基于調頻連續波太赫茲技術的復合陶瓷隔熱瓦無損檢測

張國強，趙長興，辛 燕，鎖路平，鐘業盛

(1.航天科工防御技術研究試驗中心，北京 100854;2.哈爾濱工業大學 特種環境復合材料技術國家級重點實驗室，哈爾濱 150001)

隨著國防工業的發展，高超音速飛行器成為了一種重要的軍事力量，這類飛行器會以很高的速度在大氣層中穿行，其表面隔熱結構面臨的氣動加熱環境十分嚴酷[1-3]。氧化硅-氧化鋁復合陶瓷隔熱瓦(以下簡稱陶瓷隔熱瓦)作為高超音速飛行器上應用廣泛的一種熱防護材料，其質量情況一直受到高度關注。若能及時地發現內部缺陷，則可及時采用相應的手段修補缺陷，以避免結構的損傷甚至飛行器的破壞[4],故行業內一直在探求一種直觀可靠的無損檢測手段。

陶瓷隔熱瓦是由高純超細石英纖維、氧化鋁纖維和燒結助劑組成，通過纖維預處理、料漿有效分散、濕法抽濾成型、高溫熱處理等工藝制備得到的有一定強度的輕質多孔隔熱材料[5-6]，孔隙率通常為90%左右。其制備環節較多，工藝過程控制難度較大，容易在多個環節產生缺陷，以孔洞類和裂紋類缺陷為主，這類缺陷的無損檢測也是用戶十分關注的問題。

縱觀現有的各類無損檢測手段，超聲檢測技術受超聲波穿透能力的限制，很難在這種高孔隙率材料中傳播；X射線檢測技術對低原子序數材料的吸收系數較低，加上陶瓷隔熱瓦密度低，會進一步降低缺陷特征的圖像反差，難以形成明顯的檢測結果；而紅外檢測對于這類隔熱材料本身就無能為力。相比而言，太赫茲波檢測技術則具有諸多獨特的優勢，在隔熱材料無損檢測領域具有巨大的應用潛力[7-10]。

太赫茲波對陶瓷材料等非極性物質有良好的穿透性，可對不透明物體進行透視成像，是解決陶瓷隔熱瓦材料無損檢測的重點技術，與傳統無損檢測技術形成了有效的互補。

筆者基于調頻連續波太赫茲技術對陶瓷隔熱瓦材料的內部裂紋、孔洞類缺陷檢測進行了試驗研究，分析了被測材料的太赫茲光譜特性，設計了專用的模擬缺陷試塊，成功檢測出了模擬孔洞和模擬裂紋缺陷，最后通過對比陶瓷隔熱瓦結構內部的真實裂紋，驗證了檢測工藝的可行性。

1 陶瓷隔熱瓦中缺陷分析及模擬缺陷試塊設計

1.1 典型缺陷分析

陶瓷隔熱瓦中常見缺陷主要有孔洞和裂紋。

1.1.1 孔洞類缺陷

陶瓷隔熱瓦在制備過程中,由短切石英纖維、氧化鋁纖維、分散劑和燒結助劑等成分組成的漿料必須進行良好的均勻化處理，否則成分不均勻的漿料燒結后,達不到使用要求。漿料均勻化的手段通常為機械攪拌，較低的攪拌轉速會使陶瓷纖維聚集成球的效果明顯，而轉速繼續加大時，會對纖維產生分散效果。但攪拌葉片在高速旋轉攪拌的過程中，一旦工藝控制不當易將氣泡引入到漿料中，而氣泡一旦摻入高黏度的漿料里很難再排出，在坯體成型、高溫熱處理以及高溫燒結工藝之后，陶瓷隔熱瓦內部則會出現孔洞，影響產品的隔熱性能和力學性能。

1.1.2 裂紋類缺陷

陶瓷隔熱瓦的主要成分互不相溶，熱物理性能也有一定的差異。高純超細石英纖維直徑小、韌性大，非晶態結構下具有很低的導熱系數和較低的熱膨脹系數；氧化鋁纖維具有較高的耐火度，但其導熱系數、密度均大于石英纖維的，其熱膨脹系數比石英纖維的高數倍。若將兩種纖維在理想狀態下均勻混合，則可以使復合型陶瓷隔熱瓦既具有低導熱性、低重量、低膨脹性，又具有優異的耐高溫性能，但若未能控制好工藝過程，在制坯過程中產生了成分不均勻的情況，那么硬脆的陶瓷隔熱瓦則有可能因熱膨脹系數的差異而產生熱應力，進而導致裂紋的產生。

1.2 模擬缺陷試塊設計

為體現模擬缺陷在陶瓷隔熱瓦中的特性，同時依據陶瓷隔熱瓦的成型工藝特征、各環節容易出現的缺陷及其分布特征設計了模擬缺陷對比試塊，對比試塊結構示意如圖1所示。

圖1 陶瓷隔熱瓦試塊結構示意