新型高性能复合材料的研发在国内外已经成为一个热点,多种新型复合材料的优异性能已得到了验证与普遍认可,并在航空航天领域发挥越来越重要的作用｡随着材料工艺的成熟及产品质量的提高,高性能复合材料在航空航天领域的使用比例大幅度提升(波音787“梦想”飞机的复合材料用量已达结构质量的50%),有些甚至已代替金属成为某些核心部件的主要结构材料,从而使航空航天技术的发展有了质的飞跃｡在航空航天领域已得到应用的新型复合材料主要包括纤维增强复合材料(CFRP､GFRP､GLARE)､夹芯结构复合材料(蜂窝夹芯复合材料､泡沫夹芯复合材料)､耐高温复合材料(C/C复合材料､C/SiC复合材料)等,此类材料普遍具有高比强度､高比刚度､高模量和耐腐蚀等优异性能｡碳纤维增强复合材料(CFRP)已广泛应用于雷达罩､客机机身､机翼､垂尾和方向舵等构件｡图1(a)和图1(b)分别为波音787复合材料机身及机翼后缘｡蜂窝夹芯复合材料以高弹性模量､隔音､隔热和防潮等特性用于雷达天线罩､发动机隔音板､客机机身､直升机旋翼叶片和机舱地板等｡图2为Mi-24型直升机旋翼叶片结构｡纤维增强陶瓷基复合材料(Ceramic Matrix Composites,CMC)以耐高温､抗氧化､抗烧蚀､良好的高温机械性能等特性逐渐代替金属成为新一代航空､航天器的高温热结构材料,典型应用包括航空发动机燃烧室､涡轮､火箭发动机喷管等耐高温关键件､大型客机和新型军用飞机的新一代高速刹车片等｡图3为液体火箭发动机C/SiC喷管在高空台试车｡橡胶包覆金属材料以其优异的耐腐蚀性能应用于火箭发动机燃料筒｡

工艺､材料特性和服役条件等都是影响复合材料构件中产生缺陷的重要因素,当缺陷尺寸达到某一量值时,会导致构件性能显着下降,采用无损检测技术对新型复合材料构件进行检测及质量评价以确保其完整性是制造及服务环节的重要内容｡由于航空航天新型复合材料制造成本高､结构特殊和使用环境特殊等特点,对无损检测技术提出了更苛刻､更有针对性的检测条件和检测要求,包括不能使用耦合剂､检测空间狭小､构件尺寸大､结构复杂､检测高效和检测结果实时直观等｡研究与新型复合材料技术发展水平相适应的无损检测技术,针对不同检测条件及检测要求提出合理的检测与评价方法已成为国内外研究人员需要思考的新课题｡

多种非接触检测技术的迅速发展为解决上述检测要求提供了新思路,已有多种非接触检测技术为航空航天制造及维护提供服务,各方法以其独特的技术优势在不同领域､不同检测目的应用中发挥巨大作用,这类技术在新型复合材料生产及维护中的质量评价及对环境有特殊要求的检测任务中(高温､高压､核辐射､腐蚀等)具有显着优势和应用潜力｡非接触无损检测技术的应用可以大大提高检测效率､节约维护成本､缩短型号研制周期,此类技术主要可分为基于机械振动的空气耦合超声检测技术,基于光学的红外热像技术､散斑干涉技术､全息成像､太赫兹技术､超导量子干涉技术(Superconducting Quantum InterferenceDevice,SQUID)等,以及激光超声､电磁超声等混合技术｡本文结合航空航天技术的发展趋势及该领域对新型复合材料的检测需求,对目前研究较热且在该领域具有较大应用潜力的空气耦合超声检测技术､红外热像技术､激光超声检测技术､散斑干涉技术的技术特点､研究进展与应用情况进行综述,最后展望非接触无损检测技术的发展趋势,为此类技术在航空航天领域的研究与应用提供一定的参考和借鉴｡

1 非接触无损检测技术研究进展

1.1 空气耦合超声检测技术

空气耦合超声检测技术是一种以空气作为耦合介质的非接触声学检测方法,除了耦合介质差异外,在超声激发与声传播机理方面与传统超声检测技术相比差异不大｡该技术具有非接触､良好的检测分辨率､易实现自动化､适合原位检测和技术较成熟等优点,但是该技术一般采用点对点的扫查方式使得检测效率较低,同时超声衰减导致接收信号的信噪比较差｡

空气耦合条件下,由于空气同检测对象之间巨大的声阻抗差及空气对高频声波的高吸收率,造成超声接收信号微弱且信噪比低,提高空气耦合条件下接收信号强度及信噪比是该技术发展及应用所面临的首要难题｡国内外重点研究方向包括新型高性能空气耦合超声换能器､低噪声激励接收放大装置､新型检测方法､激励信号编码技术及数字信号处理技术等｡空气耦合超声换能器是决定空气耦合超声检测技术发展水平的关键,按换能方式可分为压电型和电容型(或静电型)两类｡近年来针对压电换能器研发出的多种高性能换能材料(如聚合物复合材料)和声匹配膜材料,使压电换能器具有更低的声阻抗,同时,具有低密度､多孔､良好的高频机电响应､低声阻抗(0.028~0.040MRayl)､低介电损耗和机械损耗的高性能声匹配膜材料的应用,包括多孔聚丙烯铁电体膜材料(Polypropylene Ferroelectric Films)､硅橡胶､聚偏二氟乙烯(Polyvinylidene Fluoride,PVDF)等,使得压电换能器换能效率大幅提升(普遍提高30dB以上),频率也已拓展到60kHz~2MHz,其应用非常广泛｡由于新型电容型换能器(Capacitive Microfabricated UltrasonicTransducer,CMUT)较传统压电换能器而言机电转换效率更高,具有高灵敏度､宽频带､良好的声阻抗匹配特性,是空气耦合超声换能器发展的新趋势,图4和图5分别为电容型空气耦合超声换能器构成原理及换能器结构｡

激励与接收放大系统是空气耦合超声检测系统的重要组成部分,现已研制出电压峰峰值在500~800V的高性能低噪声空气耦合超声换能器激励放大系统,结合空气耦合换能器内部的超低噪声前置放大器,可使接收信号放大到100dB以上,满足了大多数材料的检测需求｡检测方法研究方面,穿透法检测技术已很成熟且应用广泛,南伊利诺斯州立大学Stonawski使用225kHz换能器从厚度为36.33mm 的C/C复合材料刹车盘中可靠地识别出了直径为12.7mm 的人工平底孔｡Kays等使用470kHz换能器对GLARE3-3/2复合材料中直径为25mm预置分层缺陷进行了检测,对C扫描结果使用-6dB法求得缺陷直径为22mm｡使用空气耦合超声同侧检测技术可以检测蜂窝夹芯材料中的损伤缺陷,可确定分层及损伤缺陷的类型､尺寸及位置,该技术满足了快速原位检测的需要｡超声信号数字化处理技术(滤噪及脉冲压缩处理技术等)是提高接收信号信噪比的重要手段,Sasaki等利用一种幅值调制信号驱动40kHz窄带换能器,获得了高信噪比的回波信号,测距精度可达0.02mm(0.1~0.5m 内)｡雷达技术中常用的线性/非线性调频脉冲压缩技术､相位编码脉冲压缩技术在超声检测领域的应用,使检测信号信噪比大幅度提升,国内在频率调制脉冲压缩方法的研究方面也已获得了实用化研究成果,已将线性调频､非线性调频､相位编码脉冲压缩技术应用到CFRP/GFRP复合材料空气耦合超声检测中,能检出材料中脱粘､夹杂等缺陷｡

空气耦合超声技术最先于20世纪20年代用于南极冰盖厚度的测量(频率在20~100kHz之间)｡过去40年来,该检测技术发展非常迅速,已被证明是检测与评价纤维增强复合材料(CFRP､GFRP､GLARE)､蜂窝夹芯/泡沫夹芯结构材料､金属､耐高温陶瓷材料等质量的有效手段｡

此方法不仅可以用来评价泡沫夹芯复合材料中蒙皮与泡沫芯之间的脱粘､层压复合材料中的内部分层缺陷,还能检测C/C复合材料刹车盘中的夹杂和不均匀缺陷｡空气耦合超声检测技术已在航空航天新型复合材料检测中得到应用,实现了波音737机翼后缘蜂窝夹芯材料､A320副翼､波音737尾翼､黑鹰直升机旋翼､泡沫夹芯材料及相应构件的检测,图6为采用该技术检测波音737机翼后缘｡德国无损检测技术研究所的HFUS2400AirTech 系列､美国Ultran® 公司的NCT､NCG系列换能器及SecondWave M510系统､QMI®公司的AS系列换能器及AirScan SONDA-007CX检测系统､Japan Probe® 公司NAUT21检测系统等都已具有非常优异的检测性能,并已应用在 航空航天特殊材料及其构件的质量评价中｡

1.2 红外热像技术

红外热像技术是基于物体的热辐射特性,使用红外热像仪观测材料缺陷区及完好区红外辐射差异来检测物体内部缺陷｡对红外辐射差异信号的数字化处理使人眼可视范围扩展到红外波段｡

该技术研究主要关注高性能探测器技术､新型检测方法､信号与图像后处理技术等｡早期该技术受到检测精度的影响,大大限制了其应用范围｡随着高速､高像元､高灵敏度红外热像仪的出现及计算机数字信号处理技术的进步,该技术得到了快速发展,探测器作为红外整机系统的核心关键部件更是研究的重点,半导体技术的发展催生了新型探测器的研制热潮,高像元碲镉汞(HgCdTe)已得到广泛应用,制冷型量子阱探测器(如640×480像元､GaAs/AlGaAs焦平面型)已问世,非制冷焦平面探测器(非晶硅､氧化物晶体､热释电陶瓷)省去了昂贵的低温制冷系统和复杂的扫描装置,使红外热像仪向高精度､微型化､低功率､低成本､长寿命方向发展｡在检测方法研究方面,脉冲红外热像技术(Pulse Thermography,PT)检测速度快,可以快速检测CFRP/GFRP复合材料中脱粘､夹杂和冲击损伤缺陷,但检测结果易受热源均匀性､热辐射率､环境反射､几何结构等因素的影响｡锁相红外热像(Lock-inThermography,LT)技术已应用到航空航天器､军民用设备的安全可靠性检测方面,采用较低调制频率即能获得较厚材料深层缺陷信息,但检测时间较长｡脉冲相位红外热像(Pulse PhaseThermography,PPT)技术抗干扰能力强､可探测深度缺陷,克服了脉冲热像技术对加热均匀性的苛刻要求和锁相红外热像技术处理时间长的局限｡由于此法基于相位信号的傅里叶变换获得,在特定相位上能量有限,必须提高单次脉冲激励能量｡新型频率调制红外热像方法克服了锁相红外热像技术检测时间长､脉冲红外热像技术需要更高激励能量的问题,能够以更小的激励能量实现较深区域缺陷的检测｡红外热像技术已经延伸出多种基于不同激励方式的检测技术,常用的主动式热激励源包括光､热､磁､声等,针对被测物体的材质､结构､缺陷类型及检测条件,可采用不同的热源对被检试件进行加热,以获得理想的检测效果｡超声红外热像技术基于缺陷区机械波引起的摩擦热效应而建立,已在航空发动机叶片裂纹､Nomex? 蜂窝结构蒙皮脱粘及表面裂纹等缺陷的检测中得到验证和推广,图7为采用超声红外热像技术检测Nomex蜂窝结构蒙皮脱粘及表面裂纹缺陷｡电磁激励红外热像无损检测技术是基于电磁感应原理和涡流热效应提出的,能在金属板类材料内部裂纹缺陷检测中获得较高的检出率,佩特雷大学的Tsopelas和Siakavellas分别对比了图像提取､温度的空间导数及傅里叶变换等方法对铝板中不同裂纹缺陷的检测能力,发现傅里叶变换法可检出更多裂纹缺陷(从20个中检出15个)｡在信号与图像后处理技术方面,可采用新型图像边缘检测､图像融合技术以降低加热不均､表面反射等因素对结果的干扰,提高了检测结果的可靠性及检测精度｡

美国GE､波音､洛克希德､NASA 等已将红外热像技术作为重要检测手段应用于实际生产,ASTM 已制定脉冲红外热像检测标准和航空航天复合材料无损检测导则｡瑞典､加拿大､俄国､德国､法国等已将该技术应用于航空航天领域金属､陶瓷､橡胶､发动机金属喷管､胶接CFRP材料､铆接蒙皮､胶接蜂窝夹芯结构等的质量检测方面｡红外热像技术应用设备的研发在国外开展较早,美国FLIR®､德国InfraTec® 等公司研制出的便携式高性能制冷型红外热像仪(碲镉汞探测器,热灵敏度NETD