陳俊逸

基于紅外熱成像技術(shù)的復(fù)合材料蜂窩結(jié)構(gòu)積水檢測

陳俊逸

基于紅外熱成像原理技術(shù)對航空器復(fù)合材料蜂窩結(jié)構(gòu)積水缺陷進(jìn)行檢測，分析比較目前常規(guī)復(fù)合材料的檢測方法與紅外熱成像檢測的特點(diǎn)，詳述了紅外熱成像的應(yīng)用程序及注意事項(xiàng)，并在此基礎(chǔ)上提出了紅外熱成像技術(shù)現(xiàn)況和未來廣泛的應(yīng)用前景。

先進(jìn)復(fù)合材料是上世紀(jì)60年代中期崛起的一種新型材料，因其具有比強(qiáng)度和比剛度高、可設(shè)計(jì)性好等優(yōu)異特性，備受科學(xué)家和航空器設(shè)計(jì)者們的青睞而得到廣泛應(yīng)用。但隨著復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中使用比重的加大，同時伴隨其老齡化所帶來的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)各類損傷亦不可避免的出現(xiàn)。其中蜂窩積水是比較常見卻又難以檢測的一種內(nèi)部損傷情況；蜂窩積水能造成復(fù)合材料部件結(jié)構(gòu)重量增加、層板脫膠、內(nèi)部腐蝕從而導(dǎo)致整個部件失效而危及飛行安全。綜觀現(xiàn)有的檢測技術(shù)，紅外熱成像無損檢測技術(shù)在航空器復(fù)合材料制件尤其蜂窩層合板內(nèi)部積水缺陷的檢測問題上有著明顯的優(yōu)勢。目前，應(yīng)用于航空復(fù)合材料檢測的手段基本沿用金屬材料的方法主要以超聲檢測、渦流檢測、射線檢測為主；但由于復(fù)合材料與金屬材料在組成結(jié)構(gòu)本身存在較大的物理性能、結(jié)構(gòu)特征和制造工藝差異，針對金屬材料的檢測方法并不能準(zhǔn)確檢測復(fù)合材料制件的問題。紅外熱成像新興技術(shù)具有高速、直觀、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，極其適合外場、大修現(xiàn)場、在線在役檢測；所以空客、波音等飛機(jī)制造廠家和政府機(jī)構(gòu)如NASA、FAA、空軍等均大力發(fā)展該項(xiàng)技術(shù)以進(jìn)一步提高飛機(jī)安全性能和可靠性。

紅外熱成像基本原理

1800年英國科學(xué)家赫歇爾在對太陽光的三棱鏡分解試驗(yàn)過程中首先發(fā)現(xiàn)了紅外線，隨后紅外熱檢測技術(shù)得到飛速發(fā)展。作為一項(xiàng)新興的無損檢測手段，它具有快速實(shí)時、無需耦合、遠(yuǎn)距離、大面積檢測、準(zhǔn)確直觀等優(yōu)點(diǎn)而得到了不斷發(fā)展。

任何物體的溫度高于絕對零度（-273℃）時，物體內(nèi)部都有熱的傳導(dǎo)和表面的紅外輻射。其輻射能量的主波長既是物體表面溫度的函數(shù)，也與物體表面狀態(tài)有關(guān)。當(dāng)被檢物體內(nèi)部出現(xiàn)不連續(xù)性時，其熱傳導(dǎo)性能將發(fā)生改變，并使表面溫度分布出現(xiàn)差別。利用紅外熱成像檢測裝置測定被檢物體的熱輻射的差異并將其形成影像，從而檢測出被檢物體內(nèi)部不連續(xù)性的方法，我們稱為紅外熱成像檢測方法。通常用于紅外成像檢測的波長是在電磁波譜紅外波段范圍的 3～30μm 。紅外熱成像檢測中的熱輻射屬于電磁波，它與我們熟知的其他電磁輻射如x射線、光、無線電波一樣可以被反射、傳導(dǎo)和吸收。物體所發(fā)射的紅外線數(shù)量和波長取決于物體的溫度。因此物體具有不同的溫度和發(fā)射系數(shù)，熱像儀接收來自物體的輻射，便可測定物體表面的溫度場分布，圖1為紅外熱成像儀工作原理。

根據(jù)檢測的激勵方式，紅外檢測分為有源紅外檢測法和無源紅外檢測法。有源紅外檢測法是指檢測時利用熱源向工件表面輻射熱量，熱量擴(kuò)散傳遞到工件內(nèi)部；當(dāng)工件內(nèi)部存在缺陷時，熱流就會被阻隔或加速擴(kuò)散，經(jīng)過一段時間后缺陷區(qū)域就會有熱量堆積或過量損失，從而形成溫度梯度變化和差異，再通過熱成像設(shè)備捕獲工件內(nèi)部各處熱輻射分布情況，進(jìn)而判定工件內(nèi)部缺陷的方法稱之為主動式熱激勵方式。無緣紅外檢測法是指不向工件注入熱量而利用工件本身的熱輻射進(jìn)行檢測，又稱被動式紅外檢測。民用航空器維修中主要采用主動式熱激勵方式進(jìn)行紅外成像檢測，通過利用檢測件內(nèi)部結(jié)構(gòu)或成分的非均勻性導(dǎo)致的熱傳導(dǎo)差異特性，針對不同檢測對象采用對應(yīng)的加熱方式給予熱量激勵，再使用紅外熱像儀對試件的溫場變化進(jìn)行記錄并通過專用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理最后獲得檢測結(jié)果。常用的熱激勵方式有電熱毯、熱風(fēng)槍、紅外線燈、烤箱等，在遇到某些檢測件不能加熱的特殊情況時可考慮使用冷卻方法，如冷氣噴射、冷凍存儲、低溫冷媒澆注等激勵方式使檢測件內(nèi)部溫度發(fā)生差異變化。民用航空器維修中，也有用無源紅外檢測法檢測蜂窩積水的工作，例如對波音飛機(jī)在執(zhí)行飛行任務(wù)落地后1h內(nèi)進(jìn)行內(nèi)外側(cè)襟翼后緣蜂窩結(jié)構(gòu)積水檢查就屬于這種類型。

常用復(fù)合材料損傷檢測技術(shù)對比

圖1　紅外熱成像工作原理

紅外熱成像技術(shù)檢測蜂窩積水與傳統(tǒng)X射線照相法、液晶成像和超聲脈沖回波檢測相比較具有明顯的優(yōu)勢，紅外熱成像更為適用在民航外場在位復(fù)合材料蜂窩積水損傷的檢測。

表1　蜂窩積水常用檢測方式對比

圖2　波音B737NG大翼某蓋板結(jié)構(gòu)圖

圖3　蓋板加熱及熱譜獲取

圖4　蓋板紅外熱譜檢測結(jié)果

應(yīng)用實(shí)例

在對蜂窩結(jié)構(gòu)部件的實(shí)際檢測過程中主要利用積液自身的熱容量大，從而使其相對周邊材料保熱時間長這一特點(diǎn)；使用電熱毯及熱譜儀對檢測區(qū)域進(jìn)行控溫加熱，利用不同材料與積液的溫差效應(yīng)通過紅外熱成像儀掃掠和捕獲積液區(qū)域的紅外線頻譜并獲得檢測區(qū)域內(nèi)部各部位的溫度，最終確定積液缺陷的位置、形狀和尺寸等信息。

檢測試件為波音B73NG系列飛機(jī)大翼某前緣蓋板，該蓋板為典型蜂窩夾芯制件；面板增強(qiáng)材料為BMS8-139cl1sty120預(yù)浸料玻璃纖維，蜂窩夾芯為BMS8-124cl4tp5gr3型的NOMEX蜂窩。在檢測過程中通過使用熱譜儀及電熱毯對蓋板進(jìn)行控溫加熱，溫度控制在45℃以下，以防止溫度過高水汽熱漲導(dǎo)致蓋板二次損傷，再通過FLIR T610型紅外線成像儀獲取蓋板整體紅外線頻譜定位蜂窩內(nèi)積液情況。

通過上圖檢測結(jié)果我們可以直接標(biāo)出蓋板內(nèi)部積水區(qū)域?yàn)閳D中33.3～38℃區(qū)間位置；可以讓工程師更直接確定受損區(qū)域和面積，為后續(xù)修理方案的確定提供更直觀的檢測結(jié)果。

結(jié)語

飛機(jī)復(fù)合材料制件在役使用過程中產(chǎn)生的損傷主要為各類沖擊或撞擊所導(dǎo)致的沖擊損傷、分層、蜂窩芯塌陷、積水等，這些損傷多數(shù)為面積型損傷且損傷的擴(kuò)展由表面或近表面向內(nèi)部延伸。由前面的檢測案例和已有的實(shí)際應(yīng)用可得出，紅外熱波無損檢測通過損傷面積測量等功能，可為損傷部位修理方案制訂和修理后的質(zhì)量檢測等提供準(zhǔn)確的參考數(shù)據(jù)；能直接提升航空器維修現(xiàn)場的NDT檢測效率并縮短部件損傷后的修理時間。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.15.004