X射线检测技术在复合材料检测中的应用与发展黄君

X射线检测技术在复合材料检测中的应用与发展黄君

黄君

浙江同济科技职业学院浙江杭州311231

摘要：论述了X射线检测技术在复合材料检测中的研究进展｡着重介绍了近几年来国内外利用不同的X射线检测技术对不同种类复合材料的检测现状，并对检测结果进行了分析；最后，根据目前国内X射线检测技术的不足及存在的问题，结合复合材料检测的质量要求，对未来的发展趋势进行了展望｡

关键词：X射线检测技术；复合材料检测；应用

引言

复合材料以其高的比强度､比刚度及良好的抗疲劳性和耐腐蚀性在飞机制造中得到了广泛应用｡复合材料构件在使用过程中往往由于应力或环境因素而产生开胶､分层､冲击损伤､渗水､蜂窝变形等缺陷｡复合材料损伤的产生､扩展与积累会加剧材料的环境与应力腐蚀，导致材料老化，造成材料的耐湿热性能严重下降，强度与刚度急剧损失，大大降低了材料的使用寿命，甚至造成严重后果｡因此，飞机复合材料检测的重要性不容忽视｡

1､X射线检测技术简介

X射线检测系统主要是由射线机､IP板､扫描器､图像显示与处理单元四部分组成的｡当射线束透射被检工件时，工件局部缺陷或结构差异会改变工件对射线的衰减，使照射在IP板上的射线强度有所不同，而IP板中荧光物质电子被激励俘获到较高能带，形成了光激发射荧光中心(PLC)，以潜在图像保留照相射线信息｡将IP板放入扫描仪后，利用激光激发，光激发射荧光中心电子返回初始能级，并发射可见光输出能量｡光发射与接收到的射线剂量成比例，扫描仪将可见光信号转变为数字信号，经过计算机的处理得到灰度图像以供评判｡

2､X射线检测技术现状

2.1､X射线照相检测技术

X射线照相检测技术是最传统的无损检测技术之一，在工业领域中得到了广泛的应用，其主要优点是对复合材料中的夹杂､孔隙等体积型缺陷及密度分布不均等均有很好的检出效果，且检测结果直观，具有较高的灵敏度｡但其对分层缺陷的检测相对比较困难，且处理步骤繁琐､过程复杂，不仅成本较高，而且有污染物质产生｡罗京华等通过利用X射线照相检测技术，检测了具有不同尺寸的人工裂纹缺陷的碳纤维增强碳基体(C/C)复合材料，并估算其中一个样品的缺陷厚度为2.95mm，与人工设计的实际厚度(3mm)接近；同时，采用X射线断层扫描技术对所估算的缺陷厚度进行了验证，结果表明:通过观察X射线透视图中灰度值的大小，可以有效检测出C/C复合材料的微缺陷｡武高辉等采用X射线照相检测技术，不仅可以清晰地观察碳纤维增强铝基(Cf/Al)复合材料中碳纤维的编织纹路和其间的密度变化，同时对缩孔､疏松等铸造缺陷也具有较高的检测灵敏度｡

2.2､X射线实时成像检测技术

随着X射线检测技术的发展，数字射线检测技术逐渐得到了推广和应用｡探测器代替传统的X射线胶片，不仅成像速度更快，成像质量更高，而且不需要洗片､显影､定影等操作过程，减少了化学药品的消耗，从而价格成本更低､更加经济环保｡X射线实时成像检测技术具有很高的分辨力和较高的动态范围，可检测密度差或厚度差很大的工件，同时还可以实时地进行在线检测｡但是，X射线实时成像检测技术与传统的X射线照相检测技术一样，所得到的检测图像为二维投影图，存在信息叠加的问题；如果要确定缺陷的尺寸及形状等信息，还需要结合X射线CT成像检测技术｡钟飞等采用X射线实时成像检测技术，在任意旋转角度下，对任意位置的碳纤维复合芯导线进行实时在线监测，不仅可检测到大多数的界面缺陷，而且得到的检测图像具有较高的清晰度，检测灵敏度高，从而在一定程度上解决了碳纤维复合芯导线在应用过程中易损伤､易断线的问题｡史建军等针对某型号卫星用碳纤维复合材料气瓶，采用X射线实时成像检测技术代替传统的射线照相检测技术，其内部的孔隙､夹杂､脱粘和折皱变形等缺陷可以很容易地被检出，同时所得到的检测图像具有较高的清晰度和对比度｡陈腾飞等采用X射线实时成像检测技术，成功检测出了碳纤维预制体中存在的锥状断针和局部结构疏松缺陷；同时，从该方法得到的灰度值图像中，通过灰度值的变化可以检测实测为0.01g•cm-3的密度差变化

2.3､X射线实时成像检测技术的特点

X射线实时成像检测技术可代替X射线胶片照相探伤方法，具有实时､动态以及可以连续地从各个角度对试件进行检测的优点｡与普通射线照相法相比，X射线实时成像系统一般可对复合材料进行100%检查，有效避免漏检；成像速度快，可及时得出检测结果，检测工作基本在数秒至几分钟内完成，检测效率高，同时可实时监视曝光情况，方便随时调整射线能量或曝光时间；检测结果影像可通过系统控制主机方便地保存､查询和复制，既有利于保存原始数据，又便于用户对原始数据的检索；检测人员可远离X射线源，有效地解决了防护问题，减轻了操作人员的劳动强度｡

2.4､X射线显微CT成像检测技术

X射线显微CT是一种利用X射线成像原理进行高分辨率三维成像的新型检测技术｡X射线显微CT成像检测技术可以用于对孔隙度及孔径的测量｡Li利用显微CT不仅实现了碳纳米管增强多孔镁复合材料的三维可视化，而且定量地分析了其微观结构，试验检测该复合材料的孔隙率约为48.5%，孔径为1.5~145μm｡为碳纳米管增强多孔镁复合材料在氢储存和生物医学上的应用打下了坚实的基础｡Yuri等利用显微CT对钻出已知直径(0.113mm)微孔的单向碳纤维/环氧树脂复合材料试件进行检测｡结果表明，此方法不仅可用于定量检测复合材料的孔隙尺寸，且可在各个方向上测量切片的孔隙度，试验中测量的孔隙度为0.4%~9.5%不等｡Rique等为了得到玻璃纤维增强塑料试样中的孔隙率，利用显微CT分别对对比试样､缺少胶黏剂的试样及部分区域没有被胶黏剂粘结的试样进行实际检测，结果显示孔隙率分别为20.09%，2.35%和1.35%，说明显微CT可有效､可靠地定量检测孔隙率｡X射线显微CT成像检测技术还可用于质量检测和探伤中｡冯炎建等采用显微CT技术很好地分辨出C/SiC复合材料中的各结构单元(纤维束､基体及孔隙)，同时有效地检测出SiC基体中存在的密度缺陷｡Bull等]分别用同步辐射CT及显微CT定量地估算了碳纤维增强环氧树脂冲击试样的裂纹张开尺寸为4.9μm及4.8μm｡

结束语

与胶片照相技术相比，X射线实时成像技术不需要胶片的暗室处理，缩短了曝光时间，成像质量与胶片照相技术相当｡与常规的复合材料结构无损检测方法相比，X射线成像技术在检测过程的实时性､检测效率､经济性以及远程传送和方便实用等方面具有更大的优越性｡

参考文献

[1]单威.CR射线检测技术在航空复合材料检测中的应用[J].科技与创新,2016(16):137.

[2]杜兴吉,沈赟,沈晓军,张黎明,柴东京.X射线平板数字成像技术在复合管管端堆焊检测中的应用[J].焊管,2016,39(06):22-25+29.

[3]董方旭,王从科,凡丽梅,赵付宝,李金鹿,张霞,郑素萍.X射线检测技术在复合材料检测中的应用与发展[J].无损检测,2016,38(02):67-72.

[4]关舒悦.复合板内部缺陷无损检测研究[D].东北林业大学,2013.