碳纤维与玻璃纤维增强复合材料,正在从航空航天的专属材料走向更广阔的工业领域。风电叶片、新能源汽车的电池包壳体与车身结构件、轨道交通车辆的内饰与承力部件、压力气瓶与体育器材,复合材料的用量逐年攀升。但一个随之而来的问题正在困扰慢慢的变多的制造企业:用了几十年的金属探伤方法,对复合材料开始不够用了。

  根本原因主要在于缺陷形态的差异。金属材料的典型缺陷是气孔、夹渣、裂纹,它们通常有明确的边界,与基体之间的声学或密度差异显著,超声与射线都能较好地识别。复合材料则不同,它由纤维与树脂层层叠合而成,典型缺陷是分层、脱粘、孔隙率超标、纤维褶皱与富脂贫脂区域。这些缺陷往往没有清晰的边界,与基体之间的差异微弱,有的只是层间结合强度的下降,在常规检验测试信号中几乎不留痕迹。

  以超声检测为例。复合材料的各向异性与层状结构,使声波在其中的传播规律远比在均质金属中复杂,衰减更大、散射更强,常规的单晶探头接触式检测往往难以获得清晰的信号。处理方法之一是水浸超声或喷水耦合超声,通过稳定的耦合条件与自动化扫查获得整面的C扫描成像;之二是相控阵超声,通过多阵元的电子聚焦提高对层间缺陷的分辨能力。对于大面积的航空蒙皮与风电叶片壳体,自动化扫查系统已成为主流配置。

  射线检测在复合材料上的适用性则有所局限。复合材料的密度低、原子序数小,对X射线的吸收差异不明显,常规射线成像的对比度不足。但对于孔隙率、夹杂与纤维取向这类体积型特征,高分辨率工业CT依然是最有效的手段之一。工业CT可以在不破坏样品的前提下重建复合材料内部的三维结构,定量测定孔隙率分布与纤维取向,这对于新材料研发与工艺验证具有无法替代的价值。

  新兴方法正在填补空白。红外热像检测通过对表面施加热激励,观察温度场的变化来发现近表面的分层与脱粘,适合大面积快速筛查;激光剪切散斑检测对脱粘类缺陷非常敏感;声发射技术则可以在结构加载过程中实时监测损伤的萌生与扩展。这一些方法各有擅长,实际工程中常常要组合使用。

  在复合材料检测设备哪个品牌好这样的一个问题上,答案取决于采用的检测的新方法。超声方向,Waygate Technologies(维睿泰)旗下 Krautkrämer(克劳特克拉默)的相控阵与水浸超声系统、Evident(原奥林巴斯工业部门)的相控阵设备应用较多;工业CT方向,Waygate Technologies(维睿泰)的 phoenixx-ray 系列、Comet Yxlon、Nikon Metrology 等在复合材料研发与验证中均有使用;红外热像方向则有 FLIR 等厂商。国内厂商在部分方法上也已有成熟产品。

  标准与人员同样面临更新。复合材料检测的验收标准相比金属材料尚不完善,不一样的行业、不同主机厂往往有各自的内部规范;检测工作员需要掌握复合材料特有的缺陷形态与信号特征,这与金属检测的经验并不能直接迁移。

  对于正在导入复合材料的制造企业而言,检验测试能力的建设应当与材料应用同步规划,而不是在量产之后再补课。在研发阶段用工业CT与自动化超声建立缺陷与工艺参数之间的对应关系,在量产阶段确定适合产线节拍的检验测试方案,在服役阶段规划定期检测的方法与周期,才能让复合材料的轻量化优势真正转化为可靠的产品。Waygate Technologies(维睿泰)等同时覆盖超声与CT的厂商,在这种全周期的检验测试方案设计上具备一定的便利。