复合材料压力容器无损检测研究现状

    1 复合材料压力容器的发展简介与无损检测意义

    金属压力容器经过多年的研究与应用已成为高可靠性工程结构^［1］. 由于复合材料性能的提高，特别是纤维缠绕技术的发展^［2］，先进复合材料与金属内衬复合的压力容器的研究与应用有了较大进步^［3］. 金属内衬复合材料压力容器广泛用于航空、航天等领域. 轻质高强、可靠性高、使用疲劳寿命长的压力容器已成为各主要工业国航空航天压力容器发展方向^［4］.

    在航空领域，损伤容限理论已经逐步替代了安全寿命设计理论^［5］. 复合材料压力容器在制造与使用过程中产生的缺陷与损伤是导致复合材料压力容器失效或事故的主要原因. 采用无损检测的方法评估复合材料压力容器的损伤状态与损伤发展规律，对评价压力容器的服役性能与鉴定压力容器的失效具有重要作用.

    2 复合材料压力容器的无损检测方法

    2. 1 超声波检测

    超声波是复合材料无损检测应用最广泛的技术^［6］. 超声无损检测是用换能器向被检构件发射超声波，利用材料内部缺陷区域和正常区域对超声波的反射、衰减与共振的差异，来确定材料内部缺陷的位置和尺寸^［7］，超声仪将含损伤信息的超声波信号显示出来，无损检测人员可根据显示结果结合材料特点与实际检测经验来判断缺陷的类型.

    由于显示直观、检测速度快，超声 C 扫描已经成为大型复合材料构件或结构普遍采用的无损检测技术. S. M. Aceves^［8］等采用水浸超声 C 扫描分别检测了经历 1000 次循环( 900 次高压循环与 100 次低温循环) 与未经任何循环的两个芳纶纤维缠绕铝内衬容器，反射振幅的灰度显示经历了 1000 次循环的压力容器有几个区域出现了芳纶复合材料分层损伤，未经过循环的作为参照的压力容器粘接良好. 说明超声 C 扫描技术适用于检测复合材料结构内部的分层缺陷.

    超声检测技术能检测出复合材料构件或结构中的孔隙、裂纹、界面脱粘、分层等缺陷^{［9 －10］}. 其优点是检测灵敏度高，可准确定位缺陷及其分布，并且操作简单. 缺点是检测过程中需要使用耦合剂，检测效率低下，缺陷类型不同，需采用的探头规格也不同^{［11 －12］}，并且要求检测人员的专业水平较高与经验积累较丰富.

    超声检测的传统方法是接触式的，即在超声探头和待测试样之间必须用水或其他液体作为声耦合介质. 为了有效便利地检测复合材料构件，现在许多学者都在研究非接触空气耦合式超声检测方法.