復合材料的缺陷及其無損檢測

在過去的50年里，飛機結構設計缺陷的處理一直是飛機結構設計的一個重要方面。各種不同的災難事件已經獲得了一些關鍵見解，這些見解如今塑造了飛機主要結構的設計理念。其中之一就是安全壽命結構和故障安全結構之間的區別。

安全壽命部件的設計目的是在整個使用壽命期間不出現裂紋和缺陷，而裂紋和缺陷對部件的應力狀態起著主要作用。因此，產生裂紋所需的疲勞壽命將低于預期的使用壽命。這種設計方法主要用于沒有備用件且故障會導致飛機損失的部件。安全壽命部件的一個典型例子是起落架，這仍然是起落架采用高強度鋼制造的原因之一，工程師們對此擁有悠久的結構數據。

第二種“故障安全”設計理念假設任何實際制造過程都會在零件內部引入缺陷，即使是微觀的，也可能因批次不同而有所差異，并可能在使用壽命期間不斷增大。因此，故障安全組件的結構設計為可承受所有施加的負載，直至缺陷達到一定程度，即所謂的“臨界尺寸”，這通常可以通過肉眼檢測并充當應力集中器。通過這種方式，關鍵組件會在特定的服務間隔內受到持續監控，以確保沒有裂紋超過臨界缺陷尺寸，如果發生這種情況，則隨后進行更換。

此外，還采用裂紋擴展分析來確定裂紋擴展至臨界尺寸需要多少次飛行/負載循環。這些見解大多源自工程師在過去50年里在金屬飛機領域積累的經驗，事實上，從木質飛機到金屬飛機的過渡期間，學習曲線相當陡峭。

如今，我們正面臨著類似的轉變，從金屬材料向以纖維增強塑料為主的塑料和其他先進材料轉變，這些材料的失效機制通常比金屬復雜得多。首先，在金屬結構中，裂紋通常始于缺陷或應力集中，然后在疲勞載荷下擴展，直至最終失效。然而，復合材料中的損傷形態完全不同：大量微觀缺陷（例如樹脂固化后收縮過程中出現的微裂紋）存在于大量材料中，這些缺陷可能會隨著時間的推移發展成不同的失效機制。其次，大多數金屬都具有延性失效機制，因此可以通過塑性變形的開始直觀地檢測到過載。因此，在結構超載和災難性故障之間通常會有一個警告期。另一方面，纖維增強塑料，特別是碳纖維復合材料，會因更脆、更突然的機制而失效。第三，雖然裂紋擴展是金屬結構部件設計的主要驅動因素，如今可以使用分析方法或有限元代碼相當準確地預測裂紋擴展，但纖維增強塑料還有許多其他同樣重要的故障機制和制造缺陷。一些例子是纖維斷裂、基體裂紋、基體纖維脫粘、分層、空隙、層板錯位、浸漬不足和纖維波紋。分層等層間故障尤其重要，因為當層壓板在整個厚度方向上受力時，它們會非常迅速地發生，例如在縱梁跑偏、C型梁的拐角半徑或簡單的撞擊事件（如工廠中的工具掉落）中。由于垂直方向通常沒有增強纖維，因此結構完整性僅由弱基質保證。由于這種固有的弱點，不同的層可能在其層壓界面處被拉開。諸如全厚度增強之類的技術，例如目前正在研究3D編織、Z-Pinning或納米纖維增強。在壓縮力的作用下，這些脫層可能會形成氣泡，即所謂的邊界屈曲，這種氣泡很容易沿著層壓界面擴散，導致部件解體。

復合材料層合板的脫層屈曲

最后，不同的失效機制實際上會相互作用，因此準確預測包括缺陷在內的失效載荷非常困難。此外，即使是實驗室大小的樣本的實驗數據也不能輕易用于實際大小的部件，因為已經發現結構的放大會極大地改變主要的失效機制。最后，纖維增強塑料中的失效部位通常是內部的，這意味著工程師在維修期間無法通過簡單的目視檢查發現它們。

因此，近年來和不久的將來纖維增強塑料結構的使用越來越多，這意味著需要更復雜的評估技術來保證飛機的安全設計和運行。另一個關鍵問題是如何在結構設計中可靠地考慮這些新類型的缺陷？

與金屬材料相比，復合材料具有非常獨特的特性，即材料和結構/部件是同時制造的。這意味著部件中的缺陷數量在很大程度上取決于制造工藝。在復合材料中，將材料性能降低到包括“臨界缺陷尺寸”的水平的故障安全設計理念不僅對于降低金屬結構中的故障概率很重要，而且還因為沒有缺陷的制造工藝在經濟上是無法承受的。因此，工藝和質量控制的程度在很大程度上取決于行業的安全要求。

例如，產量大且競爭激烈的汽車行業需要保證乘客安全，同時將制造成本保持在最低水平。然而，在航空航天工業中，部件的質量絕對至關重要，比制造成本更重要。因此，汽車行業更多地依賴于非高壓釜灌注工藝，這種工藝可以實現高產量，例如樹脂傳遞模塑；而航空航天工業目前則依賴于高壓釜的高溫高壓固化環境，這種環境可以制造出缺陷少且可控的高性能部件。

無損檢測（NDT）方法通常用于檢測材料內部或表面的缺陷，一般將它們分為表面方法、體積方法和整體方法。這些方法通常在制造過程結束時用作質量控制措施，或在零件使用壽命期間用于監控和評估其是否適合繼續使用。

表面方法包括目視檢查技術，例如掃描表面以查找明顯的裂紋、孔隙、富含/缺乏樹脂的區域或表面波紋。這通常與內窺鏡結合使用，以檢查遠程或難以接近的位置。此外，一種常見的技術是染料滲透檢查，即將染料涂在外表面，然后用紫外線照射，以突出染料滲入的表面裂紋。這種技術在航空發動機部件中非常流行，但本質上非常耗時耗力。

1. 材料表面出現肉眼不可見的裂紋；2. 將滲透劑涂在表面；3. 去除多余的滲透劑；4. 涂上顯像劑，使裂紋可見

體積檢測方法包括簡單的敲擊試驗、超聲波篩選以及最復雜的X射線和計算機斷層掃描技術。方法的選擇在很大程度上取決于要檢測的缺陷類型以及周期時間和生產成本的重要性。

簡單的表面缺陷、夾層結構中的芯部擠壓可以通過視覺技術輕松檢測出來，而敲擊試驗可以非常有效地用于確定分層或較大的內部空隙。在敲擊試驗中，用硬物（如硬幣或戒指）輕輕敲擊部件，如果邊界位于測試點下方，則會發出非常沉悶的聲音。

另一方面，邊界的確切位置和大小、可能的污染物、空隙或微孔隙只能通過超聲波或CT技術檢測出來。在這方面，超聲波掃描由于其檢測保真度高、結構緊湊、成本相對較低（與CT技術相比），已成為航空航天工業中最廣泛使用的無損檢測技術。

超聲波掃描是將超聲波投射到組件中，通過測量回聲的強度和時間延遲，可以檢測到與主體復合材料不同的夾雜物（空氣、固體物體等）。

超聲波檢測原理。左圖：探頭將聲波發射到測試材料中。有兩種跡象，一種來自探頭的初始脈沖，另一種來自后壁回波；右圖：缺陷產生第三個跡象，同時降低了后壁跡象的幅度

超聲波掃描的缺點之一是需要在探頭和部件表面之間使用某種耦合劑（通常是水或凝膠）才能保證高質量的讀數。此外，即使使用可以在表面上滾動或由機械臂控制的多探頭超聲波陣列，大面積掃描也非常耗時，因此這種技術通常僅限于關鍵或高應力部件。

最后，CT技術目前僅在學術界得到廣泛應用，它們可以非常深入地了解固化部件的精確3D形態，并顯示裂紋是如何、在何處產生的以及何時擴展。南安普頓大學的同步輻射計算機斷層掃描等一些設備可以生成負載下部件的極其詳細的3D圖和視頻，這對于幫助研究人員了解導致復合材料失效的原因非常有用。

3D同步加速器圖像

近年來，結構健康監測等方法已成為全球熱門研究課題。在結構健康監測中，應變計或光纖布拉格光柵系統等傳感器被嵌入結構中，提供有關應力狀態的實時數據。通過這種方式可以實時監測結構的健康狀況，并在需要的時間設置維修間隔和更換部件。然而，這些系統可能無法嵌入整個飛機，并且需要大量存儲空間來應對持續的數據流。

為了充分利用高性能復合材料的優勢，了解缺陷的有害影響和損壞機制至關重要。在這方面，無損檢測是一種非常有價值的工具，可用于調查和繪制部件的內部狀況。

航空航天和汽車行業未來面臨的挑戰之一是決定需要哪些無損檢測細節來保證產品在整個使用壽命期間的結構完整性，并將其與特定技術產生的成本進行權衡。

作者：李彬彬

來源：復合材料前沿