美国加利福尼亚圣地亚国家实验室的研究人员David Moore正面对着一块长方形的硬碳复合材料，这个样品看起来像是正常磨损，直到Moore将其翻转过来才发现有一个带裂缝的圆形冲击痕迹。现在对于Moore以及他的同事Timothy Briggs而言，最大的问题则在于了解该冲击造成的影响是否显著，是否会在复合材料内部造成损伤。因此，他们正在研究利用无损检测技术检测复合材料内部损伤情况，包括传统的X射线检测、磁粉检测、超声检测以及先进的红外成像检测和计算机断层扫描检测等。

    圣地亚国家实验室在很早之前就已经开始对复合材料进行研究，主要研究方向为轻质复合材料在国家安全领域的应用。“一般用于手机中的复合材料的性能只需要维持几年内稳定即可，但是用于国家安全领域的复合材料则往往需要具有几十年的使用寿命；使用寿命的不同要求我们去仔细思考这些复合材料适用于哪些方面，以及为何适合用于这些方面”，从事结构动力学与X射线无损检测技术研究的Moore说道：“我们需要研究材料的使用周期，并且深入研究材料断裂和变形带来的后果，以及我们应当如何对其进行检测”。

    “圣地亚国家实验室的研究工作已经在许多国家安全领域取得了应用，包括提高能源使用效率、轻量化汽车的性能提升以及风力机叶片性能的改善等”，从事轻量化结构组织研究的Briggs说道：“复合材料通常是将许多具有不同性质的单独材料结合在一起而形成的，例如，高分子复合材料就是以聚合物材料作为基体材料，以增强型纤维作为增强体（例如碳纤维、凯芙拉纤维以及玻璃纤维等）结合形成的”。复合材料能够通过加入束状的、比头发丝还细的碳材料提高整体材料的强重比；最后通过在工业烤炉中对复合材料进行热处理能够得到具有特定形状以及优异性能的复合材料成品。

    由于具有较好的机械强度，并且比金属材料更轻，复合材料在航空航天以及许多工业领域内的应用变得越来越为重要；在某些方面可以结合金属甚至代替金属材料使用，例如用作飞机机翼材料，能够使得飞机质量更轻，性能更好，还有助于减少飞机的飞行成本。

    复合材料的外表面特征并不能揭示内部结构信息

    “我们对于金属材料及其失效机理已经有了非常广泛的研究”，Moore说道：“但是，复合材料与金属材料完全不一样”。如果机场的一辆服务汽车撞到了飞机的复合材料机身，只对撞击位置进行检查并不会检测出表面以下的内部可能造成的损伤。因此，在不同的环境下都能够对复合材料的损伤进行检测及评估的无损检测技术就显得越发重要了。Moore所在的研究小组正在评估无损检测技术的准确性以及如何将这些技术应用于生产车间内。

    “在材料的加工工艺中，你需要知道最可能会出问题的步骤以及如何避免这些步骤，这样才能确定生产出的成千上万件产品都是性能一致、符合标准的”。Moore说道：“一旦我们了解了这些无损检测技术的检测准确性以及检测极限，我们就能够轻易的对产品的质量进行检测及控制，对于某一类特殊的产品能够快速的选择一种最合适的检测方法”。

    在制备好复合材料后，研究人员从上述材料中取下部分样品进行仪器分析实验——小心取下部分样品并对其进行变形、断裂以及损伤机理研究。“对样品进行拉伸、弯曲以及压缩等机械处理以便于我们能够更好的研究及理解复合材料的断裂机理”，Moore说道：“我们试图检测其中的一些失效模式”。

    材料表征有助于计算机建模及模拟

    “对复合材料进行基本的性能及结构表征能够提供一些有效的信息进行计算机建模和仿真验证”，Briggs说道。从一些破坏性测试中获取的数据与研究小组利用无损评估方法获取的结果密切相关。

    复合材料通常需要能够支撑起一定的体积及重量。“设计出一种能够载重的结构并不难，但是我们需要设计出一种符合特定形状且轻量化的结构，而且需要具有长期的稳定性，”Briggs说道。不同的材料在工业烤炉中进行热处理时通常会具有不同的热膨胀率，例如铝材料的膨胀要超过纤维增强型高分子复合材料。一旦热处理结束后，在复合材料的冷却过程中，材料的内部会产生残余应力，尤其是集中于材料的内表面区域，如果没有对这些残余应力进行有效的处理，将会对材料的性能产生巨大的影响，所以圣地亚国家实验室也在研究针对残余应力的新型快速无损检测，在某些情况下，希望能实现5分钟内完成全部检测工作。

    无损检测技术研究

    超声检测技术从起源到现在已经有将近60年的历史，随着计算机以及其他相关技术的改善，超声检测技术如今可以用于检测一些更加复杂的样品。该研究小组成员Andrew Lentfer利用一种类似于油漆辊的手持式超声检测装置对复合材料进行了检测研究，当他利用这种装置对复合材料的进行扫描时，连接的计算机屏幕会出现相应的具有不同颜色的图像：黄-绿色表示ok，蓝色则代表缺陷或者不连续处。这种手持式超声装置还能够检测材料的曲面以及体型较大的样品，如飞机机翼等。

    圣地亚国家实验室的研究人员Andrew Lentfer（右）和David Moore（左）正在利用一种手持式超声检测装置对复合材料进行检测；

    复合材料中的纤维和界面会将注入的超声波分散开；Moore将这种现象类比为海洋中的波浪现象；“如果海洋中的海浪撞上了岩石，海浪将会绕过岩石；如果海浪撞上了沙滩，则会被沙滩吸收，如果撞上了防波堤，海浪的能量将会快速的重新发生变化。这些现象与我们研究的超声检测技术有许多相似之处。根据材料表征获取的知识信息有助于研发出新型的无损检测技术，而且，当我们建立了相关的检测标准，就能够更好的判断出哪种样品可以进行检测以及采取何种检测技术”。

    计算机断层扫描技术对于检测复合材料内的小缺陷同样非常高效。这种技术利用辐射（通常为X射线）产生扫描件的三维图形；X射线直接照射到测试件上，捕获测试件内部和外部的完整、精确的图像。其工作原理可以简单概括为：从X射线源发射出来的X射线对在X射线源和检测器之间做平移运动的被检测物体进行扫描，在一次扫描结束后，被检测物体旋转一个角度再进行下一次扫描，如此反复操作，即可得到被检测物体的某一断面的若干组数据。这些信息数据经过计算机计算、处理，重新建立一个完整的断面图像显示在监视器上，而所有的断面就可以组成一个完整的三维立体图像，类似于医学上的CT扫描。

    此外，随着计算机技术的进步以及相关附件的改良，红外热成像技术以及声发射检测技术在复合材料检测方面也起着越来越重要的作用。Moore说道：“一旦建立了相关的检测标准以及检测精度要求，我们将能够快速的选取合适的无损检测技术对复合材料产品进行有效的检测”。

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责任编辑：王元

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