紅外熱像檢測技術在吸波涂層缺陷研究中的應用

王智勇， 劉穎韜， 王小虎， 張 桐， 李艷紅， 霍 雁

（北京航空材料研究院，北京 100095）

雷達吸波涂層是武器裝備實現隱身采取的最簡單、有效的方式。美國SR-71隱身高空偵察機、B-1B隱身轟炸機、F-117隱身戰斗機（2008年4月已正式退役）、B-2隱身轟炸機、F-22隱身戰斗機與F-35隱身聯合攻擊戰斗機等幾代隱身飛機都采用了吸波涂層這項技術。相對于其他武器裝備，飛機對吸波涂層的要求最高，除隱身性能要求外，吸波涂層還必須有優秀的物理機械性能和使用可靠性。因此，在研制高性能吸波涂層的同時，還必具關注吸波涂層施工和使用過程中可能產生的缺陷，其中脫粘就是一種典型的缺陷。吸波涂層厚度約為普通飛機蒙皮漆厚度的10到20倍，主要填料為鐵磁性粉末，關鍵部位涂層的脫落將有可能威脅到飛機的安全［1～6］。吸波涂層質量與可靠性控制技術已成為隱身材料工程化研究中必須考慮的問題。

國內外技術上比較成熟的五種常規無損檢測（non-destructive testing，NDT）方法為:射線，超聲，磁粉，滲透，渦流。非常規技術包括聲發射、激光散斑、紅外熱像、磁記憶、超聲全息等。每種檢測方法都有各自的適用范圍、局限性和優缺點。超聲、激光散斑和紅外熱像技術是目前國內外用于復合材料與涂層質量檢測的主要手段。紅外熱像技術具備以下特點:（1）測量非接觸性，無需耦合劑，無污染;（2）測量設備可便攜，方便現場檢測;（3）檢測時間短;（4）測量面積大［7～10］。這些特點使得紅外熱像技術更適合用于吸波涂層外場的缺陷檢測。

據報道紅外熱像檢測技術已在美軍裝備維修中廣泛應用，其中就包括隱身戰機F-22的維修使用。美國TWI公司是從事紅外熱像無損檢測設備的主要廠商之一［11］，所使用的紅外熱像檢測方法已寫入ASTM標準［12］。國內近年來紅外熱像無損檢測技術也已得到發展。結合國家863項目，首都師范大學、北京維泰凱信新技術有限公司、北京航空材料研究院等三家單位在首都師范大學建立起聯合紅外熱波實驗室，紅外熱像試驗條件已基本具備。但目前國內還沒有此項技術在吸波涂層方面的應用案例。

1 紅外熱像無損檢測系統

1.1 工作原理

紅外檢測，又稱紅外熱像檢測，是基于紅外輻射原理，通過掃描、記錄或觀察被檢測工件表面上由于缺陷所引起的溫度變化來檢測表面及近表面缺陷的無損檢測方法。被測物體內部的不連續，如缺陷或結構的差異，會影響物體的熱擴散過程。當外界施加熱激勵，或物體工作時自身產生熱，從而在物體內部形成熱流時，物體內部的不連續會影響熱傳導，使物體表面溫度分布產生異常。紅外檢測方法利用紅外熱像儀等設備監測物體表面的溫度變化，通過對熱圖像或溫度數據的分析，獲得物體表面或近表面缺陷的特征。對于隔熱性缺陷，缺陷的熱擴散系數要小于本體材料的熱擴散系數，熱量將會在缺陷上方發生積聚，使該處表面溫度高于周圍區域。通過獲取材料表面的溫場變化信息，從而判斷被測試樣表層下面是否存在缺陷以及缺陷存在的情況。

1.2 紅外熱像檢測系統組成

閃光燈激勵紅外熱像無損檢測系統由高能閃光燈，紅外熱像儀，計算機軟，硬件以及電源箱等組成。高能閃光燈是熱激勵裝置，通過計算機控制進行脈沖加熱;紅外熱像儀高速記錄被測物體表面溫度場變化，并將信號傳送給計算機，由計算機進行數據采集控制和圖像處理，給出檢測結果。圖1是系統組成和原理示意圖。

圖1 紅外熱像檢測系統組成和原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of infrared thermograph testing system and its principle

2 試驗與結果

2.1 系統

本研究采用紅外熱像檢測系統進行試驗。紅外熱像儀的工作波段8～9μm，圖像分辨率320×240，采集頻率60Hz，采集時間15s左右;選用兩氙燈為脈沖熱源，光脈沖寬度為2ms，脈沖能量為9.6kJ。

2.2 可行性試驗

2.2.1 缺陷材料試樣制備 預制吸波涂層膠膜:采用羰基鐵粉作為吸收劑、氯磺化聚乙烯類橡膠為粘結劑，膠膜中吸收劑體積比為39%，膠膜平均厚度0.97mm，尺寸為80mm×80mm。

本研究設計了三種不同的涂層脫粘缺陷狀態，1#樣品選擇涂層中間脫粘狀態;2#樣品為涂層有兩條長方形脫粘缺陷設計;3#樣品為涂層邊緣脫粘。按缺陷設計將膠膜非缺陷部位均勻涂上914環氧膠，將其貼在同樣尺寸的鋁合金金屬基底上，施加壓力，放置24h，制成帶脫粘缺陷的材料試樣。圖2、圖3分別為材料脫粘缺陷設計示意圖和帶缺陷材料試樣截面示意圖，圖4是帶缺陷材料試樣實物照片，虛線標注區域為所設計缺陷部位。

2.2.2 涂層缺陷檢測試驗與結果 圖5給出三個帶缺陷的吸波涂層膠膜試樣熱像照片。熱像照片非常清楚地顯示出與本設計的涂層缺陷情況（見圖2）相吻合的灰度變化。這正是由于缺陷導致了涂層受熱激勵后熱量在內部傳導出現的不一致，因而導致涂層表面溫度的差異。由于脫粘缺陷為隔熱性缺陷，因此，缺陷部位涂層表面的溫度要高于正常涂層表面的溫度。

在圖5照片中我們發現缺陷區域邊界不規則，主要原因來自于粘結預制涂層膠膜的914環氧膠在制樣過程中受壓后面積的擴延。同時照片中也出現了非缺陷部位的亮區，這些亮區是涂膠時膠層厚度不均勻帶來的。另外，在1#樣品的熱像照片中缺陷部位中間顯示為暗區，這一試驗現象的出現是因為這一區域沒有涂膠，在制樣施壓過程中這一區域吸波涂層膠膜與金屬基底處于緊密接觸狀態，脫粘層空氣層厚度可近似為0，而無缺陷涂層通過一定厚度的914膠層與金屬基底接觸。由于吸波涂層中鐵粉的高熱傳導性，所以使得缺陷中間區域的表面溫度低于缺陷邊緣的表面溫度，甚至低于無缺陷區域的表面溫度。

圖5 三種帶缺陷試樣的熱像照片Fig.5 IR Photos of the samples with the bonding defects

以上試驗結果表明紅外熱像技術可檢測出吸波涂層脫粘缺陷。

2.3 驗證試驗

2.3.1 缺陷涂層試樣制備 直接在鋁合金金屬基底（尺寸為80mm×80mm）上涂刷吸波涂料。吸波涂料采用羰基鐵粉作為吸收劑、環氧/聚酰胺樹脂體系為粘結劑，涂層中吸收劑質量分數，涂層設計厚度為1.00mm或1.50mm。

設計了三種不同的涂層脫粘缺陷狀態，5#樣品選擇涂層中間脫粘狀態;6#樣品為涂層有一條長方形脫粘缺陷設計;7#樣品為涂層兩端邊緣脫粘。涂刷吸波涂層前，在金屬基底缺陷設計部位粘貼紙質薄膠帶（厚度約0.1mm），模擬脫粘空氣層。材料脫粘缺陷設計參見圖6，虛線標注區域為所設計缺陷部位。試樣樣品共4塊，其中5#樣品為兩塊（取不同涂層厚度）。

圖6 吸波涂層脫粘缺陷設計示意圖Fig.6 Design drawing of RAC bonding defects location

打磨刷涂完的吸波涂層至設計厚度，5#-樣品、5#-2樣品、6#樣品與7#樣品的涂層平均厚度分別為0.97mm，1.46mm，1.45mm 與1.49mm。

2.3.2 涂層缺陷檢測試驗與結果 圖7給出5#-1樣品、6#樣品與7#吸波涂層試樣熱像照片。除5#-1樣品由于涂層縮邊帶來邊緣亮區外，三張吸波涂層熱像照片中給出灰度亮區與圖4設計的不同涂層脫粘缺陷完全對應吻合。

在5#-2樣品上選取缺陷區域（圓形圖示）和非缺陷區域（三角圖示）進行分析，作出時間值（熱像圖幀數）與熱像儀采集涂層紅外發射能量信號的logT（輻射能量的對數值）圖像見圖8。帶圓形圖示的曲線代表了缺陷區域降溫曲線，帶三角圖示的曲線作為參考曲線為選取的非缺陷區域降溫曲線。通過該降溫曲線圖，可以清楚地看出在箭頭所指時間點兩條曲線開始出現分離，說明在該時間點后試驗區域里圓形圖示部位的溫度要高于三角圖示部位的溫度，驗證了圓形圖示區域為隔熱性脫粘缺陷的這一結果。

3 結論

（1）試驗結果表明紅外熱像技術是檢測吸波涂層脫粘缺陷的一種可行方法。

（2）紅外熱像檢測系統可便攜，測量時間短，測量面積大，進行外場RAC檢測具有可行性。

（3）國內目前尚未有用于吸波涂層缺陷無損檢測的手段，這一NDT技術在吸波材料研究中的應用，將解決RAC施工質量和可靠性控制問題。

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