红外热波技术在飞机复合材料损伤检测中的应用

　　目前,先进复合材料正逐步成为现代新型战机的主要结构材料,广泛应用于雷达罩、机翼、垂尾和方向舵等部件。复合材料结构件使用过程中产生的损伤主要为各种冲击或撞击导致的冲击损伤、分层、蜂窝芯塌陷和积水等。现有针对飞机复合材料的无损检测方法基本沿用金属材料的检测方法,以超声波法和声阻抗法等为主。由于复合材料与金属材料之间存在较大的物理及力学性能、结构特点和制造工艺等方面的差异,针对金属的无损检测方法并不能完全适用于飞机复合材料结构件的检测需求。

　　1　红外热波检测原理

　　红外热波检测是基于物体的热辐射特性,通过记录或观察试件表面缺陷和基体材料不同的热特性所引起的温度变化,利用表面温度场分布来获取工件的缺陷信息,因此也称为热无损检测。红外热波检测分为主动加热和被动加热两种方式。主动加热时,热量通过表面注入试件并在其内部扩散。如果试件内部存在缺陷时,热流就被缺陷阻挡或加速扩散,经过一段时间就会在缺陷附近发生热量堆积或损失,引起工件表面温度梯度的变化,表现为温度异常(图1)。用红外热成像仪扫描试件表面,记录表面的温度分布情况,通过温度差异判断相应表面或内部是否存在缺陷。需要指出的是,由于应用了热波原理并采用了主动式热激励方法,红外热波检测与传统的被动式红外热成像技术有着很大区别。

    　2　红外热波检测特点

　　与常规无损检测方法相比,红外热波检测具有非接触、快速、检测面积大、直观和准确等特点,并且非常适合现场、外场以及在线在役检测

　　在检测机理上,红外热波检测技术通过记录试件表面缺陷和材料由于不同的热特性引起的温度变化,利用表面温度场分布来获取工件的缺陷信息。如果被测结构件或部位的温度在绝对零度以上,并且基体材料与损伤之间的温差达到了热成像仪的热灵敏度范围(室温下0.03 K),就能被红外探测器捕获并区分出来,因此对检测的实施时间没有约束,在白天和夜晚都能进行。在检测时利用计算机来控制热成像仪和加热源,完成从加热到图像采集,最后进行定量分析,因此自动化程度较高,并且图像信息显示直观,便于存档备查。在检测速度上,红外热波检测技术采用主动加热方式,加热过程很短,且进行图像采集的时间只需十几秒或几十秒,因而单次检测的时间较少。此外,自动拼图处理更使红外热波检测技术的效率很高。

　　3　检测仪器组成

　　飞机复合材料红外热波检测仪主要由计算机、红外热成像仪和热激励源等部分组成(图2)。