复合材料无损检测与缺陷评估技术

航空

游客，如果您要查看本帖隐藏内容请回复

航空

673 17专题
第 届报道
世界无损检测大会
无损检测. 2008 年 第 30 卷 第 10 期
作者简介
——庆祝中国机械工程学会无损检测分会成立三十周年
刘松平，俄罗斯莫斯科国立
大学理学博士，研究员，全国无
损检测学会常务理事，《无损检
测》杂志副主编。一直从事新材
料新结构无损检测技术的研究与
应用开发，在复合材料无损检测
技术研究与应用、超声检测与成
像、智能化自动超声检测研制、
换能器、缺陷识别与信号处理等
方面有资深的研究和丰富的经
验。先后主持和完成了20余项政
府资助的无损检测课题，获部级
科技进步奖等10余项，在国内外
核心期刊和学术年会发表论文80
余篇。目前的主要研究方向为复
合材料快速高效自动化数字化无
损检测技术、缺陷定量评估与可
视化检测技术、激光超声检测技
术、电子剪切成像技术、复合材
料与焊接无损检测技术、换能器
技术、信号处理技术以及先进的
无损检测仪器设备技术等。
复合材料无损检测与缺陷评估技术
北京航空制造工程研究所 刘松平
摘 要：我国复合材料无损检测技术经过几十年的发展和积累，在检测
方法与技术研究、仪器设备研制与生产、人员培训与国际合作等诸多方
面形成了明显的技术特色。几十年的研究与应用表明，高分辨率射频
(RF)超声检测技术已经成为我国复合材料无损检测的主要技术，并已获
得广泛的应用，其表面盲区和纵向分辨率可达0.125 mm，基于此原理的
检测换能器、仪器、设备技术，可实现复合材料结构的超声自动化扫描
成像检测和缺陷量化评估，检测通道达20个。声阻、声振技术在胶接结
构无损检测中得到推广应用，可实现胶接缺陷的数字化检测与评估。激
光超声和电子剪切成像技术近年来有了明显的进展和实际应用，具有较
好的应用潜力。
关键词：无损检测；复合材料；超声波检测；声阻；激光超声；电子剪
切成像
中图分类号：TG115.28 文献标识码：A
文章编号：1000-6656(2008)10-0673-06
Nondest r uct ive Test ing and Evaluat ion
Techniques for Composites
——Celebration of 30 year anniversary of ChsNDT
The R&D Center of NDT&E, Beijing Aeronautical Manufacturing
Technology Research Institute LIU Song-Ping
Abstract: There was a fruitful and successful development and progress in
nondestructive testing and evaluation (NDT&E) techniques for composites
during the past 30 years in China, which included the achievements in studies
of NDT&E methods and techniques, development and production of NDT
instrumentations and devices, qualification and training, international academic
cooperation in the area. So far, the high resolution RF ultrasonic technical
method, which was found in 1980’s by Beijing Aeronautical Manufacturing
Technology Research Institute (BAMTRI), is the powerful and effective
approach for composites NDT&E, which has been applied widely in aeroindustries.
Its surface dead zone and resolution by using this technique are
close to 125 micrometers in carbon fiber composites at 5MHz. Automated
ultrasonic scanning inspection and evaluation techniques have been used to
NDT&E of diverse composites components, BAMTRI has developed a series
of automated ultrasonic scanning systems from two-axels up to 7 axels since
1980’s. A high efficient NDT technique, which is based on multiple channels
(up to 20 channels) automated ultrasonic scanning method and system, has
been designed to inspect composites components with large scale in aeroindustry.
A wide selection of ultrasonic testers and systems are available in
China. Mechanical impedance analysis (MIA) has been applied widely and
importantly in diverse industries as a portable, cost-saving and powerful
tool for NDT of adhesive bonding structures since it was found in 1970’s
by BAMTRI. Now different digital NDT testers based on MIA method are
available in China. The application and development of shearography and laser
ultrasonic techniques as fast NDT of composites components also have been
obtained a remarkable progress in recent years.
Keywords: Nondestructive testing；Composites；Ultrasonic testing；
Mechanical impedance analysis；Laser-ultrasonic；Shearography
674 无损检测. 2008 年 第 30 卷 第 10 期
自20世纪中叶以来，复合材料
在航空宇航等工业领域得到了广泛
应用。目前波音787飞机的复合材
料设计用量达到结构重量的50%。
特别是进入21世纪以来，复合材料
在飞机领域的应用达到空前的规
模，几乎被国内外业内同行推崇到
了用复合材料的装机用量标榜现代
飞机的先进性的地步。
航空宇航等工业产品高质量、
高可靠性、长寿命和高性能的要
求，必须对复合材料进行100%无
损检测。因此，发展先进可靠的复
合材料无损检测技术，其重要性和
意义不言而喻。
我国复合材料无损检测技术的
研究与探索源于20世纪70年代中后
期。经过几十年的发展和自主研
究，目前已经形成了颇具特色的复
合材料无损检测方法、技术、仪器
设备、技术服务与培训体系，初步
建立了切合我国实际的复合材料设
计研发和工程应用的技术平台，先
后取得了一批实用性较强的复合材
料无损检测科技成果，形成了一批
稳定的科研队伍。
与传统的金属材料结构相
比，复合材料结构是一种通过基
体-增强物之间的物理结合和铺层
设计来达到预期性能的集材料工
艺于一体的新型材料结构。其最
为显著的优点是材料和结构的重
量-性能比(即比性能)好、可设计
性强、材料利用率高和制造工序
少(从材料制备到结构成型，往往
仅需要一两个热循环就能完成制
造)。因此，一旦进入复合材料结
构制造工序，其输出结果就是结
构件，而且复合材料结构越来越
复杂，结构尺寸越来越大，整体
结构越来越多，如飞机机翼、机
身和壁板等。
复合材料的无损检测不能简单
沿用金属材料检测的思维惯性和方
法，而必须根据复合材料结构特
点，研究和采用复合材料的无损检
测技术和方法。
(1) 由于复合材料内部各结构
元素(如纤维、树脂和铺层等)之
间主要是通过物理界面相结合(图
1)，而且存在明显的各向异性。
大量的检测结果和破坏分析表
明，最容易产生缺陷的部位正是
在复合材料内部的物理界面。因
此，界面缺陷的检测是复合材料
无损检测的重点。特别是对于复
合材料层压结构，研究和掌握其
结构特点，对选择和研究复合材
料无损检测技术具有正确性的指
导意义。
(2) 复合材料结构多为非厚度
结构，厚度约0.3~40 mm，因此，对
复合材料的检测必须结合具体的应
用对象。特别值得指出的是，复合
材料不允许存在表面检测盲区。对
于复合材料层压结构，单个铺层的
厚度小至0.125 mm，而且通常复合
材料结构在厚度方向不存在加工余
量之说。
(3) 对复合材料层压结构，必
须充分考虑内部的微结构与所研究
和选择的检测方法在检测机理、缺
陷信号成因上的有机联系。例如，
声波在复合材料中的传播特性的
变化和缺陷识别方法就与复合材料
内部微结构存在密切联系[1—3]。不
能简单地根据换能器接收到的物理
信号的变化判别缺陷是否存在。例
如，图2是来自碳纤维层压复合材
料内部的典型超声回波信号，图中
F来自材料表面的声波反射，B来
自材料底面的声波反射，D来自材
料内部的声波反射。按照传统的超
声检测思维惯例，信号D应是判别
材料内部缺陷的依据。但在复合材
料超声检测中，信号D并不是来自
缺陷的反射波，而是材料结构变化
铺层
铺层层面
铺层
纤维
树脂
(a) 层间界面 (b) 纤维-树脂界面
图1 典型复合材料界面
1 复合材料及其无损检测技
术特点
图2 复合材料内部典型超声回波信号
F
D
B
｝
无损检测.2008年 第 30 卷 第 10 期675
引起的入射声波反射。
(4) 缺陷特点与特征总是与材
料、工艺和结构密切相关，因此需
要掌握这些特点，才能建立正确的
复合材料判别方法[1—4]。
(5) 从事复合材料无损检测的
人员必须经过针对性的技术培训。
即便是一个从事金属材料无损检测
多年的高级技术人员，如果没有针
对性的技术培训或相关研究，也很
难胜任复合材料无损检测。
经过近30年的发展，国内复合
材料无损检测技术研发和应用有了
长足的进步，形成了一些较为切合
实际的技术特色。北京航空制造工
程研究所(原北京航空工艺研究所)
对复合材料无损检测技术进行了长
期系统的研究和应用，取得了多项
科研和应用成果，形成了一支稳定
的科技队伍。先后完成了近20项国
家和部级重点资助的复合材料无损
检测技术研究和研发项目，获得国
家发明奖和省部级科技成果奖累计
十余项。例如，目前广泛被采用的
胶接结构声振检测技术和复合材料
高分辨率RF超声检测技术及缺陷
判别方法就是该研究所分别在20
世纪70年代初和80年代初研究建
立的。
胶接结构无损检测方法的启蒙
研究可以追溯到20世纪60年代。北
京航空工艺研究所是最早从事这方
面研究的单位，并于20世纪70年代
初研究提出了胶接结构声振学检测
方法(图3)，研究成功了首台胶接
换能器
复合材料
RF回波信号
图4 复合材料RF超声检测方法
结构声振(声阻)检测仪器、涡流声
检测仪器，并于20世纪80年初建立
了胶接结构声阻声振检测方法的相
关标准。
20世纪80年代初，随着我国复
合材料设计、应用的起步，北京航
空工艺研究所结合复合材料的特
点，首次研究成功了高分辨率微盲
区复合材料RF超声检测方法和检
测技术(图4)。经过不断发展和完
善，目前已成为我国复合材料无
损检测的支柱技术，其表面检测
盲区可达0.125 mm，至今仍处于
国际领先水平。
国内复合材料超声扫描成像检
测技术起源于20世纪80年代中期。
针对飞机复合材料结构，北京航空
工艺研究所先后研究提出了复合材
料反射/穿透法C扫描检测技术、缺
陷模式识别技术、复合材料孔隙率
评估方法、复合材料手动扫描成像
检测技术和复合材料声发射检测方
法，在实际生产和科研中得到较好
的应用。20世纪90年代中后期以
后，复合材料超声扫描成像检测技
术得到了快速发展，此间，北京航
空工艺研究所研究提出的先进复合
材料超声成像检测技术得到了较好
的实际应用，并获得了部级科技进
步二等奖。图5是某实际复合材料
结构件的超声扫描成像检测结果。
20世纪90年代初，北京航空工
艺研究所研究提出基于多轴运动控
制的复合材料结构超声自动扫描检
测技术[5]，获得部级科技进步二等
奖。该技术可以实现复杂形状复合
材料的自动超声C扫描成像(图6)。
我国自主设计的数字化智能
胶接检测技术是在20世纪80年代
后期[6,7]。北京航空工艺研究所研
究提出了胶接结构缺陷量化评估方
法，实现了胶接缺陷的自动识别与
检测参数自动优化选择。该项成
果在1991年获得了部级科技进步
二等奖。
针对新型复合材料结构，20世
纪90年代中后期，北京航空工艺研
2 复合材料无损检测技术
图6 曲面零件自动超声扫描成像检测
缺陷区
图5 典型复合材料结构件的超声扫描成像检测
缺陷区
结构变化
零件边缘
换能器
接收晶片胶接界面
激励晶片
蜂窝
芯
垫板
蒙皮
图3 胶接结构声振检测方法
F
B
图8 典型胶接结构电子剪切成像检测结果
676 无损检测. 2008 年 第 30 卷 第 10 期
究所研究提出了RTM/缝编复合材
料结构、缠绕复合材料结构缺陷表
征与超声评估技术，提出了超声深
度扫描[8]、T扫描成像检测技术[1]和
积分换能器技术。图7是某复合材
料超声T扫描成像结果(Ti为成像深
度，i=0，1，2，…)，该成像方法
可以得到复合材料不同深度平面内
缺陷的量化分布，并且在RTM/缝
编、缠绕等新型复合材料结构的无
损检测方面应用广泛。该成果获得
部级科技进步三等奖。
20世纪90年代中后期，北京航
空制造工程研究所研究提出了复合
材料胶接结构激光电子剪切成像检
测技术[9]。该技术利用单束激光束
干涉，实现了检测的多维成像显
示，典型检测结果见图8。激光电
子剪切成像检测技术是在激光散斑
干涉检测方法基础上，通过建模分
析和图像处理，将散斑干涉中的条
纹图转换为二维和三维灰度图像，
再现检测结果。使因需隔震等原因
难以推广的激光全息干涉技术摆脱
了困境，为复合材料胶接结构提供
了一种有效的室内外快速无损检测
方法。
针对飞机复合材料结构激光超
声检测，近年北京航空制造工程研
究所开展了系列研究，取得了明显
的进展，初步建立了复合材料激光
超声检测方法与缺陷识别方法[10,11]。
将复合材料微结构、性能测
量、缺陷评估与成像检测结合进行
系统研究始于21世纪初。通过研究
不同波长声波在复合材料中的传播
规律，北京航空制造工程研究所提
出了长波、短波超声检测方法和多
维成像检测方法[1-4,12]，先后有多项
技术成果获得部级科技进步二、三
等奖。图9是采用超声成像检测技
术得到的典型炭纤维织物复合材料
内部微结构的分布[12]。
随着复合材料在飞机工业的设
计用量的空前剧增和质量要求日渐
提高，近年来北京航空制造工程研
究所研究提出了复合材料可视化成
像检测技术、大型复合材料构件的
图9 炭纤维织物复合材料微结构
超声T扫描成像
图7 复合材料超声T扫描成像结果
试样
缺陷 10 mm
缺陷 13 mm φ
φ
无损检测.2008年 第 30 卷 第 10 期677
超声快速自动扫描检测技术和复合
材料高效自动化扫描检测技术。检
测通道达20个，可以实现6 000 mm
×9 000 mm以上尺寸的大型复合材
料结构件的高效自动检测。
经过几十年的发展，我国复合
材料无损检测仪器设备开发有了长
足的发展，特别是复合材料超声检
测仪器设备。20世纪80年代初，北
京航空工艺研究所研制成功了我国
首台复合材料超声检测仪器和换能
器，检测分辨力达0.125 mm，可
达到单周脉冲特性。20世纪70年代
研制成功了胶接结构声振检测仪器
及换能器。20世纪90年代初研制成
功了复合材料手动扫描成像检测仪
器。经过近30年的不断发展和完善，
FCC-B，Z2000，MUI，MUT和FJ等
系列仪器目前已成为我国复合材料无
损检测的主要仪器和换能器。
我国大型复合材料无损检测设
备研制起步于20世纪80年代，目前
已发展到大型复合材料结构的超声
自动扫描检测，例如，北京航空制
造工程研究所先后研制成功的2坐
标、3坐标、4坐标、5坐标和7坐标
的CUS系列超声自动扫描成像检测
设备，先后获得多项部级科技进步
二、三等奖。近年来其研制的快速
高效超声自动化检测设备UltraScan
9000的检测通道多达20个，具有独
特的自动跟踪功能，较好地解决了
复合材料构件的自动跟踪扫描检测
(图10)。
复合材料的缺陷识别方法不同
于传统的金属材料。经过几十年的
研究和积累，目前基本形成了适合
我国复合材料工艺特点的缺陷判别
方法。
20世纪80年代初，北京航空制
造工程研究所针对复合材料特点，
采用微盲区高分辨率超声检测技
术，提出了模式识别方法，在研究
复合材料结构特点和超声信号规律
基础上，建立了复合材料缺陷超声
特征识别与缺陷分类方法，较好地
解决了复合材料常见缺陷的识别与
分类。
分布型缺陷(如孔隙率含量)是
复合材料无损检测中一个非常重要
的缺陷识别与评估技术。我国复合
材料孔隙率评估技术起源于20世纪
80年代中期，原北京航空工艺研究
所是从事这方面的最早单位。目前
北京航空制造工程所已经初步建立
了典型树脂基复合材料的孔隙率含
图10 多通道大型复合材料超声检测系统
量评估模型、方法与数据库，可以
实现复合材料孔隙率含量的超声数
值评估，图11是某实际复合材料孔
隙率超声量化评估结果。
冲击损伤是复合材料结构使用
中的一种重要损伤形式，北京航空
制造工程所在这方面已有近20年的
研究，目前已经建立了较为成熟的
复合材料冲击损伤定量评估方法和
技术。主要采用高分辨率超声检测
方法，实现对复合材料冲击损伤的
定量评估。图12是某实际复合材料
冲击损伤在厚度方向的分布情况，
图中A0处是由于冲击在复合材料表
面引起的损伤，A1~A6所指示白色
区域是由于冲击在复合材料内部引
图11 典型复合材料孔隙含量超声量化评估结果
3 复合材料仪器设备开发
4 复合材料无损检测缺陷识
别技术
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37
测量位置点
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
孔隙率体积含量 /%
孔隙率分布
678 无损检测. 2008 年 第 30 卷 第 10 期
起的损伤，F和B所指示的白色区
域分别是复合材料表面和底面，S
所指示的黑色区域是入射声波在冲
击损伤区形成的超声阴影。
复合材料无损检测与国外有着
多种合作方式，一种是通过开展国
际科技研究，主要是针对复合材料
无损检测中的一些技术问题，利用
双方的技术资源开展研究、技术互
访和技术交流。目前我国与俄罗斯
和美国等同行在这方面有较好的交
流与合作；另一方面通过承担检测
任务，从中学习和掌握一些相关的
复合材料无损检测规范、技术标准
和技术管理。北京航空制造工艺研
究所一直在开展这方面的合作。
我国复合材料无损检测人员专
业培训历史可追溯到20世纪80年
代，当时主要由北京航空制造工艺
研究所负责和组织复合材料专业人
员培训与技术资料论证、教材编
写，累计培训人员200人左右。20
世纪90年代后期后，由于认证机构
的变革，专门的复合材料无损检测
图12 RTM缝编复合材料冲击损伤超声扫描成像结果
人员技术资格的培训与取证工作曾
经一度中止，但技术培训与技术交
流仍主要在北京航空制造工程研究
所不定期举行。近年来，复合材料
无损检测人员培训工作主要由空军
航空修理无损检测技术委员会和北
京航空制造工程研究所联合举办。
在2004~2006年，先后在石家庄举
办了多期复合材料无损检测培训与
取证考核班。随着复合材料装机应
用的快速增长，今后我国还应加强
这方面的专业培训与取证。
复合材料是现代飞机设计应用
的重要材料，在飞机上用量达到
52%，直升机上用量甚至达到70%
以上。因此，未来复合材料无损检
测有着广阔的发展前景，但无损检
测只有与复合材料自身特点相结
合，才能有效地建立合适的检测方
法和技术。我国复合材料无损检测
技术的研发从一开始就走的是自主
研究的思路，经过几十年的不断积
累，目前已经取得了较好的效果。
在复合材料规模应用的趋势下，还
有许多检测技术难题需要不断地
去研究和开发，特别是一些快速
高效的无损检测新技术、自动化
检测技术、缺陷可视化检测技术
和复合材料结构无损检测装备技
术等都是今后复合材料无损检测
发展的重要方向。
[1] Liu Songping, Application of
acoustic microscopy for studying
elastic properties and microstructure
of carbon fiber-reinforced composite
materials[D]. Moscow: Moscow
State University, 2004.
[2] Songping Liu, Enming Guo,
Vadim M Levin, et al. Imaging
of carbon-fiber-reinforced (CFR)
l ami n a t e s mi c r o s t r u c t u r e b y
acoustic microscopy techniques
[J]. Acoustical Imaging, 2004, 27:
237—244.
[3] Songping Liu, Enming Guo, V.M.
Levin, et al. Application of pulse
acoustic microscopy technique for
3D imaging bulk microstructure
o f c a r b o n f i b e r - r e i n f o r c e d
composites[J]. Ultrasonics,2006,44
:1037—1044.
[4] Songping Liu, Enming Guo, V M.
Levin, et al. Bulk microstructure
characterization of woven CFRC
materials by using microacoustic
imaging technique[C]. International
Congress on Ultrasonics. Vienna:
2007.
[5] 刘松平.炭纤维复合材料超声多维
扫描成像检测技术[J].新型碳材
料，1998, 13(1):34—37.
[6] 刘松平.蜂窝夹层结构粘接状态的测
试[J].测控技术，1990, 36(4):23—
24.
[7] 刘松平.胶接胶接结构阻抗法检
测与智能化[J].无损检测，1992,
14(10):276—278.
[8] 刘松平，郭恩明.复合材料深度方
向超声C扫描检测技术[J].无损检
测，2001,23(1):13—18.
[9] 刘松平，曹正华，谢凯文,等.先进
的电子剪切成像检测技术[C].第8
届无损检测年会.苏州:2003.
[10] 刘松平，刘菲菲，郭恩明,等.激
光超声检测碳纤维增强树脂
基复合材料的缺陷评估技
术研究[ J ] . 无损检测，2007,
29(7):396—398.
[11] 刘松平，刘菲菲，郭恩明,等.碳
纤维增强树脂基复合材料中激
光脉冲能量对超声L波的影响
[J].航空制造技术，2007,(11):19.
[ 1 2 ] 刘松平， 刘菲菲， 郭恩明，
等.炭纤维织物复合材料微结构
超声成像方法[J].复合材料学
报，2008,25(3):110.
5 国际合作
6 人员培训
参考文献：
7 结语

gaoyuanci

复合材料，大有潜力

viplixuan

下载下来好好学习

Owen

谢谢分享了，下载学习了

sari4

谢谢分享，值得学习

level_liu

学习下，谢谢

fran001

学习一下，谢谢楼主

twn353091

感謝提供珍貴資料