復合材料具有輕質(zhì)、抗腐蝕、抗疲勞等諸多優(yōu)點，而且在復合材料結構之制造過程中，材料的利用率非常高，加工工序非常少，已經(jīng)在航空航天、交通、能源等眾多領域得到了重要應用，許多重要和復雜的壁板、梁、肋、框、葉片等都采用了復合材料結構。
隨著航空、軌道交通、風能等產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，為了減輕飛機、發(fā)動機、軌道車輛等關鍵裝備自身的重量，提高能源利用率，增加舒適性，降低其制造成本，利用復合材料及其成形工藝制造各種關鍵零部件，已成為近年復合材料產(chǎn)業(yè)化應用的重要發(fā)展方向。
許多低成本的復合材料成型工藝也在不斷推出，復合材料的加工通常只需要一兩個熱成型過程，在熱成型過程中，將纖維或織物預浸料通過成型模具固定加熱固化，進而實現(xiàn)各種復合材料結構獲制件制品的高效制造。
目前用于復合材料制造的成型工藝方法主要有熱壓罐工藝方法、液體成型工藝方法、拉擠工藝方法、纏繞工藝方法、鋪放/鋪貼工藝方法等。實際應用中，通常需要結合產(chǎn)品或裝備對復合材料使用性能、功能、結構、成本和應用場景等權衡后，選擇適應的復合材料及其制造工藝方法。
由于意外因素或工藝細節(jié)偏離，在復合材料成型或加工、使用過程中可能會引入缺陷和損傷。因此，在航空航天、交通、能源、醫(yī)療等重要應用領域，為了保證復合材料結構或制品質(zhì)量和裝備的使用安全，通常需要對復合材料結構或制品進行100%無損檢測。
考慮到復合材料成型過程不可逆和難以修補的特點，借助先進的無損檢測技術可以及時對復合材料的制造工藝進行優(yōu)化，形成穩(wěn)健的復合材料制造工藝。為此，首先需要研究和建立反映復合材料成型工藝特點的缺陷表征與評價方法；然后，按照復合材料結構或制品或裝備質(zhì)量控制要求、應用場景和檢測場景，研究和建立滿足缺陷和損傷檢出準確性要求的檢測方法、檢測手段、檢測標準。因此，無損檢測與評估在復合材料產(chǎn)業(yè)鏈和專業(yè)鏈中有著非常重要的作用。
1、復合材料無損檢測方法
目前有關復合材料無損檢測方面文獻報道比較多，包括超聲、X射線、紅外、激光電子散斑(ESPI)、高頻脈沖渦流、微波等方法。
紅外、ESPI檢測方法對復合材料近表面缺陷有一定的檢出效果，可以實現(xiàn)檢出結果的可視化，但需要對被檢測復合材料進行熱、力加載，難以實現(xiàn)復合材料缺陷的定性定量可視化表征與準確評估，目前在復合材料制造場景還鮮有應用案例，但在一些便于實現(xiàn)熱、力加載準確控制的應用場合，對部分適合檢測的復合材料結構或制品有一定的應用潛力和檢測效果。
渦流方法對較薄的碳纖維復合材料有一定的檢測效果，檢測結果可以C掃描方式實現(xiàn)可視化，目前主要處于實驗室和小樣品的檢測方法研發(fā)階段。
微波方法包括太赫茲方法對部分高衰減低密度復合材料中連接界面的檢測有一定效果，通過微波掃描，檢測結果也可以實現(xiàn)可視化，但不適合形狀各異的復合材料結構的無損檢測，也不適合碳纖維復合材料的無損檢測。
用于復合材料的X射線檢測方法目前包括DR和CT，是實現(xiàn)復合材料可視化檢測與缺陷準確表征與評估的重要方法，其中DR是復合材料蜂窩結構、機織結構和高溫復合材料結構可視化檢測的有效方法。不過DR對復合材料中具有體積分布特征或者密度有顯著差別的缺陷檢出能力較強，對于復合材料中的分層或者界面型缺陷不敏感，而且需要專門的輻射防護，不適合大型復合材料結構的無損檢測。CT方法是一種非常直觀的復合材料可視化檢測方法，主要適合中小尺寸類高附加值復合材料結構或制件的無損檢測，但檢測成本高、檢測效率低、需要專門的輻射防護。
相比而言，超聲是一種具有普遍應用價值的復合材料可視化檢測方法，因為復合材料超聲評估與超聲波在其內(nèi)部的傳播行為密切相關，據(jù)此，可以實現(xiàn)復合材料微結構和缺陷的精細量化評估，復合材料內(nèi)部細節(jié)變化及缺陷的存在會改變?nèi)肷渎暡ㄔ谄鋬?nèi)部的傳播行為，基于此，超聲檢測可以用于復合材料缺陷定性定量表征與評估以及檢測結果的可視化，非常環(huán)保和高效，但需要液體耦合，需要針對被檢測結構設計相應的超聲檢測系統(tǒng)，才能實現(xiàn)可視化檢測。通常需要針對被檢測復合材料及其成型工藝特點與結構特征，研究建立相應的缺陷表征與超聲可視化評估方法。
根據(jù)復合材料結構或制件特點不同，有些結構不適用超聲穿透法進行檢測，在絕大部分情況下，采用超聲反射法可以實現(xiàn)復合材料結構可視化檢測與評估。不過，超聲反射法對檢測分辨率和表面檢測盲區(qū)要求高，因此，超聲反射法檢測的分辨率和表面缺陷檢出能力一直是復合材料檢測領域非常關注的技術問題。對于工程應用的復合材料結構或制件，超聲檢測與評估需要其表面檢測盲區(qū)和檢測分辨率達到單個復合材料預浸料鋪層厚度（約0.125 mm），至少不允許超過2個復合材料預浸料鋪層厚度。
目前復合材料超聲可視化已從2D發(fā)展到3D檢測，為解決各種形狀復雜、尺寸超大的復合材料結構或制件提供了高效準確的可視化檢測方法和檢測結果量化評估手段，相關的技術進展與應用也非常迅速。
2、超聲可視化方法及其適用性
超聲是目前國際上用于復合材料無損檢測最為普遍的檢測方法和技術，據(jù)不完全統(tǒng)計，80%以上的復合材料結構或制件都可以通過超聲方法實現(xiàn)可視化檢測。因此，超聲方法一直是復合材料無損檢測的首選方法。
目前工程上用于復合材料結構或制件超聲檢測方法主要基于垂直縱波方法，其分為超聲反射法和超聲穿透法。其中，超聲反射法的缺陷檢出能力比穿透法強。針對不同復合材料結構及其檢測場景與檢測要求，已有多種超聲方法可用于復合材料可視化檢測，每種超聲可視化檢測方法都有不同的檢測特點和適用性?；谶@些超聲可視化方法都可以實現(xiàn)復合材料內(nèi)部缺陷/損傷的準確定性定量檢測與評估。
超聲可視化檢測方法及其適用性
反射法
適合探頭單側可接近的各種復合材料結構或制件室內(nèi)外超聲手動或自動掃描可視化檢測；適合大型復合材料結構自動化檢測；適合含有內(nèi)腔的復合材料制件可視化檢測；適合多筋條復合材料結構或制件、需要復雜工裝支撐引起遮擋的超大型復合材料結構或制件可視化檢測；可用于復合材料夾芯結構可視化檢測；適合裝配后的復合材料結構或制件可視化檢測；適合外場可視化檢測。
穿透法
適合探頭雙側可接近的復合材料結構或制件超聲自動掃描可視化檢測；不適合含有內(nèi)腔的復合材料制件可視化檢測；不宜用于多筋條復合材料結構或制件、需要復雜工裝支撐引起遮擋的超大型復合材料結構或制件可視化檢測；不宜用于夾芯高度過大或達不到要求信噪比的復合材料夾芯結構可視化檢測；不適合裝配后的復合材料結構或制件的可視化檢測；不適合外場可視化檢測。
反射板法
適合探頭單側可接近且允許水浸的簡單形狀和小尺寸復合材料結構或制件超聲自動掃描可視化檢測， 僅限于室內(nèi)檢測。
單通道超聲反射法
同反射法
多通道超聲反射法
適合探頭單側可接近的各種復合材料結構或制件超聲自動掃描可視化檢測。
陣列超聲反射法
適合探頭單側可接近的簡單形狀復合材料結構或制件超聲自動掃描可視化檢測。
相控陣反射法
適合探頭單側可接近的簡單形狀復合材料結構或制件超聲手動或自動掃描可視化檢測。
單通道超聲穿透法
同穿透法
多通道超聲穿透法
適合探頭雙側可接近的簡單形狀復合材料結構或制件超聲高效自動掃描可視化檢測。
陣列超聲穿透法
適合探頭雙側可接近的簡單形狀復合材料結構或制件超聲高效自動掃描可視化檢測。
相控陣穿透法
適合探頭雙側可接近的簡單形狀復合材料結構或制件超聲高效自動掃描檢測。
接觸法
適合探頭可接近的各種復合材料結構或制件室內(nèi)外超聲手動或自動掃描可視化檢測（水膜耦合），適合反射法可視化檢測。
非接觸法
適合復合材料結構或制件超聲自動掃描檢測，適合反射法和穿透法可視化檢測。
超聲噴水法
適合復合材料結構或制件超聲自動掃描可視化檢測，適合反射法和穿透法可視化檢測。
超聲水浸法
適合允許復合材料結構或制件水浸的超聲自動掃描可視化檢測，適合反射法可視化檢測和中小尺寸復合材料制件的穿透法可視化檢測。
超聲局部水浸法
（包括超聲水膜法）適合復合材料結構或制件超聲手動或自動掃描可視化檢測，適合反射法可視化檢測。
超聲A掃描法
適合室內(nèi)外場合復合材料結構或制件超聲手工掃描檢測，但檢測結果可視化效果差。
超聲C掃描法
適合復合材料結構或制件超聲手動或自動掃描可視化檢測，檢測結果平面可視化效果好。
超聲B掃描法
適合復合材料結構或制件超聲手動或自動掃描可視化檢測，檢測結果斷面可視化效果好。
超聲三維掃描法
適合復合材料結構或制件超聲自動掃描可視化檢測，檢測結果可視化效果好。
手動掃描檢測法
適合各種復合材料結構或制件室內(nèi)外不同場合可視化檢測，其中手動B，C掃描可實現(xiàn)檢測結果可視化。
自動掃描檢測法
適合復合材料結構或制件室內(nèi)可視化檢測，其中超聲2D，3D自動掃描檢測可實現(xiàn)檢測結果可視化與自動評估。
作者：劉松平1,2，劉菲菲1，章清樂1，楊玉森1，李治應1，史俊偉1，李樂剛1，傅天航1，郝章程1，張君1
工作單位：1. 中國航空制造技術研究院復合材料中心
2. 中航復合材料有限責任公司
來源：《2022中國無損檢測年度報告》
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