無損檢測技術在陶瓷材料檢測中的應用

羅湧

（廣東省建筑材料研究院有限公司）

陶瓷材料制備工藝復雜、流程多，同批次材料的質量差異較大，故對陶瓷材料的質量把控尤為重要。陶瓷材料本身的高脆性、低韌性的特點，微小缺陷的存在也容易在缺陷處造成應力集中，迅速破壞。傳統的陶瓷工業中，多采用敲擊法、目視法來判斷陶瓷制品中缺陷的存在及缺陷的大致位置，該種方法顯然不能滿足現代陶瓷工業的要求，因此研究一種適合現代陶瓷工業的無損檢測方法尤為重要。無損檢測技術（nondestructive testing，NDT），意義在不會對檢測對象的有效性及可靠性產生破壞的前提下，對被檢對象的整體質量（缺陷、損傷）進行定位及定量。無損檢測的常規五大檢測方法分別是：超聲法、射線法、磁粉法、滲透法、渦流法。隨著工業技術的發展，新型的無損檢測技術也不斷涌現，例如：超聲TOFD 檢測技術，數字射線技術、巴克豪森噪聲無損檢測技術、紅外熱成像檢測技術等。

1 超聲檢測在陶瓷材料檢測中的應用

無損檢測技術即非破壞性檢測技術，就是在不破壞待測物質原來的狀態、化學性質等前提下，為獲取與待測物的品質有關的內容、性質或成分等物理、化學情況所采用的檢查方法。 超聲無損檢測是常規無損檢測方法中的一種，它是由超聲波與試件相互作用，通過對產生的反射、透射和散射波的研究，對試件進行缺陷檢測、幾何特性測量、組織結構和力學性能變化的檢測和表征，并進而對其特定應用性進行評價的一項無損檢測技術，具有非破壞性、檢測全面性及全程性等特點。

超聲波無損檢測的基本工作原理如下：聲源產生超聲波，采用一定的方式使超聲波進入被測件；超聲波在試件中傳播并與試件材料以及其中的缺陷相互作用，使其傳播方向或特征被改變；改變后的超聲波通過檢測設備被接收，并可對其進行處理和分析。根據接收的超聲波的特征，評估試件本身及其內部是否存在缺陷及缺陷的特性。

超聲檢測是通過超聲換能器發射超聲脈沖波通過耦合介質傳輸到被檢對象內部，觀察被檢對象內部的缺陷回波或底面反射波來判斷缺陷的存在及位置。超聲法在探測被檢對象的內部缺陷具有一定的優勢，例如陶瓷材料的內部裂紋、氣孔、夾渣分層等。同時，超聲檢測可以檢測陶瓷材料厚度、密度的均勻性。

超聲C 掃描技術與常規超聲相比較能夠提取更為完整的聲波傳播特征信息，對陶瓷材料的內部缺陷有較高的分辨力，對于陶瓷材料的多層層疊整個深度內的裂紋和不連續性具有顯著優勢。水浸超聲法將被檢對象置于水中，超聲換能器不與被檢對象表面直接接觸，用水作為耦合介質（檢測原理圖略）。該檢測具有以下優點：①由于耦合介質水層的存在，探頭不需要和工件直接接觸，因此檢測過程基本不會受陶瓷材料表面粗糙度的影響，并且可使得檢測“盲區”只在耦合介質水層，不影響實際檢測過程；②水浸掃描可實現自動化檢測，為檢測提供方便；③水浸聚焦探頭由于聲束的匯聚，能使得超聲波主要能量集中在被檢測工件需要檢測部位，可滿足檢測達到較高的分辨率和靈敏度。超聲波換能器頻率的選取尤為關鍵，頻率的選取影響缺陷檢出的靈敏度及分辨率。對于厚度較小、聲衰減較小的檢測對象一般選擇高頻探頭，而厚度較大、聲衰減較大的檢測對象則選擇高頻探頭。研究表明：當換能器頻率選為25Mhz時，可檢出陶瓷材料表面以下2mm 深處長度約為10～75μm的條形缺陷；當換能器頻率選為15Mhz時，可檢出30μm左右的點狀缺陷；當換能器頻率選為30Mhz時，可檢出20μm 左右的點狀缺陷。超聲顯微鏡（ultrasonic microscope）是利用缺陷的聲阻抗率、聲衰減與陶瓷材料本身的差異來判斷缺陷的存在，工作頻率一般在100Mhz 以上。由于高頻超聲波波長較短，能量較低，衰減迅速。陶瓷材料聲衰減系數較大，因此難以發現深度較大的缺陷。當使用10～100Mhz 的低頻SAM 技術時，可發現距離陶瓷材料表面500μm 深處，直徑為130μm 的體積型缺陷和10～15μm 寬的表面裂紋以及400μm的分層缺陷。

2 紅外成像檢測技術在陶瓷制品中的應用

紅外熱成像檢測技術是通過不同的可控熱激勵源對被檢對象進行加熱，若被檢對象存在缺陷，瞬態的熱能量傳導可使得被檢對象表面的溫度場與內部溫度場產生差異，用紅外熱像儀連續采集被檢對象溫度場變化的熱譜圖并進行圖像處理，即可對被檢對象的缺陷進行定位及定量。紅外熱成像檢測技術具有非接觸、速度快、面積大、操作簡單、適用面廣、可在線檢測等優點。

根據激勵形式的不同可分為光脈沖熱成像、超聲激勵紅外熱成像、電磁激勵紅外熱成像。光脈沖熱成像較為傳統，熱激勵源為高能脈沖閃關燈，激勵源在被檢對象表面形成熱能量波并向被檢對象內部傳播，當遇到內部缺陷時，熱能波傳播形式發生改變。該現象可被熱像儀捕捉，經過信號處理及圖像識別等技術可較為準確的判斷缺陷的大小及位置。其他的紅外成像技術還有：鎖相紅外熱成像、脈沖相位熱成像、泰赫茲激勵的紅外熱成像。

紅外熱成像技術在薄壁陶瓷材料缺陷檢測中有所優勢，能檢出的缺陷有：空洞、脫粘層、裂紋及雜質等。紅外無損檢測方法較其他檢測方法有以下優點：①反應迅速，顯示直觀。適合大批量、大面積檢測；②空間分辨力高；③可完全實現自動化檢測。

3 結論與展望

適合陶瓷制品檢測的超聲法有：超聲C 掃描檢測技術、超聲顯微鏡技術。超聲法對于缺陷的分辨力、檢出率較高，可用于生產工藝研究時產品質量的把控。紅外熱成像技術檢測速度快，缺陷顯示直觀，可用于批量生產時產品質量的把控。隨著當代陶瓷材料在工業中的廣泛運用，對于陶瓷材料的制作工藝、產品質量的要求越來越高。因此，實現超聲C 掃描自動化檢測是今后的研究重點。