纤维增强聚合物复合材料在实际应用过程中，通常是作为结构材料使用，材料的自身特性和使用条件对材料的使用寿命具有影响。在宏观条件下，纤维增强聚合物复合材料在使用过程中的强度损失累积，最终导致损伤断裂，这个过程符合强度变化动力学。以拉伸为例，纤维增强聚合物复合材料的拉伸断裂过程主要有几种损伤模式，如图1所示，随着施加拉力的逐渐减小在试件中可以观察到横向基质开裂、分层损伤和纤维断裂。
图1 从断裂前的原位静态拉伸试验中获得的NA、NB和NC试样的数码显微镜图 由此可见，复合材料的断裂损伤机制较为复杂，且在不同尺度下（宏观和微观）可能会有不同的损伤表现。利用现代科技手段和已有的检测技术，对材料在相应的尺度下进行断裂损伤评价，其研究对于材料在分子层面的性能调控、成型方式及使用环境的选择具有重要的指导意义。但是，通常传统的检测技术需要破坏原始材料，只能检测表面缺陷或者部分内部缺陷，只能确定缺陷的有无，而无法定量评估缺陷的严重程度。因此，无损检测技术在材料的断裂损伤机制研究中具有至关重要的地位。 无损检测技术（简称NDT）是广泛应用于检测纤维增强复合材料物理性能变化的重要手段之一，通过现代化的科技技术，一方面可以对材料的性能和使用特性进行评价，另一方面在纤维增强聚合物复合材料实际使用过程中监测产品质量，从而改进和指导生产。 本文综述了国内外近年来几种常用的无损检测技术的原理和特性，以及检测纤维增强聚合物复合材料力学性能的一些相关研究和方法。
一
超声波技术
超声波无损检测技术（简称UT）是通过超声波对材料结构缺陷或不连续性产生特定的反射、衰减、共振、透射等模式来获得缺陷的大小、类型、位置等一系列特征。 超声波波源是通高频交变电流以后，超声探头中的压电晶片产生高频振动形成的。为了避免超声波在探头与被测物之间发生衰减，通常使用耦合剂进行耦合，当超声波到达物体内部，形成的弹性波在物体内遇到缺陷时会产生缺陷回波，通过与无缺陷的回波信号进行对比分析，可获得缺陷的大小、位置以及类型。 利用超声波技术，便可以对纤维增强聚合物复合材料的缺陷深度、尺度及位置等信息进行收集，判定缺陷的由来和性质，从而达到检测的目的。 根据超声波发生源的不同，UT可分为接触式和非接触式。表1为几种超声波无损检测技术检测纤维增强聚合物的检测方法及优缺点。 表1 不同超声检测法的优缺点 利用超声波对纤维增强聚合物复合材料的研究，国内外主要集中在对复合材料样品厚度检测、孔隙率检测、内部缺陷位置、大小以及类型判定等方面。 [Peng等]基于Locadiff技术对增材制造的短纤维增强复合材料的缺陷检测过程进行了数值研究，漫反射超声波检测依赖于包含丰富结构信息的多重散射域，变送器的增多提高了其缺陷的定位精度（图2）。 图2 短纤维复合材料弥散超声波形和缺陷定位结果 [周正干等]利用阵列超声全聚焦成像检测技术有效检测出多向碳纤维复合材料层压板中的纤维褶皱缺陷。 [丁国强]在复合材料的超声C扫描数据集基础上提出了一种基于卷积神经网络基本结构的缺陷分类识别方法。该方法利用设计的二维卷积神经网络(M1-2DCNN)自动提取样本的特征，从而能够实现对复合材料中不同面积大小的分层缺陷、不同能量大小造成的冲击损伤和无缺陷这三种类型下多种规格样本的分类识别。 [刘鑫等]在研究中采用便携式超声相控阵系统，结合A扫描图形分析、B扫描缺陷深度分析和C扫描缺陷平面分析，来确定碳纤维泡沫夹芯结构和碳纤维铝蜂窝夹芯结构缺陷的类型和尺寸信息。实验结果表明，超声相控阵检测系统具有快速扫描速度和良好的重复覆盖性，可以准确、有效地判别夹芯复合材料的面板缺陷以及夹芯结构的粘接缺陷。
二
数字图像相关技术
数字图像相关技术（简称DIC）是一种非接触性的光学无损检测技术，将采集到的图案信息利用图像分析技术进行处理后得出相应的结果。数字图像相关技术的一般操作步骤为： 首先，在宏观条件下，采集复合材料表面图像数据，即利用光学相机记录复合材料从非形变状态到施加机械载荷外力条件产生应力和形变过程的相关图像； 然后对所记录的图像进行图像处理：将图像进行灰度值转化，生成虚拟网格，定义图像的基本域大小和步长，在施加外力的动态变化过程中，采集到的图像的灰度值会发生改变； 最后应用相关的函数和计算公式便可以得到材料在二维平面内的位移矢量，由此便可以得到材料在机械外力作用下产生的变化区域。 由上述DIC测试原理可知，DIC在无损检测技术领域中，并不能直接提供微观和深度的损伤机制，但是它可以有效地指示在应力条件下材料产生应变的区域位置，得到材料精确的位移矢量值，但是现在已有的DIC技术条件下，仍然存在数据采集量大、计算分析难度较大等问题，有待进一步优化。如果能有效地解决上述问题，则DIC在纤维增强聚合物复合材料中将具有广阔的应用前景。 [Lee等]应用DIC和数字体积相关（DVC）技术研究了碳纤维复合材料试件在拉伸载荷下的变形行为，得到了合理的结果，相关系数一般大于0.7。 [Wang等] 使用声发射（AE）和数字图像相关 （DIC）相结合的方法,对不同堆叠顺序的CFRP开孔层压梁在纯拉伸荷载下的疲劳行为进行了研究，并分析了不同损伤机理对试件极限疲劳破坏的影响。研究中采用声发射命中率和绝对声发射能量这两个参数来描述CFRP结构的刚度退化行为。此外，在讨论不同堆叠顺序试件的损伤破坏过程中，结合了DIC技术，以探讨应变场分布的特征。 [Giancane等]应用DIC对玻璃纤维增强聚合物层合板的在缺口及无缺口条件下拉伸载荷作用的疲劳损伤现象进行了机理性研究，检测材料试件表面在损伤演化过程中的两个参数：应力一应变循环局部滞后区域和局部强度区域变化情况，并利用图像处理和数据计算对其进行损伤评价。实验结果表明材料的损伤演化与材料杨氏模量的变化有关，利用上述两个参数面积计算的吸收能量指标能够清楚地表明复合材料损伤变化和力学性能下降直至破坏的整个变化过程，表明DIC在无损检测中用于疲劳损伤研究具有一定潜力。 [Zhu等]应用DIC来表征双悬臂梁试验下CFRP试件的I型疲劳分层萌生和扩展。实验结果表明，应用DIC可以监测疲劳分层扩展速率，确定裂纹尖端位置，误差小于0.5mm。 [Eivind等]对从长丝缠绕玻璃纤维增强压力容器上切出带有孔洞的样品进行了高循环疲劳试验。在峰值负载下，通过DIC测量孔周围的应变场（图3），在整个测试过程中，首先观察到的失效现象是由黑色线切片内的空隙表示的，同时在材料失效过程中，出现了剪切劈裂现象。这表明基体中的渐进损伤在纤维方向上重新分布应变，直到完全失效。 图3 失效时箍应变轮廓图上的线切片 综上所述，DIC是一种非接触式光学数值全场测量技术。它能够在应用机械载荷期间进行原位测量。这为复合材料结构的实验损伤表征提供了很好的结果。然而，它并没有提供有关损伤微力学特征的信息。
三
基于Ｘ射线的无损检测技术
基于X射线的无损检测技术主要通过辐射入射在物体表面产生的相互作用来检测缺陷。 在这个过程中，物质原子和入射光子会相互作用，导致射线强度不断被弱化，这一弱化程度与材料衰减系统和穿透厚度有关。如果物体存在局部缺陷，穿透的射线会在局部与相邻区域间产生不同的强度分布，从而反映出局部缺陷的存在。最终，通过射线生成的强度分布图像可以判断物体是否存在缺陷。 基于X射线的无损检测技术主要包括X射线摄影技术（X-Ray）、X射线断层摄影（CT）和X射线暗场成像技术（XDFI）等。 X-Ray是利用X射线穿透扫描复合材料的内部结构，在数字扫描仪上呈现出2D的投影图像（称为X射线照相），在复合材料不同的部位，其X射线沿电子束方向密度发生变化，由此可以在宏观上检测复合材料的机械损伤。 CT则将传统的X射线摄影与计算机技术相结合，利用计算机技术获得具有不同灰度级别的X射线3D扫描图像（图4），由于不同断裂损伤、基体、纤维等的线性吸收系数存在较大的差异，由此可以对复合材料的损伤位置和部位进行检测。应用适当的图像后处理方法，可以有效区分材料的基体、纤维和损伤引起的空洞或裂纹。 图4 a、b照片说明了GFRP试样的几何形状和通过断续疲劳测试监测的X射线CT区域（尺寸以毫米为单位）； c为微型CT扫描仪中螺旋X射线CT成像装置的照片 CT技术应用于纤维增强聚合物复合材料，国外学者已经率先开展了相关的研究，其研究方向主要是对复合材料内部缺陷、密度分布等的测量。 [Ning等]通过对承受拉伸载荷的多壁碳纳米管增强碳纤维复合材料试样进行显微CT成像，可以准确确定复合材料内部损伤的位置。显微CT成像被证明是分析复合材料损伤演变的一种有效工具。利用显微CT成像观察到的损伤，可以识别出损伤的机制，并与经过模糊聚类分析（FCM）后处理的声发射（AE）信号分组的数据具有良好的相关性。这些数据证明并验证了在这些复合材料类别中使用AE监测信号的潜力。将AE技术与显微CT生成的图像分析系统相结合，可以提供参考数据，以便更好地了解监测损坏过程并预测故障时可能出现的现象。 [Watanabe等]利用基于同步辐射X射线计算机断层扫描观察碳纤维/环氧树脂复合材料中裂纹萌生和扩展。通过用金刚石楔块压痕样品施加应力，在不同开、口宽度下以50nm的空间分辨率测定了裂纹萌生和扩展的位置和形貌，表明裂纹萌生和扩展的位置和形貌在很大程度上取决于CFRP的位置和碳纤维之间的树脂厚度。 [Chai等]的研究提出了一种新的延时同步X射线微计算机断层扫描（XCT）方法，用于CFRP复合材料管在扭转作用下的损伤评估，并在3D中演示了束内裂纹和束间脱黏的萌生和扩展。 XDFI是利用非直射光（广义上包括散射光、衍射光、折射光和荧光等），即将除了沿原直射方向的光之外其他各个方向的光对物质进行成像的技术。 例如，[Senck等]使用基于光栅的X射线暗场成像对经过低速冲击测试（LVI）和弯曲测试的CFRP样品进行微裂纹表征，并在12.5、22.8 和50μm的体素尺寸下实现2D和3D损伤可视化，显示了所提出的方法在识别微裂纹方面的能力。 此外，X射线显微镜（XRM）已被采用为材料科学中的无损检测方法，用于分析性地探测材料的内部结构。
四
红外热成像技术
红外热成像技术（IT）一般用于具有多层复合结构的聚合物复合材料，其原理是根据材料在使用过程中因机械载荷和受热作用下，材料表面温度发生变化，此热度值的变化可以用红外探测设备记录（图5）。 图5 用于具有皱纹的复合板的热成像分析的实验装置 当材料内部产生机械损伤时，其热流动和局部热分布会受到影响。通过记录的热度值变化，利用计算机进行灰度值转化，便可以有效地监测复合材料中是否产生了缺陷和机械损伤。根据红外热成像技术的激励方式不同，可以将其分为主动热成像和被动热成像2种，在无损检测中均有应用。 红外主动热成像技术是在外部激励的情况下使被测物体产生热量，数据采集后可以对材料的缺陷进行相应的评价，常见的热激励方式有：电磁激励、光激励、微波激励、超声波激励、激光激励等，根据材料性能不同和可能的缺陷性质选择相应合适的激励源。然而，在某些情况下，激励源可能不适用，例如单向访问测试对象或无法访问被检查结构的某些部分。 由上述红外热成像技术的特性可知，主动红外热成像技术可以应用于检测在微观尺度和宏观尺度下的机械损伤。由于主动红外热成像技术可操作性强，缺陷检测评估准确性高等优点，应用主动红外热成像技术做复合材料无损检测在国内得到迅速发展。 [熊娟等]针对碳纤维复合材料冲击损伤最佳红外热图进行定量分析，采用预处理与后处理相结合的图像算法进行图像处理与数据分析，为碳纤维复合材料低能量冲击损伤红外热成像定量检测提供一定参考依据。 [许颖等]利用激光激励热成像技术对纤维增强聚合物基复合材料加固混凝土板的剥离实验进行了无损检测，通过仿真分析和有限元处理分析表明激光激励红外热成像技术在不同损伤半径的辨别和判定上具有优势。 表2给出了几种用于检测纤维增强复合材料的不同激发源的热成像技术。 表2 不同激发源的热成像技术 被动的红外热成像技术是在没有任何外部热刺激的情况下测试样品表面，例如在载荷作用下材料产生的热弹性效应，材料整体温度升高等，相比于主动红外热成像技术，利用被动红外成像技术可以减少研究时间和研究成本。但是被动红外热成像技术由于对较厚的样品应用非常有限，多用于厚度相对较薄（E<5mm）的复合材料，且多用于研究临界疲劳损伤水平和确定材料的疲劳极限。 [Libonati等]对玻璃纤维增强聚合物复合材料在静态拉伸载荷下进行了被动红外热成像摄像，通过材料温度变化对静态拉伸实验进行了损伤评估，温度曲线表明拉伸过程中的损伤产生以及裂纹扩展直至材料破坏，该实验结果也从其扫描电镜图像中得到印证。
·结语·
复合材料结构复杂，缺陷和断裂损伤的产生原因不同，因此难以对复合材料缺陷和损伤进行定量化研究。此外，目前存在的无损检测技术在监测复合材料结构损伤中均存在一定的局限性，随着计算机技术的进步和信号/图形分析软件的不断更新，通过合适的模型建立，有限元分析等方式，将成为无损检测技术研究的重点之一。
由于复合材料的力学损伤存在多尺度、异质和各向异性的特性，需要大量的工作来对这些材料进行精确的检测和表征，以便保证复合材料结构的稳定性与安全性。目前，没有一种无损检测方法能够单独检测复合材料中的所有结构缺陷，特别是复杂工业部件中的缺陷，同时，不同无损检测技术针对纤维增强聚合物复合材料的侧重点不同，有时很难对材料的断裂损伤进行全面整体的评估，无损检测技术中普遍遇到的问题是缺乏能够明确评估复合材料在机械载荷下（或之后）发生的总损伤的参考方法。因此通过同时结合多种适当的无损检测技术对复合材料进行监测，收集不同检测手段获得的信息进行互补，利用多技术方法可以有效地解释和评估材料的机械损伤。
来源：《塑料工业》（作者：徐康康；程蹈；刘点；陈玉霞；涂道伍；郭勇；吴自成）
