敲击检查
简单快速，适合现场初筛薄壁结构中较大面积的分层和脱粘，对小缺陷和深层缺陷不敏感。
复合材料失效的特点
复合材料的性能由纤维、树脂基体、两者之间的界面以及铺层设计共同决定。纤维承担主要载荷，基体把载荷传递给纤维并支撑纤维不失稳，界面负责两者之间的应力传递。沿纤维方向的拉伸强度很高，而垂直于纤维方向的强度和层与层之间的强度主要由基体和界面决定，要低得多。所以复合材料结构最薄弱的往往是层间和横向，而不是纤维方向。
复合材料的制造过程同时就是材料的形成过程。预浸料热压罐成型、液体成型、手糊、缠绕和拉挤等工艺，决定了孔隙含量、纤维体积含量、固化程度和铺层精度。同一设计用不同工艺或不同的过程控制，性能可能差别很大，这一点与采购成品金属材料有本质区别。
复合材料的损伤通常是渐进累积的：先出现基体微裂纹，再发展为分层，最后纤维断裂导致结构失效。刚度在这个过程中逐渐下降，而不像金属那样在一条主裂纹扩展到临界尺寸前刚度基本不变。
主要损伤模式与识别方法
复合材料失效分析首先要识别存在哪些损伤模式、哪一种是主导。下表归纳了常见损伤模式的特征和适用的检测方法。
| 损伤模式 | 典型形貌 | 主要诱因 | 检测方法 |
|---|---|---|---|
| 分层 | 层与层之间分离，截面可见平行于铺层的裂缝 | 冲击、自由边和孔边层间应力、铺层递减处、制造缺陷 | 超声扫描、红外热成像、敲击检查、切片 |
| 基体开裂 | 垂直于横向铺层的细小裂纹，常成排分布 | 横向拉伸、固化残余热应力、温度循环、疲劳 | 切片显微观察、渗透增强射线 |
| 纤维断裂 | 纤维断口参差，伴随纤维拔出 | 沿纤维方向的拉伸过载 | 断口宏观与扫描电镜观察 |
| 纤维扭结与压溃 | 纤维局部弯折成带状，断面平整压碎 | 压缩载荷、纤维褶皱、支撑不足 | 切片观察扭结带、断口观察 |
| 界面脱粘 | 纤维表面光滑、少有树脂粘附，拔出长 | 纤维表面处理不匹配、湿热环境 | 扫描电镜观察断口纤维表面 |
| 孔隙与贫胶 | 截面上分布的孔洞，局部纤维裸露 | 排气不充分、压力不足、树脂流失 | 超声衰减测量、切片、计算机断层扫描 |
| 起泡 | 表面鼓包，泡内有液体 | 长期浸水时的渗透作用，常见于聚酯胶衣层合板 | 外观、切片 |
制造缺陷：孔隙、固化不足、褶皱与夹杂
孔隙是最普遍的制造缺陷，来自铺层间夹裹的空气、树脂中的挥发分和水分，以及固化压力不足。孔隙主要削弱层间剪切强度和压缩强度，对沿纤维方向的拉伸强度影响相对较小，所以拉伸试验合格的材料，在受压或承受层间剪切的部位仍可能提前失效。孔隙的分布比平均含量更重要，集中在某一层间的孔隙带往往就是分层的起点。
固化不足会使基体的玻璃化转变温度偏低，高温下刚度和强度下降，耐溶剂和耐湿热性能变差。固化温度不够、保温时间不足、树脂配比错误或混合不均匀都会导致这一问题。差示扫描量热可以测出残余固化放热和玻璃化转变温度，动态热机械分析可以测出模量随温度的变化，与合格件对比即可判断固化程度。
纤维褶皱和波纹会使纤维偏离设计方向，严重降低压缩强度，常见于厚截面、曲面转角和铺层递减区。铺层角度错误、漏铺或多铺会改变结构的刚度和强度分布。铺层中遗留的隔离膜等外来物相当于人为的分层，往往成为疲劳分层的起点。
- 切片显微观察可以同时看到孔隙分布、铺层顺序、纤维褶皱和夹杂物。
- 纤维体积含量对玻璃纤维材料可用灼烧法测定，对碳纤维材料常用酸消解法测定。
- 机加工造成的钻孔出口分层、边缘起毛和过热损伤，应与材料本身的缺陷区分。
- 胶接结构中的弱粘接外观完好、常规超声也不易发现，需要结合工艺记录和破坏性检验判断。
冲击损伤与损伤容限
低速冲击是复合材料结构中最危险的损伤来源之一。工具跌落、碰撞、搬运磕碰、冰雹和碎石冲击，可能只在表面留下一个很浅的凹坑甚至看不出痕迹，但内部已经产生基体开裂和多层分层，背面还可能出现纤维断裂和劈裂。分层在厚度方向上呈锥形扩展，越靠近背面面积越大，这类目视勉强可见的冲击损伤会使压缩强度大幅下降。
冲击后的损伤在后续交变载荷下可能继续扩展。如果结构在冲击后一段时间才失效，断口上往往能看到冲击区和后续扩展区两个阶段，判断时需要把冲击事件和疲劳扩展分开描述。对于压力容器和管道，内部损伤还可能导致渗漏，而不是立即破裂。
超声扫描
能给出分层的面积和所在深度，是评估冲击损伤范围的主要手段，对表面曲率和耦合条件有要求。
红外热成像
适合大面积快速检测近表面分层和脱粘，深层缺陷的检出能力有限。
计算机断层扫描
能三维显示分层、基体裂纹和孔隙的空间分布，对样品尺寸有限制，适合局部取样详细分析。
环境老化：吸湿、湿热、紫外与介质
树脂基体会从潮湿空气和水中吸收水分。水分使基体塑化，玻璃化转变温度降低，湿热条件下的压缩强度和层间剪切强度下降。这部分变化在干燥后可以部分恢复；但长期吸湿还会造成界面水解、基体微裂纹等不可逆损伤。温度循环在基体与纤维之间产生反复的热应力，可能导致微裂纹逐渐增多，尤其在固化残余应力较大的铺层中。
环境作用还有以下几种需要专门考虑的情形，它们的损伤特征各不相同。
紫外与风雨侵蚀
表面树脂在紫外线下降解粉化，纤维逐渐外露，表面光泽和防护性丧失；风电叶片前缘在雨滴和颗粒冲击下发生侵蚀剥落。
渗透起泡
聚酯类胶衣层合板长期浸水时，水分渗入并在缺陷处溶解可溶性物质，形成渗透压，使表面鼓泡。
玻璃纤维的应力腐蚀
普通无碱玻璃纤维在酸性介质和拉应力共同作用下发生脆性断裂，断面平整、纤维几乎在同一平面断开，常见于接触酸性介质的玻璃钢管道和绝缘件，可选用耐酸玻璃纤维。
与金属接触的电偶腐蚀
碳纤维导电且电位较正，与铝合金或碳钢接触并存在电解质时，金属一侧被加速腐蚀，需要用玻璃纤维隔离层、密封剂和相容的紧固件材料隔离。
连接部位与疲劳
复合材料结构的失效大量发生在连接部位。机械连接处的孔边存在层间应力集中和挤压载荷，胶接连接则依赖胶层和表面处理质量。连接件的破坏模式直接反映了连接设计和制造中的问题，下表列出常见模式。
复合材料的疲劳与金属不同，通常没有单一主裂纹，而是基体裂纹逐渐增多、分层扩展、刚度持续下降，直到剩余强度降到载荷水平以下。因此监测刚度或固有频率的变化，可以反映疲劳损伤的累积程度。叶片、传动轴、支架等在振动环境下工作的复合材料构件，应关注共振引起的高周疲劳以及连接部位的微动磨损。
| 连接破坏模式 | 形貌特征 | 提示的问题 |
|---|---|---|
| 挤压破坏 | 孔边材料被压溃，孔变成长圆形 | 孔径与板厚比例不当，夹紧力不足，铺层中缺少足够的斜向层 |
| 净截面拉断 | 沿孔中心线横向断开 | 孔边距或孔间距过小，承载截面不足 |
| 剪出破坏 | 孔前方材料沿载荷方向被剪出 | 端距不足，沿载荷方向的铺层比例过高 |
| 紧固件拉脱 | 紧固件头部从层合板中穿出 | 板太薄、沉头孔过深或承受较大的面外载荷 |
| 胶接界面破坏 | 胶层与被粘表面分离，表面光滑无胶 | 表面处理不足、脱模剂或其他污染 |
| 胶层内聚破坏 | 两侧表面均留有胶层 | 粘接质量正常，载荷超出胶层强度或胶层老化 |
| 基材撕裂破坏 | 破坏发生在层合板表层，胶面带有纤维 | 胶接强度高于层间强度，需要检查层合板表层质量 |
断口与切片分析
复合材料的断口同样能反映裂纹扩展方向和载荷性质，只是读法与金属不同。分层面在张开型载荷下形成的形貌较平坦，可见指示扩展方向的河流状花样；在剪切型载荷下，层间树脂形成倾斜排列的锯齿状剪切毛刺，倾斜方向反映剪切方向。纤维拉伸断口上可见纤维端面的放射状花样，纤维拔出越长通常说明界面结合越弱。压缩破坏的断口则较平整，伴随扭结带和压碎的碎屑。
切片是复合材料失效分析中不可替代的手段。通过在损伤区和无损区分别切片，可以确定铺层顺序是否正确、孔隙是否集中、分层位于哪两层之间、基体裂纹的密度和分布，以及冲击损伤在厚度方向上的形态。切片位置应在无损检测的基础上确定，避免切割引入新的损伤。
- 断口观察前不要用手触摸或用胶带粘取，避免破坏树脂毛刺等细微特征。
- 扫描电镜观察前需要喷镀导电层，碳纤维材料也建议镀层以获得清晰的树脂形貌。
- 切片后的磨抛要防止纤维拔出和树脂拖尾，以免误判为孔隙或脱粘。
常用检验项目与改进方向
- 控制铺层环境和预浸料存放条件，保证排气和固化压力，降低孔隙含量。
- 按树脂体系要求制定并记录固化温度和时间，批量抽检玻璃化转变温度。
- 在曲面转角和厚截面采用防褶皱的铺放工艺，铺层递减区平缓过渡。
- 易受冲击的部位增加防护层，并建立冲击后的检查和评估要求。
- 碳纤维结构与金属连接处做好电绝缘和密封，选用相容的紧固件材料。
- 胶接前严格执行表面处理和防污染措施，并保留工艺记录。
- 外观与无损检测记录表面损伤，用敲击、超声扫描、红外热成像或计算机断层扫描确定内部损伤的范围和深度。
- 切片显微观察在损伤区和对比区切片，检查铺层、孔隙、分层位置、基体裂纹和纤维褶皱。
- 组成与固化评价测定纤维体积含量和孔隙含量，用差示扫描量热或动态热机械分析测玻璃化转变温度和固化程度，用红外光谱确认树脂类型。
- 环境影响评价测定吸湿量，分析表面老化层和腐蚀产物，核查与金属的接触和介质条件。
- 力学对比与断口按需做层间剪切、压缩等对比试验，用扫描电镜分析断口判断主导损伤模式。
北京与杭州的分工
北京团队负责现场调查、振动相关测试和综合分析；需要实验室仪器分析的部分，可由集团杭州实验室承接。具体由哪个实验室完成哪些项目、报告是否带 CMA、CNAS 标志，在方案和报价中写明。
常见问题
复合材料件表面看不出损伤，内部会有问题吗？
完全可能。低速冲击常常只在表面留下很浅的凹坑，内部却已经产生多层分层和基体开裂，压缩强度明显下降。受过磕碰或冲击的部件，应通过超声扫描、热成像等无损检测确认内部状况。
怎么判断复合材料是否固化完全？
常用差示扫描量热测定残余固化放热和玻璃化转变温度，或用动态热机械分析测模量随温度的变化，与合格件或树脂体系的要求对比。固化不足时玻璃化转变温度偏低，并可能检测到明显的残余放热。
碳纤维件与铝件连接处腐蚀，是什么原因？
这是电偶腐蚀。碳纤维导电且电位较正，与铝合金接触并有水分或盐分时，铝作为阳极被加速腐蚀。应在接触面设置玻璃纤维隔离层或绝缘垫，使用密封剂，并选用电化学相容的紧固件。
分层是制造缺陷还是使用中造成的？
需要结合位置和形貌判断。制造缺陷导致的分层常与孔隙带、夹杂物或固化问题相关，位置与工艺特征对应；冲击造成的分层呈锥形分布，与冲击点对应；疲劳分层从孔边、自由边或铺层递减处扩展。切片和工艺记录是关键证据。
复合材料能像金属一样通过断口找到起裂点吗？
可以，但读法不同。分层面上的河流状花样和剪切毛刺能指示扩展方向和载荷类型，纤维断面花样能指示局部扩展方向。由于多种损伤并存，通常需要把断口、切片和无损检测结果综合起来，才能确定起始损伤。