桑迪亚国家实验室技术专家安德鲁·伦特弗通过一个滚轮探头在复合材料上，研究员大卫·摩尔在屏幕上检查数据。这种无损检测技术将声波送入复合材料，随着滚轮探针的每一次敲击返回数据。(兰迪·蒙托亚摄)
研究员大卫·摩尔(David Moore)拿着一个长方形的硬质碳复合材料，表面光滑，有模糊的编织图案。样品显示出正常的磨损，直到他把它翻过来，发现一个圆形的撞击痕迹，从上面发散出裂纹。
摩尔和他在加州桑迪亚国家实验室的同事蒂莫西·布里格斯及其团队面临的问题是，撞击是否在复合材料内部造成了重大的隐藏损伤。
他们正在开发无损检测复合材料损伤的方法，使用传统的医学检查技术，如x射线和超声波图，以及包括红外成像、超声波光谱和计算机断层扫描在内的先进方法。
桑迪亚几年前开始研究复合材料，看看这种轻质材料能否用于国家安全领域。
虽然手机中的复合材料只需要使用几年，但“通常用于国家安全应用的材料必须存活几十年。在结构动力学和x射线/无损评估部门工作的Moore说:“这让你对在哪里以及为什么要使用一种材料有了不同的思考。”“我们需要研究组件的生命周期。我们倾向于深入思考断裂或变形的后果，以及我们如何验证发生了什么。”
加州桑迪亚轻质结构组织的布里格斯说，这项工作支持了桑迪亚国家安全任务的许多方面，包括轻量化车辆或风力涡轮机叶片的能源效率和性能改进。
复合材料将具有不同特性的分离材料连接在一起。它们通常由软聚合物基质和增强纤维组成，如碳、凯夫拉尔或玻璃。
复合材料可以使用比头发还细的碳束，产生高强度重量比。最终的形状和强度是在工业烤箱中加热后得到的，该烤箱凝固了聚合物树脂，并产生了结构部件所需的质量。
复合材料在航空航天和其他行业中越来越重要，因为它们比金属更坚固，重量也更轻。大多数可以与金属结合，用于飞机机翼等用途，使飞机更轻，飞行成本更低。
复合材料的外部表面并不暗示里面是什么
“我们在理解金属及其失效机制方面有着丰富的历史，”摩尔说。“复合材料非常不同。”
如果一辆服务卡车倒车撞上了一架复合材料飞机的机身，对撞击地点的检查可能无法检测到表面下的损坏。这凸显了非破坏性技术的原因，这种技术可以全面评估复合材料在各种情况下的反应。
研究团队正在评估非破坏性方法的准确性，以及如何将其应用于生产车间。摩尔说:“你必须知道在加工步骤中可能会出现什么问题，以及如何规避这些问题，然后你要确保你是要制造一个、100个还是1000个，你总是以相同的方式制造它们。”
他说:“一旦我们确定了可检测性的界限，即好、坏和可疑的界限，我们就能说，‘我们想让这种复合材料以确定的质量粘在这种材料上，它将用这种技术进行检测。’”
桑迪亚的轻量化结构实验室定义并整合材料进行研究，使用特定的复合材料层堆叠序列来调整强度和刚度。它与国家安全校园在密苏里州的堪萨斯城，从开发工艺方法到构建原型，再到为特定应用进行合格设计。
在制造复合材料后，制造实验室切割样品进行仪器实验-利用精心制作的样品来研究变形、断裂和损伤增长。布里格斯“拉、拉、扭、压他们。他进行了这些力学实验，这样我们就可以了解故障周围的断裂机制。”“然后我们尝试检测其中的一些故障模式。”
表征材料的特性有助于计算机建模、仿真
布里格斯说:“复合材料的基本特征是测量材料性能和结构特征，这反过来为验证计算机建模和仿真提供了信息。”
布里格斯说，这些破坏性测试的数据与摩尔团队的非破坏性评估相关联，以了解是什么原因导致材料的反应方式。这项工作取决于与桑迪亚材料表征小组以及建模和仿真同事的密切合作，以帮助验证他们基于计算机的模拟。
复合材料必须支持特定的重量和尺寸。布里格斯说:“任何人都可以建造一个承载载荷的结构，但我们必须设计出适合几何结构的结构，并且重量轻。”“我们不能简单地过度设计到不切实际的水平。我们的设计必须非常聪明和高效，同时为长期可靠性提供足够的空间。”
在烤箱或高压釜中粘合的材料通常有不同的热膨胀率——例如，铝比纤维增强塑料膨胀得更快。一旦复合材料固化后冷却，残余应力会在内部积聚，特别是在界面处。如果复合材料不能承受这些压力，化学键就会失效。
桑迪亚正在开发先进的技术，在某些情况下可以在不到5分钟的时间内完成样品检查。摩尔说:“这是一种快速获得大量有关债券质量信息的方法。”
团队研究特定的非破坏性技术
他的团队使用这些被故意处理过的复合材料来评估诸如先进超声波、闪光或主动热成像和计算机断层扫描等检查技术。
超声波检测已经有60年的历史了，但现在计算机和其他技术的改进使得研究更复杂的应用成为可能。技术专家Andrew Lentfer演示，用手持超声波滚轮扫描一块复合材料，这种滚轮类似于一个带有中空的装满水的桶的小型油漆滚轮。当他扫描复合材料的图层时，电脑屏幕会将它们绘制成颜色:黄绿色是可以的;蓝色表示软弱。滚轮可以扫描曲面，甚至像飞机这样的大曲面。
复合材料中的纤维和界面会散射穿过材料的超声波。摩尔将其比作海浪:“如果海浪击中海洋中的岩石表面，它就会绕着岩石移动;如果海浪冲到沙滩上，它会被吸收;如果它撞上了海堤波浪的能量会迅速改变方向。这些都是我们研究的基本原理:超声波能量在复合材料基质中移动。”
他说，从表征材料中获得的知识有助于开发新的无损技术，“因此，当我们建立一个检测标准时，我们就能更好地了解我们能检测到什么，不能检测到什么。”
闪光灯热成像技术在商业上已经有20多年的历史了，它用高能量的光照射表面15微秒，然后红外摄像机观察表面是如何冷却的。整个过程只需几分钟。
摩尔说:“速度非常快，但你必须了解热流的基本原理，以及材料表面是如何向周围环境散发热量或在内部传递热量的。”
研究使用好的或不太好的复合材料来测试差异
这项研究使用的复合材料含有高质量的化学键，而其他材料则含有较弱的化学键。结果的差异有助于团队改进缺陷或损坏的检测。计算机屏幕上显示的亮点或黑点表示可能出现的问题，叠加的图形将潜在问题的深度与图像上显示的时间联系起来。
“问题是，这是一个担忧吗?那到底是不是一条裂缝?”摩尔说。“我们将能够回答这些问题。如果缺陷深入到材料中，我们可能检测不到它。明智的做法是了解这项技术的功能，然后进行背后的数学和科学研究。”
计算机断层扫描系统对于发现微小缺陷是有效的。该技术将样本旋转360度，同时拍摄1000张图像，类似于医学CT扫描，并从物体的每个薄片生成图像。由于拍摄的每张图像都是二维的，计算机算法将重建、计算、定位和显示所有内容，以表示三维物体。
Moore说:“一旦三维图像被重建，你就可以看到前表面，然后开始通过厚度来查看表面以下的东西。”这项技术为我们提供了一个知识基线，并验证了其他技术的表现。”
摩尔说，桑迪亚必须通过指定和合格的检查技术来确保设计符合要求，现在正在为国家安全园区编写检查程序。他说:“一旦我们建立了标准和可接受限度，就可以建立产品定义。”
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