應(yīng)用

要保證航天飛機的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在整個在役過程中的完整性，材料的完好粘接狀態(tài)至關(guān)重要。為此，我們開發(fā)了用于在維護過程中評估材料粘接質(zhì)量的無損檢測（NDT）方法。這則應(yīng)用注釋回顧了近為提高檢測的可靠性而開發(fā)的多種方法。

背景

目前在飛機制造過程中對復(fù)合材料的使用急劇增長。各大主要機身制造商，如：波音（Boeing）和空中客車（Airbus），在他們各自的商業(yè)飛機制造中，已經(jīng)極大地增加了對復(fù)合材料的使用。Boeing 787的整個機身幾乎都是由復(fù)合材料制成，而Airbus A380和A350也添加了大量的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。支線和商用噴氣式飛機制造商在制造各自的飛機時，也增加了對復(fù)合材料的使用。在飛機的制造上，也出現(xiàn)了同樣的復(fù)合材料使用增長的現(xiàn)象，如：F22戰(zhàn)斗機和A400運輸機。
由于飛機的結(jié)構(gòu)很容易受到撞擊和雷擊，因此需要使用一些可靠有效的無損檢測方式（NDT），對飛機受到撞擊后可能出現(xiàn)的損傷進行快速評估。這些由世界各地的NDT檢測人員所使用的方法和儀器，一定要簡單好用，以確保在飛機的維護核查過程中，獲得一致性的檢測結(jié)果。
飛機受到撞擊后，可能會使其復(fù)合材料結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不同類型的損傷。損傷的情況會根據(jù)復(fù)合材料部件的特性、組成材料及密度而不同。復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)受到撞擊后產(chǎn)生的缺陷，主要是機身的各種層壓材料之間以及與機翼蒙皮之間的分層缺陷。不過撞擊也會引起蒙皮與加強筋之間的脫粘。這種脫粘情況會極大地傷害飛機結(jié)構(gòu)的完整性。B787型和A350型飛機的機身主要為層壓結(jié)構(gòu)。

圖1：層壓結(jié)構(gòu)的分層缺陷
在層壓碳皮之間的帶有蜂窩夾芯（NOMEX等）的復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)中，撞擊結(jié)果會表現(xiàn)為不同類型的損傷。在飛機遭到撞擊后，可能會出現(xiàn)以下缺陷：
A型：平行于表面的外部CFRP蒙皮的多層材料之間出現(xiàn)分層缺陷
B型：外側(cè)蒙皮與蜂窩芯之間的脫粘缺陷
C型：平行于檢測表面的蜂窩芯出現(xiàn)裂紋
D型：平行區(qū)域的蜂窩芯被碾碎
E型：內(nèi)側(cè)蒙皮與蜂窩芯之間的脫粘缺陷
F型：蜂窩芯中有流體侵入

圖2：復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)中的損傷

解決方案和設(shè)備

多模式聲學(xué)粘接檢測
奧林巴斯的Bondmaster 600是一款使用一發(fā)一收模式、機械阻抗分析（MIA）和諧振檢測方式對復(fù)合材料進行檢測的多模式超聲粘接檢測儀器。很久以前這款儀器就用于對大多數(shù)現(xiàn)有的飛機進行檢測，只是近又開發(fā)出了借助這款儀器完成的新的檢測方式。

圖3：奧林巴斯的BondMaster 600
一發(fā)一收模式用于檢測帶有蜂窩結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。發(fā)射器將聲能傳送到工件內(nèi)，然后，接收器再接收反射回來的聲能。在粘接完好的條件下，部分聲能由于蜂窩結(jié)構(gòu)的吸收而產(chǎn)生衰減。當(dāng)探頭被放置在脫粘區(qū)域上時，返回到接收器的聲能會變得很大，并會引起波幅的變化。


圖4：粘接檢測的一發(fā)一收模式
這項技術(shù)近得到了優(yōu)化調(diào)整，可以可靠地探測到位于40毫米厚的蜂窩結(jié)構(gòu)以下遠端的（面積為25毫米× 25毫米）脫粘缺陷，如：E型缺陷。針對困難且費時的空中客車（Airbus）飛機的檢測，我們專門設(shè)計了一種新式差分高電壓探頭。在空中客車的維護公告中，現(xiàn)在記載著使用這種探頭檢測所獲得的非同尋常的結(jié)果。
常規(guī)超聲檢測
超聲技術(shù)是在檢測復(fù)合材料結(jié)構(gòu)時使用的為普遍的一種技術(shù)。如今已經(jīng)開發(fā)了各種各樣的用于復(fù)合材料檢測的超聲儀器。一般來說，超聲波可以在復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)中很好地傳播，而且可以相當(dāng)容易地探測到異常現(xiàn)象。不過，在檢測夾芯結(jié)構(gòu)時，超聲波會因為內(nèi)芯結(jié)構(gòu)的不均勻性和低密度性，而得到極大的衰減。因此，利用超聲技術(shù)對夾芯結(jié)構(gòu)進行的檢測，要求儀器具有更多的功能。
在制造環(huán)境中，大型夾芯平板工件可以通過穿透方式得到檢測。在這種穿透檢測過程中，相對較高波幅的超聲波被發(fā)送到工件，并穿過工件，然后位于工件另一側(cè)的接收探頭再對信號的衰減程度進行測量。所得到的結(jié)果一般表現(xiàn)為C掃描圖像。這種技術(shù)已經(jīng)得到普遍地應(yīng)用，而且非常可靠。但是，這種技術(shù)不能用于維護環(huán)境中，因為我們不可能從飛機結(jié)構(gòu)的兩側(cè)接觸到需要檢測的部位。
不過，我們可以通過超聲技術(shù)，探測到飛機內(nèi)側(cè)和外側(cè)蒙皮的脫粘缺陷，流體侵入情況，以及夾芯碾碎的情況。在這類檢測中，必須要使用低頻探頭和底面信號的功能，而且要以一種非常聰明的方式使用這些設(shè)備和功能。外側(cè)蒙皮的分層缺陷，以及外側(cè)蒙皮與夾芯之間脫粘的缺陷，表現(xiàn)為底面回波信號得到完全衰減的特性。
近開發(fā)的一項技術(shù)可以探測出內(nèi)側(cè)蒙皮和夾芯之間的脫粘缺陷。這個技術(shù)要使用一種寬帶寬的1 MHz探頭。當(dāng)這個探頭被一個強大的方波脈沖激勵時，會在探頭下方的結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生諧振。儀器的接收器濾波器被調(diào)節(jié)到被檢結(jié)構(gòu)的厚度，并在相應(yīng)的半波長條件下發(fā)揮作用。脫粘情況會降低結(jié)構(gòu)的硬度，會使諧振轉(zhuǎn)換到更長的波長，因此會使諧振的頻率降低。內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的一個25毫米× 25毫米的脫粘缺陷會因此使底面回波信號的衰減從6 db增加到12 db。

圖5：超聲諧振技術(shù)原理
具有高電壓脈沖、方波脈沖，以及可選窄帶濾波器的EPOCH 650超聲探傷儀是應(yīng)用這項技術(shù)的儀器。

圖6：奧林巴斯的EPOCH 650

相控陣超聲檢測
近，諸如超聲相控陣的一些新技術(shù)也得到了發(fā)展。現(xiàn)在市場上還出現(xiàn)了易于使用的便攜式儀器。在飛機制造商的維護手冊中已經(jīng)提及了可用于各種檢測應(yīng)用的OmniScan PA儀器，所提及的應(yīng)用包含探測復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)中的撞擊損傷。
在檢測這種結(jié)構(gòu)時，需要使用儀器的線性掃查功能。儀器使用零度線性掃查功能時，通過一次掃查就可以覆蓋大面積的區(qū)域。這種儀器與便攜式掃查器一起使用時，如：Glider，可以在C掃描圖像中顯示檢測結(jié)果，從而為用戶提供了一種被檢結(jié)構(gòu)的映射圖像。通過使用掃查器，并借助圖像功能，增加了檢測的可靠性，并提高了檢測速度。

圖7：用于復(fù)合材料檢測的奧林巴斯的OmniScan PA和GLIDER
借助活動梯使用的手持式損傷檢測儀
在NDT技術(shù)人員投入了大量的精力，開發(fā)出超聲檢測的新式方法和新型儀器的同時，（由于飛機制造越來越多地使用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，）也需要對降落到機場并等待起飛的飛機，快速進行檢查，以發(fā)現(xiàn)飛機是否有因撞擊而造成的損傷。由于不是全球每個機場都配備有無損檢測技術(shù)人員，因此這類儀器的設(shè)計目的是由非技術(shù)人員使用，探測出可能因撞擊而引起的分層缺陷。
35RDC是一款簡單的go/no-go（快速確定產(chǎn)品合格/不合格）的超聲儀器，用于檢測新式波音787飛機以及其它復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。這款儀器可以由未受到NDT培訓(xùn)的人員使用，以探測出堅固的層壓結(jié)構(gòu)（非蜂窩結(jié)構(gòu)）的近表面的撞擊損傷。這個由波音公司開發(fā)并在后來獲得了專利的概念，基于已經(jīng)發(fā)展成熟的脈沖/回波技術(shù)。35RDC儀器在B787結(jié)構(gòu)修復(fù)數(shù)據(jù)文件中被提及。

圖8：奧林巴斯的35RDC（借助活動梯對機身損傷進行檢測的儀器）