复合材料具有轻质、抗腐蚀、抗疲劳等诸多优点，而且在复合材料结构之制造过程中，材料的利用率非常高，加工工序非常少，已经在航空航天、交通、能源等众多领域得到了重要应用，许多重要和复杂的壁板、梁、肋、框、叶片等都采用了复合材料结构。
随着航空、轨道交通、风能等产业快速发展，为了减轻飞机、发动机、轨道车辆等关键装备自身的重量，提高能源利用率，增加舒适性，降低其制造成本，利用复合材料及其成形工艺制造各种关键零部件，已成为近年复合材料产业化应用的重要发展方向。
许多低成本的复合材料成型工艺也在不断推出，复合材料的加工通常只需要一两个热成型过程，在热成型过程中，将纤维或织物预浸料通过成型模具固定加热固化，进而实现各种复合材料结构获制件制品的高效制造。
目前用于复合材料制造的成型工艺方法主要有热压罐工艺方法、液体成型工艺方法、拉挤工艺方法、缠绕工艺方法、铺放/铺贴工艺方法等。实际应用中，通常需要结合产品或装备对复合材料使用性能、功能、结构、成本和应用场景等权衡后，选择适应的复合材料及其制造工艺方法。
由于意外因素或工艺细节偏离，在复合材料成型或加工、使用过程中可能会引入缺陷和损伤。因此，在航空航天、交通、能源、医疗等重要应用领域，为了保证复合材料结构或制品质量和装备的使用安全，通常需要对复合材料结构或制品进行100%无损检测。
考虑到复合材料成型过程不可逆和难以修补的特点，借助先进的无损检测技术可以及时对复合材料的制造工艺进行优化，形成稳健的复合材料制造工艺。为此，首先需要研究和建立反映复合材料成型工艺特点的缺陷表征与评价方法；然后，按照复合材料结构或制品或装备质量控制要求、应用场景和检测场景，研究和建立满足缺陷和损伤检出准确性要求的检测方法、检测手段、检测标准。因此，无损检测与评估在复合材料产业链和专业链中有着非常重要的作用。
1、复合材料无损检测方法
目前有关复合材料无损检测方面文献报道比较多，包括超声、X射线、红外、激光电子散斑(ESPI)、高频脉冲涡流、微波等方法。
红外、ESPI检测方法对复合材料近表面缺陷有一定的检出效果，可以实现检出结果的可视化，但需要对被检测复合材料进行热、力加载，难以实现复合材料缺陷的定性定量可视化表征与准确评估，目前在复合材料制造场景还鲜有应用案例，但在一些便于实现热、力加载准确控制的应用场合，对部分适合检测的复合材料结构或制品有一定的应用潜力和检测效果。
涡流方法对较薄的碳纤维复合材料有一定的检测效果，检测结果可以C扫描方式实现可视化，目前主要处于实验室和小样品的检测方法研发阶段。
微波方法包括太赫兹方法对部分高衰减低密度复合材料中连接界面的检测有一定效果，通过微波扫描，检测结果也可以实现可视化，但不适合形状各异的复合材料结构的无损检测，也不适合碳纤维复合材料的无损检测。
用于复合材料的X射线检测方法目前包括DR和CT，是实现复合材料可视化检测与缺陷准确表征与评估的重要方法，其中DR是复合材料蜂窝结构、机织结构和高温复合材料结构可视化检测的有效方法。不过DR对复合材料中具有体积分布特征或者密度有显著差别的缺陷检出能力较强，对于复合材料中的分层或者界面型缺陷不敏感，而且需要专门的辐射防护，不适合大型复合材料结构的无损检测。CT方法是一种非常直观的复合材料可视化检测方法，主要适合中小尺寸类高附加值复合材料结构或制件的无损检测，但检测成本高、检测效率低、需要专门的辐射防护。
相比而言，超声是一种具有普遍应用价值的复合材料可视化检测方法，因为复合材料超声评估与超声波在其内部的传播行为密切相关，据此，可以实现复合材料微结构和缺陷的精细量化评估，复合材料内部细节变化及缺陷的存在会改变入射声波在其内部的传播行为，基于此，超声检测可以用于复合材料缺陷定性定量表征与评估以及检测结果的可视化，非常环保和高效，但需要液体耦合，需要针对被检测结构设计相应的超声检测系统，才能实现可视化检测。通常需要针对被检测复合材料及其成型工艺特点与结构特征，研究建立相应的缺陷表征与超声可视化评估方法。
根据复合材料结构或制件特点不同，有些结构不适用超声穿透法进行检测，在绝大部分情况下，采用超声反射法可以实现复合材料结构可视化检测与评估。不过，超声反射法对检测分辨率和表面检测盲区要求高，因此，超声反射法检测的分辨率和表面缺陷检出能力一直是复合材料检测领域非常关注的技术问题。对于工程应用的复合材料结构或制件，超声检测与评估需要其表面检测盲区和检测分辨率达到单个复合材料预浸料铺层厚度（约0.125 mm），至少不允许超过2个复合材料预浸料铺层厚度。
目前复合材料超声可视化已从2D发展到3D检测，为解决各种形状复杂、尺寸超大的复合材料结构或制件提供了高效准确的可视化检测方法和检测结果量化评估手段，相关的技术进展与应用也非常迅速。
2、超声可视化方法及其适用性
超声是目前国际上用于复合材料无损检测最为普遍的检测方法和技术，据不完全统计，80%以上的复合材料结构或制件都可以通过超声方法实现可视化检测。因此，超声方法一直是复合材料无损检测的首选方法。
目前工程上用于复合材料结构或制件超声检测方法主要基于垂直纵波方法，其分为超声反射法和超声穿透法。其中，超声反射法的缺陷检出能力比穿透法强。针对不同复合材料结构及其检测场景与检测要求，已有多种超声方法可用于复合材料可视化检测，每种超声可视化检测方法都有不同的检测特点和适用性。基于这些超声可视化方法都可以实现复合材料内部缺陷/损伤的准确定性定量检测与评估。
超声可视化检测方法及其适用性
反射法
适合探头单侧可接近的各种复合材料结构或制件室内外超声手动或自动扫描可视化检测；适合大型复合材料结构自动化检测；适合含有内腔的复合材料制件可视化检测；适合多筋条复合材料结构或制件、需要复杂工装支撑引起遮挡的超大型复合材料结构或制件可视化检测；可用于复合材料夹芯结构可视化检测；适合装配后的复合材料结构或制件可视化检测；适合外场可视化检测。
穿透法
适合探头双侧可接近的复合材料结构或制件超声自动扫描可视化检测；不适合含有内腔的复合材料制件可视化检测；不宜用于多筋条复合材料结构或制件、需要复杂工装支撑引起遮挡的超大型复合材料结构或制件可视化检测；不宜用于夹芯高度过大或达不到要求信噪比的复合材料夹芯结构可视化检测；不适合装配后的复合材料结构或制件的可视化检测；不适合外场可视化检测。
反射板法
适合探头单侧可接近且允许水浸的简单形状和小尺寸复合材料结构或制件超声自动扫描可视化检测， 仅限于室内检测。
单通道超声反射法
同反射法
多通道超声反射法
适合探头单侧可接近的各种复合材料结构或制件超声自动扫描可视化检测。
阵列超声反射法
适合探头单侧可接近的简单形状复合材料结构或制件超声自动扫描可视化检测。
相控阵反射法
适合探头单侧可接近的简单形状复合材料结构或制件超声手动或自动扫描可视化检测。
单通道超声穿透法
同穿透法
多通道超声穿透法
适合探头双侧可接近的简单形状复合材料结构或制件超声高效自动扫描可视化检测。
阵列超声穿透法
适合探头双侧可接近的简单形状复合材料结构或制件超声高效自动扫描可视化检测。
相控阵穿透法
适合探头双侧可接近的简单形状复合材料结构或制件超声高效自动扫描检测。
接触法
适合探头可接近的各种复合材料结构或制件室内外超声手动或自动扫描可视化检测（水膜耦合），适合反射法可视化检测。
非接触法
适合复合材料结构或制件超声自动扫描检测，适合反射法和穿透法可视化检测。
超声喷水法
适合复合材料结构或制件超声自动扫描可视化检测，适合反射法和穿透法可视化检测。
超声水浸法
适合允许复合材料结构或制件水浸的超声自动扫描可视化检测，适合反射法可视化检测和中小尺寸复合材料制件的穿透法可视化检测。
超声局部水浸法
（包括超声水膜法）适合复合材料结构或制件超声手动或自动扫描可视化检测，适合反射法可视化检测。
超声A扫描法
适合室内外场合复合材料结构或制件超声手工扫描检测，但检测结果可视化效果差。
超声C扫描法
适合复合材料结构或制件超声手动或自动扫描可视化检测，检测结果平面可视化效果好。
超声B扫描法
适合复合材料结构或制件超声手动或自动扫描可视化检测，检测结果断面可视化效果好。
超声三维扫描法
适合复合材料结构或制件超声自动扫描可视化检测，检测结果可视化效果好。
手动扫描检测法
适合各种复合材料结构或制件室内外不同场合可视化检测，其中手动B，C扫描可实现检测结果可视化。
自动扫描检测法
适合复合材料结构或制件室内可视化检测，其中超声2D，3D自动扫描检测可实现检测结果可视化与自动评估。
作者：刘松平1,2，刘菲菲1，章清乐1，杨玉森1，李治应1，史俊伟1，李乐刚1，傅天航1，郝章程1，张君1
工作单位：1. 中国航空制造技术研究院复合材料中心
2. 中航复合材料有限责任公司
来源：《2022中国无损检测年度报告》
