復(fù)合材料缺陷檢測的新型”透視“技術(shù)——太赫茲與激光聲學(xué)

近年來，復(fù)合材料領(lǐng)域迅猛發(fā)展，越來越多的復(fù)合材料被應(yīng)用在航空航天、船舶、汽車以及核工業(yè)等高新領(lǐng)域，利用太赫茲波對復(fù)合材料進行無損檢測的熱潮也應(yīng)運而生。

所謂復(fù)合材料，可以是金屬材料、無機材料、高分子材料中任意 2種或 2種以上的復(fù)合，通過物理或化學(xué)作用，將會形成并得到兼具各材料優(yōu)點的新材料。但將組成、結(jié)構(gòu)相差甚遠的材料復(fù)合到一起時，它們的結(jié)合不可能達到完美，并且每一種基材自身也可能存在一定的缺陷，而這些缺陷將會成為材料使用過程中的薄弱環(huán)節(jié)，也就是說，材料很可能在實際使用條件未達理論上限時就從這些薄弱環(huán)節(jié)開始發(fā)生破壞。為保證材料在后期使用過程中的可靠性，在復(fù)合材料的生產(chǎn)、加工、使用過程中對其進行缺陷檢測十分必要。

無損檢測技術(shù)具有無損性、即時性等特點，在航空航天、汽車工業(yè)、化工等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。目前應(yīng)用較廣的無損檢測手段包括接觸式超聲檢測、射線檢測、磁粉檢測、滲透檢測、渦流檢測 5種?？筛鶕?jù)使用場合、材料等條件的不同，選擇適當(dāng)?shù)奶絺绞竭M行檢測。上述 5種檢測方法各有其特點和優(yōu)勢，但不能夠完全適用于任何場合。

對于磁性材料、高分子復(fù)合材料以及泡沫、陶瓷、塑料等應(yīng)用廣泛的材料，可見光、紅外線甚至是超聲波都不能透過。而對于通常的射線檢測方法而言，無論是上述材料本身，還是材料中可能出現(xiàn)的缺陷，如孔洞、錯位、裂縫等，都是幾近透明的，因此難以對材料內(nèi)部的缺陷清晰成像，這就使得對這類材料的無損檢測受到限制。

因此，開發(fā)出新型的非接觸式的無損檢測技術(shù)，對于復(fù)合材料的研究十分重要。

1.太赫茲技術(shù)

太赫茲無損檢測作為一種新興的無損檢測手段，可以與傳統(tǒng)的檢測方法相互彌補，為復(fù)合材料的無損檢測提供更加全面的技術(shù)支持。

太赫茲(Terahertz)波，是指波長范圍為 3 mm~30 μm，頻率范圍為 100 GHz~10 THz的一類電磁波，又稱 T射 線(T-rays)，在某些領(lǐng)域也被稱為遠紅外輻射或毫米波、亞毫米波。

基于太赫茲波譜的無損探傷技術(shù)，與其他傳統(tǒng)的檢測手段相比，具有許多獨特的優(yōu)點。在非金屬、非極性材料的檢測方面，太赫茲波不僅可以透過不透明材料探測材料內(nèi)部的雜質(zhì)、位錯、微裂紋、纖維分層、纖維與基體界面開裂、纖維卷曲、富膠或貧膠、孔洞、脫膠以及氧化等缺陷，還可代替紅外應(yīng)用在絕熱材料和熱敏感材料的檢測中。并且由于太赫茲波的低能性，不會對被檢材料造成結(jié)構(gòu)上的破壞，也不會產(chǎn)生對人體有害的輻射。

應(yīng)用案例

利用虹科亞太赫茲NDT雷達，我們對預(yù)設(shè)缺陷的玻璃纖維元件下的不同尺寸大小的缺陷進行了掃描成像，顯示了在工業(yè)復(fù)合材料檢測的可行性。

NDT雷達具有7.6KHz的探測速率，緊湊的單體結(jié)構(gòu)能夠集成于機械臂等結(jié)構(gòu)，能夠用于工廠環(huán)境的自動化檢測。

2.激光聲學(xué)技術(shù)

在傳統(tǒng)的液體耦合超聲中，壓電換能器廣泛用作發(fā)射器和接收器，換能器與樣品之間有液體偶聯(lián)劑(如水)，這種液體有利于超聲波能量的傳遞。但是液體耦合式超聲增加了成本，并且不能和所有檢測材料兼容，部分應(yīng)用場景不能使用液體，另外接觸式檢測難以實現(xiàn)自動化檢測方案。

在不能使用液體的情況下，傳統(tǒng)的替代方法是空氣耦合超聲。但是空氣耦合超聲在靈敏度和頻率帶寬上是有限的，并且在單面脈沖回波測量中表現(xiàn)出盲區(qū)。

超聲波從發(fā)射器到接收器的衰減示意圖:(a)空氣耦合UT;(b)液耦UT

除此以外，傳統(tǒng)的激光超聲技術(shù)（LUS）是一種無接觸的替代方案。激發(fā)激光器向樣品表面發(fā)射短激光脈沖，并在樣品表面被吸收。材料局部受熱，膨脹的時間遠低于導(dǎo)熱率，這將通過材料發(fā)送寬帶超聲波，超聲波直接在樣品內(nèi)部靠近表面的地方產(chǎn)生。第二束激光被引導(dǎo)到樣品表面進行超聲檢測。部分激光從表面反射回探測器頭部，在那里信號(由于超聲波引起的樣品表面振動)通過干涉測量法測量。

這種方法具有大帶寬和高靈敏度，但成本高，對表面條件敏感，并且需要復(fù)雜的光學(xué)器件，因此不適合大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用。

虹科激光聲學(xué)（LEA）技術(shù)提供了一種新型非接觸無損檢測的方法。在LEA中，設(shè)置如下:激發(fā)激光器作為脈沖發(fā)生器并產(chǎn)生超聲信號，而光學(xué)麥克風(fēng)作為接收器(Fischer 2016; Fischer et al. 2019)。LEA可以在超聲波無損檢測的兩種標(biāo)準(zhǔn)布置中工作:一種是在樣品的相對側(cè)使用激勵激光器和光學(xué)麥克風(fēng)進行透傳測試，另一種是單面測試，即發(fā)送端和接收端都在樣品的同一側(cè)，采用節(jié)距捕捉配置，如圖2a和2b所示。

與大多數(shù)用于傳統(tǒng)LUS的商業(yè)系統(tǒng)相比，LEA中的可見光或近紅外激發(fā)激光器是光纖耦合的，這使得單面間距捕獲和通過傳輸設(shè)置的傳感器頭設(shè)計非常緊湊。

LEA檢測實例

激光脈沖的超聲激發(fā)和虹科專有的超聲檢測器相結(jié)合，實現(xiàn)了兩全其美：它在靈敏度和分辨率上與當(dāng)今的標(biāo)準(zhǔn)液體偶聯(lián)UT相匹配，同時不需要水或偶聯(lián)凝膠。緊湊型LEA探頭是完全光纖耦合的，從一開始就設(shè)計用于機器人檢測。其對錯位和表面變化的魯棒性確保了整個檢測區(qū)域的高信噪比，最大限度地減少了昂貴的手動重新測試。

利用虹科LEA系統(tǒng)，對具有分層結(jié)構(gòu)的碳纖維材料進行了內(nèi)部缺陷檢測，能夠查看到其分層、內(nèi)部的切口。將一個切口區(qū)域放大掃描，可以清晰地看見蜂窩狀的碳纖維材料，以及缺陷的位置的形態(tài)，分辨率可以達到幾百um的量級。

該種無損檢測技術(shù)能用應(yīng)用于碳纖維材料的質(zhì)量控制、復(fù)合結(jié)構(gòu)的沖擊檢測、多層復(fù)合材料的連接測試以及粘合接頭的分層檢測。與FILL合作開發(fā)的工廠使用版本，集成機械臂能夠快速檢測碳纖維復(fù)合材料的質(zhì)量。

審核編輯黃宇