無損檢測，護航藍天安全

從曾經用手工敲擊錘檢測，到如今一鍵3D掃描成像的智能檢測，無損檢測技術始終在看不見的角落，與金屬疲勞、腐蝕、裂紋這些微觀世界的“敵人”作斗爭。

在萬米高空之上，一架民航客機正以900公里/小時的速度穿越云層。機艙內旅客安然入夢，而他們腳下的金屬結構卻承受著劇烈溫差、氣流沖擊和金屬疲勞的考驗，哪怕一道0.1毫米的裂紋，都可能演變成致命威脅。在人類征服天空的征程中，飛行器的壽命不取決于最堅固的部件，而在于最脆弱的裂痕，因此如何提前察覺到航空器的“危險信號”，始終是航空領域關乎生死的重大技術命題。

現代民航客機的機體需要承受2萬次起降的金屬疲勞考驗，航天發動機燃燒室內壁更要耐受高溫的反復炙烤。在這些極端環境下，一道只有頭發絲1%細的裂紋，都可能引發蝴蝶效應，讓整個航空器陷入危險。誰能發現這些“隱形的殺手”呢？答案正是被稱為“工業體檢師”的無損檢測技術。

當工業檢測遇見航天精度，無損檢測技術始終在“不拆解、不破壞”的原則下，巧用聲、光、電、磁等物理手段透視航空結構內部，為航空器診斷“隱藏的缺陷”。

從“聽診器”到“一鍵掃描”的百年跨越

無損檢測，顧名思義，是在不破壞或損傷被檢測對象的前提下，對其內部結構、缺陷、性能等進行檢測和評估的技術。這就好比為航空器配備了一位超級 “體檢師”，在航空器的全生命周期里，從開發材料、制造裝配部件、整機服役和后續維修的各個階段，深入了解其內部的健康狀況，及時發現潛在的安全隱患。無損檢測已經逐漸成為航空航天公司的必備技術，統計數據顯示，用于機體的無損檢測占民用飛機無損檢測的70%～80%，剩余20%左右的檢測是用于發動機和渦扇葉片、粘接件等其他相關部件。

目視檢查算得上是最原始、最簡單的無損檢測方法了，其可利用放大鏡和鏡子觀察結構是否存在裂紋等缺陷，但這個方法有很大局限，不是所有地方都能看到，人眼也沒辦法檢測出所有損傷。據傳古羅馬人曾用面粉和油脂來尋找大理石中的裂紋，而幾個世紀后的鐵匠們在錘煉金屬成型時，根據其發出的聲波來分辨不同的金屬圓環，這大概是最早利用敲擊錘來測試的記錄。現代無損檢測起源可追溯到一百多年前，隨著德國物理學家康拉德·倫琴于1895年發現X射線，1929年前蘇聯科學家索科夫率先提出利用超聲波去探測物體內部缺陷和結構，人們開始采用X射線技術、磁粉檢測、渦流檢測和各種模式的超聲波，例如脈沖回波和透射等手段，探測損傷的存在。這個階段的方法雖然簡單粗糙，但開啟了人類對無損檢測技術探索的大門。

隨著科學的不斷發展，僅僅檢測缺陷是否存在已經不能滿足生產生活的需求，無損檢測在二戰以及戰后一段時期里被證明其對于大范圍的工業化生產是不可或缺的，其不僅用來檢測產品是否合格，也在降低次品率的同時凸顯經濟效益。這一階段，除了傳統的無損探傷技術外，還發展了微波檢測、聲發射檢測、紅外探測、紅外熱像、激光檢測等技術，以及探測試件的一些其他信息，比如缺陷的結構、性質、位置等。對于發達國家，這一階段大致開始于20世紀70年代末或80年代初。

隨著對材料、構件的質量要求不斷提高，特別是在役設備的安全性和經濟性的需求更加突出，這時候，無損檢測結合了各種光成像技術、自動化技術、計算機數據分析和處理等技術，例如太赫茲成像技術、光學內窺鏡、光纖光柵傳感器、超聲水浸自動化檢驗、相控陣超聲檢測等，人們不僅要掌握缺陷的有無、屬性、位置、大小等信息，還要進一步評估分析缺陷對被測試件的綜合性指標，比如壽命、穩定性、強度等。近期的無損檢測技術，又融合了人工智能、機器人技術、信息融合技術等，像超聲掃描顯微鏡、激光超聲技術、3D計算機斷層掃描成像等，讓無損檢測技術變得更強大。

無損檢測技術：商業航空發展的核心力量

隨著航空技術的不斷發展，復合材料作為軍用飛機以及民用航空器重要的減重材料，在單機中的應用占比大幅提升，例如新型飛機波音787和空中客車A350中，復合材料的使用占比達到了一半以上。因此，對航空器中所使用的復合材料進行“探傷”，一直是業界關注和研究的重點。

超聲檢測：材料結構的“B超醫生”

超聲無損檢測主要是根據材料的聲學特性和內部組織變化，檢測超聲波傳播的阻礙情況，以此來判斷材料的缺陷情況，如同為金屬結構進行一次全面細致的“B超檢查”，準確發現內部的裂紋、分層等缺陷。因對使用環境沒有硬性要求，超聲檢測法是航空航天領域應用最廣泛的無損檢測近表面技術。幾乎所有成型的產品，包含鑄件、鍛件、焊縫等，以及合金和非金屬復合材料，例如纖維復合層壓材料等，均可以通過超聲無損檢測來檢測出物體內部的缺陷。除了傳統的超聲檢測技術，超聲相控陣技術、空氣耦合超聲技術、激光超聲技術等也日趨成熟。

不過，對于一些多孔的材料，或內部存在大量孔隙的材料，會因超聲波損耗無法實現對其內部進行檢測，而對一些復雜結構的表面，則需要定制相應的超聲探頭，才能準確地對材料進行檢測。

X射線檢測：透視材料的“X光眼”

X射線檢測就像為金屬材料配備了一雙“X光眼”，通過調整X射線的能量，能夠根據穿透金屬、非金屬和復合材料時的吸收和衰減特性，直觀清晰地展現其內部結構，技術相當成熟。在航空領域，射線檢測常用于檢測航空發動機葉片、起落架等關鍵部件。通過對射線穿透材料后的強度分布進行精確測量和分析，對裂紋、發泡膠空洞、玻纖金屬夾雜缺陷等都有非常好的效果。近年來，計算機射線成像技術（CR）、數字化射線成像技術（DR）、計算機層析成像檢測（CT）等發展迅速，使復合材料X射線檢測技術實現了檢測結果實時顯示與數字化存儲，大幅提升了復合材料微觀結構精密測量和表征能力。

然而，X射線檢測對裂紋類的缺陷檢測受到透射角度的影響，且對薄膜或檢測厚度非常小的層狀復合材料時，難以區分分層和脫粘類缺陷。

渦流檢測：電磁場中的“指紋偵探”

渦流檢測是利用電磁感應原理且根據探測線圈阻抗變化進行工作，可對鐵磁、少數石墨或碳纖維復合材料等非鐵磁、奧氏體等材料的不連續性進行探測，從而達到探傷的目的。渦流檢測無需使用耦合劑，能夠在高溫環境下工作，甚至能夠探測到工件狹窄處或深孔壁等難以觸及的地方。

由于渦流滲透效應影響，渦流檢測僅能檢測出材料表面及近表面的缺陷，無法深入探測材料深層的內部缺陷。

多種光電磁手段對飛機進行無損檢測。圖/AI合成

紅外檢測：捕捉大面積材料的異常警報

紅外探測和紅外熱成像技術基于物體表面溫度分布與內部結構和缺陷的相關性，非常適合大型部件的快速檢測，像飛機蒙皮這些部位，如果存在內部缺陷，表面溫度分布就會異常，紅外熱像儀能夠快速地將這種溫度差異以熱圖像的形式直觀呈現出來。通過對熱圖像的分析，檢測人員可以及時發現蒙皮內部的脫粘、分層等缺陷，如同為航空器蒙皮安裝了一個敏銳的 “溫度報警器”，提前預警可能存在的安全隱患。

不過，對于具有一定厚度、熱傳導較困難的材料，熱量很難滲透到材料的內部。其次，受被檢測結構表面的涂料、漆層等殘留或零件表面顏色不均勻等的影響，紅外檢測經常會造成缺陷偽像，從而影響缺陷的判別。

激光檢測：光之探針的納米級觸感

激光全息檢測技術是利用光的干涉和衍射原理，將物體發射的特定光波以干涉條紋的形式記錄并再現，進行三維成像，它能記錄物體的完整信息，包括相位和振幅等，主要用于對航空器設備變量參數的檢測。而激光散斑干涉技術，則是通過激光束照亮固體漫射表面，把表面漫散射后在空間形成的激光散斑，作為被測物變化信息的載體，適合蜂窩夾層結構、橡膠輪胎、復合材料粘結質量等的檢測。

其他檢測：多維空間的復合感官

太赫茲波段介于微波和紅外之間，該波段的光子能量較低，憑借THz射線對非極性材料的穿透性和對金屬材料的強反射特性，太赫茲技術堪稱工業檢測的“透視眼”。而且，太赫茲檢測成像具備更高的分辨率，能夠對半導體、電介質薄膜及體材料的物理信息進行快速準確的測量，還具備三維成像檢測能力，對玻纖缺陷、隔熱材料、涂層等的檢測都有非常理想的檢測效果。

聲發射檢測技術如同監聽金屬材料的“心跳”，無需外部激勵，便能檢測材料在承載過程中，因發生塑性變形、裂紋形成與擴展、脫粘等變化而產生的聲發射信號。該技術對大型構件，尤其是對那些具有復雜外形、混合材質，且界面豐富的大型復合材料構件而言，能夠即時標定出構件內部缺陷的位置和種類。

技術爭鋒，市場逐鹿

根據MarketsandMarkets統計數據，無損檢測2024年全球市場規模達到116億美元，預計2025年約為275億美元。北美和歐洲是當前最成熟的航空無損檢測市場，這些地區有很多獨立第三方企業，能夠提供全方位無損檢測服務。在國內，中國航空工業集團有限公司占據了國內市場25%的份額，而上海航天技術研究院和北京航空材料研究院，也憑借技術研發和創新，擁有較強的技術實力和市場競爭力。

在專利申請方面，有關統計顯示，全球航空無損檢測技術在經過1970-1990年的快速發展階段后，其專利申請量在1991年開始下降。從1995年起，申請量又逐年上升，原因在于中國的相關專利申請開始逐步增長。截至2025年4月，全球航空無損檢測關鍵技術專利申請量為15.4萬多件，其中美國通用電氣公司和波音公司的申請量占全球25%，優勢明顯。在亞洲地區，日本的東芝株式會社、日立株式會社等公司也排名前列。而我國發明專利申請量在前的申請人多為科研院所和高校，偏重于技術研究，與國外存在明顯差異。

國外航空巨頭在高端檢測設備制造方面，掌握著先進的核心技術，如高精度的射線源制造技術、高分辨率的超聲換能器技術等。在檢測工藝和標準制定上，一些國際組織，包括美國無損檢測學會（ASNT）、歐洲無損檢測協會（EFNDT）、國際標準化組織（ISO）和美國測試和材料學會（ASTM International），也占據主導地位，其制定的行業標準和規范被廣泛應用于全球航空領域，新進入者需要花費大量時間和精力去適應和遵循這些標準。此外，他們還通過專利布局，保護其技術創新成果，進一步鞏固自身的技術領先地位。

盡管我國的航空航天和國防領域的檢測技術取得了一定進步，但相較于國際先進水平，在部分高端精密檢測技術和設備上仍存在差距，如電子元器件的深度篩選、復雜環境條件下的可靠性測試以及新型材料的無損檢測等方面，國產化和自主研發能力有待進一步提升。

中國在核心原材料和高端傳感器（例如高端超聲換能器）主要依賴進口的情況下，傳感器技術已經成為一項核心卡脖子技術。面對國外的技術壁壘，中國企業和科研機構積極開展技術攻關，增大研發投入，努力突破卡脖子困局。其中，中國航空工業集團公司北京航空材料研究院利用激光超聲表面波幅度的變化檢測增材制造過程產生的冶金缺陷，檢測裝置與增材制造設備的高能束發生裝置相結合，實現了在增材制造過程中同步對零件缺陷進行檢測，避免了零件制造完成后因形狀復雜帶來的檢測盲區。廣州多浦樂電子科技股份有限公司以相控陣技術為基礎，攻克高通道并行發射/接收采集處理、2.5ns高準確度聲束延時控制、低功耗超聲相控陣收發技術、相控陣實時3D成像技術等關鍵核心技術，在航空航天領域定制化線性摩擦焊葉片檢測用的線性相控陣探頭，解決了發動機風扇葉片線性摩擦焊檢測難題。

借 AI 之力，航空安全實現新跨越

在人工智能浪潮席卷全球的今天，航空無損檢測領域正經歷著一場顛覆性的安全革命。多模態檢測儀及集成式檢測探頭的出現，成為推動航空無損檢測技術進步的強勁引擎。多技術融合打破了傳統檢測的局限性，讓不同檢測技術的優勢得以充分發揮，彌補單一技術的短板。依據材料特性與檢測環境的差異，檢測方案得以精準適配。比如，面對大型復合材料的快速檢測需求，紅外熱波法實現非接觸的高效檢測能力；在高溫環境下，電磁超聲技術憑借高靈敏度與無需耦合劑的特性，成為檢測的理想選擇。

數字孿生技術與基于大數據的壽命監測體系，為航空檢測構建起智能化的“數字分身”。通過建立精確的材料模型和缺陷模型，實現超分辨率的二維/三維圖像重建，憑借計算機仿真技術，各種無損檢測方法在不同情況下的檢測過程得以模擬，并能預測檢測結果，為實際檢測提供精準指導。在信號處理環節，目標檢測算法深度融入航空器部件的缺陷檢測流程。人工智能中的深度學習算法，通過多尺度特征提取，對大量的檢測信號數據進行學習和訓練，建立起高效的缺陷識別模型，結合解析重建算法生成二維/三維圖像，實現對缺陷的快速、準確分類和定量分析，還能預測構件的壽命。

自動化高速檢測系統的誕生，徹底革新了航空檢測的作業模式。相位延時控制成像檢測與自適應全聚焦成像，通過仿生軟體等機器人輔助對復雜結構原位檢測，該系統針對大型機身蒙皮、復雜結構的自適應自動化優化聲束路徑，實現高速檢測。

無損檢測，效果直觀。

萬物互聯技術與實時健康監測體系的整合，為航空器安全運行裝上了“智能心臟”。例如將扁平柔性薄膜狀的渦流檢測線圈、光纖光柵傳感器等微型傳感器植入或貼附在航空器關鍵結構件、發動機部件等的襯層中，通過萬物互聯，傳感器實時采集部件的應力、溫度、振動等物理參數，一旦某處應變超過閾值，維修指令將第一時間推送至工程師或者監測中心，實現從被動維修到主動預防的跨越。

從曾經用手工敲擊錘檢測，到如今一鍵3D掃描成像的智能檢測，無損檢測技術始終在看不見的角落，與金屬疲勞、腐蝕、裂紋這些微觀世界的“敵人”作斗爭。當國產大飛機C919翱翔天際，那些隱藏在檢測儀器背后的超聲波、光波、電磁場和計算機軟件等技術，就像編織了一張安全網，以穩定的技術支撐讓航空器平穩飛行，為高空安全筑起堅不可摧的防線。

（作者單位：國家知識產權局專利審查協作湖北中心）

（文章來源：《創意世界》2025年6月號）

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編校：范曉華，審讀：郭麗

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