红外热成像检测飞机蜂窝结构的积水

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1、红外热成像检测飞机蜂窝结构的积水孟铁军陈江明（东航工程技术公司西安维修基地陕西中国710082）摘要：随着先进的民用航空器设计中大量采用复合材料结构设计,航空器维修领域将面临大量复合材料中缺陷检测的问题，本文主要介绍了使用红外热成像技术在飞机蜂窝结构积水缺陷检测的应用，分析比较了现在常规复合材料的检测方法与红外热成像检测的特点，详述了红外热成像检测程序和注意事项，并提出了红外热成像检测现状存在的问题和未来广泛的应用前景。关键词：红外热成像；无损检测；蜂窝积水；加热毯；红外热像仪；复合材料1、前言自从18

2、00年英国科学家WilliamHerschel通过对光的试验首先发现了红外线后，红外热检测技术得到快速发展。作为一门无损检测新兴的专业，它具有快速实时、不需耦合、远距离、大面积检测、准确直观等优点使得这项技术首先在军事上得到应用，20世纪60年代，红外热成像检测技术开始被用于非军事上领域，并得到高速发展。现在红外热成像检测技术已广泛应用于航天、航空、医学、电力、冶金、石化等众多领域。在国外，许多政府机构资助开发相关的研究项目；有些企业例如波音公司、洛克希德·马丁公司、空客公司、美国西北航空公司等也都建立

3、了自己的实验室用于解决红外无损检测实际应用中问题。因此红外无损检测技术在欧美发达国家民航业得到了广泛的应用，积累了丰富的实践经验，使红外热成像无损检测逐渐发展成为一种常规无损检测技术。而在国内民航维修业，红外热成像无损检测的应用尚处于起步阶段。随着欧美大、中型民航客机大量采用复合材料，复合材料在飞机结构中的比重越来越大，随着飞机的老龄化，复合材料结构不可避免地出现多种损伤，其中蜂窝积水是比较常见而难以检测的一种，蜂窝积水会造成结构重量增加、蒙皮脱粘等后果，进一步发展会造成结构的严重损坏，甚至部件脱落，危

4、及飞行安全。而红外热成像无损检测技术在检测蜂窝积水方面有着明显的优势。现有针对复合材料检测的手段基本沿用金属材料的方法以超声检测、声振检测、射线检测为主。但由于复合材料和金属材料存在较大的物理性能、结构特点和制造工艺等差异，针对金属材料的检测方法不能够完全满足复合材料的检测要求。而红外热成像新兴技术具有高速、直观、可靠等优点，非常适合外场、现场、在线在役检测，因此空客、波音等飞机制造商和政府机构如NASA、FAA、空军等均大力发展该项技术以进一步提高飞机安全性和可靠性。2、红外热成像检测的原理任何物体的

5、温度高于绝对零度（-273℃）时，物体内部都有热的传导和表面的红外辐射。其辐射能量的主波长既是物体表面温度的函数，也与物体表面状态有关。当被检物体内部出现不连续性时，其热传导性能将发生改变，并使表面温度分布出现差别。利用红外热成像检测装置测定被检物体的热辐射的差异并将其形成影像，从而检测出被检物体内部不连续性的方法，我们称为红外热成像检测方法。通常用于红外成像检测的波长是在电磁波谱红外波段范围的3-30μm。红外热成像检测中的热辐射属于电磁波，它与我们熟知的其他电磁辐射如x射线、光、无线电波一样可以被反

6、射、1传导和吸收。物体所发射的红外线数量和波长取决于物体的温度。因此物体具有不同的温度和发射系数，热像仪接收来自物体的辐射，便可测定物体表面的温度场分布，图1为红外热成像仪工作原理。通常根据检测的激励方式，红外检测分为有源红外检测法和无源红外检测法。有源红外检测法是指检测时利用热源向工件表面注入热量，热量扩散到工件内部，当有缺陷存在时，热流就会被阻隔或加速扩散，经过一段时间后缺陷区域就会有热量堆积或过量损失，这样就形成了温度梯度变化和差异，再借助热成像设备捕获工件各处热辐射分布，从而判定工件内部缺陷的方

7、法，也称主动式热激励方式。无源红外检测法是指不向工件注入热源而利用工件本身的热辐射进行的检测方法，又称被动式红外检测方式。民用航空器维修中主要采用主动式热激励方式进行红外热成像检测，利用试件因其结构或成分的非均匀性而导致的热传导特性的差异，针对不同检测对象采用多种加热方法对试件进行加热，使用红外热像仪对试件的温场变化进行记录并使用专用软件处理数据以判定结果。常用的热激励方式有电热毯、烤炉、红外线灯、热空气源、闪光灯、调制辐射等，但在某些情况下还可以使用冷却方法如利用喷雾器、冷气喷射器、冷冻设备、低温液体

8、、汽化等主动激励方式。民用航空器维修中，也有用无源红外检测法检测蜂窝积水的工作，例如波音飞机在飞机落地后1小时内进行外襟翼后缘蜂窝结构积水检查就属于这种类型。图1.红外热成像仪工作原理3、民用航空器红外热成像的应用民用航空器采用了大量的复合材料，如升降舵、方向舵、扰流板、襟翼、起落架舱门等部位。图2所示是某型民用航空器的升降舵结构，上、下面板由非金属蜂窝夹芯结构和碳纤维增强塑料（CFRP）蒙皮构成。在飞机运行过程中，由于蒙皮分层、高低空温度