無損檢測就是Non Destructive Testing，縮寫是NDT（或NDE，non-destructive examination），也叫無損探傷，是在不損害或不影響被檢測對象使用性能的前提下，采用射線、超聲、紅外、電磁等原理技術(shù)并結(jié)合儀器對材料、零件、設(shè)備進行缺陷、化學(xué)、物理參數(shù)檢測的技術(shù)。

隨著復(fù)合材料在航空結(jié)構(gòu)件上應(yīng)用比例的不斷提高，為保障飛行安全，監(jiān)控復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的內(nèi)部質(zhì)量受到越來越廣泛的關(guān)注。

因此，航空復(fù)合材料無損檢測技術(shù)也越來越多地應(yīng)用于航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)成型、裝配、試驗、維護和使用的全過程中。

圖1 航空飛機上的復(fù)合材料

接下來，小編將為大家一一介紹六種高新的飛機復(fù)合材料構(gòu)建安全生命周期無損檢測技術(shù)。

一、噴水超聲C掃描技術(shù)

超聲C掃描，是超聲波檢測的一種，速度快而且直觀顯示，已成為常用的復(fù)合材料檢測技術(shù)的主要組成部分。

1.原理：

超聲C掃描技術(shù)是將超聲檢測與微機控制和微機進行數(shù)據(jù)采集、存貯、處理、圖像顯示集合在一起的技術(shù)。在檢測時,數(shù)據(jù)的獲取、處理、存貯與評價都是在每一次掃描的同時由計算機在線實時進行。

那么噴水超聲C掃描就是利用超聲C掃描技術(shù)，設(shè)計專用的噴水探頭套，利用壓力驅(qū)動水從噴水探頭套噴嘴高速射出，形成噴射水注，實現(xiàn)發(fā)射、接收探頭與復(fù)合材料之間非接觸聲耦合方式檢測。

2.結(jié)構(gòu)：

超聲波C掃描系統(tǒng)由機械傳動機構(gòu)和水箱，超聲波C 掃描控制器,超聲波C 掃描探傷儀以及PC 微機系統(tǒng)四部分組成；如圖2和圖3所示。

圖2噴水超聲C掃描系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3噴水超聲C掃描系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)簡化圖

超聲波探傷儀具有高頻帶,并能用尖脈沖激勵高阻尼探頭，以便獲得窄脈沖，檢測出工件中的微小缺陷。因為窄脈沖具有較高的距離分辨率,也就是說聲波的傳播過程中遇到缺陷利用窄脈沖可以精確地定出缺陷所在的深度。

如圖4所示是無觸頭超聲波探頭，如圖5所示是有觸頭超聲波探頭，如圖6所示是標準浸入式超聲波探頭。

圖4無觸頭超聲波探頭

圖5有觸頭超聲波探頭

圖6標準浸入式超聲波探頭

如圖7所示C掃描成像的一個簡單例子，它類似于沿著超聲波方向檢測一個不透明材料，C掃描圖像顯示了X,Y坐標，其中顏色代表深度。

圖7 C掃描圖像

3.應(yīng)用：

如今噴水超聲C掃描技術(shù)在航空復(fù)雜材料檢測方面應(yīng)用越來越廣泛，也生產(chǎn)了很多超聲C設(shè)備。小編為你介紹其中一個由NASA蘭利研究中心研制的浮動超聲系統(tǒng)。如圖8所示。

為了使探頭與表面之間有一個良好的接觸，大多數(shù)的超聲掃描裝置都需要用到外部液體耦合劑，這些耦合劑包括水、膠體、油，等等。然而，有些表面對水分或者由這些耦合劑所產(chǎn)生的污染較敏感；因此，為了解決這個問題，該技術(shù)采用了瞬時接觸機制，當進行測量時，振動探針與被測量結(jié)構(gòu)短暫接觸，給予探針一個浮動的表面外觀。

該設(shè)計可以保證在不適用耦合劑的情況下，使得探頭在物體表面自由的移動。測試結(jié)果顯示（如圖9所示），該超聲系統(tǒng)具有良好的性能。

圖8浮動超聲系統(tǒng)（NASA蘭利研究中心）

圖9  NASA的浮動超聲系統(tǒng)與常規(guī)水箱掃描系統(tǒng)的測試對比圖

二、超聲相控陣技術(shù)

1.原理：

超聲相控陣是超聲探頭晶片的組合，由多個壓電晶片按一定的規(guī)律分布排列，然后逐次按預(yù)先規(guī)定的延遲時間激發(fā)各個晶片，所有晶片發(fā)射的超聲波形成一個整體波陣面，能有效地控制發(fā)射超聲束（波陣面）的形狀和方向，能實現(xiàn)超聲波的波束掃描、偏轉(zhuǎn)和聚焦。如圖10所示。

圖10超聲相控陣技術(shù)原理圖

圖11相控陣原理圖（八晶片控制聚焦與光束掃掠的時間延遲）

相控陣探頭有3 種主要陣列類型：線形（線陣列）、面形（二維矩形陣列）和環(huán)形（圓形陣列），如圖12所示。

圖12相控陣探頭的主要陣列類型

通常使用的是一維線形陣列探頭，壓電晶片呈直線狀排列，聚焦聲場為片狀，能夠得到缺陷的二維圖像，在工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。

2. 特點與優(yōu)勢

超聲相控陣技術(shù)的特點是：

a. 電子控制和可選的光束角，光束焦點和光束大小；如圖13所示。

b. 編碼數(shù)據(jù)可存儲和分析；

c. 功能齊全的無損探測儀，包括多門、三角函數(shù)和A-掃描內(nèi)存；

d. 帶有可選擇性A掃描的全彩色實時扇區(qū)或直線顯示；

e. 在直線或扇區(qū)模式下，帶有可選擇性A掃描的實時B掃描和C掃描。

 圖13波束控制

優(yōu)勢在于：

用相控陣探頭對焊縫進行檢測時，無需像普通單探頭那樣在焊縫兩側(cè)頻繁地來回前后左右移動，而相控陣探頭沿著焊縫長度方向平行于焊縫進行直線掃查，對焊接接頭進行全體積檢測。該掃查方式可借助于裝有陣列探頭的機械掃查器沿著精確定位的軌道滑動完成，也采用手動方式完成，可實現(xiàn)快速檢測，檢測效率非常高。

圖14焊縫檢測的相控陣原理圖

（圖中a被反射光檢測出，并被鏡像顯示在第二區(qū)域）

圖15焊縫檢測中的缺陷圖

（左圖為在第一區(qū)域檢測的根源，右圖顯示了一個強大的裂紋信號）

三、空氣耦合超聲技術(shù)

在目前的超聲波無損檢測評價中，用耦合劑的接觸式和水浸式的檢查方法仍占主導(dǎo)地位。而如同放射線及電磁檢測一樣，不使用接觸法的耦合劑和水浸法的水，空氣耦合超聲技術(shù)能實現(xiàn)非接觸式超聲波檢測，使超聲波檢測技術(shù)上升到一個新的水平。

超聲波從空氣入射到金屬中時，在空氣與金屬界面幾乎都能維持發(fā)射到金屬中；而超聲波從金屬入射到空氣中時，在金屬與空氣界面處幾乎全部反射。所以需要用專用探頭來接收從金屬內(nèi)部到達表面的超聲波波動。

空氣耦合超聲波法利用發(fā)信和收信的探頭的透射法或同側(cè)V透射法可以實現(xiàn)各種目的的檢測。如圖16所示。 

圖16空氣耦合超聲波檢測方法

圖17空氣耦合超聲波檢測系統(tǒng)外觀

圖18空氣耦合超聲波檢測系統(tǒng)構(gòu)成圖

四、激光超聲技術(shù)

1.原理：

激光超聲是一種非接觸,高精度,無損傷的新型超聲檢測技術(shù)。它利用激光脈沖在被檢測工件中激發(fā)超聲波,并用激光束探測超聲波的傳播,從而獲取工件信息，比如工件厚度、內(nèi)部及表面缺陷，材料參數(shù)等等。激光超聲檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖19所示。

圖19激光超聲檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡圖

當激光的能量聚焦照射到彈性材料表面時，部分會轉(zhuǎn)移到材料本身并以熱能和應(yīng)力波動能的形式表現(xiàn)出來。通過改變激發(fā)激光的幾何形狀可以控制能量在材料中的分布以及對材料的影響。激光超聲就是利用高能激光脈沖與物質(zhì)表面的瞬時熱作用，通過熱彈效應(yīng)（少數(shù)情況是熱蝕效應(yīng)）在固體表面產(chǎn)生應(yīng)變和應(yīng)力場，使粒子產(chǎn)生波動，進而在物體內(nèi)部產(chǎn)生超聲波。

當激光入射到材料上時，所產(chǎn)生的超聲波以不同的類型傳播出去，主要有縱波、橫波和表面波。

圖20激光超聲技術(shù)原理

影響超聲波傳播特性的因素很多，主要有材料對激光光能量的吸收程度、材料的熱傳導(dǎo)特性、激勵激光的頻率、材料表面的光滑程度等。

2.應(yīng)用：

激光超聲檢測技術(shù)結(jié)合了超聲檢測的高精度和光學(xué)檢測非接觸的優(yōu)點,具有高靈敏度(亞納米級),高檢測帶寬(GHz)的優(yōu)點。

目前該技術(shù)的成熟工業(yè)應(yīng)用已經(jīng)擴展到硅片檢測，激光焊接焊縫質(zhì)量在線監(jiān)控，風(fēng)力發(fā)電機葉片檢測，飛機機身搭接腐蝕檢測，高溫陶瓷，金屬，復(fù)合材料檢測，電子元器件/半導(dǎo)體封裝質(zhì)量檢測，各種材料涂層缺陷檢測等眾多領(lǐng)域。

五、紅外熱成像技術(shù)

紅外熱成像運用光電技術(shù)檢測物體熱輻射的紅外線特定波段信號，將該信號轉(zhuǎn)換成可供人類視覺分辨的圖像和圖形，并可以進一步計算出溫度值。

1.原理：

紅外線在地表傳送時，會受到大氣組成物質(zhì)( 特別是H2O、CO2、CH4 、N2O、O3等)的吸收，強度明顯下降，僅在短波3μ~5μm及長波8~12μm的兩個波段有較好的穿透率(Transmission)，通稱大氣窗口(Atmospheric window)，大部分的紅外熱像儀就是針對這兩個波段進行檢測，計算并顯示物體的表面溫度分布。

此外，由于紅外線對極大部份的固體及液體物質(zhì)的穿透能力極差，因此紅外熱成像檢測是以測量物體表面的紅外線輻射能量為主。

圖21某零件的紅外成像圖（藍色的部分顯示了水分的存在）

圖22不銹鋼管缺陷處的害怕你紅外成像圖

2.特點：

物體的熱輻射能量的大小，直接和物體表面的溫度相關(guān)。熱輻射的這個特點使人們可以利用它來對物體進行無接觸溫度測量和熱狀態(tài)分析，從而為工業(yè)生產(chǎn)，節(jié)約能源，保護環(huán)境等等方面提供了一個重要的檢測手段和診斷工具。

六、導(dǎo)波檢測技術(shù)

1.原理：

導(dǎo)波檢測在無損評估領(lǐng)域?qū)僮钚路椒ㄖ?，這種方法采用機械應(yīng)力波沿著延伸結(jié)構(gòu)傳播，傳播距離長而衰減小。

圖23導(dǎo)波檢測原理圖

與傳統(tǒng)超聲波檢測相比，導(dǎo)波檢測使用非常低頻的超聲波，通常在10~100千赫。有時也使用更高的頻率，但是探測距離會明顯減少。另外，導(dǎo)波的物理原理比體積型波更加復(fù)雜。

圖24傳統(tǒng)超聲博檢測與導(dǎo)波檢測的不同之處

2.優(yōu)勢與劣勢：

優(yōu)勢在于：

a. 長距離檢驗----能達到上百米的檢驗距離

b. 接觸受限----對保溫管，能夠最小限度地移除保溫層；對管道支撐下的腐蝕，無需升起管道；對高空的檢驗，腳手架的需求能簡化到最低限度；可檢驗穿越公路的埋地管道；

c. 數(shù)據(jù)能被完全記錄；

d. 完整的自動化數(shù)據(jù)收集。

劣勢在于：

a. 數(shù)據(jù)的解釋高度依賴于操作人員；

b. 很難發(fā)現(xiàn)小的點蝕缺陷；

c. 對緊挨附件的檢驗區(qū)域，效率不高。

圖25導(dǎo)波檢測信號圖

目前，導(dǎo)波檢測廣泛應(yīng)用于檢測大量工程結(jié)構(gòu)，特別是全世界各地的金屬管道檢驗。有時單一的位置檢測可達數(shù)百米。同時導(dǎo)波檢測還應(yīng)用于檢測鐵軌、棒材和金屬平板結(jié)構(gòu)。

復(fù)合材料的損傷缺陷檢測是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理的基礎(chǔ)，也是其性能評估的依據(jù)。目前除了上述詳細介紹的無損檢測技術(shù)，還有目視檢查法、聲阻檢查法等等。這些技術(shù)各有所長，我們可以根據(jù)實際情況來選擇合適的方法。