紅夕卜熱波無損檢測技術在復合材料檢測方面的應用鄧淑萍鄭海平姜照漢西安非金屬材料材料研究所

楊玉孝西安交通大學摘要：本文闡述了紅外熱波無損檢測技術的基本原理和特點，介紹了國內(nèi)外相關技術研究的發(fā)展現(xiàn)狀，以及在非金屬復合材料上檢測應用的實例。關鍵詞：紅外熱波；復合材料1引言由于復合材料具有高強度、高彈性模量、低熱膨脹系數(shù)和高導熱性等優(yōu)良性能，現(xiàn)已在航天航空領域獲得了廣泛的應用，但是，由于復合材料制造過程復雜，在制作成型過程中受設備、環(huán)境、人員及原材料等因素的影響，在產(chǎn)品內(nèi)部易產(chǎn)生空穴、裂紋、分層、多孔等缺陷，對產(chǎn)品的質(zhì)量和安全性能影響極大，因此，對產(chǎn)品的檢測尤為重要。用于復合材料無損檢測的方法主要有射線、超聲、磁粉、滲透、渦流、激光全息及紅外無損檢測技術等，超聲、射線檢測技術應用最多，但受檢測原理影響，射線檢測成本高、周期長，不適于現(xiàn)場在線檢測，對小分層、脫粘緊貼型缺陷無法檢測；超聲檢測需要逐點掃描、檢測效率低，對小、薄及結構復雜的工件檢測困難，對復合構件中的脫粘緊貼型缺陷也無法檢測；磁粉法只限于鐵磁性材料，定量檢測缺陷深度較為困難；滲透法檢測程序復雜，只能檢測表面開口缺陷，不能檢測表面多孔性材料；渦流法對工件邊緣效應敏感，易給出虛假顯示；激光全息檢測需暗室防震操作，檢測效率低；紅外無損檢測技術作為復合材料結構件的一種無損檢測新方法，具有快速、直觀、準確、非接觸的特點，對于提高復合材料構件的研制與防護質(zhì)量，減少或避免重大事故的發(fā)生，具有重要的科學意義和應用價值。2紅外熱波無損檢測原理及特點紅外熱波無損檢測技術是近年來復合材料無損檢測領域發(fā)展迅速的一種新方法，與常規(guī)的超聲、射線等檢測技術相比，該項檢測技術具有非接觸、全場、大面積、快速、直觀、易實現(xiàn)檢測自動化等優(yōu)點，采用專用軟件對獲得的紅外圖像信息處理后，可直接識別缺陷位置坐標，除此之外，檢測時對周圍環(huán)境沒有特殊要求，設備輕便、可移動，特別適合現(xiàn)場應用和在線、在役檢測，國外已經(jīng)用于金屬和非金屬材料及其復合結構件的無損檢測。紅外熱成像技術理論及應用的研究重點是研究熱源，產(chǎn)品被加熱后，材料內(nèi)部的缺陷改變復合材料局部的熱性能，導致材料表面溫度場的變化，通過材料表面的溫度圖譜即可判定缺陷，采用專用軟件進行實時圖像信號處理，顯示出檢測結果，從而達到檢測目的。如圖1所示。被檢產(chǎn)品被檢產(chǎn)品圖1紅外熱波無損檢測原理圖紅外熱成像技術就是把物體輻射或反射的紅外波段圖像轉換成可見光波段人眼可觀察圖象的技術。根據(jù)斯蒂芬-玻爾茲曼定律，紅外輻射的強度（單位面積向半球方向發(fā)射的全波長輻射功率）可表示為：W=2T4式中：￡--灰體發(fā)射系數(shù)，°--斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)（5.66x10-8Wm-2K￡T--絕對溫度在復合材料制造過程中，因制造工藝不合理使固體復合材料中產(chǎn)生缺陷時，缺陷尺寸相對于物體整個表面而言所占比例很小，所以，均勻加熱缺陷部位時，為了使問題簡化，缺陷附近區(qū)域的熱傳導可以用固體一維熱傳導（沿板厚方向）模型代替，如圖2所示。圖2復合結構件缺陷一維熱傳導模型根據(jù)固體熱傳導方程，簡化后缺陷部位的一維熱傳導方程為:pc=—=kV2Tdt式中：p一密度，c一比熱，k一熱傳導系數(shù)，V—laplace算子，T—溫度，t—時間如果復合結構件內(nèi)存在缺陷，采用適當?shù)臒峒虞d方式加熱構件表面時，熱波在構件內(nèi)部傳播，并在其內(nèi)部擴散，由于試件內(nèi)部存在著裂紋、氣孔、分層等缺陷，這將引起試件的熱傳導、熱容量等性能的改變，經(jīng)過一定的時間，由于熱流被缺陷阻擋，就會在缺陷附近發(fā)生熱量堆積，而這些熱量的堆積必定會以不同的溫度分部反映出來，使得有缺陷區(qū)域的表面溫度不同于沒有缺陷區(qū)域?qū)谋砻娴臏囟?，當用紅外探測器掃描或觀察試件表面時，紅外熱像儀就可以測定工件表面的溫度分布狀況，在試件加熱或冷卻過程中探測出物體表面溫度變化的差異，進而判明缺陷的存在及其大小。3國內(nèi)外發(fā)展概況目前國外紅外熱波無損檢測技術的應用研究以美國較為領先，其次是瑞典、加拿大、英國和日本，主要應用于航空航天領域金屬、陶瓷、橡膠等和發(fā)動機金屬噴管膠接質(zhì)量的檢驗。美國GE、GM、波音、福特、洛克西德、西屋、NASA及海軍等已廣泛應用，美國、俄羅斯、法國、加拿大等國己把紅外熱波檢測技術廣泛應用于飛機復合材料構件內(nèi)部缺陷及膠接質(zhì)量檢測、蒙皮鉚接質(zhì)量檢測。美國空間動力系統(tǒng)GDSS從1992年起就用該技術對Atlas空間發(fā)射艙復合材料的脫粘缺陷和A3火箭進行檢測，目前紅外無損檢測已經(jīng)正式應用于生產(chǎn)檢測。美國的無損檢測協(xié)會負責編寫、2001年出版的無損檢測手冊中，紅外熱像無損檢測分冊里有大量的篇幅論述紅外熱波無損檢測技術在航空航天領域的應用。美國韋恩州立大學的工業(yè)制造研究所在該技術領域的研究上一直得到美國政府機構和許多大公司科研基金的支持，處在該領域研究的最前沿，取得了很多實際的研究成果。在FAA1998，1999和2000年飛機機身無損探傷技術競標中，此技術擊敗包括X射線、超聲波、暗電流檢測等多項技術而唯一勝出。并逐漸被NASA、美國空軍和海軍、波音、洛克希德.各大汽車公司及各大航空公司等許多知名大公司所采用。自20世紀90年代中期以來.這些政府機構和大公司紛紛設立了紅外熱波無損檢測實驗室，用于研究解決各自獨特的無損檢測問題。目前國內(nèi)紅外熱波無損檢測技術尚處于試驗研究階段，國內(nèi)科研單位在金屬、金屬與非金屬復合結構中缺陷的紅外無損檢測與評價方面也進行了卓有成效的研究工作，如西安交大、北方交大、東南、天大、清華、621所、205所等，應用領域涉及電力、機車、醫(yī)學、集成電路等熱

故障缺陷的檢測和航空航天領域鋁蜂窩結構、多層材料復合結構的分層、脫粘、裂縫等缺陷檢測。如火箭發(fā)動機的機體、火箭殼體、航空發(fā)動機噴管、渦輪葉片以及飛機蜂窩狀結構等部件。2003年該項技術的應用研究列入國家863計劃，同時得到211工程支持，北京首都師范大學、北京航空航天大學、北京航空材料研究院等單位進行了一些典型試件的應用試驗，并獲得了一些初步的實驗結果。但由于是試驗研究項目，專用檢測設備的開發(fā)應用尚處于實驗室階段，目前國內(nèi)還無紅外熱相儀的專業(yè)生產(chǎn)廠家，主要依靠引進紅外熱相儀進行相關技術研究工作。4應用實例紅外熱波無損檢測系統(tǒng)本次紅外熱波檢測試驗使用的紅外檢測儀器為美國FLIRThermaCAMTMP30便攜式非制冷型紅外熱像儀，采用熱加載方式為：（1）遠紅外均勻加熱，冷卻過程中檢測；（2）大風口、小溫度梯度熱氣流局部瞬態(tài)加熱，在加熱、冷卻過程中檢測；（3）小風口、大溫度梯度局部瞬態(tài)加熱，在加熱、冷卻過程中檢測。在以上加熱方式中均采用同側加熱、反射紅外熱波檢測和異側加熱、透射紅外熱波檢測，從而對加熱方式和檢測效果進行評價。檢測試件（3mm高硅氧板+3mm碳纖維板），如圖3所示。H￥K_2#_on心H￥K_2#_on心圖3檢測試件實物照片檢測結果通過對檢測試件進行不同加載方式、不同加載溫度梯度和不同加熱源加熱等大量實驗研究，并對實驗結果進行總結分析，得到如圖4的檢測結果。

圖4紅外熱波檢測試驗圖外熱波成像檢測方法研究結果與分析紅外熱波無損檢測技術能夠用于復合材料的無損檢測，檢測設備輕便，對檢測環(huán)境無特殊要求，檢測結果直觀，標準配置的紅外熱像儀能夠檢測出復合材料內(nèi)部的O10mm分層、氣孔等缺陷，如果要提高檢測的靈敏度，需要改進現(xiàn)有熱像儀配置，采用配置高空間分辨率鏡頭、可以實時記錄熱像圖的熱像儀，而且要采用適合的熱加載技術，以及后續(xù)熱圖像信息處