太赫茲光譜檢測不同橡膠材料研究

徐鳳

摘 要： 太赫茲檢測技術是當前應用較為廣泛的一種技術，其在安全檢測、化學、生命科學等方面得到了應用。為了更好地研究太赫茲技術的應用，該文針對太赫茲在橡膠材料檢測中的應用進行分析，得到不同橡膠材料的光譜特性等，通過太赫茲光譜檢測技術，對不同橡膠材料的吸收系數、折射率等指標進行分析對比，有效地對不同橡膠材料進行區分。通過研究得出，太赫茲的橡膠材料中的應用價值；同時也通過該研究得出橡膠對太赫茲作用機制的影響，提供科學的研究依據。

關鍵詞： 太赫茲光譜檢測； 橡膠材料； 檢測技術； 安全檢測

中圖分類號： TN012?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）08?0135?03

Research on terahertz spectrum used to detect different rubber materials

XU Feng

（School of Science， Changchun University of Science and Technology， Changchun 310018， China）

Abstract： Terahertz detection technology as a widely used technology has been extensively used in the aspects of safety inspection， chemistry， life science， etc. In order to study the application of terahertz technology further more， the spectral characteristics of different rubber materials were obtained by analyzing the application of terahertz technology in rubber material detection. The absorption coefficient and refractive index of different rubber materials are analyzed and compared by means of terahertz spectrum detection technology to effectively distinguish different rubber materials. The study results show that the terahertz technology has the application value in rubber material identification， and the rubber can influence on the terahertz mechanism. The study provides a basis for the scientific research.

Keywords： terahertz spectrum detection； rubber material； detection technology； security detection

近幾年太赫茲技術得到飛速的發展，且隨著人們對透明材料需求量的不斷提升，透明材料、橡膠材料的種類、性能的檢測和區分受到了人們的關注。太赫茲光譜檢測技術作為一種新的檢測技術，將其應用在橡膠材料的鑒別、性能檢測中，有重要的意義。在實際的檢測中，太赫茲光譜檢測技術，針對透射率較好的光學性質的材料有較好的應用檢測價值。本文針對太赫茲光譜檢測不同橡膠材料等相關的內容進行分析研究。

1 實驗材料

橡膠材料是當前使用較為廣泛的一類材料，橡膠主要是由膠料和一些助劑組成，橡膠材料的基礎原料為高彈性高分子化合物，在橡膠材料中所占的比例為30%～100%，其可以決定橡膠材料的性能[1]。當前使用廣泛的橡膠材料主要有氯丁橡膠、三元乙丙橡膠、丁腈橡膠，前兩種橡膠是通用橡膠的主要產品，有較大的需求量和市場，后一種橡膠是目前消耗量最大的橡膠材料。

氯丁橡膠是由氯丁二烯聚合而成的橡膠，其自身具有耐熱、耐氧化等特性，氯丁橡膠主要應用于運輸皮帶、造紙、耐油膠管等的制造。除此之外，氯丁橡膠還是一種性能較好的膠粘劑，其且有粘度小、易滲透、耐老化、粘接力強等特點[2]。而丁腈橡膠是一種共聚物，有較好的耐油性、耐磨性、耐熱性，其可以廣泛的應用在汽車、石油紡織、印刷、航空等領域中，而三元乙丙橡膠則是乙烯、丙烯、非共軛二烯烴的三元共聚物，其有較強的抗氧化、抗侵蝕的能力。隨著工業生產的發展，橡膠材料的種類和性能不斷的增多和擴展，在一些合成橡膠中，對橡膠材料進行的鑒別，有重要的意義和作用，目前產生的鑒別方法主要有外觀檢測法、燃燒實驗法、氣相色譜法、紅外光譜法等，這些檢測方法對試樣的處理較為復雜，且花費的時間、精力較多，檢測的結果準確度也較低，所以這些方法無法準確地解決橡膠材料區分[3?4]。

太赫茲光譜技術，在科學技術不斷發展的背景下產生，其是一種非接觸測量技術，具有傳統檢測方法沒有的優點，太赫茲光譜檢測技術，其可以利用THz?TDS技術，橡膠的結構、形態以及環境對其性能產生的影響等進行有效的鑒別和測定。太赫茲光譜技術，可以敏銳地發現分子偶極矩產生的變化，為此本文選擇氯丁橡膠、三元乙丙橡膠、丁腈橡膠，作為本次研究中的材料，對其相關的性能和參數進行測定，便于對氯丁橡膠、三元乙丙橡膠、丁腈橡膠進行區分鑒別。

2 實驗儀器及方法

為了對太赫茲光譜技術檢測氯丁橡膠、三元乙丙橡膠、丁腈橡膠進行研究，使用太赫茲光譜透射裝置進行測量，裝置如圖1所示。太赫茲光譜測定中，光譜物理再生放大器系統波長為800 nm，脈寬100 fs，重復頻率為1 kHz飛秒脈沖[5]。在分束鏡的后面有泵浦脈沖、探測脈沖。電磁波采用自由電光采樣技術進行探測，THz信號則使用斬波器控制的鎖相放大器進行采集測定。在對氯丁橡膠、三元乙丙橡膠、丁腈橡膠進行太赫茲光譜測定中，試驗溫度為室溫，濕度要求為<4%，在實驗進行中，需要最大限度的消除水汽對測定結果產生的影響，為此可以將其放在氮氣環境中完成測定。在測定的過程中，其產生的不確定性主要是來自振蕩和噪音，而噪音則是由電、光、機械振蕩等因素產生。在測定因素的影響中，噪音影響因素中的電噪音和光噪音可以通過鎖相放大器進行改善和減弱，但是其只能將噪音降低到最小，而無法將測定中的機械漂移解決。在太赫茲光譜測定中，多次進行掃描，取得了的掃描信號取平均值，可以將噪音產生的影響降低，在測定中每一個樣品測定兩次。

太赫茲光譜測定系統對樣品進行的測定可以清楚地測量通過樣品和沒有通過樣品脈沖的相位和振幅。對參考信號和樣品測定得到的光譜進行快速的傅里葉轉換，可以得到影響的時域光譜，并得出穿過樣品THz電場強度，以及參考電場強度在時域光譜中的比值、折射率之間的關系：

[T=4N（N+1）ei2π（n-1）dv/c=Aeiφ] （1）

式中：A為振幅；φ為樣品電場和參考電場的相位差；d為樣品的厚度；v為輻射頻率；c為真空中的光速。從式（1）可以得出橡膠材料樣品的折射率n（v）、消光系數k（v）、吸收系數α（v），有：

[n（v）=cφ2πdv+1] （2）

[α（v）=4πvk（v）c] （3）

在實驗中，橡膠樣品的厚度，對光學參數的獲取有重要的影響，樣品的厚度過薄、過厚等會影響測量的精度和準確度。主要是因為橡膠樣品的厚度會造成太赫茲光譜檢測系統產生的太赫茲波與很多分子發生相互作用，相對而言，橡膠樣品的厚度過厚，在一定程度上會因為脈沖吸收的作用，降低信噪比，而橡膠樣品過薄則會造成參考信號與橡膠樣品信號的區分難度增加，這些因素的存在都與橡膠材料本身的吸收性能有關[6]。所以為了保證整個測定結果的準確性，同時又可以保證信噪比降低，需要將實驗中橡膠樣品的厚度控制在0.6 mm。

3 實驗結果及分析

在本次實驗中，三種不同類型的橡膠材料，進行太赫茲光譜測定，不同類型的橡膠材料，有不同的折射率、吸收率，且呈現出不同的波速和光程。如圖2所示。

從圖2中可以知道三種橡膠材料在0.2～1.8 THz波段中，呈現出來的吸收光譜存在明顯的差異性，且吸收系數隨著頻率的增加呈現升高的趨勢。在本次實驗中，丁腈橡膠、三元乙丙橡膠沒有吸收峰，氯丁橡膠呈現出一個吸收峰。在本次測定中，三種橡膠樣品的吸收性均較強，且為共振吸收，造成這種現象的主要原因為橡膠分子在太赫茲波段產生的共振及聚合物之間較弱的結合力。

本次研究中的三種橡膠材料的太赫茲光譜測定的折射光譜如圖3所示。

從本次的測定結果可以得出，三種橡膠材料的折射率在1.67～5.74之間，平均折射率為氯丁橡膠1.85、丁腈橡膠3.02、三元乙丙橡膠2.06。不同的橡膠材料其折射率不同，其與太赫茲光波的頻率呈現一定的關系，丁腈橡膠和氯丁橡膠隨著頻率的增加而減小，呈現反比例關系，三元乙丙橡膠隨著頻率的增加，基本上保持平穩，由此可以說明，橡膠材料的物理性質、化學性質均存在著差異性，每個種類都有自己的特性。

通過本次研究可以得出，太赫茲光譜技術，通過測定得出不同橡膠材料的折射率，而不同的折射率，可以作為不同橡膠材料區分鑒別的指標，所以太赫茲光譜技術可以在橡膠材料領域中得到應用。

4 結 語

社會在發展，科技在進步，各種診斷技術、測定技術不斷的產生，性能的不斷提高且廣泛地應用在各個方面，太赫茲光譜技術，在不同橡膠材料區分鑒別中的應用，可以通過折射率、吸收率確定橡膠材料的種類。通過本次研究得出太赫茲光譜測定技術，檢測準確率高，對樣品無損耗，可以進行橡膠材料的區分。

參考文獻

[1] 孟令坤，袁杰.太赫茲成像系統的分析與控制[J].現代電子技術，2011，34（12）：131?134.

[2] 苗青，田璐，趙昆，等.三種橡膠材料的太赫茲光譜研究[J].現代科學儀器，2011（5）：110?113.

[3] 陳錫愛.太赫茲時域光譜及其成像檢測技術研究[D].杭州：浙江大學，2012.

[4] 韓建龍，邱桂花，張瑞蓉，等.太赫茲時域光譜技術在塑料研究中的應用[J].工程塑料應用，2013（3）：120?123.

[5] 羅闖，趙書俊，蔣偉，等.基于PCI?9812的太赫茲成像數據采集系統設計[J].現代電子技術，2010，33（8）：200?201.

[6] 王鶴，趙國忠.幾種塑料的太赫茲光譜檢測[J].光子學報，2010，39（7）：1185?1188.