المواد المركبة هي مواد جديدة تم إنشاؤها من خلال تقنيات إعداد المواد المتقدمة التي تجمع بين المكونات ذات الخصائص المختلفة بطريقة محسنة. في أربعينيات القرن العشرين، ونظرًا لاحتياجات صناعة الطيران، تم تطوير البلاستيك المقوى بالألياف الزجاجية (المعروف باسم الألياف الزجاجية)، مما يمثل بداية مصطلح "المواد المركبة". بعد خمسينيات القرن العشرين، تم تطوير ألياف عالية القوة وعالية المعامل مثل ألياف الكربون وألياف الجرافيت وألياف البورون على التوالي. وبحلول السبعينيات، ظهرت أيضًا ألياف الأراميد وألياف كربيد السيليكون. مع تزايد تطبيق المواد المركبة في مختلف المجالات - وخاصة في مجال الطيران والسيارات والبناء والإلكترونيات وقطاعات الطاقة الجديدة - أظهرت صناعة المواد المركبة العالمية اتجاه نمو مستمر.

مع استخدام المزيد من المواد والهياكل المركبة في الصناعات المختلفة، أصبح فهم كيفية فحصها بحثًا عن الضرر موضوعًا مهمًا. تستعرض هذه المقالة العديد من طرق الاختبار غير المدمر (NDT) الشائعة للمواد المركبة.

الاختبار غير المدمر، أو NDT، هو أسلوب اختبار قياسي في صناعة المواد المركبة ولا يتطلب قطع المادة أو تغييرها بطرق أخرى. كما أنه ضروري لإنتاج منتجات عالية الجودة. هناك العديد من طرق الاختبار غير الإتلافي للاختيار من بينها، وفي بعض الأحيان يلزم استخدام طرق متعددة في وقت واحد لفهم الأنواع والأحجام والمواقع وأعماق العيوب في الشرائح المركبة بشكل كامل.

(2) اختبار التأثير هو طريقة فحص أساسية أخرى. يتضمن ذلك النقر بلطف على سطح الجزء بمطرقة أو عملة معدنية. يشير الصوت المعدني اللامع إلى أن الهيكل سليم، في حين يشير "الجلجل" الباهت إلى وجود عيوب، مثل التصفيح أو فك الارتباط. يمكن للمطارق الرقمية قياس استجابة التأثير وعرض الوقت الذي تستغرقه الطبقة الرقيقة للاستجابة بالمللي ثانية. يشير زمن الاستجابة الأقصر إلى أن الهيكل يمتص تأثيرًا أقل، مما يشير إلى أنه صلب. على العكس من ذلك، عند وجود عيوب، يكون وقت الاستجابة أطول، مما يؤدي إلى قراءات أعلى على الشاشة.

تعتبر هذه الطريقة أكثر فعالية للشرائح الرقيقة التي يقل سمكها عن 3.05 مم، في حين أنها قد لا تسفر عن نتائج موثوقة للشرائح السميكة جدًا. عيب آخر هو أنه يمكن أن يوفر في بعض الأحيان قراءات خاطئة، خاصة عندما يكون الجزء الخلفي من الصفائح مرتبطًا بهيكل آخر.

(3) يعد اختبار الموجات فوق الصوتية (UT) حاليًا أكثر طرق الاختبار غير المدمرة استخدامًا. يتضمن مبدأ الاختبار بالموجات فوق الصوتية إرسال موجات طاقة عالية التردد (تتراوح من 0.5 إلى 25 ميجا هرتز) إلى صفائح، والتقاط وقياس سعة ووقت طيران هذه الأشكال الموجية لتحليل خصائص المواد والتغيرات الهيكلية. الطرق الرئيسية المستخدمة في اختبار الموجات فوق الصوتية هي:

اختبار صدى النبض بالموجات فوق الصوتية: يمكن إجراء هذه الطريقة باستخدام مسبار الموجات فوق الصوتية أحادي الجانب الذي يعمل كجهاز إرسال واستقبال. يعمل باستخدام الإثارة النبضية ذات الضغط العالي، حيث تقوم كل نبضة كهربائية بتنشيط عنصر محول الطاقة. يقوم هذا العنصر بتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية على شكل موجات فوق صوتية. تدخل طاقة الموجة إلى جزء الاختبار من خلال طرف اتصال Teflon® أو methacrylate. يتم إنشاء الأشكال الموجية داخل جزء الاختبار ويتم التقاطها بواسطة عنصر محول الطاقة. تشير أي تغييرات في سعة الإشارة المستقبلة أو الوقت الذي يستغرقه عودة الصدى إلى محول الطاقة إلى وجود عيوب. يُستخدم اختبار صدى النبض للكشف عن الترقيعات، والشقوق، والفراغات، والمياه، وتفكيك المكونات اللاصقة، ولكن من الصعب تحديد الترقيعات أو العيوب بين قلب وجلد هياكل الساندويتش.

اختبار الموجات فوق الصوتية عبر ناقل الحركة: تستخدم هذه الطريقة محولين للطاقة، واحد على كل جانب من المنطقة التي يتم فحصها. يتم إرسال إشارة الموجات فوق الصوتية من محول إلى آخر. يتم بعد ذلك قياس فقدان شدة الإشارة باستخدام الأجهزة، والتي تمثل هذه الخسارة كنسبة مئوية من قوة الإشارة الأصلية أو بالديسيبل. يتم تحديد المناطق التي يتجاوز فيها فقدان الإشارة المعايير المرجعية على أنها مناطق عيوب.

أجهزة اختبار الارتباط منخفضة التردد وعالية التردد: تستخدم أجهزة اختبار الارتباط هذه مجسات فحص مجهزة بمحول واحد أو اثنين من محولات الطاقة. تم تصميم أجهزة اختبار الارتباط عالية التردد للكشف عن التصفيحات والفراغات، وهي قادرة على تحديد العيوب التي يصل قطرها إلى 0.5 بوصة. ومع ذلك، لا يمكنهم اكتشاف التفكك أو الفراغات من السطح إلى قلب قرص العسل. يستخدم اختبار الترابط منخفض التردد جهازي استشعار للكشف عن التشققات والفراغات وتقشير قلب قرص العسل، لكنهم لا يستطيعون تحديد الجانب التالف من الجزء ولا يستطيعون اكتشاف العيوب الأصغر من 1.0 بوصة.

اختبار المصفوفة المرحلية بالموجات فوق الصوتية: يعد اختبار المصفوفة المرحلية أحد أحدث طرق الموجات فوق الصوتية للكشف عن العيوب في الهياكل المركبة. وهو يعمل على نفس مبدأ طرق صدى النبض ولكنه يستخدم العشرات أو حتى أكثر من أجهزة الاستشعار في وقت واحد، مما يؤدي إلى تسريع عملية التفتيش بشكل كبير.

(4)اختبار التصوير الحراري يتضمن مبدأ عمل التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء النبضي استخدام تقنيات التسخين النشطة لتسجيل عيوب السطح تلقائيًا في عينات الاختبار. فهو يقيس الاختلافات في درجات الحرارة في مادة المصفوفة الناتجة عن اختلاف الخصائص الحرارية، مما يسمح بتحديد الضرر سواء على السطح أو داخليًا. تتميز هذه الطريقة بطبيعتها غير المتصلة، وفي الوقت الفعلي، والفعالة، والبديهية، مما يجعلها مناسبة بشكل خاص للكشف عن التشققات، والمسامية، والتقشير، والطبقات، وعيوب المنطقة في الهياكل المرتبطة بين المواد المركبة والمعادن.

يكون التصوير الحراري مفيدًا بشكل خاص عندما لا يمكن غمر الأجزاء أو المكونات في الماء لإجراء اختبار المسح بالموجات فوق الصوتية C، أو عندما يجعل الشكل السطحي للأجزاء الفحص بالموجات فوق الصوتية أمرًا صعبًا. توفر هذه التقنية بديلاً قيمًا لتقييم سلامة الهياكل المعقدة.

(5) الاختبار الشعاعي (RT)، الذي يشير عادةً إلى الفحص بالأشعة السينية، هو أسلوب اختبار غير مدمر (NDT) قيم لأنه يسمح برؤية داخلية للمكون دون تفكيكه. تعمل هذه الطريقة عن طريق تمرير الأشعة السينية عبر جزء الاختبار، والتقاط الاختلافات في الامتصاص على فيلم حساس للأشعة السينية. بعد تطوير الفيلم المكشوف، يقوم المفتشون بتحليل الاختلافات في العتامة، مما يؤدي بشكل فعال إلى إنشاء تمثيل مرئي للتفاصيل الداخلية.

على الرغم من أن اختبار الأشعة السينية ليس مثاليًا للكشف عن العيوب مثل التصفيحات على المستويات المتعامدة مع اتجاه الأشعة السينية، إلا أنه يتفوق في تحديد العيوب الموازية لشعاع الأشعة السينية. يمكن رؤية التشوهات الداخلية مثل تصفيحات الزوايا، والنوى المكسورة، والنوى المكسورة، والمياه في الخلايا الأساسية، والفراغات في المفاصل اللاصقة الرغوية، والموضع النسبي للتفاصيل الداخلية بسهولة باستخدام التصوير بالأشعة السينية.

نظرًا لأن معظم المواد المركبة تكون شفافة تقريبًا للأشعة السينية، فإن الأشعة السينية منخفضة الطاقة مطلوبة. نظرًا لمخاوف تتعلق بالسلامة، فإن الأشعة السينية حول الطائرات غير عملية بشكل عام، ويجب على المشغلين استخدام درع الرصاص والحفاظ على مسافة آمنة من مصادر الأشعة السينية.

هناك العديد من تقنيات الاختبار الشعاعي، كل منها يناسب تطبيقات محددة:

التصوير الشعاعي القياسي مناسب للأجزاء ذات السمك المتوسط.
يستخدم التصوير الشعاعي ذو الجهد المنخفض للأجزاء الرقيقة (1-5 مم).
يتم تطبيق التصوير الشعاعي لأشعة جاما على المكونات السميكة.
التصوير الشعاعي النيوتروني، وهو طريقة مكملة للتصوير بالأشعة السينية، يصور الميزات الداخلية على أساس التوهين من خلال وسائط مختلفة. يتأثر انتقال النيوترونات بالمقطع العرضي للنيوترونات من النوى الذرية داخل المادة، مما يسمح بتصور ميزات مثل العناصر الخفيفة (على سبيل المثال، الهيدروجين في التآكل أو الماء)، والتي لا يمكن للأشعة السينية وحدها الكشف عنها.

(6) اختبار Shearography: Shearography هي طريقة بصرية تعتمد على الليزر تستخدم مقياس تداخل Shearographic لاكتشاف وقياس التشوهات خارج المستوى في المكونات. في البداية، يتم قياس الجزء في ظل ظروف عدم التحميل. بعد ذلك، يتم تكرار الاختبار تحت الأحمال المطبقة، والتي قد تشمل الضغوط الحرارية أو الميكانيكية أو الصوتية أو الضغط أو الفراغ أو الكهربائية أو المغناطيسية أو الميكروويف أو الميكانيكية. تسمح هذه العملية للكاميرا بالتقاط أنماط هامشية على سطح الطبقة الرقيقة حيث توجد عيوب تحت السطح.

تقوم برامج الكمبيوتر المتخصصة باستقراء صور خريطة الطور المغلفة لإنشاء خريطة طور غير مغلفة، وتحويلها إلى صورة مرئية متكاملة للعرض والتقييم. والجدير بالذكر أن هذه التقنية يمكن أن تكشف بسرعة عن مواقع العيوب ولكنها تتطلب المزيد من الاختبارات بالموجات فوق الصوتية لتحديد عمق الخلل.

اختبار الانبعاثات الصوتية (AE): يقوم اختبار الانبعاثات الصوتية باكتشاف وتحليل إشارات الانبعاث الصوتي التي تنتجها المواد المركبة أو الهياكل تحت الحمل، وتقييم الجودة الشاملة للمكونات المركبة. تعتبر هذه التقنية فعالة لتحليل العيوب، مما يعكس تطور الضرر وأنماط الفشل داخل المواد المركبة، والتنبؤ بقوة التحمل النهائية، وتحديد مناطق الضعف في جودة المكونات.

تعد تقنية AE عملية وسهلة الاستخدام، وتوفر رؤى قيمة حول عمليات تشوه المواد وتلفها أثناء الاختبار الميكانيكي. تتضمن أساليب AE بشكل أساسي ما يلي:

تحليل المعلمة: من خلال تسجيل وتحليل معلمات الإشارة مثل السعة والطاقة والمدة وعدد الحلقات ورقم الحدث، فإنه يقوم بتقييم خصائص الضرر مثل الخطورة والموقع وآليات الفشل. ومع ذلك، فإن العيب الرئيسي هو أن معلومات مصدر التعريض الضوئي التلقائي قد تكون محجوبة بواسطة أجهزة استشعار رنانة، مما يؤدي إلى ضعف إمكانية تكرار النتائج في النتائج التجريبية.

تحليل الشكل الموجي: يقوم هذا الأسلوب بتسجيل وتحليل أشكال موجة إشارة AE للحصول على وظائف الأطياف والارتباط. فهو يساعد في تحديد خصائص التردد المرتبطة بمراحل وآليات الضرر، ويقدم نظرة ثاقبة حول ملف تعريف الضرر الخاص بالمادة.

التحليل الطيفي: هذه التقنية التي تشمل التحليل الطيفي الكلاسيكي والحديث، تقوم بتحويل إشارات AE من المجال الزمني إلى مجال التردد. فهو يتيح تحديد معلومات مصدر AE الجوهرية من خلال دراسة خصائص الإشارة المختلفة في مجال التردد. ومع ذلك، يفترض التحليل الطيفي أن الإشارة هي إشارة دورية ثابتة، مما يحد من قدرتها على التقاط الاختلافات المحلية في المعلومات.