要保證航天飛機(jī)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在整個(gè)在役過(guò)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(kāi)發(fā)了用于在維護(hù)過(guò)程中評(píng)估材料粘接質(zhì)量的無(wú)損檢測(cè)（NDT）方法。這則應(yīng)用注釋回顧了最近為提高檢測(cè)的可靠性而開(kāi)發(fā)的多種方法。

目前在飛機(jī)制造過(guò)程中對(duì)復(fù)合材料的使用急劇增長(zhǎng)。各大主要機(jī)身制造商，如：波音（Boeing）和空中客車(chē)（Airbus），在他們各自的商業(yè)飛機(jī)制造中，已經(jīng)極大地增加了對(duì)復(fù)合材料的使用。Boeing 787的整個(gè)機(jī)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(jī)制造商在制造各自的飛機(jī)時(shí)，也增加了對(duì)復(fù)合材料的使用。在軍用飛機(jī)的制造上，也出現(xiàn)了同樣的復(fù)合材料使用增長(zhǎng)的現(xiàn)象，如：F22戰(zhàn)斗機(jī)和A400運(yùn)輸機(jī)。 

由于飛機(jī)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(wú)損檢測(cè)方式（NDT），對(duì)飛機(jī)受到撞擊后可能出現(xiàn)的損傷進(jìn)行快速評(píng)估。這些由世界各地的NDT檢測(cè)人員所使用的方法和儀器，一定要簡(jiǎn)單好用，以確保在飛機(jī)的維護(hù)核查過(guò)程中，獲得一致性的檢測(cè)結(jié)果。 

飛機(jī)受到撞擊后，可能會(huì)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(huì)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(jī)身的各種層壓材料之間以及與機(jī)翼蒙皮之間的分層缺陷。不過(guò)撞擊也會(huì)引起蒙皮與加強(qiáng)筋之間的脫粘。這種脫粘情況會(huì)極大地傷害飛機(jī)結(jié)構(gòu)的完整性。B787型和A350型飛機(jī)的機(jī)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(huì)表現(xiàn)為不同類型的損傷。在飛機(jī)遭到撞擊后，可能會(huì)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(cè)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

多模式聲學(xué)粘接檢測(cè)

奧林巴斯的Bondmaster 600是一款使用一發(fā)一收模式、機(jī)械阻抗分析（MIA）和諧振檢測(cè)方式對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行檢測(cè)的多模式超聲粘接檢測(cè)儀器。很久以前這款儀器就用于對(duì)大多數(shù)現(xiàn)有的飛機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，只是最近又開(kāi)發(fā)出了借助這款儀器完成的新的檢測(cè)方式。 

圖3：奧林巴斯的BondMaster 600

一發(fā)一收模式用于檢測(cè)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(lái)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(shí)，返回到接收器的聲能會(huì)變得很大，并會(huì)引起波幅的變化。 


圖4：粘接檢測(cè)的一發(fā)一收模式 

這項(xiàng)技術(shù)最近得到了優(yōu)化調(diào)整，可以可靠地探測(cè)到位于40毫米厚的蜂窩結(jié)構(gòu)以下遠(yuǎn)端的（面積為25毫米 × 25毫米）脫粘缺陷，如：E型缺陷。針對(duì)困難且費(fèi)時(shí)的空中客車(chē)（Airbus）飛機(jī)的檢測(cè)，我們專門(mén)設(shè)計(jì)了一種新式差分高電壓探頭。在空中客車(chē)的維護(hù)公告中，現(xiàn)在記載著使用這種探頭檢測(cè)所獲得的非同尋常的結(jié)果。 

常規(guī)超聲檢測(cè)

超聲技術(shù)是在檢測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)時(shí)使用的最為廣泛的一種技術(shù)。如今已經(jīng)開(kāi)發(fā)了各種各樣的用于復(fù)合材料檢測(cè)的超聲儀器。一般來(lái)說(shuō)，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(cè)到異?，F(xiàn)象。不過(guò)，在檢測(cè)夾芯結(jié)構(gòu)時(shí)，超聲波會(huì)因?yàn)閮?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(duì)夾芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行的檢測(cè)，要求儀器具有更多專用的功能。 

在制造環(huán)境中，大型夾芯平板工件可以通過(guò)穿透方式得到檢測(cè)。在這種穿透檢測(cè)過(guò)程中，相對(duì)較高波幅的超聲波被發(fā)送到工件，并穿過(guò)工件，然后位于工件另一側(cè)的接收探頭再對(duì)信號(hào)的衰減程度進(jìn)行測(cè)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)得到廣泛地應(yīng)用，而且非?？煽?。但是，這種技術(shù)不能用于維護(hù)環(huán)境中，因?yàn)槲覀儾豢赡軓娘w機(jī)結(jié)構(gòu)的兩側(cè)接觸到需要檢測(cè)的部位。 

不過(guò)，我們可以通過(guò)超聲技術(shù)，探測(cè)到飛機(jī)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(cè)中，必須要使用低頻探頭和底面信號(hào)的跟蹤功能，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(hào)得到完全衰減的特性。 

最近開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)技術(shù)可以探測(cè)出內(nèi)側(cè)蒙皮和夾芯之間的脫粘缺陷。這個(gè)技術(shù)要使用一種寬帶寬的1 MHz探頭。當(dāng)這個(gè)探頭被一個(gè)強(qiáng)大的方波脈沖激勵(lì)時(shí)，會(huì)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(zhǎng)條件下發(fā)揮作用。脫粘情況會(huì)降低結(jié)構(gòu)的硬度，會(huì)使諧振轉(zhuǎn)換到更長(zhǎng)的波長(zhǎng)，因此會(huì)使諧振的頻率降低。內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的一個(gè)25毫米 × 25毫米的脫粘缺陷會(huì)因此使底面回波信號(hào)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、優(yōu)質(zhì)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(xiàng)技術(shù)的首選儀器。 
圖6：奧林巴斯的EPOCH 650


相控陣超聲檢測(cè)

最近，諸如超聲相控陣的一些新技術(shù)也得到了發(fā)展?，F(xiàn)在市場(chǎng)上還出現(xiàn)了易于使用的便攜式儀器。在飛機(jī)制造商的維護(hù)手冊(cè)中已經(jīng)提及了可用于各種檢測(cè)應(yīng)用的OmniScan PA儀器，所提及的應(yīng)用包含探測(cè)復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)中的撞擊損傷。 

在檢測(cè)這種結(jié)構(gòu)時(shí)，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(shí)，僅通過(guò)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(shí)，如：Glider，可以在C掃描圖像中顯示檢測(cè)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(guò)使用掃查器，并借助圖像功能，增加了檢測(cè)的可靠性，并提高了檢測(cè)速度。 
圖7：用于復(fù)合材料檢測(cè)的奧林巴斯的OmniScan PA和GLIDER

借助活動(dòng)梯使用的手持式損傷檢測(cè)儀

在NDT技術(shù)人員投入了大量的精力，開(kāi)發(fā)出超聲檢測(cè)的新式方法和新型儀器的同時(shí)，（由于飛機(jī)制造越來(lái)越多地使用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，）也需要對(duì)降落到機(jī)場(chǎng)并等待起飛的飛機(jī)，快速進(jìn)行檢查，以發(fā)現(xiàn)飛機(jī)是否有因撞擊而造成的損傷。由于不是全球每個(gè)機(jī)場(chǎng)都配備有無(wú)損檢測(cè)技術(shù)人員，因此這類儀器的設(shè)計(jì)目的是由非技術(shù)人員使用，探測(cè)出可能因撞擊而引起的分層缺陷。 

35RDC是一款簡(jiǎn)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(cè)新式波音787飛機(jī)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(cè)出堅(jiān)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(gè)由波音公司開(kāi)發(fā)并在后來(lái)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(dòng)梯對(duì)機(jī)身?yè)p傷進(jìn)行檢測(cè)的儀器）