詹紹正，王 丹，寧 寧

(中國飛機強度研究所，西安 710065)

復合材料具有質量小，比強度、比剛度高，抗疲勞性能好，材料可設計性強等優(yōu)點，已被廣泛應用于航空結構[1]。層壓板結構、加筋結構、夾芯結構以及板-板膠接結構是目前航空復合材料中最為常見的4種結構[2]。復合材料結構在服役過程中受到載荷、環(huán)境、外來物撞擊等因素的影響，容易產(chǎn)生分層、脫黏、沖擊以及夾芯結構積水、芯子開裂等損傷[3]，這些損傷威脅結構的安全，故需要定期對結構進行無損檢測。

受復合材料各向異性以及材料特性與制作工藝高度關聯(lián)特性的影響，與金屬結構檢測常采用的標準試塊不同，復合材料結構的檢測往往需要采用對比試塊來確定檢測參數(shù)、調節(jié)檢測靈敏度和建立損傷評定判據(jù)。因此，對比試塊是開展復合材料結構無損檢測的重要器材，對保證檢測的準確性和可靠性至關重要。

復合材料對比試塊的研制涉及試塊設計、損傷模擬、制作工藝控制、測試評價以及編號管理等流程，為確保不同批次下復合材料對比試塊研制的合格率以及性能的穩(wěn)定性，對試塊研制的全過程進行規(guī)范化管控尤為重要。中國飛機強度研究所經(jīng)過多年的飛機結構原位無損檢測技術研究，建立了較為完備的原位檢測技術體系，并牽頭編制了飛機結構在役無損檢測對比試塊研制CSTM(中國材料與試驗團體標準委員會)標準及飛機典型結構的原位檢測技術規(guī)范等標準文件。文章對飛機復合材料結構無損檢測對比試塊研制的全過程進行了總結和介紹，旨在為復合材料檢測人員在對比試塊設計及制作上提供指導。

1 對比試塊的設計要求

復合材料對比試塊的材料、形狀、結構特征、表面狀態(tài)和制作工藝一般應與被測結構一致，其厚度范圍應能覆蓋被檢測部位的厚度范圍。

對比試塊應包含被測結構要求檢出的最小尺寸的人工損傷，損傷形狀一般為圓形、橢圓形、三角形或方形。人工損傷的深度位置應覆蓋被測結構中可能發(fā)生損傷的任何深度位置[見圖1，圖中t1位于第23層(單向帶)或第12層(織物)間；t2位于中間兩鋪層間；t3位于倒數(shù)第23層(單向帶)或倒數(shù)第12層(織物)間；d1為膜上脫黏，位于蒙皮與膠膜間；d2為膜下脫黏，位于膠膜與下層結構間]。模擬分層的人工損傷一般為上表面分層、中間分層、下表面分層；模擬脫黏的人工損傷應位于上下膠接界面處；模擬沖擊損傷的人工損傷深度位置應包括所有損傷類型可能覆蓋的位置；模擬蜂窩積水損傷應考慮不同蜂窩芯的積水高度和積水面積。當在一個試塊中需設計多個人工損傷時，相鄰人工損傷邊緣的間距設計應保證檢測方法能夠清楚分辨兩個損傷的相鄰邊界，一般邊緣間距應不小于兩相鄰損傷中較大損傷的尺寸(專門用于測定橫向檢測分辨率的試塊除外)，試塊中外側人工損傷距試塊邊緣的距離一般不小于該損傷的尺寸(專門設計位于試塊邊緣處的人工損傷除外)。對比試塊上多個損傷的平面位置設計如圖2所示(L1≥D1；L2≥D2;L3,L4,L5都不小于D3)。

圖1 各類損傷深度位置設計示意

圖2 對比試塊上多個損傷的平面位置設計示意

2 損傷模擬與制作方法

2.1 分層損傷

分層是復合材料結構中最常見的層間分離損傷：一類是位于層壓板結構內部的分層；另一類是邊緣分層，包括層壓板結構周邊產(chǎn)生的邊緣分層和復合材料層壓結構連接孔周圍產(chǎn)生的分層。

復合材料分層損傷的模擬方法有加膜模擬法、插片模擬法和鉆平底孔模擬法，3種分層損傷模擬方法得到的損傷結構如圖3所示(圖中FL1為插片模擬，F(xiàn)L2為加膜模擬，F(xiàn)L3為鉆平底孔模擬，下同)。插片模擬法通常用于結構邊緣處分層的模擬，試塊鋪貼時，在結構中預埋0.20.25 mm厚且表面涂有脫模劑的金屬箔片(不銹鋼或黃銅片)，待試塊固化后將金屬箔片抽出，通過形成的空氣隙來模擬分層損傷。加膜法模擬在試塊鋪貼時,在指定深度和位置處嵌入厚度為0.020.152 mm的聚四氟乙烯薄膜來模擬分層。為了保證后續(xù)獲得較好的檢測效果，通常采用嵌入兩層厚度、大小相同且圓周(或四周)閉合、中間帶有空氣隙的聚四氟乙烯薄膜來預制分層。鉆平底孔模擬法針對制造完成后且有一定厚度的完好試塊，通過在探測面的背面加工平底孔的方式來模擬分層。3種分層損傷模擬方法預制的對比試塊外觀如圖4所示。

圖3 3種分層損傷模擬方法得到的損傷結構示意

圖4 3種分層損傷模擬方法預制的對比試塊外觀

2.2 脫黏損傷

脫黏是結構在膠接界面處產(chǎn)生的分離損傷，通常包括板-芯脫黏和板-板脫黏。板-芯脫黏是夾芯結構蒙皮與芯子間產(chǎn)生的分離，其模擬方法主要有插片模擬法、加膜模擬法、鉆平底孔模擬法和芯子局部下陷模擬法等4種(見圖5，圖中FL4為芯子局部下陷)。加膜模擬法、插片模擬法和鉆平底孔模擬法與分層模擬的方式基本相同，差別在于模擬脫黏僅在膠膜的上下界面位置預制缺陷。芯子局部下陷法是通過將局部的芯子切除或壓塌一定的深度(通常小于2 mm)，并挖除芯子下陷位置對應處的膠膜后，再與蒙皮固化形成脫黏損傷的一種模擬方式。試塊蜂窩芯局部下陷外觀如圖6所示。

圖5 4種脫黏損傷模擬方法得到的損傷結構示意

圖6 試塊蜂窩芯局部下陷外觀

板-板結構脫黏損傷的模擬方法與分層損傷的模擬方法相同，主要有加膜法、插片法和鉆平底孔法，不同之處是前者預制的防黏膜、金屬插片或平底孔孔底的位置位于黏接膠膜的上下界面處。

2.3 沖擊損傷

沖擊損傷是由于局部撞擊(如冰雹、跑道碎石、鳥撞以及維修作業(yè)時工具跌落或地面設備撞擊)引起的損傷，對于不同復合材料結構，沖擊引起的損傷類型也不同。

復合材料層壓板在不同沖擊能量下的損傷特征如圖7所示。沖擊引起的損傷形式主要是分層、纖維斷裂和樹脂開裂。目前，工程上主要檢測沖擊引起的分層損傷的面積和深度。因此，可以采用分層損傷的模擬方法來模擬層壓板的沖擊損傷。為了能夠準確評定沖擊引起的分層所在的鋪層信息，可以采用鋪層遞減試塊來模擬分層損傷(見圖8，t為寬度，要滿足放下探頭并進行移動檢測的需求)，該試塊的總厚度與被測區(qū)厚度相同。通過比對實際檢測損傷信號與不同鋪層區(qū)的信號來準確判定沖擊引起的分層損傷所在的鋪層位置。

圖8 層壓板沖擊損傷鋪層遞減模擬試塊結構示意

復合材料蜂窩夾芯結構沖擊引起的損傷模式包括蒙皮分層、蒙皮與芯子脫黏以及芯子褶皺或斷裂(見圖9)。因此，蜂窩夾芯結構沖擊損傷的模擬應同時包含蒙皮分層、板芯脫黏以及芯子損傷等3種損傷形式[4]，蜂窩夾芯結構沖擊損傷對比試塊結構、試塊外觀及其超聲C掃描圖像如圖10所示。

圖9 典型蜂窩夾芯結構沖擊損傷特征

圖10 蜂窩夾芯結構沖擊損傷對比試塊結構示意、試塊外觀及其超聲C掃描圖像

對于復合材料板-板膠接結構，沖擊引起的損傷形式通常同時包含分層、纖維斷裂和脫黏損傷(見圖11)。工程上主要對板-板膠接結構沖擊損傷引起的分層和脫黏的面積進行檢測。因此，板-板膠接結構的沖擊損傷模擬試塊應同時包含分層和脫黏損傷。復合材料T型加筋板結構對比試塊結構如圖12所示(圖中①,②,③,④為人工缺陷預埋位置)。

圖11 復合材料板-板黏接結構的沖擊損傷特征

圖12 復合材料T型加筋板結構對比試塊結構示意

2.4 蜂窩芯積水損傷

潮氣(水分)由破損的面板或釘孔邊間隙進入蜂窩的芯格內聚集形成積水。采用人工注水的方式來模擬蜂窩芯積水損傷，為了便于注水，試塊通常設計成只有單側蒙皮的結構，同時為了適應不同的蒙皮厚度范圍，試塊蒙皮設計為階梯式。蜂窩積水損傷對比試塊結構如圖13所示。通過控制注水芯格數(shù)量以及注水高度來模擬不同的蜂窩芯積水面積和積水量。

圖13 蜂窩積水損傷對比試塊結構示意

2.5 芯子開裂

芯子開裂損傷是泡沫夾芯結構在使用過程中因受到振動、撞擊等因素引起的一種常見損傷，其呈窄縫的線狀特征。采用刀片在芯子上切槽后再與蒙皮固化的方式來模擬該損傷，可通過控制切槽的深度和高度來模擬裂紋的長度和高度。泡沫夾芯結構芯子開裂損傷模擬試塊結構如圖14所示。

圖14 泡沫夾芯結構芯子開裂損傷模擬試塊結構示意

3 對比試塊制作工藝

復合材料對比試塊一般采用與被測結構相同的材料和工藝參數(shù)制作，其制作過程如下所述。典型復合材料對比試塊的制作流程如圖15所示。

圖15 典型復合材料對比試塊的制作流程圖

(1) 材料和工裝準備。準備材料包括制作試塊的纖維預浸料、膠膜、芯材、模擬損傷材料、輔助材料等；工裝準備包括模具準備與預處理，如脫模劑涂敷處理。

(2) 下料。依據(jù)試塊的設計尺寸和鋪層方向將試塊的制作材料和損傷材料切割為需要的尺寸?？紤]到試塊固化產(chǎn)生的邊角變形，試塊制作材料的下料尺寸通常比試塊外輪廓尺寸稍大。

(3) 鋪貼。采用手工或機器方式將纖維預浸料按試塊設計的鋪層方向和要求進行鋪貼，并在預定的損傷位置放置損傷模擬材料。

(4) 固化。按照設定的溫度、壓力、時間等參數(shù)對裝入真空袋的試塊預制體進行固化。

(5) 脫模。將固化后的試塊從模具中取出。

(6) 修型。對采用插片法模擬的損傷，拔出預埋的金屬插片，并按照試塊的設計尺寸對固化后的試塊四邊進行修切獲得需要的尺寸，同時對需要加工平底孔的部位進行鉆孔。

(7) 封口封邊。對夾芯結構試塊的四周、插片模擬法留下的邊緣開口、平底孔孔口等部位采用硅膠進行密封。

4 對比試塊測試評價

對比試塊完成加工后，需要對試塊的幾何尺寸、表面質量以及內部質量進行測試評價，以判定對比試塊是否滿足設計要求。

幾何尺寸評價主要是測量所加工對比試塊的尺寸以及翹曲變形厚度，試塊的尺寸誤差和翹曲變形一般以被測結構的公差或形變要求為準。

對比試塊表面應光滑平整，目視檢測應無明顯的樹脂堆積、皺折、凹陷、鼓包以及開裂。蜂窩夾芯結構不允許存在不小于0.1 mm深的蜂窩格子印。

對比試塊的內部質量評價包括人工損傷的評價及人工損傷以外區(qū)域的質量評價。人工損傷的評價包括人工損傷在試塊上的位置、深度、數(shù)量、形狀、尺寸及性質的評價，人工損傷以外區(qū)域的質量評價包括試塊孔隙以及質量均勻性的評價。對試塊內部質量的評價應選用至少一種有效的無損檢測方法進行，所采用的檢測方法應盡量與被測結構實際采用的檢測方法相同。通常采用超聲C掃描法對面積型人工損傷(分層、脫黏、沖擊損傷等)進行檢測，采用X射線照相或紅外熱成像法對蜂窩芯積水模擬損傷進行檢測，采用X射線照相法對芯子開裂損傷進行檢測。典型復合材料對比試塊的檢測結果如圖16所示。

圖16 典型復合材料對比試塊的檢測結果

對比試塊除人工損傷以外不應有其他可能影響到檢測靈敏度調節(jié)或缺陷評定的自然缺陷，人工損傷的實測面積與理論設計面積(實際預埋面積)的偏差應不大于25%。當采用超聲檢測技術進行評價時，人工損傷區(qū)與完好區(qū)對超聲信號響應的差值應不小于12 dB；人工損傷以外的區(qū)域(結構完好區(qū))應具有相同或相近的信號響應強度，同一厚度范圍內完好區(qū)的超聲信號均勻性一般不大于2 dB。

經(jīng)檢測評價合格的試塊，需記錄檢測方法、檢測條件、檢測參數(shù)及結果等信息，并形成對比試塊檢測報告或說明書。不滿足評價要求的試塊不能用于飛機結構的檢測。

5 對比試塊的標識

為便于后續(xù)使用過程中對試塊的識別與管理，應對合格試塊進行編號，在其表面做出標記，編號應能直觀地反映試塊的結構形式、材料類型、尺寸或厚度范圍、損傷類型、損傷預制方式等信息。

6 結語

無損檢測對比試塊是航空復合材料結構在無損檢測過程中確定檢測參數(shù)和建立損傷判據(jù)的基準樣件，其關乎檢測結果的準確性和可靠性。為了保證航空復合材料結構無損檢測對比試塊研制的質量及穩(wěn)定性，文章從規(guī)范航空復合材料結構無損檢測對比試塊研制過程的角度出發(fā)，提出了對比試塊的設計要求，詳細論述了分層、脫黏、沖擊、積水和芯子開裂等5類常見結構損傷的人工模擬方法，介紹了對比試塊的制作工藝流程，明確了對比試塊評價的項目、方法及合格標準，并給出了對比試塊標識的編號規(guī)則，可為飛機復合材料結構無損檢測對比試塊的研制提供指導。