“碳纖維復合材料在外部受到沖擊時可能會產生一些內部損傷，而這些內部損傷往往又難以被肉眼察覺出來，所以材料開發人員必須確保這些難以發現的傷害不會損害到材料結構的完整性，進而影響其整體性能”。來自英國高附加值制造業領域的無損檢測專家、布里斯托大學（University of Bristol）的Robert Smith教授說道。
從超聲波檢測、渦流檢測到磁粉檢測技術等，目前已經有十多種無損檢測技術在航空航天領域內得到了應用。根據不同的材料、不同的檢測需求，人們可以選擇最合適的檢測技術。
“現在，工業檢測領域正朝著另一種趨勢發展，就是在不需要使用更為復雜的設備的前提下做到快速診斷問題”，來自英國航空航天技術研究所（ATI）的科技主管Mark Summers說道。
與此同時，布里斯托大學的工程師關心的問題之一就是能否以及如何加快對碳纖維復合材料結構的無損檢測過程。
Smith指出：航空航天工程師將把無損檢測技術與材料、缺陷類型相匹配——試圖最大程度地提高材料結構的安全性，同時最大限度地降低檢測成本。
“工程師都渴望找到盡可能小的、真正意義上的所有缺陷，而并不需要找到那些不是缺陷的東西（錯誤的指示），花費時間和精力進行的檢測，最后找到的卻是錯誤的指示，這樣所帶來的成本代價是很高昂的。因此，你需要一種能夠準確區分缺陷和結構框架或系統噪音的技術，以避免花費不必要的時間和成本”。
Stefan Sahlen是一位來自瑞典林雪平市Exova材料技術實驗室（為全國各地的操作人員進行培訓的無損檢測培訓中心）的無損檢測技術專家。據他所說，對飛機零部件進行現場測試的關鍵無損檢測技術是對鋁制機身進行的渦流檢測技術，此外，超聲波檢測和X射線檢測技術也是非常常用的。
“隨著越來越多的復合材料被用于航空航天領域，所采用的無損檢測技術也在不斷變化”，Sahlen說道：“在十年前，渦流檢測技術的使用率比現在要大得多”。但是，這種方法現在依然還被航空公司普遍使用，主要用來評估在役飛機的結構完整性。例如，斯堪的納維亞航空公司（北歐航空公司）表示，其80％的檢查仍然使用渦流檢測技術進行。
渦流檢測技術的原理主要是將通電線圈放置在待檢測金屬樣品附近，金屬樣品內會感應出渦流。與不含缺陷的同類金屬制品相比，被檢制品中若存在缺陷或者結構發生改變都會導致渦流變化。因為渦流的分布和大小，除與線圈的形狀和尺寸、電流的大小和頻率等有關外，還取決于試件的電導率、磁導率、形狀和尺寸、與線圈的距離以及表面有無裂紋缺陷等因素。因而，在保持其他因素相對不變的條件下，利用探測線圈測量渦流所引起的磁場變化，可推知試件中渦流的大小和相位變化，進而獲得有關電導率、缺陷、材質狀況和其他物理量(如形狀、尺寸等)的變化或缺陷是否存在等信息。
渦流檢測通常能夠在幾秒鐘內完成，這使得它易于整合到生產線中，并且此過程不需要用到耦合劑，檢測前也不需要對樣品進行預清洗工作。此外，由于渦流還受電導率影響，這種技術還可以用來檢測合金材料之間的差異性等。例如，如果鋁材料中含有裂紋，形成的渦流則不會發生流動，工程師就可以據此使用渦流檢測儀器來確定裂紋的位置。
對于復合材料而言，如果其中存在損傷，那么在材料中則會出現較大的分層，人們可以很容易的觀察到復合結構受到的一些明顯沖擊（諸如鳥擊或冰雹等），但對于一些難以察覺的沖擊影響就不是那么容易被發現了。Sahlen解釋道：“你必須評估結構深處受到損傷的程度，以及沖擊影響是否使得碳纖維從基體中分離出來，因為這些對于復合材料的整體性能具有很大的影響”。
超聲波檢測是利用材料及其缺陷的聲學性能差異對超聲波傳播波形反射情況和穿透時間的能量變化來檢驗材料內部缺陷的無損檢測方法。超聲波脈沖反射法有縱波檢測和橫波檢測兩種。在超聲波儀器示波屏上，一般以橫坐標代表聲波的傳播時間，以縱坐標表示回波信號幅度。對于同一均勻介質，脈沖波的傳播時間與聲波傳輸距離成正比。因此可由缺陷回波信號的出現判斷缺陷的存在；又可由回波信號出現的位置來確定缺陷距探測面的距離，實現缺陷定位；通過回波幅度來判斷缺陷的尺寸大小。
利用超聲波技術檢測復合材料具有穿透能力強、靈敏度高、操作簡單等優點，使其能夠輕易檢測到較小的內部損傷缺陷；而且由于具有較高的穿透能力，該技術還可以檢測到零部件內更深處的缺陷信息。
磁粉檢測則僅用于對鐵磁材料進行檢測，磁粉檢測技術的原理簡單來說就是：利用合適的磁化力對待檢制件進行磁化，然后在制件表面待檢區域施加鐵磁粉（干粉或者懸浮液形式）。磁化后在那些材料不連續處的磁場將發生崎變，在部分磁通泄漏工件表面產生了漏磁場，從而吸引磁粉形成一種跡象指示——磁粉堆積（磁痕），在適當的光照條件下，能夠有效顯現出缺陷的位置和形狀，然后根據材料驗收標準對這些缺陷的尺寸、形狀及其分布等因素進行分析對比。
磁粉檢測方法尤其適用于檢測材料的線狀缺陷，例如裂縫、含有非金屬的夾雜物、未焊透部分以及一些其他可能會導致磁漏現象的缺陷。該方法主要就是用來檢測鐵磁性材料表面或者近表面上的不連續處。由于磁場發出的磁通線是定向的，因此必須考慮到這些磁通線與不連續處的方向問題。一般來說，最大響應通常發生在不連續處與磁通線方向呈90°。Sahlen說道：“通過采用對紫外線敏感的熒光粉，你可以很快看到金屬缺陷。這種方法和滲透檢測方法在生產環境中是應用最為普遍的”。
事實上，航空航天企業的生產部門和設計部門都是無損檢測的重要用戶。得益于計算機的快速發展，“在過去的20年里，無損檢測已經發生了翻天覆地的變化。無損檢測變得更加直觀，可以形成更多的圖像，包括二維和三維圖像，可以更為有效地為人們進行檢測。然而，傳統方法仍然占據著主導地位，因為新技術一般需要很長時間才能投入使用。” Smith說道。
英國航空航天技術研究所的Summers補充道：“無損檢測的市場在不斷擴大，但隨著高性能計算的發展，其復雜性也隨之不斷提高。不斷出現的無損檢測新技術將逐步融入到包括航空工業在內的眾多領域中。”這些技術最終將檢測結果有效的反饋到新飛機的設計、制造過程中。
Smith說道：“在生產制造過程，未來的無損檢測將涉及到工藝驗證程序；可以驗證你設計的制造過程是否能夠實現預期的目標，并且判斷每一個制造部件的設計是否合理、一致。這一方面增加了設計的成功率，降低了風險，并有可能減輕飛機機身的重量，即意味著你可以用較輕的結構達到相同的安全等級”。
令工程師們特別感興趣的還包括將傳感器嵌入到整個機身和其他能夠傳輸關于結構完整性數據的飛機組件中（稱為結構健康監測，即SHM）的潛力。“結構健康監測已經談了近30年了，盡管人們已經進行了大量的研究工作，但是還沒有能夠在飛機上真正實現”，Smith指出。
“人們對結構健康監測有著極大的興趣，”Summers補充道。“以勞斯萊斯為例，碳纖維風機葉片如果被嵌入了傳感器，它就可以在使用時提供有關部件結構狀態的數據，因此你并不需要專門對它們進行檢測。”這很可能會成為航空發動機數字化改革進程中的一部分，也將會是“第四次工業革命”的重要內容。
但是現在的飛機只有少數的結構健康監測傳感器，Smith說道：“部分原因是，傳感器必須從一開始就被安裝到結構中，這使得初始成本很高，而且現在還不清楚如何驗證這種系統的具體功能。此外，如果這些嵌入了傳感器的部件發生了故障而且必須做局部修復時，你可能會損失部分的監測功能”。
Smith坦言：人們的潛意識里總是希望能夠盡量減少使用無損檢測技術，因為它往往是昂貴的。在零部件設計和生產過程中采用無損檢測技術是為了證明每一個制造的部件都是正確、合理，并且都符合最初設計的。如果飛機制造商可以證明這一點，那么在制造之后進行的質量控制過程可能就不再是那么有必要了。但是，無損檢測技術必將持續發展下去，因為飛機等結構的安全性離不開這些高效的無損檢測技術。
文章來源于：無損檢測公眾號
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