复合材料作为多相异质材料，具有复杂的宏微观几何特征。复合材料由纤维、基体与界面相组成，在铺放、固化、成型、加工等制备过程、运输装配过程与服役过程中，易诱发裂纹、孔洞、黏连、分层等缺陷，这些缺陷呈现多尺度随机分布、三维几何形貌复杂、失效作用机理多样、诱发因素不确定等特点，严重制约了复合材料结构的安全性与使用寿命。

开展树脂基复合材料的制造缺陷的评价表征，并揭示其对复合材料力学性能的影响机制，对于复合材料构件的强度预测和可靠性评价意义重大。

 

1、树脂基复合材料制造工艺与缺陷类型

纤维增强复合材料常用的成型制造工艺包括手糊成型法、热压成型法、树脂传递模塑成型法、缠绕成型法、挤压成型法等。

复合材料常用制造工艺

 

复合材料的力学性能与缺陷受到成型方法与参数的决定性影响。在复合材料成型过程中，材料受真空压力分布、树脂流动率、固化速度和固化压力等制造因素的影响，诱发不同类型的制造缺陷。

复合材料常见缺陷类型与尺度

 

2、复合材料缺陷检测方法

准确检测评估复合材料与结构缺陷对于提高装备服役安全性、降低维护成本至关重要，复合材料缺陷的表征评价需要覆盖其整个生命周期：在制造阶段，复合材料缺陷检测评价可以有效评估其工艺参数与产品质量寿命；在服役阶段，检测复合材料结构件出现的损伤缺陷，能够评估结构损伤状态和剩余寿命，为复合材料结构的维护与替换提供依据。

目前已经有多种检测方法用于树脂基复合材料的缺陷检测表征，常用的检测方法可分为破坏性检测和无损检测两大类。

 

1）破坏性检测方法

破坏性检测方法包括密度法、显微照相法等。

密度法通过测量纤维、基体与复合材料的密度以及树脂的质量分数，进而计算出材料孔隙率，该方法相对简单，不需要复杂仪器，得到了广泛的应用，但无法得到复合材料孔隙尺寸、形状及其分布等信息，而且测量精度较差。

显微照相法通过选定被测试样的几个截面，通过抛光或者切割观察样品截面，计算断面内的孔隙总面积与断面面积的百分比从而得出孔隙率，该方法可以测定孔隙的形状和分布情况，测量精度相对密度法稍有提升，但是要获得较高精确度，必须对大量截面进行检测。

 

2）无损检测方法

无损检测方法主要包括声发射检测、超声检测、射线检测、涡流检测、脉冲红外热成像检测和太赫兹检测等。

 

声发射检测

声发射（AE）方法是利用检测物体受到外力发生形变或破坏时释放局部能量而产生的声信号，通过分析来检测纤维断裂、基体开裂、脱粘、分层等缺陷。声发射检测方法主要应用于分析纤维和复合材料拉伸断裂、轴压压缩等损伤过程，对于静态物体的检测较为困难。

声发射检测

超声检测

超声检测（UT）利用超声波在检测物体的入射波、透射波与反射波进行分析，可以精确地测出缺陷尺寸与位置，具有较高灵活性与高准确检测效率，已被广泛用于评估复合材料与结构中的孔洞、裂纹与分层等缺陷。然而超声检测要求被测样品表面平整，目前复杂构型的超声检测与三维特征反演较为困难。

超声检测

射线检测

射线检测（RT）方法是一种在复合材料缺陷检测中广泛应用的方法，根据X射线在穿过物体时材料不同组分对射线吸收能力不同，从而实现复合材料复杂缺陷的无损检测。

X射线检测方法具有灵敏度高、检测结果直观与适用性强等优点，可以满足树脂基复合材料中的孔洞、裂纹、分层等多种缺陷的检测评价需求。然而X射线检测方法检测成本高，而且检测过程具有辐照，需要专职人员在屏蔽设施中进行操作。

射线检测

CT表征方法

复合材料缺陷具有复杂的三维几何特征，传统的检测评价方法很难实现复合材料宏微观缺陷复杂三维特征的定量化表征评价需求。X射线计算机断层扫描（CT）技术作为在射线检测基础上发展起来的三维检测方法，实验测试中试样放置于转台上进行360°旋转，探测器接收X射线穿过物体不同角度的剩余能量，之后通过Radon逆运算的算法重建出复合材料真实的三维信息，实现复合材料与结构三维特征的检测与评价，其中微焦点X射线CT扫描（Micro-CT）最高精度可达到500 nm，满足复合材料纤维扭结断裂、基体微裂纹等微观特征的表征需求。

为了观测外载下复合材料缺陷损伤演化过程，揭示复合材料的损伤演化与失效机理，近年来研究人员将力热原位加载装置与Micro-CT相结合，开发了多场原位CT成像装置，追踪复合材料的损伤演化过程。

法国波尔多大学的Mazars等搭建了高温原位CT设备，观测了室温和1250℃下SiC/SiC陶瓷基复合材料的失效行为，并通过数字体相关方法提取了残差场分析材料损伤机理，原位CT表征结果表明常温与高温下复合材料破坏分别由裂纹扩展与纤维剥离导致。

法国波尔多大学的高温原位CT设备

美国加州大学伯克利分校劳伦斯国家重点实验室的Bale等搭建了1750℃的超高温原位加载CT装置，实现了1750℃拉伸载荷下SiC/SiC复合材料缺陷损伤演化过程的原位观测，发现室温和高温下材料裂纹扩展行为存在差异。

美国加州大学伯克利分校劳伦斯国家重点实验室的超高温原位加载CT装置

 

国内外现有的力学原位CT表征装置主要采用将力热加载装置放于转台同步旋转的方式进行CT成像，精密转台承重较小且X射线穿透路径上要求材料相对于X射线透明，以实现更好的成像效果，因此现有装置采用较薄的铝合金、有机玻璃或者碳玻璃等材料搭建，加载能力小于5000 N，无法满足大尺寸复合材料试样的原位表征需求。

北京理工大学方岱宁院士课题组采用实验室微焦点X射线成像与试验机上下夹头同步旋转控制的方法，将大载荷试验机与CT成像系统集成，搭建了国内首台100 kN大载荷原位加载双源双探CT成像系统，并在此系统上，集成搭建了-200℃超低温与1200℃高温原位CT表征装置。

基于该平台实现了-180℃玻璃纤维/环氧树脂编制复合材料（WFCs）、室温短碳纤维增强聚合物（SCFRP）复合材料和1000℃陶瓷基复合材料（CMCs）拉伸载荷下损伤演化的定量分析，并发展了神经网络驱动的复合材料CT图像识别、提取与动态追踪方法，分析了孔洞、裂纹、经纬纱等特征参数在不同载荷下的演化过程，并通过数字体相关方法测量了试样三维变形场，揭示了复合材料的失效机理。

北京理工大学的高低温原位CT装置

CT表征与原位CT表征方法已经广泛应用于复合材料缺陷的检测与表征，近年来受到国内外的广泛关注，为复合材料复杂的宏微观缺陷检测表征评价提供了有力的工具，同时试验方法的发展为极端环境下复合材料结构的设计提供了数据支撑。

 

涡流检测

涡流检测（ET）是利用导电材料的电磁感应现象，通过测量感应量的变化进行无损检测的方法，适用于导电材料、碳-碳复合材料与金属基复合材料的检测。由于端头效应的存在，该方法在边界处的检测效果不好，同时需要用标准试样进行对比，因此其应用受到了限制。

 

脉冲红外热成像检测

脉冲红外热成像的工作原理是利用主动加热技术，通过红外热成像系统自动记录试件表面缺陷和基体材料由于不同热特性引起的温度差异，进而判定被测物表面及内部的损伤。

该方法具有非接触、实时、高效、直观的特点，十分适合于检测复合材料薄板与金属粘接结构中的脱粘、孔隙率、剥离、分层、分层类面积型缺陷等，尤其是当零件或组件不能浸入水中进行超声C扫描检测，以及零件表面形状使得超声检测实施比较困难时，可使用红外热波检测方法。

脉冲红外热成像

太赫兹检测

太赫兹检测技术是在太赫兹波谱技术的基础上建立起来的。太赫兹波不仅可以透过不透明材料探测材料内部的杂质、位错、微裂纹、纤维分层、纤维与基体界面开裂、纤维卷曲、富胶或贫胶、孔洞、脱胶以及氧化等缺陷，还可代替红外应用在绝热材料和热敏感材料的检测中。并且由于太赫兹波的低能性，不会对被检材料造成结构上的破坏，也不会产生对人体有害的辐射。

利用超声波检测时必须与被检测对象接触，且在某些材料中，声波衰减率很大，而太赫兹波对这些材料仍然可行，且可在不接触被测材料的情况下对其进行检测，因此可将太赫兹检测作为一种互补手段，针对复合材料、高分子材料进行检测。

太赫兹时域波谱（THz-TDS）技术是一种可以同时获得太赫兹脉冲的相位和振幅的相干检测技术，经典光路包括透射型光路、反射型光路、差异型光路、啁啾展宽型光路4种。基于THz-TDS系统的扫描成像可分为透射型扫描和反射型扫描两种方式。

太赫兹时域波谱扫描成像系统

 

太赫兹波对高分子材料的特殊性质，使得太赫兹无损检测技术可以应用在高分子材料、复合材料内部及表面缺陷的检测中。为保证材料在后期使用过程中的可靠性，在复合材料的生产、加工、使用过程中对其进行缺陷检测十分必要。利用太赫兹检测技术可以在上述各个环节有效检测复合材料可能产生的各种缺陷，而关于太赫兹检测技术工业化及其检测设备小型化的研究已成为当下无损检测领域研究的又一热点。国内外对太赫兹技术应用在复合材料检测方面已有成功案例，但总体来讲，太赫兹无损检测技术刚刚起步，许多难关还有待攻克。

太赫兹检测

3、复合材料缺陷评价方法

早期对于复合材料缺陷特征的量化与残余性能的评价多采用实验方法，近年来数值模拟方法也得到了广泛应用，可以大幅度降低复合材料研发周期，揭示复合材料损伤机理。随着CT三维表征与数值计算能力的提升，CT图像驱动的图像有限元方法也提供了一种考虑缺陷真实几何特征的复合材料损伤演化与强度分析评价方法。

1）预制缺陷方法

预制缺陷方法是指通过人为设计模拟复合材料缺陷，在复合材料中预制代表真实缺陷的相关结构特征，批量化地获取含缺陷的复合材料，之后定量化分析缺陷类型、缺陷尺寸等因素对复合材料力学性能影响机制。

此类方法的缺陷是人为在特定的条件下刻意预制，难以对缺陷的形状、大小及产生位置上进行精准的控制，并不能真实反映在实际生产工艺中复合材料的真实缺陷数量与几何特征。

 

2）基于缺陷统计信息的数值模拟方法

(1) 孔隙缺陷

复合材料孔隙缺陷的尺寸主要集中于微米级，研究人员采用代表体积元（RVE）模型研究孔隙对复合材料力学性能的影响，代表体积元模型基于复合材料中周期性分布的基本假设，选取一个具有代表性的典型单元进行性能分析，随后基于均匀化的方法获得材料的力学响应。

针对纤维增强复合材料的代表体积元模型通常由纤维（纤维束）、基体和界面三部分组成，孔隙的模拟主要通过在基体几何模型中引入孔洞，建立包含孔洞的数值计算模型，研究孔隙含量、形状、大小和空间分布对复合材料力学性能的影响。

 

(2) 纤维扭结

纤维扭结的缺陷评价方法主要通过建立具有不同曲率与空间位置的纤维RVE模型分析缺陷对材料的影响，这种方法需要模型在沿纤维方向具备相当尺寸以体现纤维曲率及空间位置影响。

 

(3) 分层缺陷

复合材料分层缺陷的评价主要通过复合材料宏观建模中引入缺陷进行研究，从数值方法来看，对分层缺陷及扩展的模拟方法主要包括扩展有限元方法（XFEM）、内聚力模型（CZM）和虚拟裂纹闭合方法（VCCT）。

 

3、图像有限元方法

CT扫描技术为纤维增强复合材料的缺陷高保真、高精度评价提供了新的解决途径。基于CT扫描重构可以获取复合材料的真实数字化几何模型，将几何模型直接网格划分获得考虑缺陷真实几何形貌的复合材料有限元数值分析模型，最终预测外载下复合材料的响应，这种方法被称为图像有限元方法。

图像有限元方法的工作流程大致可分为4个步骤：通过体积或表面对结构进行数字化成像、将图像转化为虚拟几何模型、将几何模型处理为有限元数值分析格式及基于图像有限元模型的仿真、可视化及后处理。

图像有限元方法已广泛应用于纤维增强复合材料的分析中，其中的核心问题是复合材料组元与缺陷的分割建模和有限元网格划分。CT吸收成像通过X射线穿过不同物质的穿透率不同进行成像，然而碳纤维树脂基复合材料增强相和基体的射线吸收率较为贴近，CT成像对比度较差，复合材料组元分割是难点。

 复合材料图像有限元计算模型

 

总体而言，图像有限元技术在复合材料缺陷影响评价研究中具有广阔的应用前景，针对含制作工艺缺陷的大型复合材料构件，基于Micro-CT扫描结果采用图像有限元方法构建结构多尺度 “数字孪生”模型的研究方法，对于预测大型复材构件的在轨运行性能、评价含缺陷装备性能与可靠性意义重大。

 

结语与展望  

复合材料的缺陷检测与评价是复合材料结构生产、装配与服役的安全保障，复合材料缺陷检测表征评价未来需要重点关注的工程与科学问题，主要包括以下几个方面：

1、复合材料结构缺陷多尺度评价

单一检测方法对复合材料多尺度缺陷具有局限性，建立多种检测方法相结合的复合材料结构缺陷评价方法，评估宏微观缺陷对复合材料力学行为的影响机制。

2、极端环境下复合材料缺陷检测与评价

复合材料低温贮箱、复合材料热防护结构等复合材料典型结构件在服役过程中面临着超高温、超低温、冷热交变、失重、高真空等极端环境影响，建立复合材料结构极端环境缺陷原位检测评价方法，是亟须解决的关键工程及科学问题。

3、在轨检测表征评价与数字孪生技术

深空探测、载人登月等新一代航天任务为复合材料结构带来了新的挑战，长期服役极端载荷下，如何实现复合材料结构缺陷在轨检测与表征，发展人工智能算法驱动的复合材料构件数字孪生评价技术，是亟待解决的焦点问题。

作者：王潘丁，牛国浩，李元晨，章凌，雷红帅

 

来源：Internet

关键词： 树脂基复合材料 缺陷