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

近年來(lái)，復(fù)合材料領(lǐng)域迅猛發(fā)展，越來(lái)越多的復(fù)合材料被應(yīng)用在航空航天、船舶、汽車(chē)以及核工業(yè)等高新領(lǐng)域，利用太赫茲波對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的熱潮也應(yīng)運(yùn)而生。

所謂復(fù)合材料，可以是金屬材料、無(wú)機(jī)材料、高分子材料中任意 2種或 2種以上的復(fù)合，通過(guò)物理或化學(xué)作用，將會(huì)形成并得到兼具各材料優(yōu)點(diǎn)的新材料。但將組成、結(jié)構(gòu)相差甚遠(yuǎn)的材料復(fù)合到一起時(shí)，它們的結(jié)合不可能達(dá)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(huì)成為材料使用過(guò)程中的薄弱環(huán)節(jié)，也就是說(shuō)，材料很可能在實(shí)際使用條件未達(dá)理論上限時(shí)就從這些薄弱環(huán)節(jié)開(kāi)始發(fā)生破壞。為保證材料在后期使用過(guò)程中的可靠性，在復(fù)合材料的生產(chǎn)、加工、使用過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行缺陷檢測(cè)十分必要。

無(wú)損檢測(cè)技術(shù)具有無(wú)損性、即時(shí)性等特點(diǎn)，在航空航天、汽車(chē)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(wú)損檢測(cè)手段包括接觸式超聲檢測(cè)、射線檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、滲透檢測(cè)、渦流檢測(cè) 5種?？筛鶕?jù)使用場(chǎng)合、材料等條件的不同，選擇適當(dāng)?shù)奶絺绞竭M(jìn)行檢測(cè)。上述 5種檢測(cè)方法各有其特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，但不能夠完全適用于任何場(chǎng)合。

對(duì)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(jiàn)光、紅外線甚至是超聲波都不能透過(guò)。而對(duì)于通常的射線檢測(cè)方法而言，無(wú)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(cuò)位、裂縫等，都是幾近透明的，因此難以對(duì)材料內(nèi)部的缺陷清晰成像，這就使得對(duì)這類(lèi)材料的無(wú)損檢測(cè)受到限制。

因此，開(kāi)發(fā)出新型的非接觸式的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，對(duì)于復(fù)合材料的研究十分重要。

1.太赫茲技術(shù)

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

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

基于太赫茲波譜的無(wú)損探傷技術(shù)，與其他傳統(tǒng)的檢測(cè)手段相比，具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。在非金屬、非極性材料的檢測(cè)方面，太赫茲波不僅可以透過(guò)不透明材料探測(cè)材料內(nèi)部的雜質(zhì)、位錯(cuò)、微裂紋、纖維分層、纖維與基體界面開(kāi)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(cè)中。并且由于太赫茲波的低能性，不會(huì)對(duì)被檢材料造成結(jié)構(gòu)上的破壞，也不會(huì)產(chǎn)生對(duì)人體有害的輻射。

應(yīng)用案例

利用虹科亞太赫茲NDT雷達(dá)，我們對(duì)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(jìn)行了掃描成像，顯示了在工業(yè)復(fù)合材料檢測(cè)的可行性。

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

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(cè)材料兼容，部分應(yīng)用場(chǎng)景不能使用液體，另外接觸式檢測(cè)難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)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(cè)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(wú)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(shí)間遠(yuǎn)低于導(dǎo)熱率，這將通過(guò)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(jìn)行超聲檢測(cè)。部分激光從表面反射回探測(cè)器頭部，在那里信號(hào)(由于超聲波引起的樣品表面振動(dòng))通過(guò)干涉測(cè)量法測(cè)量。

這種方法具有大帶寬和高靈敏度，但成本高，對(duì)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(wú)損檢測(cè)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(hào)，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(wú)損檢測(cè)的兩種標(biāo)準(zhǔn)布置中工作:一種是在樣品的相對(duì)側(cè)使用激勵(lì)激光器和光學(xué)麥克風(fēng)進(jìn)行透?jìng)鳒y(cè)試，另一種是單面測(cè)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(jiàn)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(guò)傳輸設(shè)置的傳感器頭設(shè)計(jì)非常緊湊。

LEA檢測(cè)實(shí)例

激光脈沖的超聲激發(fā)和虹科專(zhuān)有的超聲檢測(cè)器相結(jié)合，實(shí)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(shí)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(kāi)始就設(shè)計(jì)用于機(jī)器人檢測(cè)。其對(duì)錯(cuò)位和表面變化的魯棒性確保了整個(gè)檢測(cè)區(qū)域的高信噪比，最大限度地減少了昂貴的手動(dòng)重新測(cè)試。

利用虹科LEA系統(tǒng)，對(duì)具有分層結(jié)構(gòu)的碳纖維材料進(jìn)行了內(nèi)部缺陷檢測(cè)，能夠查看到其分層、內(nèi)部的切口。將一個(gè)切口區(qū)域放大掃描，可以清晰地看見(jiàn)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(dá)到幾百u(mài)m的量級(jí)。

該種無(wú)損檢測(cè)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(cè)、多層復(fù)合材料的連接測(cè)試以及粘合接頭的分層檢測(cè)。與FILL合作開(kāi)發(fā)的工廠使用版本，集成機(jī)械臂能夠快速檢測(cè)碳纖維復(fù)合材料的質(zhì)量。

審核編輯黃宇