材料產(chǎn)品生產(chǎn)流程及其質(zhì)量控制狀況的監(jiān)控中，有助于更迅速地識別生產(chǎn)過程中的不足之處并提供相應(yīng)改進措施。

1.5 電磁方法

1.5.1 渦流檢測

渦流檢測（ECT）是捕捉缺陷存在時渦流變化的非破壞性技術(shù)［119-120］，利用電感線圈產(chǎn)生磁場，若樣品為導電材料則會生成環(huán)形電流。這一環(huán)形電流有助于鑒別裂紋存在與否、表面損傷情況、樣品成分差異，甚至還能辯識材料各點的差異［121］。圖6［122］為渦流檢測示意圖。在ECT 中通過電感線圈輸送交變電流產(chǎn)生不斷變化的磁場。帶電物質(zhì)附近的線圈會感應(yīng)出渦流或環(huán)形電流，任何缺陷都會改變此生成場。集中于樣品上的渦流電流相位和幅值變化監(jiān)測賦予這一監(jiān)測試驗方法發(fā)現(xiàn)裂紋及腐蝕損傷，測量涂層厚度、物件厚度及材料導電性的能力，因能識別過熱損傷，還可在熱處理監(jiān)測中發(fā)揮巨大價值。

圖6 渦流檢測示意圖［122］Fig.6 Schematic of eddy current test［122］

相較于聲學及超聲波檢測等方法，渦流檢測具備卓越的敏感度，尤其在表層上下微小裂紋及其他表面缺陷檢測方面展現(xiàn)出優(yōu)越性，其原因在于在這些情況下能迅速記錄渦流集中區(qū)域。另外渦流方法還能檢查表面輪廓特殊的部件，且便攜式設(shè)備所需準備時間較短［77］。然而實際操作中也存在一些局限，包括僅適用于具備導電性的材料（如碳纖維增強復合材料）、粗糙表面可能會妨礙檢測、必須由探頭接觸到表面、操作者需具備高超的檢驗技巧和經(jīng)驗、無法滿足大面積檢查需求［123］。

渦流檢測應(yīng)用的研究主要集中在開發(fā)高效靈敏的檢測探頭上。Machado 等［124］使用多個平面渦流陣列探頭檢測CFRP 試樣，成功檢測出不同缺陷，包括小于1 mm 的缺陷。Zeng 等［125］研發(fā)出一種橋式探頭用于評價CFRP 樣品中的分層現(xiàn)象；使用的探頭在穿過分層邊緣時展現(xiàn)出極高的靈敏度，證實了其在表征分層方面的實用性。

近期研究采用了新型探測探頭，即收發(fā)探頭（Tx-激發(fā)線圈和Tx-拾取線圈）［124-125］。收發(fā)探頭的探測靈敏度受升程（探頭與測試樣本之間的距離）變化影響。升程變化可能會產(chǎn)生噪聲，導致缺陷可能被遺漏。Pasadas 等［126］通過三線圈ECT 探頭解決了升程問題。盡管CFRP 試樣表面與探頭底部之間存在0.5 mm 的空氣間隙，但仍可清晰區(qū)分損壞區(qū)域與整個掃描區(qū)域。

脈沖渦流（PEC）技術(shù)是傳統(tǒng)電渦流技術(shù)的升級。He 等［119］提出了一種基于PEC 的缺陷檢測和評估方法，并在評估不同類型缺陷（包括4～12 J 的低能量沖擊、導電和非導電插入缺陷）方面展現(xiàn)了卓越性能。盡管PEC 的缺陷檢測能力優(yōu)于閃光熱成像和激光錯位散斑干涉，但其檢測時間較長，激光錯位散斑干涉、閃光熱成像和PEC的檢測時間分別約為3 min、幾分鐘和3 h。

綜上所述，ECT 已被證明是一種實用的無損檢測和評估方法。表5 詳述了此項技術(shù)的總體優(yōu)點和不足之處。然而在使用渦流檢測技術(shù)對碳纖維復合結(jié)構(gòu)進行無損檢測的過程中仍面臨一些挑戰(zhàn)，如對測量信號的解釋、層間裂紋分層的判斷存在困難等。在大多數(shù)情況下，ECT 的探測深度不足以檢測表面和次表面的大部分缺陷；該方法僅適用于由導電纖維（如碳纖維）構(gòu)成的復合結(jié)構(gòu)，且在大多數(shù)情況下需針對低導電物質(zhì)進行修正。此外在實際工業(yè)領(lǐng)域中，由于渦流檢測易受周圍導電部件的影響，因此應(yīng)用受到了諸多限制。最后還需考慮抬升效應(yīng)，這包含由于試樣、探針與表面之間距離改變導致的測試樣品與激勵線圈間互感應(yīng)的變化［127］。

表5 電磁法對比Table 5 Comparison of electromagnetic methods

1.5.2 太赫茲成像檢測

太赫茲（THz）成像是一種較新的、有前途的、基于電磁的纖維增強復合材料無損檢測技術(shù)［46，128］。圖7［129］為太赫茲成像檢測實驗示意圖。太赫茲波的頻率范圍 為100 GHz～30 THz［130］，屬于非電離輻射且對生物組織無害。自然界廣泛存在太赫茲波源，然而由于生成和檢測太赫茲波的技術(shù)難度較大，因此多年來其應(yīng)用范圍較為有限［131］。20 世紀80 年代，高速激光器和超微加工技術(shù)取得了突破性進展，從而推動了太赫茲科學技術(shù)的快速發(fā)展［132］。太赫茲無損檢測（NDT）技術(shù)已開始成為一種極具潛力的復合材料檢測技術(shù)［133］，相比于其他技術(shù)手段，太赫茲波對大多數(shù)材料有更高的分辨率、更好的穿透深度［134］。

圖7 太赫茲成像檢測示意圖［129］Fig.7 Schematic of terahertz imaging test［129］

太赫茲波具有極佳的穿透能力，能良好穿透非金屬和非極性材料（泡沫、陶瓷、玻璃、樹脂、油漆、橡膠及復合材料等）［135］。基于太赫茲技術(shù)的NDT 方法充分利用了此種波動特性對材料系統(tǒng)進行探測、分析及評價，由此在各領(lǐng)域引起廣泛關(guān)注并得以飛速發(fā)展［136］?；谔掌澕夹g(shù)的NDT 方法將太赫茲短波導入材料中，與不同相位、夾雜物、缺陷或損傷產(chǎn)生交互作用?；谔掌澋腘DT 技術(shù)通過探測和分析反射或透射的THz 波確定材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因此非常適合于具有多相和多層次性質(zhì)的復合材料——它提供了多尺度且更為全面的信息以探測和揭示復合材料內(nèi)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和損傷［133］。

太赫茲-時域光譜（THz-TDS）是太赫茲成像技術(shù)的一種，其工作原理主要為通過光敏電阻天線（PCA）產(chǎn)生THz 脈沖，THz 脈沖透過載物臺反射后被PCA 接收，接收到的信號將被再次發(fā)射到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行圖像后期處理［137］。Ryu 等［137］應(yīng)用太赫茲-時域光譜成像系統(tǒng)成功觀測到 3 個厚度分別為96.52、109.03、107.40 μm 的點的分層。2019 年，Wang 等［138］將THz-TDS 成像應(yīng)用于缺陷評估，成功地確定了缺陷的水平尺寸、位置、垂直深度及三維厚度。同 樣，Wang 等［139］將THz-TDS 成像應(yīng)用于玻璃纖維增強聚合物（GFRP）面板的異物檢測，取得了良好的效果，平均測量誤差僅為2.26%，驗證了THz-TDS 成像在檢測不同結(jié)構(gòu)方面的實用性。

偏振分辨太赫茲成像是另一種太赫茲成像方法。Dong 等［140］使用該方法進行損傷評估，成功檢測和觀察到3 個不同點的分層，相應(yīng)厚度分別為118.67、139.61、150.08 μm。

上述研究證實太赫茲成像技術(shù)適用于表征GFRP 表面和內(nèi)部的損傷和缺陷。然而其在CFRP 中的應(yīng)用受一定限制，主要緣由在于碳纖維的導電性阻礙了太赫茲輻射的深度穿透。Dong 等［128］基于太赫茲解卷積技術(shù)、運用太赫茲次表面光譜成像技術(shù)揭示了編織CFRP 層壓板的次表面損傷，并檢測了四點彎曲試驗誘發(fā)的各種缺陷，包括基體開裂、纖維變形/斷裂及層間分層。

綜上所述，太赫茲成像技術(shù)已成為無損檢測的新興熱門技術(shù)。此外與X 射線檢測（keV）相比，太赫茲波的電離輻射（meV）較低，符合未來無損檢測的綠色發(fā)展戰(zhàn)略［141］。表5 匯總了有關(guān)太赫茲研究的綜合評述及該技術(shù)的主要優(yōu)缺點?？偟膩碚f，太赫茲系統(tǒng)為NDT&E 行業(yè)提供了一種有效的檢驗和表征復合材料的工具。然而其技術(shù)仍非常復雜且設(shè)備成本昂貴，商業(yè)化拓展及確定大范圍的復雜結(jié)構(gòu)測試標準較為困難。這項技術(shù)可穿透薄型復合材料中的缺陷，檢查材料的底層構(gòu)造，從而避免了超聲波技術(shù)的遮蔽效應(yīng)。盡管該技術(shù)在過去的許多年里由于其發(fā)射和探測設(shè)備的不足而退步（也被稱為“太赫茲間隙”問題），但源于高性能半導體及超快電子學的發(fā)展，這個問題已得到解決。目前已實現(xiàn)用于THz 波能量頻率的極短脈沖，這意味著其檢驗分辨率已超過了常用微波系統(tǒng)的水平。太赫茲成像技術(shù)雖已取得顯著進展，但還有許多工作仍需完成。至今為止，尚鮮見關(guān)于利用太赫茲輻射檢測厚層復合結(jié)構(gòu)中水分吸納或?qū)щ姴牧系难芯繄蟾妫裟軐崿F(xiàn)這一里程碑式的成果，無疑將具有極高學術(shù)價值。然而在厚層復合材料和夾芯結(jié)構(gòu)中，太赫茲系統(tǒng)由于太赫茲波的衰減和散射效應(yīng)，無法提供可靠的結(jié)果［29］。

1.5.3 微波檢測

微波檢測技術(shù)運用高頻電磁波檢測與表征材料結(jié)構(gòu)，電磁波頻率范圍從幾百兆赫茲到幾百吉赫茲不等（波長約為100 cm～1 mm）。相較于超聲波信號，微波信號能穿透介質(zhì)態(tài)材質(zhì)并與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生作用，而不遭受高衰減［142］。檢測是通過測量電磁波在被檢測材料結(jié)構(gòu)上散射或傳輸時的各種特性實現(xiàn)的。微波檢測系統(tǒng)包括若干組件及設(shè)備，如振蕩器、網(wǎng)絡(luò)分析儀、天線及定向耦合器等。定制設(shè)計的設(shè)備可做到小型化、模塊化的特定頻率，且具備相對較高的性價比，此外可根據(jù)復合材料和涉及的物料類型選用多種類型的微波傳感器［29］。

近年來，微波無損檢測技術(shù)在復合材料檢測中也取得了顯著進展，微波信號能穿透復合材料并與其表面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生相互作用。文獻［143］詳細介紹了采用微波傳輸線路（MTL）傳感技術(shù)進行微波無損檢測的方法。在MTL 技術(shù)中，被檢測的樣本充當微波電路的導電材料。樣本中任何缺陷都會導致材料介電常數(shù)改變，這會直接反映在測量的信號響應(yīng)中。這些變化可揭示被檢測樣本的異常情況，如缺陷位置、大小和樣本層間結(jié)構(gòu)變化等。圖8［144］為微波無損定量檢測實驗系統(tǒng)。

圖8 微波無損定量檢測實驗系統(tǒng)［144］Fig.8 Microwave nondestructive quantitative test system［144］

Todoroki 等［143］采用銅傳輸線結(jié)構(gòu)，對CFRP板材表面進行損傷檢測。實驗中，利用GFRP 作為絕緣體層，置于銅條與CFRP 試驗片表面之間。在傳輸線路端部兩根導電體（即銅條和CFRP）通過同軸電纜相連接；輸入信號在傳輸線上傳播，任何表面損傷（如銅帶和CFRP 表面之間距離的變化）都會改變該位置的傳輸線阻抗；因此信號將在輸入端被反射，利用時域反射計（TDR）測量感應(yīng)信號和反射信號之間的時間差以獲得損傷位置；利用近似傳輸速率乘以時間差的一半推斷出缺陷位置；利用MTL 技術(shù)可成功檢測到靠近傳輸線的CFRP 缺陷，而遠處的缺陷由于其影響傳輸線阻抗的能力有限而未能被檢測出來；然而，此項技術(shù)在近缺陷檢測中具有一定的實用價值，但若采用接近光速的近似傳輸速度則可能導致誤判缺陷位置；實際上，因需使用銅帶和GFRP 覆蓋被檢查的結(jié)構(gòu)，這項技術(shù)并不適合用于大型結(jié)構(gòu)檢查；此外基于MTL 的技術(shù)依賴于材料的介電常數(shù)傳輸微波信號，MTL 的性能會因低介電常數(shù)材料而降低。

環(huán)狀分離諧振器（SRR）是一種另類的微波傳感器，采用小型結(jié)構(gòu)傳感器，其等效于在低介電基板上蝕刻的LC 諧振電路同心環(huán)對，其終端分離的構(gòu)造確保了傳感器的高效運轉(zhuǎn)。該傳感器需磁場激勵，并采用微帶傳輸線在基板上方為SRR 傳感器提供能量。在檢測缺陷的過程中，傳感器周圍電磁場的擾動將引起頻譜位移，從而實現(xiàn)缺陷的定位與辨識。該單一傳感器在檢測金屬表面的微小裂紋方面具有強大的能力，如文獻［145］所述。

此外，SRR 陣列還可被用于檢測表面裂紋。文獻［146］提出的方法使用了9 個SRR 與微帶線集成，以檢查鋁樣件；通過疊加頻率幅度構(gòu)建空間圖像的傳輸系數(shù)，從而引入了一種具有潛在優(yōu)勢的裂紋表示方式。然而SRR 技術(shù)依賴于傳輸信號刺激SRR 傳感器的能力，在檢查低介電材料（如GFRP）時分辨率較差。

總的來說，運用微波技術(shù)對碳纖維復合材料進行無損檢測已逐漸發(fā)展為無損檢測領(lǐng)域的焦點及挑戰(zhàn)。然而至今微波無損檢測方法仍局限于以檢測碳纖維復合材料與其他材料間的剝離情況為主，對復合材料自身特性的檢測則仍存在相當大的不足之處［147］。盡管傳統(tǒng)的微波在檢測方面表現(xiàn)優(yōu)秀，然而在面對定向運動、空間圖像質(zhì)量不佳、數(shù)據(jù)復雜性以及最佳頻率選取等問題時，微波無損檢測方法斷面幾何缺陷測量的能力可能受到削弱，從而導致該方法在測量缺陷形狀時出現(xiàn)模糊現(xiàn)象。為應(yīng)對微波無損檢測技術(shù)帶來的挑戰(zhàn)，推薦采納以下建議［148］：①采用人工智能和信號預處理相結(jié)合的混合微波無損檢測方法可顯著提升弱空間成像能力；②根據(jù)頻率和遙距距離選擇合適的微波無損檢測方法有助于提高傳感器對CFRP 復合材料缺陷的探測靈敏度；③使用低頻配對螺旋感應(yīng)器傳感器深入導電材料中能顯著改善對CFRP 分層缺陷的檢測效果，通過向傳感器中添加如磁粉芯線圈和鐵氧體軛鐵等含鐵磁性材料可進一步提升探測靈敏度。

1.5.4 電學層析成像檢測

電學層析成像是一種應(yīng)用層析成像技術(shù)的方法，其原理是通過對待測物體施加電激勵檢測其邊界值變化，利用特定數(shù)學手段逆推被測物體內(nèi)部的電特性參數(shù)分布，從而得到物體內(nèi)部的電極分布情況。與其他多種層析成像技術(shù)相比，電學層析成像技術(shù)因其無輻射、響應(yīng)速度快、價格低廉等優(yōu)勢而表現(xiàn)突出。其主要技術(shù)手段包括電容層析成像、電阻層析成像及電磁層析成像3種基本形式，進一步來說，電阻層析成像與電容層析成像可合并為電阻抗層析成像技術(shù)。圖9［149］為電學層析成像系統(tǒng)。

圖9 電學層析成像系統(tǒng)［149］Fig.9 Electrical tomograph system［149］

Zhang 等［150］為提高電容層析成像在復合材料缺陷檢測中圖像重建的準確性，提出了一種基于密度聚類噪聲算法（DBSCAN）和自適應(yīng)交替方向乘子法（SADMM）的圖像重建方法；結(jié)果表明使用該算法獲得的重建圖像平均相對誤差為0.086，遠低于其他算法，同時提出的算法具有更強的抗噪聲性能，能提供更精確的重建圖像。Fan 和Wang［151］對不同平面電容層析成像陣 列及不同損傷位置導致的圖像重建質(zhì)量進行研究；模擬實驗結(jié)果表明平面電容層析成像可有效檢測CFRP 的表面損傷；平面電容層析成像與CFRP 的靈敏度矩陣及各向異性介電常數(shù)有緊密聯(lián)系；旋轉(zhuǎn)式平面電容層析成像傳感器擁有更出色的均勻度；對于不同損傷位置的情況，旋轉(zhuǎn)式傳感器在大部分情況下均能獲取更高質(zhì)量的圖像。

Cagáň 和Michalcová［152］研究了電阻層析成像在檢測幾乎無法察覺的沖擊損傷對CFRP 復合材料造成損害方面的表現(xiàn)，通過分析復原的電導率變化圖像評估了不同圖像的振幅和位置誤差，此外還將沖擊損傷與相同構(gòu)型試樣上的鉆透孔進行了對比；結(jié)果表明在特定實驗室條件下，通過測量振幅的重心，電阻層析成像能檢測到輕微沖擊損傷造成的分層區(qū)域。Thomas 等［153］將電阻層析成像技術(shù)應(yīng)用于復雜形狀以實現(xiàn)損傷檢測；結(jié)果顯示可在長徑比為132.4 mm∶66.2 mm（2∶1 的寬高比）的管上精確檢測直徑為7.94 mm 的多個貫穿孔，同時電阻層析成像的敏感性隨著管的寬高比減小而提高；此外電阻層析成像還成功檢測到了低速沖擊引起的表面以下?lián)p傷。

Liu 等［154］介紹了在電磁層析成像無損評估系統(tǒng)中運用有限元法對CFRP 進行仿真的方法；先通過建立Ansoft Maxwell 3D 模型描述傳感器與單向和交叉編織板樣品之間的相互作用，并對此進行分析；然后設(shè)計了圓形傳感器陣列，并在CFRP 板上分別鉆取400 個測試孔以獲取靈敏度矩陣數(shù)據(jù)，進而重構(gòu)板的圖像；計算結(jié)果顯示該方法可有效檢測損壞區(qū)域。Zhang 等［155］提出了一種原位CFRP 損傷檢測框架，該方法設(shè)計了一種電磁層析成像傳感器，并開發(fā)了用于電磁層析成像的絕對圖像重構(gòu)方法；仿真和實驗結(jié)果表明當局部纖維斷裂比達40%時，成像結(jié)果可準確反映損傷位置；與傳統(tǒng)方法相比，該方法誤差更小，能提供更精確的重構(gòu)圖像。

然而以復合材料作為檢測對象的電學層析成像技術(shù)尚存在諸多難題：首先必須不斷改進此項技術(shù)的監(jiān)測靈敏度、精確度及響應(yīng)速度；其次務(wù)必融合傳統(tǒng)高精度的離線監(jiān)測方式，構(gòu)建出一套全面的、無損傷監(jiān)測精準性評估體系；同時必須充分考量碳纖維導電能力對傳感單元檢測性能產(chǎn)生的潛在影響。因此為推動這項技術(shù)向前發(fā)展，需在未來科研工作中努力提高該技術(shù)的分辨率水準，同時致力于解決由導電復合材料導致的傳感元件精準性問題［156］。

1.6 X 射線檢測

X 射線照相術(shù)是一種先進的無損檢測技術(shù)，廣泛應(yīng)用于航空航天工業(yè)中纖維增強復合材料的無損評估［157-158］。一般而言，X 射線放射攝影利用的是材料對輻射吸收能力的不同。當X 射線光束穿過特定樣本時光子會被吸收，從而降低光束能量。能量吸收率的差異與射線照片中的特定灰度值關(guān)聯(lián)。這項技術(shù)可精細檢測從固體物質(zhì)到軟組織的各種結(jié)構(gòu)，主要得益于數(shù)字化影像技術(shù)的日新月異和高能同步輻射設(shè)施的引入。截至目前，X 射線成像可通過實驗室X 射線裝置或同步輻射源實施。實驗室X 射線裝置產(chǎn)生的是復雜多色并擴散的X 射線束，而同步輻射X 射線束則呈現(xiàn)出平行性、單色性且更為協(xié)同的輻射特性，具有更高的通量及亮度。

基于X 射線系統(tǒng)的基本操作方式為在真空X射線管的燈絲與金屬靶之間施加偏壓電壓，使燈絲發(fā)射的電子以高速（即高能量）與金屬靶發(fā)生碰撞，從而輻射出X 射線。實驗室X 射線成像系統(tǒng)通常較為便宜且易于獲取，但穿透深度取決于X 射線的波長和能量，X 射線無法穿透深度大的結(jié)構(gòu)，從而限制了實驗室X 射線成像系統(tǒng)在較厚材料（如GFRPs）檢驗中的應(yīng)用。然而隨同步輻射設(shè)施發(fā)展的蓬勃興起，預計一些與穿透深度相關(guān)的挑戰(zhàn)將得到解決，使對厚復合材料和低對比度材料（如CFRPs）進行檢測成為可能。此外伽馬射線由于其具有更強的穿透能力，有潛力替代X 射線在類似環(huán)境中的應(yīng)用。

由于X 射線可提供樣品內(nèi)部幾何形貌的三維呈現(xiàn)，因而被視為是一種功能強大的無損檢測技術(shù)。圖10［159］為X 射線直線掃描CT 系統(tǒng)。Chai等［160］的研究提出了一種新型延時同步加速器X 射線顯微計算機斷層掃描（XCT）方法，用于評估扭轉(zhuǎn)下CFRP 復合材料管的損傷狀態(tài)，并以三維形式展示了管內(nèi)裂紋和管間脫粘的形成和擴展過程。

圖10 直線掃描CT 系統(tǒng)［159］Fig.10 System of linear scanning CT［159］

然而因XCT 或基于同步加速器的XCT 無法檢測低于各自系統(tǒng)物理分辨率的缺陷，其實用性受限［161］。因其明顯更低的物理分辨率不足以識別缺陷且需增加掃描時間，限制了該系統(tǒng)掃描大樣品的能力。此外該系統(tǒng)在分割具有相似X 射線吸收系數(shù)的材料（如碳纖維和環(huán)氧樹脂基體）時存在問題［162］。

暗場成像（DFI）技術(shù)使在更低分辨率的情況下對試樣的微觀結(jié)構(gòu)進行深入分析成為可能［161-162］。如Senck 等［161］采用基于光柵的X 射線暗場成像技術(shù)精確表征了低速沖擊（LVIs）和彎曲測試下CFRP 樣品中的微裂紋進，并在12.5、22.8、50.0 μm 的像素大小下實現(xiàn)了2D 和3D 損傷的可視化，展示了該方法在微裂紋識別方面的卓越能力。此外在材料科學中X 射線顯微鏡（XRM）被視為無損檢測方法，被廣泛用于探測材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。Lu 等［163］采用X 射線顯微鏡計算機斷層掃描技術(shù)深入檢查不同碳纖維層壓板，證明了其在評估不同復合材料損傷行為中的實用性。

目前，以X 射線成像為核心的無損檢測技術(shù)正圍繞著提高檢測效率的目標展開。深度學習和人工智能技術(shù)的運用極大地提升了X 射線檢測各類缺陷的質(zhì)量和效率。Chen 和Juang［164］運用快速基于區(qū)域的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（Fast R-CNN）和航空發(fā)動機射線檢測系統(tǒng)網(wǎng)（AERTISNet）對X 射線圖像檢測結(jié)果進行了深入研究；這種方法不僅具備獨立檢測能力，且在短時間內(nèi)就能有效區(qū)分10 種類型的裂紋。

綜上所述，X 射線技術(shù)在無損檢測中可提供多種分析功能，包括對物體內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的無損表征［162，165-166］和損傷評估［157-158，161，163］。表6 對其優(yōu)勢和局限性進行了詳細介紹?？偟膩碚f，X 射線成像在檢測復合材料中具有不同吸收和散射能力的人工插入物方面具有潛在應(yīng)用價值。另外最近研究表明，與其他透射技術(shù)相比，背向散射X 射線成像在探測CFRP 結(jié)構(gòu)中的水和濕度方面展現(xiàn)出極大優(yōu)勢［136，167］。值得注意的是，同步輻射X 射線成像系統(tǒng)具有更加出色的信噪比（SNR）和相位對比度，使其非常適用于低對比度復合材料的檢查。高能X 射線束生產(chǎn)技術(shù)的不斷進步也推動了一系列新X 射線成像方法的發(fā)展，這些方法在時間、空間和能量分辨率上都有顯著提高。然而這種技術(shù)的復雜性及解讀檢測結(jié)果所需專業(yè)知識的要求往往阻礙了非破壞性檢測領(lǐng)域的X 射線成像推廣。此外由于X 輻射對人體危害性的額外挑戰(zhàn)，便攜式或手持式系統(tǒng)的開發(fā)仍受限制，即使存在也必須清除整個工作間或機庫以確保不會對附近工作的其他人造成意外傷害。Prakash［168］認為X 射線成像在顯示孔隙率或纖維體積分數(shù)變化方面的能力有限。考慮到這個專題的相關(guān)出版物相對較少，筆者認為Prakash 的評估仍有效。同時，X 射線成像在厚度方向上無法識別缺陷或損傷也是一個仍需解決的挑戰(zhàn)［29］。

2 基于層次分析法的無損檢測技術(shù)

隨著無損檢測行業(yè)的日益進步和新型無損檢測技術(shù)的持續(xù)涌現(xiàn)，為確保針對不同F(xiàn)RP 結(jié)構(gòu)選擇最為適宜的技術(shù)，需采用嚴謹?shù)脑u估與分析方法。技術(shù)適用性得以確定的主要因素包括損傷類型、準確性、測試的有效性、應(yīng)用的復雜性及設(shè)備設(shè)置與檢查的成本［48，169］。采用層次分析法（AHP）分析無損檢測技術(shù)。AHP 是由Wind 和Saaty［170］在20 世紀70 年代提出的一種全面的分析與決策方法，旨在構(gòu)建目標、準則及備選方案的系統(tǒng)化框架。

層次分析法的步驟如下：先確立非結(jié)構(gòu)化問題，建立層次分析法模型，再構(gòu)建成對比較表，然后估算相對權(quán)重，檢驗一致性，最后得出綜合評估結(jié)果。首先要確立案例研究的目標。在對已有文獻進行回顧后，確立目標是根據(jù)指定的標準確定最合適的、用于檢測特定結(jié)構(gòu)的技術(shù)。層次分析法要求決策者進行成對比較，為做出有力的判斷，學習和個人經(jīng)驗至關(guān)重要。由于目標是根據(jù)對現(xiàn)有文獻的學習確定最合適的技術(shù)，因此選擇這些研究中最常見的標準。

如Meola 等［47］對相控陣超聲檢測（PAUT）和紅外熱成像技術(shù)的檢測精度、檢測時間和樣本大小進行了比較，Wang 等［139］對太赫茲成像、X 射線CT 和超聲C 掃描測量的檢測精度和檢測時間進行了定量比較，根據(jù)文獻［47，139］，在選擇最合適的技術(shù)時，檢測時間、準確性和樣本尺寸都是至關(guān)重要的。此外檢測成本會隨試件尺寸的增加而增加。因此考慮4 個準則：結(jié)構(gòu)尺寸、測試精度、時間和成本。只有具備了能客觀評估備選方案的有形信息才能科學地選擇技術(shù)。

接下來的步驟是將問題分解為目標、準則和備選方案的層次結(jié)構(gòu)，如圖11 所示。構(gòu)建準則間的兩兩比較表/矩陣，同時比較兩個準則并根據(jù)在NDT&E 研究中基于回顧的判斷估計它們之間的相互影響。在構(gòu)建權(quán)重估計和兩兩比較矩陣后計算準則權(quán)重并檢查判斷的一致性。一致性比率（Consistency Ratio，CR）必須小于0.1 才能認為判斷是一致的［131］。然后按之前討論的步驟構(gòu)建可選方案間的兩兩比較表，以便一次基于單個準則同時比較兩個可選方案。文獻［171］詳述了權(quán)重評估的計算方法，如圖12 所示，結(jié)構(gòu)尺寸是確定最佳技術(shù)選擇的最重要參數(shù)。

圖11 層次結(jié)構(gòu)決策示意圖Fig.11 Hierarchical structure of decision

圖12 權(quán)重準則［171］Fig.12 Weight criteria［171］

3 組合無損檢測技術(shù)

NDT&E 過程的目的是檢測缺陷、定位缺陷、對其類型進行分類并確定其嚴重程度（大小、形狀、分布）。然而根據(jù)已有文獻資料，單一NDT&E 技術(shù)可能無法涵蓋所有功能，因此需協(xié)同其他技術(shù)進行綜合分析。如聲發(fā)射技術(shù)可提供損傷檢測、定位和分類，但對損傷嚴重程度的詳細信息則無能為力。此外，IRT、DIC、激光錯位散斑干涉等成像技術(shù)雖具備損傷檢測、定位和嚴重程度量化等功能，但無法有效分類不同的損傷模式，且隨著缺陷深度增加其有效性也隨之降低［172］。在非接觸、快速檢測方面，ECT 技術(shù)類似于IRT、DIC 和激光錯位散斑干涉技術(shù)，但存在一些問題，主要是不適用于大型結(jié)構(gòu)和復雜幾何形狀，無法檢測深層缺陷。因此，些研究者將不同的無損檢測技術(shù)結(jié)合，以實現(xiàn)更好的損傷分析。

Shoukroun 等［173］將邊緣照明X 射線相襯成像（El XPCi）與超聲成像相結(jié)合，用于CFRP 層疊板的沖擊損傷檢測和表征；結(jié)合El XPCi 與超聲波成像能以優(yōu)良的對比度檢測和量化所有缺陷，然而選用的超聲波頻率（20 MHz）對應(yīng)的波長與薄片層厚度相當，且不光滑的樣品表面阻礙了精確測量；El XPCi 方法克服了超聲波成像的局限性，可檢測到超聲波成像無法看到的內(nèi)部缺陷和特征，特別是試樣厚度方向的裂縫；然而El XPCi 的掃描過程較長，僅適用于小型樣品。

在另一項研究中，de Oliveira 等［174］提出了一種基于光學鎖相熱成像（OLT）和光學方波激光錯位散斑干涉（OSS）圖像的圖像融合方法，用于表征CFRP 板材的沖擊損傷；實驗結(jié)果表明等效直徑測量誤差減少了72.21%，度量值提高了8.05%；因此采用其中一種融合方法可顯著提高損傷檢測能力；他們還采用圖像融合降低了測量不確定度，提高了檢測的置信度和魯棒性。Djabali 等［175］采用3 種無損檢測技術(shù)：X 射線斷層掃描、DIC 和AE，對厚碳/環(huán)氧層壓板的疲勞損傷演變進行了研究，詳細并精確地揭示了損傷過程中涉及的各種機理。文獻［173-175］揭示多種技術(shù)組合在提供更精準、全面的損傷特征描述方面潛力巨大，這有助于深入理解不同的損傷機理。此外使用機器學習和深度學習等人工智能工具處理無損檢測實驗數(shù)據(jù)可顯著提高損傷診斷和預后評估的質(zhì)量。然而，為確保構(gòu)建的系統(tǒng)能達到高效性和經(jīng)濟性的要求，必須對這些技術(shù)方法所需成本加以全面考慮。此外在某些情況下，無法檢測結(jié)構(gòu)的特定部分。遠程操作車輛（ROV）是有效的解決方案［176］。隨著技術(shù)的不斷進步，可在微米或納米尺度上制造微型、高效的機器人和小型傳感器。輕型ROV 可配備多種傳感器，具備主動傳感、被動傳感或主被動傳感功能。ROV不受結(jié)構(gòu)幾何形狀的影響，能在整個結(jié)構(gòu)中航行從而實現(xiàn)快速、高效的檢測，不會對檢測人員造成任何危險。Deane 等［177］提出了一種自動飛行器（UAV）熱成像系統(tǒng)，無需人工干預即可獲得大型結(jié)構(gòu)（如飛機等）的完整圖像。這種系統(tǒng)能檢測多種損傷機制，如低速沖擊損傷、幾乎不可見沖擊損傷和熱損傷。

表7 列舉了幾種無損檢測技術(shù)的組合，以實現(xiàn)損傷的檢測、精準定位、精細分類并精確評估其嚴重程度。舉例來說，聲發(fā)射與數(shù)字圖像相關(guān)檢測或聲發(fā)射與激光錯位散斑干涉檢測的組合可實現(xiàn)4 項中3 項功能，然而未能明確確定損傷的各種模式（即矩陣開裂、分層）。同時值得注意的是，選擇哪些NDT 技術(shù)進行組合還會受其他因素影響，如檢查的成本及檢查設(shè)定的復雜度。

表7 潛在無損檢測技術(shù)組合Table 7 Possible NDT techniques combinations

4 結(jié)論

綜上所述，每種無損檢測技術(shù)都具備其潛力，但很少能提供全面的缺陷診斷，因此需結(jié)合多種技術(shù)進行綜合評估。如今，結(jié)合多種技術(shù)的趨勢愈發(fā)流行，因其能提供全面的損傷評估，包括損傷檢測、定位、分類和嚴重程度評估。另外借助人工智能工具的輔助，混合技術(shù)還可用于預測結(jié)構(gòu)損壞后的剩余使用壽命。然而這種方法可能會延長檢測時間、增加檢測成本。此外大多涉及組合技術(shù)的研究都未考慮成本因素，也未確定最有效、最經(jīng)濟的組合技術(shù)。因此基于結(jié)構(gòu)尺寸、檢測精度、檢測時間和檢測成本4 個準則，采用層次分析法對無損檢測技術(shù)進行分析，從而證實了技術(shù)選擇的重要性。

盡管無損檢測技術(shù)取得了令人興奮的成就，然而仍需付出大量努力開發(fā)快速且價格適宜的無損檢測與評估系統(tǒng)。傳統(tǒng)的無損檢測程序需人工干預，因此勞動力成本較高；需借助外部探頭或設(shè)備對結(jié)構(gòu)部件進行檢測。未來應(yīng)著重于研發(fā)高精度、高效率的智能化、自動化檢測技術(shù)。人工智能工具（如機器學習和深度學習）能在無需檢查員干預的情況下提供快速決策，因此具有巨大潛力，可用于復合材料的無損測試與評估。