陈名华，杨小林，涂明武，郭孝欢

（空军第一航空学院，河南 信阳 464000）

0 引言

复合材料具有质量轻，比强度和比刚度大，可设计性强，且耐腐蚀、抗疲劳等、易加工成型等优点，而广泛应用到飞机的设计和制造中如： 飞机的雷达罩和尾翼、直升机的各种整流罩，无人机的机翼和机身等。由于复合材料对冲击较敏感，在训练和维护过程中易因异物撞击而发生损伤，严重影响复合材料的机械性能和完整性，给飞机带来了严重的安全隐患，因此，经常对飞机复合材料构件进行无损检测成为了保障飞机飞行安全必不可少的环节。目前复合材料无损检测技术有很多如： 超声波、X 射线、声发射、红外热波和激光散斑等，其中，红外热成像技术具有快速，观测面积大，直观易懂，准确、非接触、无污染，可原位检测等优点，得到了广泛研究，成为了飞机复合材料损伤检测的主要发展方向之一。

1 基本原理与分类

红外热波无损检测的基本原理是利用被检物的不连续性缺陷对热传导性能的影响，使得物体表面温度不一致，即物体表面的局部区域产生温度梯度，导致物体表面红外辐射能力发生差异，借助红外热像仪探测被检物的辐射分布，通过形成的热像图序列就可推断出内部缺陷情况。具体检测方法分为以下两种： ①有源红外检测法又称主动红外检测法，其特征是利用外部能源，向被检测工件注入热量，再借助检测设备进行检测的方法；②无源红外检测法又称被动红外检测法，其特征是，无外加热源，利用工件本身热辐射的一种测量方法。而有源红外检测法还可细分为： 脉冲红外热成像技术、锁像红外热成像技术和超声红外热成像技术等，它们施加的能源分别为： 脉冲式热源、周期性热源和低频超声脉冲波[1]。其中脉冲热源发展比较成熟，是本文研究采用的主要热源。

2 红外热成像试验

2.1 试样制备

本文设计制作了材料为T300／QY8911 的层合板标准试块。试块标准及结构为35 层层合板结构，每层厚0.12mm，试块的形状及尺寸如图1、2 所示。在 （300×180）mm 的层合板上，沿长度方向挖出3 行直径分别为19mm、13mm、10mm 的圆柱形平底孔，每行5 孔，共15 孔。每列孔的钻孔深度相同，自左至右分别为3.6mm（30 层）、3.0mm（25 层）、2.4mm（20 层）、2.04mm（17层）、0.96mm （8 层）。将标准试块无人工孔一面正对红外热像仪进行损伤测量，具体如图1、2 所示。

图1 含人工平底孔层合板外形图Fig.1 T he drawing of laminated board included man-made holes

图2 含人工平底孔层合板标准试块尺寸简图Fig.2 T he structure chart of laminated board included manmade holes

2.2 红外热像检测工艺

采用ThermoVision A40 型红外热像仪，热像仪的成像距离固定，焦距为300mm，热源为脉冲氙灯，采用双灯头平行布置方式，脉冲单灯功率为3000J，离工件距离为280mm。测试时，采用连续加热方式，加热时间为5～10s，采集频率为50Hz，分别对预制平底孔层合板试件和某无人机蜂窝复合材料板材进行检测。

2.3 层压板复合材料检测结果分析

脉冲加热后得到不同时刻典型的热图像（热波序列图），如图3 所示，图中亮斑对应为平底孔缺陷，因为试件吸收闪光灯的能量后，能量逐渐向深层传播，当遇到平底孔时，由于空气的热导率比碳纤维复合材料低，因此热波在此反射较大，使得试件表面对应的部位温度相对较高，在热图中就显现出白色亮斑，并且随时间延长，从3s 到12s，不同深度的平底孔依次显现。从热波序列图可以看出： ①平底孔离检测表面越近，则缺陷最先显现；②平底孔直径越大，其亮度也越大，持续的时间也越长；③平底孔达到一定深度后，不能被红外热波检测。这也说明，通过对红外热波检测，可以对平底孔缺陷进行定量分析，其深度与时间有关，其面积与亮斑大小一致[2]。

图3 含人工平底孔层合板标准试块热波序列图Fig.3 The thermal wave sequence imaging of laminated board included man-made holes

文献资料表明： 红外检测时，不同缺陷的深度的平方与缺陷显现的时间成正比（其比例系数与被测材料的热传导性、密度和比热容有关），因此可利用试验曲线判定缺陷埋藏深度和缺陷类型。对于面积的测量，必须知道红外热图像上每一像素点代表的实际面积，可先计算出显示图像坐标与实际检测面积之间的比例关系，再通过计算机编制算法，计算具体缺陷面积[3]。

当然，由于热传导的三维效应、缺陷的边界效应和操作人员的判断等对测量结果都有影响。因此缺陷深度和面积的测量值和真实值之间可能存在较大的误差。在实际应用中可以根据检测物的材料和缺陷形式、设计出含各种缺陷的精细的标准试件，在实际检测中，通过与标准试件比对得到更准确的定量分析结果。

2.4 复合材料蜂窝结构检测结果分析

研究表明，红外热成像技术还能有效地检测出复合材料蜂窝结构中存在的主要缺陷（如：蜂窝与面板脱粘和蜂窝积水），我们对某无人机的机身玻璃钢蜂窝结构进行了红外检测，检测结果见图4、图5，由图可知，在正常区域，其蜂窝轮廓清晰，而不显示蜂窝轮廓区域，表明缺陷存在。一般来讲，玻璃钢层压板、水（油）、空气的热导率是依次减小的，对于分层和脱粘而言，由于空气存在，其传热慢于玻璃钢或胶粘剂，使得相应试样表面温度高于周围，出现亮斑；对于蜂窝积水（油）而言，其传热快于蜂窝中的空气，使得相应区域表面温度低于周围，在热像图上显示为黑斑。在图4 中，热像图上出现白色亮斑，说明此处存在分层或脱胶缺陷；在图5 中，热像图上出现几块黑色斑区、说明黑斑区存在积水或积油，而对于蜂窝积油和积水的判断，可以通过分别设计含蜂窝积油和积水的标准试件，进行热像图对比而进一步区分开来[4]。

图4 含分层缺陷的蜂窝复合材料Fig.4 the thermal imaging of honeycomb composites included delamination

图5 含蜂窝积水 （油） 蜂窝复合材料Fig.5 the thermal imaging of honeycomb composites included water in honeycomb

3 结论

实践表明，红外热成像无损检测技术可广泛应用于飞机复合材料层压板和蜂窝结构的损伤检测中，它不仅能够检测分层和脱粘，还能检测蜂窝积水 （油）、蜂窝塌陷等损伤，不仅能进行定性分析，还可进行深度和面积等定量分析，因此该技术发展前景广泛，不仅能够用于航空复合材料的无损检测，也可用于其他军事装备复合材料的无损探伤，还可应用于民用复合材料的检测维修中。

[1] 张小川，金万平，李艳红，等. 玻璃钢平底洞缺陷试件红外热波检测方法[J].激光与红外，2006，1.

[2] 杨小林，马虎，江涛. 复合材料结构可视化检测中的损伤面积测量[J].航空维修与工程，2008，5.

[3] 王焰，张炜，杨正伟，等. 玻璃纤维复合材料分层缺陷的红外热波检测[J].无损检测，2010，11.

[4] 杨小林，代永朝，李艳红，等.红外热波技术在飞机复合材料无损伤检测中的应用[J].无损检测，2007，4.