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(lái)，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(kāi)采過(guò)程中用作輸送管線、井下油管及套管等。雙金屬?gòu)?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(guò)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(huì)出現(xiàn)氣孔、疏松、樹(shù)脂開(kāi)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(zhǎng)為1～1 000mm。微波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)通過(guò)研究微波與被檢材料的相互作用，通過(guò)反饋回來(lái)的基本信號(hào)來(lái)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(wú)損檢測(cè)技術(shù)

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

1.1 常規(guī)檢測(cè)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(cè)定太厚的介質(zhì)材料[2]。

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

聲發(fā)射檢測(cè)主要用于在役產(chǎn)品的檢測(cè)，對(duì)宏觀動(dòng)態(tài)擴(kuò)展缺陷進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)靜態(tài)缺陷無(wú)效。且該技術(shù)對(duì)單個(gè)缺陷檢測(cè)靈敏度不高，適用于整體構(gòu)件的檢測(cè)[4]。

工業(yè)CT技術(shù)的檢測(cè)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(cè)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(cè)0.5～10.0mm的寬度，檢測(cè)周期長(zhǎng)、費(fèi)用高[5]。

聲-超聲檢測(cè)技術(shù)適用于復(fù)合材料的完整性評(píng)估，可以檢測(cè)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(duì)單個(gè)、分散缺陷的檢測(cè)精度較低[6]。

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

紅外熱波檢測(cè)法適用于檢測(cè)復(fù)合材料界面脫粘類缺陷，并能準(zhǔn)確地檢測(cè)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(cè)精度不高[8]。

1.2 微波檢測(cè)技術(shù)

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

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

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

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

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

e. 微波測(cè)量信號(hào)是電信號(hào)，不用進(jìn)行非電量轉(zhuǎn)換，測(cè)量快速、操作簡(jiǎn)易；

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

2 復(fù)合材料微波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的研究與應(yīng)用

微波無(wú)損檢測(cè)是通過(guò)測(cè)量微波信號(hào)基本參數(shù)的變化來(lái)達(dá)到檢測(cè)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(hào)入射到介質(zhì)表面時(shí)，會(huì)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(huì)改變微波場(chǎng)，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(cè)量

介電常數(shù)是材料的主要參量。基于對(duì)反射系數(shù)S11和傳輸系數(shù)S21的準(zhǔn)確測(cè)量，可以用自由空間法測(cè)量復(fù)介電常數(shù)，其最簡(jiǎn)單的模型是一束平面電磁波射到處于無(wú)限大介質(zhì)中的平板上。測(cè)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(zhǎng)。

由此可得復(fù)介電常數(shù)為：

(3)

王曉明等用這種方法測(cè)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(zhǎng)小于試件的曲面半徑，那么采用自由空間法測(cè)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(cè)量

微波濕度測(cè)量通常是指用微波技術(shù)測(cè)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(huì)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(cè)量這些因數(shù)，從而測(cè)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(huì)影響反射系數(shù)，所以當(dāng)微波頻率和樣品厚度不變時(shí)，反射系數(shù)僅與濕度相關(guān)。

王曉明等以IC卡密封樹(shù)脂為例測(cè)量其濕度，檢測(cè)到在12.5GHz時(shí)，對(duì)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?gòu)?fù)合材料薄片厚度的微波測(cè)量

測(cè)量非金屬?gòu)?fù)合材料的厚度時(shí)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(zhǎng)的TE10微波信號(hào)照射在被測(cè)試件上，用微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)得其反射系數(shù)，再計(jì)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(lái)測(cè)量其電磁參數(shù)μ、ε[11]。

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

2.4 非金屬?gòu)?fù)合材料均勻性的微波檢測(cè)

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(guò)透射波法檢測(cè)這些電磁參數(shù)的變化，從而判斷非金屬?gòu)?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(lái)檢測(cè)[11]。這種方法目前廣泛用于檢測(cè)橡膠、塑料及樹(shù)脂等材料的質(zhì)量。

2.5 多層粘合材料脫粘的微波檢測(cè)

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(gè)扁平形的空隙，可以看作空氣層，由于空氣層將增大對(duì)波的反射，材料的層間脫粘可以通過(guò)反射系數(shù)的變化來(lái)進(jìn)行測(cè)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(wú)缺陷時(shí)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(shí)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(shí)，其反射系數(shù)會(huì)發(fā)生變化，用微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可以測(cè)出這些變化從而確定是否有脫粘缺陷。測(cè)量時(shí)要求靈敏度盡量高，對(duì)于一定的脫粘缺陷對(duì)應(yīng)一個(gè)敏感頻段，用掃頻方法確定其敏感頻率后再進(jìn)行檢測(cè)[13]。

樊明捷等用零平衡相位法對(duì)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(cè)。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(shí)，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(cè)

復(fù)合材料中的缺陷主要有裂紋、裂縫及氣泡等幾大類。對(duì)長(zhǎng)裂紋裂縫主要用透射波法和反射波法進(jìn)行測(cè)量，對(duì)短裂紋裂縫和氣泡的檢測(cè)主要用散射波法。筆者主要對(duì)散射場(chǎng)做機(jī)理分析。

電磁波對(duì)半徑為a的導(dǎo)體球的遠(yuǎn)區(qū)散射場(chǎng)為：

(14)

(15)

(16)

(17)

式中 e-jkr——角頻率時(shí)間因子；

E0——入射波的電場(chǎng)強(qiáng)度；

Eθc、Eφc——導(dǎo)體球中電場(chǎng)沿θ、φ方向的分量；

Hθc、Hφc——導(dǎo)體感受的磁場(chǎng)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(chǎng)的平均功率為：

(18)

電磁波對(duì)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(shí)，用較高頻率的微波檢測(cè)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(shù)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(duì)所有試件的缺陷進(jìn)行檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，用該頻率的微波可以檢測(cè)出孔徑為2 mm的缺陷，對(duì)孔徑為1mm的缺陷檢測(cè)精度不高[16]。

3 結(jié)束語(yǔ)

雖然微波無(wú)損檢測(cè)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(duì)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(cè)出是否存在這些缺陷，但不能測(cè)定其缺陷的取向和形狀；對(duì)于檢測(cè)復(fù)合材料中的長(zhǎng)裂紋、裂縫時(shí)，目前所用的反射波法可以測(cè)量出其長(zhǎng)度和位置，但不能確定其深度；對(duì)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(lái)檢測(cè)，可以檢測(cè)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(wú)損檢測(cè)技術(shù)與其他檢測(cè)方法有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，發(fā)揮出各種檢測(cè)方法的優(yōu)點(diǎn)，克服單一檢測(cè)的局限性，研究出一套簡(jiǎn)易可行的復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)方法，從而保證復(fù)合材料的安全生產(chǎn)與應(yīng)用。

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