復(fù)合材料微波無損檢測技術(shù)的研究*

侯 哲 段滋華

(太原理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院)

復(fù)合材料是由兩種或兩種以上異質(zhì)、異形、異性的材料復(fù)合而成的新型材料，它可以有機(jī)地結(jié)合各種材料的優(yōu)點(diǎn)，克服單一材料的缺點(diǎn)，擴(kuò)大單一材料的應(yīng)用范圍。近年來，復(fù)合材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于石油化工行業(yè)，如高壓玻璃鋼管在油田開采過程中用作輸送管線、井下油管及套管等。雙金屬復(fù)合材料用在氟化工生產(chǎn)設(shè)備的制造，它們具有耐高溫、耐高壓、耐腐蝕的優(yōu)良性能；環(huán)氧基纖維纏繞氣瓶，具有重量輕、防腐蝕及成本低等優(yōu)點(diǎn)。復(fù)合材料在生產(chǎn)制造和使用過程中，由于設(shè)備、材料特性、工藝及參數(shù)的控制等因素，在復(fù)合材料制品中難免會出現(xiàn)氣孔、疏松、樹脂開裂、分層以及脫粘等缺陷。

微波是頻帶很寬的電磁波，頻率通常在0.3～300.0GHz之間，相應(yīng)波長為1～1 000mm。微波無損檢測技術(shù)通過研究微波與被檢材料的相互作用，通過反饋回來的基本信號來判斷被檢材料的缺陷特征和物理參數(shù)[1]。

1 復(fù)合材料無損檢測技術(shù)

可應(yīng)用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中缺陷無損檢測的技術(shù)很多，包括超聲檢測技術(shù)、射線檢測技術(shù)、聲發(fā)射技術(shù)、工業(yè)CT檢測技術(shù)、聲-超聲技術(shù)、渦流檢測技術(shù)、紅外熱波成像技術(shù)(以上稱常規(guī)檢測技術(shù))以及微波檢測技術(shù)等。

1.1 常規(guī)檢測技術(shù)

超聲波在復(fù)合材料中衰減很大，在精度要求不高的情況下，穿透法可以用于構(gòu)件的粗檢。脈沖回波法的精度較高，但因衰減不能測定太厚的介質(zhì)材料[2]。

射線檢測法主要是檢測夾渣、氣孔等體積狀的缺陷，不能有效檢測復(fù)合材料的層間脫粘。且當(dāng)材料厚度較大時，因黑度差不明顯，很難判斷是否有缺陷[3]。

聲發(fā)射檢測主要用于在役產(chǎn)品的檢測，對宏觀動態(tài)擴(kuò)展缺陷進(jìn)行檢測，對靜態(tài)缺陷無效。且該技術(shù)對單個缺陷檢測靈敏度不高，適用于整體構(gòu)件的檢測[4]。

工業(yè)CT技術(shù)的檢測精度較高，在不受構(gòu)件結(jié)構(gòu)形狀限制的情況下，可以精確檢測出復(fù)合材料的氣孔、夾渣、裂縫、分層等缺陷及其尺寸和在構(gòu)件中的位置。但該技術(shù)采用的是斷層掃描法，一次掃描只能檢測0.5～10.0mm的寬度，檢測周期長、費(fèi)用高[5]。

聲-超聲檢測技術(shù)適用于復(fù)合材料的完整性評估，可以檢測出復(fù)合材料中的孔隙、分層及脫粘等宏觀上不連續(xù)缺陷群。但該技術(shù)對單個、分散缺陷的檢測精度較低[6]。

渦流檢測法主要適用于檢測導(dǎo)電材料的表面缺陷，對于復(fù)合材料非金屬基底及內(nèi)部缺陷無法檢測[7]。

紅外熱波檢測法適用于檢測復(fù)合材料界面脫粘類缺陷，并能準(zhǔn)確地檢測出分層的深度。但該方法受周圍環(huán)境溫度的影響較大，檢測精度不高[8]。

1.2 微波檢測技術(shù)

與常規(guī)無損檢測技術(shù)相比，微波檢測技術(shù)的特點(diǎn)具體表現(xiàn)為[9]：

a. 微波無損檢測屬非接觸檢測，可以快速、連續(xù)、實(shí)時地進(jìn)行檢測；

b. 微波頻譜寬、方向性好，對非金屬材料的穿透能力很強(qiáng)，很適合測量復(fù)合材料的內(nèi)部缺陷；

c. 除了能檢測出材料的體積狀缺陷外，對于面狀缺陷(如脫粘)也有較好的檢測精度；

d. 微波對被檢材料特性的變化很靈敏，能夠較好地檢測材料的密度、厚度及濕度等；

e. 微波測量信號是電信號，不用進(jìn)行非電量轉(zhuǎn)換，測量快速、操作簡易；

f. 微波輻射危害較低，屏蔽設(shè)備簡單、維護(hù)費(fèi)用低。

2 復(fù)合材料微波無損檢測技術(shù)的研究與應(yīng)用

微波無損檢測是通過測量微波信號基本參數(shù)的變化來達(dá)到檢測材料內(nèi)部缺陷或物理特征參數(shù)的目的。其原理是利用微波與材料的相互作用，微波信號入射到介質(zhì)表面時，會發(fā)生反射、散射、透射，材料中的電磁參數(shù)和幾何參數(shù)會改變微波場，從而改變回波損耗、相位等基本參數(shù)。

2.1 介電常數(shù)的微波測量

介電常數(shù)是材料的主要參量。基于對反射系數(shù)S11和傳輸系數(shù)S21的準(zhǔn)確測量，可以用自由空間法測量復(fù)介電常數(shù)，其最簡單的模型是一束平面電磁波射到處于無限大介質(zhì)中的平板上。測得的反射系數(shù)和傳輸系數(shù)分別為：

(1)

(2)

式中d——試件厚度；

λ——微波波長。

由此可得復(fù)介電常數(shù)為：

(3)

王曉明等用這種方法測量厚度4.6mm、半徑為100～500mm的不同曲面試件的反射系數(shù)S11的幅值和相位，并與同等厚度的平面試件比較。結(jié)果表明，只要微波波長小于試件的曲面半徑，那么采用自由空間法測量介電常數(shù)是很準(zhǔn)確的[10]。

2.2 復(fù)合材料濕度的微波測量

微波濕度測量通常是指用微波技術(shù)測量液體或固體基底材料中的水分含量。微波與水分子的相互作用比大多數(shù)基底材料強(qiáng)烈，所以濕度含量微小的變化就會顯著影響基底材料的損耗因數(shù)和介電常數(shù)，采用回波法可以測量這些因數(shù)，從而測出濕度。樣品的介電常數(shù)與反射系數(shù)有關(guān)，且與濕度成正比關(guān)系，樣品的厚度、微波頻率也會影響反射系數(shù)，所以當(dāng)微波頻率和樣品厚度不變時，反射系數(shù)僅與濕度相關(guān)。

王曉明等以IC卡密封樹脂為例測量其濕度，檢測到在12.5GHz時，對于不同的含濕量, 反射系數(shù)變化最大，有最好的靈敏度。并給出了在12.5GHz下濕度M和反射系數(shù)A之間的關(guān)系式[10]：

M=-0.2506A-1.229

(4)

2.3 非金屬復(fù)合材料薄片厚度的微波測量

測量非金屬復(fù)合材料的厚度時可采用駐波法，也可采用反射波法。設(shè)材料的介電常數(shù)ε=ε′-jε″，當(dāng)適當(dāng)波長的TE10微波信號照射在被測試件上，用微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測得其反射系數(shù)，再計算出介質(zhì)薄片的厚度d。

(5)

(6)

(7)

(8)

式中，a、b分別是矩形波導(dǎo)寬邊尺寸和窄邊尺寸。該方法還可用于已知介質(zhì)厚度來測量其電磁參數(shù)μ、ε[11]。

Sayar M等利用W與K波段的微波測量反射系數(shù)相位的方法，可以準(zhǔn)確檢測出燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的熱障涂層厚度[12]。

2.4 非金屬復(fù)合材料均勻性的微波檢測

復(fù)合材料的不均勻性表現(xiàn)為材料電磁參數(shù)μ、ε、σ的不均勻性導(dǎo)致密度或分子結(jié)構(gòu)的不均勻性。波的傳播常數(shù)變化與μ、ε、σ的不均勻程度密切相關(guān)，通過透射波法檢測這些電磁參數(shù)的變化，從而判斷非金屬復(fù)合材料的不均勻性。在非均勻材料中，波的傳播方程為：

(9)

(10)

因此,非均勻復(fù)合材料的不均勻性可以用透射波法來檢測[11]。這種方法目前廣泛用于檢測橡膠、塑料及樹脂等材料的質(zhì)量。

2.5 多層粘合材料脫粘的微波檢測

出現(xiàn)在多層用膠粘合的介質(zhì)材料之間的剝離實(shí)際上是一個扁平形的空隙，可以看作空氣層，由于空氣層將增大對波的反射，材料的層間脫粘可以通過反射系數(shù)的變化來進(jìn)行測量。多層復(fù)合材料可視為多層介質(zhì)，則n層介質(zhì)的反射系數(shù)為：

(11)

其中，R01，R12，…，R(n-1)n，Rnt分別為各層介質(zhì)間的菲涅耳反射系數(shù)；d1，d2，…，dn分別為各介質(zhì)層的厚度；k1，k2，…，kn分別為波在各介質(zhì)層中的傳播的波數(shù)。

無缺陷時第i層與第i+1層介質(zhì)分界面處的反射系數(shù)為：

(12)

脫粘時第i層與第i+1層間存在厚度為d的空氣層，其分界面處的總反射系數(shù)為：

(13)

顯然，n層介質(zhì)中出現(xiàn)脫粘缺陷時，其反射系數(shù)會發(fā)生變化，用微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可以測出這些變化從而確定是否有脫粘缺陷。測量時要求靈敏度盡量高，對于一定的脫粘缺陷對應(yīng)一個敏感頻段，用掃頻方法確定其敏感頻率后再進(jìn)行檢測[13]。

樊明捷等用零平衡相位法對損耗40dB左右、厚度50mm的橡膠多層復(fù)合材料與金屬鋁板的脫粘缺陷進(jìn)行檢測。結(jié)果表明，反射系數(shù)相角隨脫粘缺陷空氣層厚度的增加呈線性遞減關(guān)系。粘結(jié)缺陷空氣層厚度從0變化到3mm時，反射系數(shù)相角的平均變化為2.2°[14]。

2.6 復(fù)合材料中缺陷的微波檢測

復(fù)合材料中的缺陷主要有裂紋、裂縫及氣泡等幾大類。對長裂紋裂縫主要用透射波法和反射波法進(jìn)行測量，對短裂紋裂縫和氣泡的檢測主要用散射波法。筆者主要對散射場做機(jī)理分析。

電磁波對半徑為a的導(dǎo)體球的遠(yuǎn)區(qū)散射場為：

(14)

(15)

(16)

(17)

式中 e-jkr——角頻率時間因子；

E0——入射波的電場強(qiáng)度；

Eθc、Eφc——導(dǎo)體球中電場沿θ、φ方向的分量；

Hθc、Hφc——導(dǎo)體感受的磁場沿θ、φ方向的分量；

k——波數(shù)；

r——反射系數(shù)。

遠(yuǎn)區(qū)散射場的平均功率為：

(18)

電磁波對半徑為a的介質(zhì)球的遠(yuǎn)區(qū)平均散射能流密度為：

(19)

介質(zhì)材料中氣泡的不連續(xù)性造成微波散射。材料的介電常數(shù)越大，微波的頻率越高，散射的能量越大。當(dāng)待檢材料的損耗不大時，用較高頻率的微波檢測小氣泡可以取得較好的結(jié)果[13]。

陸榮林等以玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料為試件，加工出了直徑1～ 11mm的圓柱孔模擬氣孔缺陷，采用頻率為36.5GHz的微波對所有試件的缺陷進(jìn)行檢測。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，用該頻率的微波可以檢測出孔徑為2 mm的缺陷，對孔徑為1mm的缺陷檢測精度不高[16]。

3 結(jié)束語

雖然微波無損檢測技術(shù)在復(fù)合材料中得到廣泛應(yīng)用，但該技術(shù)還是存在局限性。對于復(fù)合材料中的短裂紋、裂縫、氣孔和氣泡，散射波法能根據(jù)其波的能量變化檢測出是否存在這些缺陷，但不能測定其缺陷的取向和形狀；對于檢測復(fù)合材料中的長裂紋、裂縫時，目前所用的反射波法可以測量出其長度和位置，但不能確定其深度；對于多層復(fù)合材料的層間脫粘主要用反射波法和透射波法來檢測，可以檢測出是否存在脫粘和脫粘的程度，但不能確定其脫粘面積。若能將微波無損檢測技術(shù)與其他檢測方法有機(jī)地結(jié)合起來，發(fā)揮出各種檢測方法的優(yōu)點(diǎn)，克服單一檢測的局限性，研究出一套簡易可行的復(fù)合材料無損檢測方法，從而保證復(fù)合材料的安全生產(chǎn)與應(yīng)用。

[1] Zoughi R.Microwave and Millimeter Wave Non-destructive Testing：a Succinct Review[J].Mater Eval，1995，7(2)：71～ 74.

[2] 湯愛芳. 多層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的超聲檢測技術(shù)研究[D]. 北京：北京機(jī)械工業(yè)學(xué)院，2006.

[3] 許有昌. 碳纖維復(fù)合材料艙體超聲波檢測工藝研究[D]. 南京：南京理工大學(xué)，2006.

[4] 劉懷喜，張恒，閏耀辰. 聲發(fā)射技術(shù)在復(fù)合材料中的應(yīng)用及研究進(jìn)展[J].纖維復(fù)合材料，2002，12(4)：50～52.

[5] 徐麗.射線檢測在復(fù)合材料無損檢測中的應(yīng)用[J].無損檢測，2004，26(9)：452～453.

[6] 赫曉東，趙俊青，王榮國，等.復(fù)合材料壓力容器無損檢測研究現(xiàn)狀[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2009，12(12)：78～82.

[7] 牛軍.樹脂基納米復(fù)合材料裂紋無損檢測[D].南昌：華東交通大學(xué)，2007.

[8] 張曉燕，金萬平.紅外熱波檢測技術(shù)在美軍裝備維修中的應(yīng)用[J].航空維修與工程，2006，(5)：41～43.

[9] 肖金球，周在杞，莫洪斌.有機(jī)絕緣桿材的微波檢測技術(shù)研究[J].電子測量與儀器學(xué)報，2005，19(5)：81～84.

[10] 王曉明，陳軍芳，倪志盛.微波在非金屬材料無損檢測中的應(yīng)用[J].微波學(xué)報，2004，20(2)：70～76.

[11] 趙麗生.復(fù)合材料電磁傳播特性及應(yīng)用分析[J].無損檢測，2004，26(8)：393～395.

[12] Sayar M，Seo D，Ogawa K.Non-destructive Microwave Detection of Layer Thickness in Degraded Thermal Barrier Coatings Using K and W Band Frequency Range[J].NDT&E International，2009，42(5)：398～403.

[13] 周在杞，周克印，許會.微波檢測技術(shù)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008：401～402.

[14] 樊明捷，黃勇，錢鑒，等.微波零平衡相位法檢測多層復(fù)合材料的粘結(jié)缺陷[J].微波學(xué)報，2003，19(4)：87～91.

[15] 趙麗生.微波技術(shù)分析復(fù)合材料的缺陷[J].無損檢測，2004，26(12)：643～646.

[16] 陸榮林，費(fèi)云鵬，白寶泉.微波檢測原理及其在復(fù)合材料中的應(yīng)用[J].玻璃鋼/復(fù)合材料，2001，1(2)：40～41.