碳纤维缠绕壳体绝热层厚度DR成像检测技术研究

何华锋 熊建平 王晓勇 李忠仕

装配·检测

碳纤维缠绕壳体绝热层厚度DR成像检测技术研究

何华锋 熊建平 王晓勇 李忠仕

（湖北三江航天江北机械工程有限公司，孝感 432100）

采用DR成像检测技术，对碳纤维缠绕壳体的绝热层厚度进行测量技术研究，通过成像软件的数据采集、图像处理分析、数值读取等方法研究，确定绝热层厚度DR成像检测技术方法。研究结果表明，DR成像检测技术可用于碳纤维缠绕壳体绝热层厚度的测量。

碳纤维缠绕壳体；厚度；DR成像

1 引言

碳纤维复合材料具有比强度高、比模量高、尺寸稳定和材料可设计等特点，已广泛应用于各种型号航天器及军用飞机上，采用碳纤维缠绕方法制造燃烧室壳体已成为导弹武器系统发展的重要方向。碳纤维缠绕壳体内侧的绝热层起到耐烧蚀、绝热的作用，而绝热层的常用制造材料有三元乙丙和824两种。壳体不同部位的绝热层厚度需要满足最低值要求，而壳体缠绕成形后固化和绝热层硫化过程中，绝热层可能产生流动导致绝热层厚度不均，所以需要测量确认绝热层厚度。

目前碳纤维缠绕壳体绝热层厚度缺少一个行之有效的测量方法。由于碳纤维缠绕壳体材料与钢壳体材料的的差异性，原有钢壳体绝热层厚度的测量方法已不再适用，需要重新摸索一种新的绝热层厚度测量方法。

火箭发动机钢壳体上的绝热层厚度通常采用涡流测厚方法，根据涡流场的强弱与涡流线圈距被测材料表面的距离成正相关的特性来测量的，所以被测材料导电导磁性直接影响到测量结果的准确性和绝热层厚度可测性[1]。钢材质比较均匀，导电导磁性好，采用涡流法测量钢壳体表面附着的绝热层厚度是一种行之有效的测量方法。其它常用的超声波测厚方法，由于材料表面较软且不平整，绝热层材料对声波衰减系数大，导致绝热层厚度测量结果误差很大，这对本身厚度不大的材料厚度测量基本失去意义。工业CT方法可以实现绝热层厚度的测量，其测量源也是X射线源，而且工业CT检测系统造价昂贵、检测周期长等因素限制了该方法的实际应用[2]。常规如卡尺测量方法等由于产品结构的限制，实现不了绝热层厚度测量而碳纤维只有较弱的导电性，且碳纤维与树脂结合后不同部位的导电性具有较大差异，所以原有钢壳体的绝热层厚度测量方法已不再适用碳纤维缠绕壳体，需要试验采用其它厚度测量方法测量碳纤维缠绕壳体的绝热层厚度。

碳纤维缠绕壳体的绝热层厚度是一个普遍关注的指标，它影响到火箭发动机壳体的工作安全性，研究探索一种适用的绝热层厚度测量方法，为设计人员及用户提供绝热层厚度数据，对提高产品的质量可靠性有很大裨益。

本文就绝热层厚度DR数字成像检测方法进行试验，研究碳纤维缠绕壳体绝热层厚度DR成像测量过程中应注意的事项、测量方法的准确性和可行性。

2 DR成像技术材料厚度测量原理及测量方法

2.1 测厚原理

DR数字成像检测技术应用初期主要是用于材料内部质量的检测及内部结构的观察。

DR成像测厚原理主要是应用DR成像检测系统中的尺寸测量功能，根据判断影像中的材料不同界面位置，再测量界面之间的距离的一种厚度测量方法。所以要实现材料厚度测量，首先要确认DR图像中需要测量的材料界面可分辨。DR图像中的材料界面可分辨性与两种材料的材质有关系，两种相邻材料对X射线的衰减系数或者材料密度差异程度越大，形成的影像界面对比度反差越大，界面越容易分辨，测量结果越准确，反之亦然[3]。

2.2 测厚方法

DR成像厚度测量时，首先必须对系统成像软件的测量尺寸进行校准，目的是为软件中的测量工具制订一个尺寸衡量标准。校准时采用一个已知长度的参照物进行成像，例如参照物实际长度为100mm，若此时DR成像测量的结果为60mm，校准时将60mm标定为参照物的真实长度100mm，尺寸校准工作即完成，校准后的示意图如图1所示。

图1 测量尺寸校准

尺寸校准时参照物的长度不宜过大或过小，参照物太长超出一幅图像的长度时就不能测量参照物的影像长度，太短时校准得到的尺寸误差较大，根据成像宽度参照物一般应选用50～100mm的为宜。尺寸校准完成后，对需检测的部位进行DR成像，在影像中评定出绝热层边界，采用软件测量内外边界间的距离值即为绝热层真实厚度。如图2中绝热层的内侧边界是绝热层与空气界面，两者密度差异大，这个界面比较容易区分，绝热层的外边侧界是绝热层与缠绕层界面，这个界面可识别性与两者材质对射线的衰减程度直接相关，理论上两者密度差异越大，两者界面越容易区分，图2中距测量基准点50.00mm的绝热层真实厚度测量值为15.38mm。

图2 绝热层厚度测量示意图

3 工艺试验

目前碳纤维缠绕壳体绝热层所采用的材料主要有三元乙丙和824两种，三元乙丙密度约为1.08g/cm3，824材料密度约为1.25g/cm3，而碳纤维缠绕复合层的密度约为1.4g/cm3。

3.1 三元乙丙绝热层厚度测量试验

采用某碳纤维缠绕壳体解剖件进行工艺试验，其绝热层材料为三元乙丙，尺寸校准时分别采用金属参照物和非金属参照物，分析参照物材质差异对测量结果的影响，金属参照物和非金属参照物长度均为100mm，如图3为三元乙丙绝热层厚度测量结果。

图3 三元乙丙绝热层厚度测量结果图

从试验测试图像上分析，绝热材料为三元乙丙时，材料之间的界面分辨清晰，界面影像完整，可以比较容易判断测量绝热层的厚度。材料界面可分辨后可以采用DR软件的尺寸测量工具对绝热层厚度直接测量，再采用卡尺测量断面的绝热层厚度，对比两种测量结果。

表1、表2分别是采用金属参照物和非金属参照物时的绝热层厚度的测量结果，从表1、表2的数据分析，采用金属参照物与采用非金属参照物校准时的测量数据没有明显差异，金属和非金属均可作为软件尺寸校准的测量基准参照物，但参照物形状应简单，长度要适中。从三元乙丙绝热层测量结果分析，采用DR成像方法可清晰分辨绝热层界面，DR成像法与卡尺测量法测量结果存在一定偏差，最大偏差0.61mm。

表1 金属参照物的测量结果 mm

表2 非金属参照物的测量结果 mm

图4 距接头尖点30mm测量结果图

图5 距接头尖点50mm测量结果图

为了进一步验证DR成像法与卡尺法测量结果差异，采用壳体解剖试样进行了测量对比试验，DR成像图如图4、图5所示。它们分别是距测量基准点距接头尖点30mm、50mm的测量结果，其余测量基准点距接头尖点40mm、60mm、70mm、80mm、90mm、100mm。

表3 测量结果对比表 mm

表3显示绝热层厚度的DR成像测量方法与卡尺测量方法得到数据稍有差异，最大差异为0.30mm，测量结果总体上较为接近。

3.2 824绝热层厚度测量试验

某纤维缠绕壳体内的绝热层材料为824，从DR成像影像上分析，绝热层内侧与空气的界面区分没问题，显示也很清晰，但824绝热层与缠绕层界面不清晰，这是由于824材料与碳纤维材料的密度差异不明显的原因导致的，图像经过软件的对比度调节，图像锐化等处理后，材料界面的可分辨性稍有改善，测量结果如图6所示。从824绝热层测量试验情况分析，824绝热层的DR成像方法的可测性较三元乙丙绝热层差。

图6 热层材料为824时的绝热层厚度测量效果图

4 结束语

DR数字成像检测是一种无损检测技术，它的主要功能是对产品的内部质量进行检测，并对检测到的缺陷尺寸、缺陷位置进行测量和定位，DR成像软件带有图像处理、尺寸测量等功能，为绝热层厚度测量试验提供了条件，正是基于DR成像系统的基础，开展了纤维缠绕壳体绝热层厚度测量试验。试验过程中的尺寸校准分别采用了金属和非金属试样，对三元乙丙和824绝热层材料的厚度进行了测量，并将DR成像的测量结果与卡尺的测量结果进行了对比，试验结果表明：

a. 绝热层厚度DR成像法的可测性与绝热层本身的材质有关系，两种常见的绝热层材料三元乙丙和824中，三元乙丙密度相对碳纤维缠绕层密度差异较824大，所以三元乙丙绝热层厚度DR成像法的可测性较好，而824绝热层厚度可测性较差；

b. DR成像软件尺寸校准时所采用的试样材质对测量结果带来的影响不明显，金属试样或非金属试样均可采用，但对比试样的形状应简单、长度选择要适宜；

c. DR数字成像测量方法与卡尺法测量结果存在一定差异，毕竟DR数字成像法不是专用的尺寸测量工具，它与卡尺的测量结果总体差异在10%左右，在可接受的误差范围内且没有其它可行的厚度测量方法情况下，纤维缠绕壳体绝热层厚度DR成像法测量结果可为产品质量证明提供很有价值的参考数据。

1 李家伟.无损检测手册[M].北京：机械工业出版社，2002

2 张俊哲.无损检测技术及其应用[M].北京：科学出版社，1993

3 郑世才.数字射线无损检测技术[M].北京：机械工业出版社，2012

Research on DR Detection Technology of Thermal Insulation Thickness of Carbon Fiber Winding Shell

He Huafeng Xiong Jianping Wang Xiaoyong Li Zhongshi

(Jiangbei Machinery Engineering Co., Ltd., Xiaogan 432100)

In this paper, DR imaging detection technology is used to measure the thickness of the thermal insulation layer of the carbon fiber winding shell。Through the research of date acquisition image processing analysis numerical reading software, the DR imaging detection technology method of insulation layer thickness is determined。The research results show that the DR imaging detection technology can be used to measure the thickness of the thermal insulation layer of the carbon fiber winding shell.

carbon fiber windingshell；thickness；DR imaging

TN24

A

何华锋（1982），高级工程师，飞行器设计与工程专业；研究方向：火箭发动机技术。

2021-01-21