復合材料作為多相異質材料，具有復雜的宏微觀幾何特征。復合材料由纖維、基體與界面相組成，在鋪放、固化、成型、加工等制備過程、運輸裝配過程與服役過程中，易誘發裂紋、孔洞、黏連、分層等缺陷，這些缺陷呈現多尺度隨機分布、三維幾何形貌復雜、失效作用機理多樣、誘發因素不確定等特點，嚴重制約了復合材料結構的安全性與使用壽命。

開展樹脂基復合材料的制造缺陷的評價表征，并揭示其對復合材料力學性能的影響機制，對于復合材料構件的強度預測和可靠性評價意義重大。

1、樹脂基復合材料制造工藝與缺陷類型

纖維增強復合材料常用的成型制造工藝包括手糊成型法、熱壓成型法、樹脂傳遞模塑成型法、纏繞成型法、擠壓成型法等。

復合材料常用制造工藝

復合材料的力學性能與缺陷受到成型方法與參數的決定性影響。在復合材料成型過程中，材料受真空壓力分布、樹脂流動率、固化速度和固化壓力等制造因素的影響，誘發不同類型的制造缺陷。

復合材料常見缺陷類型與尺度

2、復合材料缺陷檢測方法

準確檢測評估復合材料與結構缺陷對于提高裝備服役安全性、降低維護成本至關重要，復合材料缺陷的表征評價需要覆蓋其整個生命周期：在制造階段，復合材料缺陷檢測評價可以有效評估其工藝參數與產品質量壽命；在服役階段，檢測復合材料結構件出現的損傷缺陷，能夠評估結構損傷狀態和剩余壽命，為復合材料結構的維護與替換提供依據。

目前已經有多種檢測方法用于樹脂基復合材料的缺陷檢測表征，常用的檢測方法可分為破壞性檢測和無損檢測兩大類。

1）破壞性檢測方法

破壞性檢測方法包括密度法、顯微照相法等。

密度法通過測量纖維、基體與復合材料的密度以及樹脂的質量分數，進而計算出材料孔隙率，該方法相對簡單，不需要復雜儀器，得到了廣泛的應用，但無法得到復合材料孔隙尺寸、形狀及其分布等信息，而且測量精度較差。

顯微照相法通過選定被測試樣的幾個截面，通過拋光或者切割觀察樣品截面，計算斷面內的孔隙總面積與斷面面積的百分比從而得出孔隙率，該方法可以測定孔隙的形狀和分布情況，測量精度相對密度法稍有提升，但是要獲得較高精確度，必須對大量截面進行檢測。

2）無損檢測方法

無損檢測方法主要包括聲發射檢測、超聲檢測、射線檢測、渦流檢測、脈沖紅外熱成像檢測和太赫茲檢測等。

聲發射檢測

聲發射（AE）方法是利用檢測物體受到外力發生形變或破壞時釋放局部能量而產生的聲信號，通過分析來檢測纖維斷裂、基體開裂、脫粘、分層等缺陷。聲發射檢測方法主要應用于分析纖維和復合材料拉伸斷裂、軸壓壓縮等損傷過程，對于靜態物體的檢測較為困難。

聲發射檢測

超聲檢測

超聲檢測（UT）利用超聲波在檢測物體的入射波、透射波與反射波進行分析，可以精確地測出缺陷尺寸與位置，具有較高靈活性與高準確檢測效率，已被廣泛用于評估復合材料與結構中的孔洞、裂紋與分層等缺陷。然而超聲檢測要求被測樣品表面平整，目前復雜構型的超聲檢測與三維特征反演較為困難。

超聲檢測

射線檢測

射線檢測（RT）方法是一種在復合材料缺陷檢測中廣泛應用的方法，根據X射線在穿過物體時材料不同組分對射線吸收能力不同，從而實現復合材料復雜缺陷的無損檢測。

X射線檢測方法具有靈敏度高、檢測結果直觀與適用性強等優點，可以滿足樹脂基復合材料中的孔洞、裂紋、分層等多種缺陷的檢測評價需求。然而X射線檢測方法檢測成本高，而且檢測過程具有輻照，需要專職人員在屏蔽設施中進行操作。

射線檢測

CT表征方法

復合材料缺陷具有復雜的三維幾何特征，傳統的檢測評價方法很難實現復合材料宏微觀缺陷復雜三維特征的定量化表征評價需求。X射線計算機斷層掃描（CT）技術作為在射線檢測基礎上發展起來的三維檢測方法，實驗測試中試樣放置于轉臺上進行360°旋轉，探測器接收X射線穿過物體不同角度的剩余能量，之后通過Radon逆運算的算法重建出復合材料真實的三維信息，實現復合材料與結構三維特征的檢測與評價，其中微焦點X射線CT掃描（Micro-CT）最高精度可達到500 nm，滿足復合材料纖維扭結斷裂、基體微裂紋等微觀特征的表征需求。

為了觀測外載下復合材料缺陷損傷演化過程，揭示復合材料的損傷演化與失效機理，近年來研究人員將力熱原位加載裝置與Micro-CT相結合，開發了多場原位CT成像裝置，追蹤復合材料的損傷演化過程。

法國波爾多大學的Mazars等搭建了高溫原位CT設備，觀測了室溫和1250℃下SiC/SiC陶瓷基復合材料的失效行為，并通過數字體相關方法提取了殘差場分析材料損傷機理，原位CT表征結果表明常溫與高溫下復合材料破壞分別由裂紋擴展與纖維剝離導致。

法國波爾多大學的高溫原位CT設備

美國加州大學伯克利分校勞倫斯國家重點實驗室的Bale等搭建了1750℃的超高溫原位加載CT裝置，實現了1750℃拉伸載荷下SiC/SiC復合材料缺陷損傷演化過程的原位觀測，發現室溫和高溫下材料裂紋擴展行為存在差異。

美國加州大學伯克利分校勞倫斯國家重點實驗室的超高溫原位加載CT裝置

國內外現有的力學原位CT表征裝置主要采用將力熱加載裝置放于轉臺同步旋轉的方式進行CT成像，精密轉臺承重較小且X射線穿透路徑上要求材料相對于X射線透明，以實現更好的成像效果，因此現有裝置采用較薄的鋁合金、有機玻璃或者碳玻璃等材料搭建，加載能力小于5000 N，無法滿足大尺寸復合材料試樣的原位表征需求。

北京理工大學方岱寧院士課題組采用實驗室微焦點X射線成像與試驗機上下夾頭同步旋轉控制的方法，將大載荷試驗機與CT成像系統集成，搭建了國內首臺100 kN大載荷原位加載雙源雙探CT成像系統，并在此系統上，集成搭建了-200℃超低溫與1200℃高溫原位CT表征裝置。

基于該平臺實現了-180℃玻璃纖維/環氧樹脂編制復合材料（WFCs）、室溫短碳纖維增強聚合物（SCFRP）復合材料和1000℃陶瓷基復合材料（CMCs）拉伸載荷下損傷演化的定量分析，并發展了神經網絡驅動的復合材料CT圖像識別、提取與動態追蹤方法，分析了孔洞、裂紋、經緯紗等特征參數在不同載荷下的演化過程，并通過數字體相關方法測量了試樣三維變形場，揭示了復合材料的失效機理。

北京理工大學的高低溫原位CT裝置

CT表征與原位CT表征方法已經廣泛應用于復合材料缺陷的檢測與表征，近年來受到國內外的廣泛關注，為復合材料復雜的宏微觀缺陷檢測表征評價提供了有力的工具，同時試驗方法的發展為極端環境下復合材料結構的設計提供了數據支撐。

渦流檢測

渦流檢測（ET）是利用導電材料的電磁感應現象，通過測量感應量的變化進行無損檢測的方法，適用于導電材料、碳-碳復合材料與金屬基復合材料的檢測。由于端頭效應的存在，該方法在邊界處的檢測效果不好，同時需要用標準試樣進行對比，因此其應用受到了限制。

脈沖紅外熱成像檢測

脈沖紅外熱成像的工作原理是利用主動加熱技術，通過紅外熱成像系統自動記錄試件表面缺陷和基體材料由于不同熱特性引起的溫度差異，進而判定被測物表面及內部的損傷。

該方法具有非接觸、實時、高效、直觀的特點，十分適合于檢測復合材料薄板與金屬粘接結構中的脫粘、孔隙率、剝離、分層、分層類面積型缺陷等，尤其是當零件或組件不能浸入水中進行超聲C掃描檢測，以及零件表面形狀使得超聲檢測實施比較困難時，可使用紅外熱波檢測方法。

脈沖紅外熱成像

太赫茲檢測

太赫茲檢測技術是在太赫茲波譜技術的基礎上建立起來的。太赫茲波不僅可以透過不透明材料探測材料內部的雜質、位錯、微裂紋、纖維分層、纖維與基體界面開裂、纖維卷曲、富膠或貧膠、孔洞、脫膠以及氧化等缺陷，還可代替紅外應用在絕熱材料和熱敏感材料的檢測中。并且由于太赫茲波的低能性，不會對被檢材料造成結構上的破壞，也不會產生對人體有害的輻射。

利用超聲波檢測時必須與被檢測對象接觸，且在某些材料中，聲波衰減率很大，而太赫茲波對這些材料仍然可行，且可在不接觸被測材料的情況下對其進行檢測，因此可將太赫茲檢測作為一種互補手段，針對復合材料、高分子材料進行檢測。

太赫茲時域波譜（THz-TDS）技術是一種可以同時獲得太赫茲脈沖的相位和振幅的相干檢測技術，經典光路包括透射型光路、反射型光路、差異型光路、啁啾展寬型光路4種。基于THz-TDS系統的掃描成像可分為透射型掃描和反射型掃描兩種方式。

太赫茲時域波譜掃描成像系統

太赫茲波對高分子材料的特殊性質，使得太赫茲無損檢測技術可以應用在高分子材料、復合材料內部及表面缺陷的檢測中。為保證材料在后期使用過程中的可靠性，在復合材料的生產、加工、使用過程中對其進行缺陷檢測十分必要。利用太赫茲檢測技術可以在上述各個環節有效檢測復合材料可能產生的各種缺陷，而關于太赫茲檢測技術工業化及其檢測設備小型化的研究已成為當下無損檢測領域研究的又一熱點。國內外對太赫茲技術應用在復合材料檢測方面已有成功案例，但總體來講，太赫茲無損檢測技術剛剛起步，許多難關還有待攻克。

太赫茲檢測

3、復合材料缺陷評價方法

早期對于復合材料缺陷特征的量化與殘余性能的評價多采用實驗方法，近年來數值模擬方法也得到了廣泛應用，可以大幅度降低復合材料研發周期，揭示復合材料損傷機理。隨著CT三維表征與數值計算能力的提升，CT圖像驅動的圖像有限元方法也提供了一種考慮缺陷真實幾何特征的復合材料損傷演化與強度分析評價方法。

1）預制缺陷方法

預制缺陷方法是指通過人為設計模擬復合材料缺陷，在復合材料中預制代表真實缺陷的相關結構特征，批量化地獲取含缺陷的復合材料，之后定量化分析缺陷類型、缺陷尺寸等因素對復合材料力學性能影響機制。

此類方法的缺陷是人為在特定的條件下刻意預制，難以對缺陷的形狀、大小及產生位置上進行精準的控制，并不能真實反映在實際生產工藝中復合材料的真實缺陷數量與幾何特征。

2）基于缺陷統計信息的數值模擬方法

(1) 孔隙缺陷

復合材料孔隙缺陷的尺寸主要集中于微米級，研究人員采用代表體積元（RVE）模型研究孔隙對復合材料力學性能的影響，代表體積元模型基于復合材料中周期性分布的基本假設，選取一個具有代表性的典型單元進行性能分析，隨后基于均勻化的方法獲得材料的力學響應。

針對纖維增強復合材料的代表體積元模型通常由纖維（纖維束）、基體和界面三部分組成，孔隙的模擬主要通過在基體幾何模型中引入孔洞，建立包含孔洞的數值計算模型，研究孔隙含量、形狀、大小和空間分布對復合材料力學性能的影響。

(2) 纖維扭結

纖維扭結的缺陷評價方法主要通過建立具有不同曲率與空間位置的纖維RVE模型分析缺陷對材料的影響，這種方法需要模型在沿纖維方向具備相當尺寸以體現纖維曲率及空間位置影響。

(3) 分層缺陷

復合材料分層缺陷的評價主要通過復合材料宏觀建模中引入缺陷進行研究，從數值方法來看，對分層缺陷及擴展的模擬方法主要包括擴展有限元方法（XFEM）、內聚力模型（CZM）和虛擬裂紋閉合方法（VCCT）。

3、圖像有限元方法

CT掃描技術為纖維增強復合材料的缺陷高保真、高精度評價提供了新的解決途徑。基于CT掃描重構可以獲取復合材料的真實數字化幾何模型，將幾何模型直接網格劃分獲得考慮缺陷真實幾何形貌的復合材料有限元數值分析模型，最終預測外載下復合材料的響應，這種方法被稱為圖像有限元方法。

圖像有限元方法的工作流程大致可分為4個步驟：通過體積或表面對結構進行數字化成像、將圖像轉化為虛擬幾何模型、將幾何模型處理為有限元數值分析格式及基于圖像有限元模型的仿真、可視化及后處理。

圖像有限元方法已廣泛應用于纖維增強復合材料的分析中，其中的核心問題是復合材料組元與缺陷的分割建模和有限元網格劃分。CT吸收成像通過X射線穿過不同物質的穿透率不同進行成像，然而碳纖維樹脂基復合材料增強相和基體的射線吸收率較為貼近，CT成像對比度較差，復合材料組元分割是難點。

 復合材料圖像有限元計算模型

總體而言，圖像有限元技術在復合材料缺陷影響評價研究中具有廣闊的應用前景，針對含制作工藝缺陷的大型復合材料構件，基于Micro-CT掃描結果采用圖像有限元方法構建結構多尺度 “數字孿生”模型的研究方法，對于預測大型復材構件的在軌運行性能、評價含缺陷裝備性能與可靠性意義重大。

結語與展望  

復合材料的缺陷檢測與評價是復合材料結構生產、裝配與服役的安全保障，復合材料缺陷檢測表征評價未來需要重點關注的工程與科學問題，主要包括以下幾個方面：

1、復合材料結構缺陷多尺度評價

單一檢測方法對復合材料多尺度缺陷具有局限性，建立多種檢測方法相結合的復合材料結構缺陷評價方法，評估宏微觀缺陷對復合材料力學行為的影響機制。

2、極端環境下復合材料缺陷檢測與評價

復合材料低溫貯箱、復合材料熱防護結構等復合材料典型結構件在服役過程中面臨著超高溫、超低溫、冷熱交變、失重、高真空等極端環境影響，建立復合材料結構極端環境缺陷原位檢測評價方法，是亟須解決的關鍵工程及科學問題。

3、在軌檢測表征評價與數字孿生技術

深空探測、載人登月等新一代航天任務為復合材料結構帶來了新的挑戰，長期服役極端載荷下，如何實現復合材料結構缺陷在軌檢測與表征，發展人工智能算法驅動的復合材料構件數字孿生評價技術，是亟待解決的焦點問題。

作者：王潘丁，牛國浩，李元晨，章凌，雷紅帥