纤维增强聚合物复合材料无损检测方法进展

doi:10.7527/S1000-6893.2023.29697

综述

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纤维增强聚合物复合材料无损检测方法进展

黄领才()

西北工业大学航空学院，西安 710072

收稿日期:2023-09-04 修回日期:2023-09-22 接受日期:2023-12-19 出版日期:2024-01-04 发布日期:2023-12-26
通讯作者: 黄领才 E-mail:huanglc003@avic.com

Review of nondestructive testing methods for fiber⁃reinforced polymer composites

Lingcai HUANG()

School of Aeronautics，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China

Received:2023-09-04 Revised:2023-09-22 Accepted:2023-12-19 Online:2024-01-04 Published:2023-12-26
Contact: Lingcai HUANG E-mail:huanglc003@avic.com

摘要/Abstract

摘要：

近年来，纤维增强聚合物（FRP）复合材料凭借其卓越的力学性能和显著的重量优势，应用范围日益广泛。然而由于其复杂的损伤模式，需使用先进的损伤表征方法防止潜在的灾难性后果。目前，各种无损检测与评价（NDT&E）技术已被广泛应用于FRP复合材料的损伤检测，这些技术经过不断的发展和改进已能提供可靠的结构检测，尤其是在航空航天领域。本文首先对FRP复合材料损伤诊断领域无损检测技术的最新进展进行全面概述，分别对声发射测试、超声波测试、红外成像测试、激光错位散斑干涉测试、数字图像相关测试、涡流检测、太赫兹成像检测、微波检测、电学层析成像检测和X射线10种无损检测技术进行深入分析和评价，并探讨每种技术的优点和局限性。随后根据特定的准则，采用层次分析法对无损检测技术进行分析。然而由于单一无损检测技术难以实现缺陷识别、定位、分类和评估等功能的统一，因此最后提出了一种组合无损检测的技术方案，以期在实际工程应用中取得更好的效果。

关键词: 纤维增强聚合物复合材料, 损伤检测, 无损探测, 层次分析法（AHP）, 组合无损探测技术

Abstract:

In recent years， Fiber-Reinforced Polymer （FRP） composites have seen a significant increase in their application scope due to their exceptional mechanical properties and remarkable weight advantages. However， due to their intricate damage modes， it is crucial to employ advanced damage characterization methods to mitigate potential catastrophic consequences. Currently， a wide range of Non-Destructive Testing and Evaluation （NDT&E） techniques have been extensively employed in the damage detection of FRP composite. These techniques have undergone continuous development and enhancement， enabling reliable structural examination， particularly in the aerospace industry. This article will initially provide a comprehensive overview of the latest advancements in non-destructive testing techniques within the FRP composite material damage diagnosis， providing intensive analysis and evaluation of ten NDT technologies， namely acoustic emission test， ultrasonic test， Infrared thermography test， shearography test， digital image correlation test， eddy current test， terahertz imaging test， microwave test， electrical tomography imaging test and X-ray test， assessing the advantages and limitations of each technique. Subsequently， based on specific criteria， these non-destructive testing techniques will be assessed. However， as single non-destructive testing techniques struggle to achieve unified functions such as defect identification， localization， classification， and evaluation， a combination of non-destructive testing is proposed as a solution to achieve enhanced outcomes in practical engineering applications.

Key words: fibre-reinforced polymer composites, damage detection, non-destructive testing, Analytic Hierarchy Process (AHP), hybrid non-destructive testing techniques

中图分类号:

V214.8

黄领才. 纤维增强聚合物复合材料无损检测方法进展[J]. 航空学报, 2024, 45(5): 529697-529697.

Lingcai HUANG. Review of nondestructive testing methods for fiber⁃reinforced polymer composites[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(5): 529697-529697.

图/表 19

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E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

文献	测试类型	应用方法	使用参数	损伤识别模式	损伤定位
［24］	准静态压痕和低速冲击	Sentry函数法、小波包变换	能量	纤维断裂	×
［25］	拉伸		能量累积	分层	√
［26］	拉伸	模态声发射连续小波变换	能量		√
［27］	Ⅱ型准静态和疲劳		能量	尖和条纹	×
［31］	拉伸和弯曲	K均值	事件	界面破坏	×
［32］	疲劳	小波包分解	事件	基体裂纹、纤维/基体界面脱粘、粘接接头剪切破坏、纤维断裂	√
［33］	三点弯曲	玻璃纤维增强聚合物	b值、升角、平均频率、频率谱密度和c值		×
［35］	拉伸	统计多变量分析	事件	基体裂纹	×
［37］	拉伸	K均值和主元分析	振幅和峰值频率	基体开裂、纤维/基材撕裂、分层纤维断裂	√
［39］	弯曲	ΔT测绘	事件	脱粘、纤维失效	√
［40］	拉伸	聚类分析方法	事件	基体裂纹	√
［41］	拉伸	K均值和主元分析	事件	分层	√

测试方法	文献	测试类型	损伤评估方法	指标参数	损伤识别模式	损伤定位	优势	局限性
接触式	［47］	冲击试验	红外摄像机、阵列超声波	红外图像	分层	√	提供快速检查和即时结果能估计缺陷的严重程度（大小、形状、方向）高穿透能力可检测深度缺陷	需耦合剂确保超声波的充分传输需小心处理以免损坏测试对象需接近被检物体表面进行测试
	［55］	低速冲击损伤	冲击能量相关	C扫	纤维断裂	√
	［56］	落锤冲击试验	阵列超声波	C扫	分层	√
	［57］	拉伸试验	超声双折射法	衰减系数变化、剪切模比	裂纹	√
空气耦合式	［58］	冲击试验	激光测振仪	表面振动	分层	√	非接触式检验快速检测无触点联轴器	声学失配大功率要求高高频时衰减损失大
空气耦合式	［59］		多向相邻波减法、可变时窗振幅映射、超声光谱成像、小波变换超声传播成像	超声波能	裂纹、分层	√	非接触式检验快速检测无触点联轴器	声学失配大功率要求高高频时衰减损失大
浸入式	［60］	拉伸试验	K均值	密度	基体裂纹	√	非接触式检验快速检查自动检测能力提供一致的耦合便于使用聚焦光束无需移动传感器即可改变波入射角的简单性	不适合检查大型结构
	［61］	低速冲击试验、拉伸试验	连续损伤力学理论	信号速度		√
	［2］	准静态缩进、低速冲击试验	连续损伤力学理论	信号速度		√

激励源	文献	测试类型	热像技术	损伤评估方法	参数	损伤模式
光学灯	［72］	热暴露	脉冲温度记录	热扩散率测量	热扩散性	热损伤
	［73］	拉伸	锁定	研究试样的冷却行为	冷却速率
	［74］		脉冲相位热成像	全因子分析	相位图像对比度
	［75］		脉冲温度记录	基于区域的卷积神经网络	层析图像	人造损伤
	［76］		脉冲温度记录	深度学习	热分析图	内粘接精度为88%
涡流	［77］	冲击试验	涡流脉冲热成像	主元分析	热分析图	冲击损伤
	［78］		涡流脉冲热成像	热对比评价	热分析图	内部缺陷
	［79］		涡流脉冲压缩热成像	核主元分析	热分析图	人造分层
激光	［80］		激光斑	标准差变化	标准差	人造分层
	［81］		激光阵列扫描热成像	快速傅里叶变换和主元分析	热信号信噪比	平底孔缺陷
	［82］	落锤冲击	线扫描热成像	动态脉冲相位热成像	热成像数据序列	平底孔肉眼不可见损伤
机械振动	［69］		自热的振动热像仪	自热温度演化曲线的热梯度估计	热分析图	平底孔缺陷
	［83］		自热的振动热像仪	统计特征、温度曲线、趋势估计、相似度映射	热分析图	人造切痕
	［71］	冲击试验	基于自热的振动热像仪	统计分析、导数、小波变换、主成分热成像、偏最小二乘回归、热成像信号重建	热分析图	低速冲击损伤

电磁技术	优势	局限性
涡流	快速、无接触检测、实验设置简单、对微小缺陷非常敏感	仅限于表面缺陷，灵敏度随缺陷深度增加而降低没有提供关于伤害模式的信息不适合检查比较大的结构
太赫兹成像	无触点检测、高空间分辨率、不需声学耦合剂	受周围环境及噪声影响检测设备昂贵不适合检查比较大的结构
微波	无接触测量、检测速度快、灵敏度高、无需耦合剂、不受恶劣检测环境的限制、输出信号可方便地调制在载频信号上进行发射与接收	易受温度、气压、取样位置的影响微波检测仪表的零点漂移和标定问题尚未得到很好的解决
电学层析成像	无辐射、响应速度快、安全性高、价格低廉	欠定问题、软场效应、不稳定性

电磁技术	优点	缺点
X射线微计算机断层扫描	对小物体有很好的扫描分辨率、内部结构精确检测、数据的简单可视化、操作程序简单	耗时、扫描效率差
暗场成像	良好的扫描分辨率、简单的操作设置、直接检测微裂纹	需高操作能量、灵敏的扫描过程
X射线显微镜	高分辨率、操作简单、可调范围广泛	消耗高能量、有害，需安全培训

纤维增强聚合物复合材料无损检测方法进展

Review of nondestructive testing methods for fiber⁃reinforced polymer composites

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应用	无损检测潜在组合方案
表面和次表面损伤分析	声发射检测 & 超声波检测
	声发射检测 & 红外热成像检测
	声发射检测 & 数字图像相关检测
	声发射检测 & 激光错位散斑干涉检测
	红外热成像检测 & 超声波检测
	数字图像相关检测 & 超声波检测
	激光错位散斑干涉检测 & 超声波检测

厚板复合材料	X射线检测 & 声发射检测
	X射线检测 & 超声波检测
	X射线检测 & 声发射检测 & 数字图像相关检测

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