，，，，

（1.北京航空材料研究院，北京 100095；2.北京理工大學(xué) 光電學(xué)院，北京 100081）

紅外熱像（熱波）檢測(cè)是一種較新的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，具有檢測(cè)速度快、非接觸、無(wú)污染、對(duì)構(gòu)件近表缺陷和特征敏感的特點(diǎn)，適于復(fù)合材料構(gòu)件缺陷快速檢測(cè)、在役檢測(cè)和構(gòu)件修補(bǔ)后的檢測(cè)，如層合板的分層缺陷、蜂窩夾層結(jié)構(gòu)和泡沫夾層結(jié)構(gòu)的分層缺陷與脫粘缺陷的檢測(cè)。紅外熱像檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)在航空工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家中得到了大量應(yīng)用，ASTM已經(jīng)制定了閃光燈激勵(lì)紅外熱像檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)［1]和航空航天復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)導(dǎo)則［2]。國(guó)外學(xué)者和工程技術(shù)人員在紅外熱像檢測(cè)新技術(shù)研究、定量分析、工程應(yīng)用研究及與其他無(wú)損檢測(cè)技術(shù)結(jié)合共同解決實(shí)際問(wèn)題等方面進(jìn)行了大量研究［3－7]。紅外熱像檢測(cè)技術(shù)在我國(guó)也開(kāi)始受到普遍關(guān)注，近幾年相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)始制訂。

隨著航空技術(shù)的發(fā)展和復(fù)合材料生產(chǎn)工藝的日益成熟，復(fù)合材料在飛機(jī)上越來(lái)越被大量使用，其中蜂窩夾層結(jié)構(gòu)由于具有較高的彎曲剛度、低熱導(dǎo)率、能較好地承受空氣動(dòng)力學(xué)載荷以及易于大面積成型等優(yōu)點(diǎn)，成為重要的一類(lèi)復(fù)合材料。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的質(zhì)量要求包括面板與芯材膠接處要形成良好的膠瘤［8]。若膠接處局部發(fā)生樹(shù)脂堆積，致使部分區(qū)域膠層增厚，膠瘤變大，甚至形成較大膠塊或?qū)⒎涓C孔堵塞形成膠柱，而周?chē)樯z層較薄、膠瘤變小的區(qū)域，從而破壞了樹(shù)脂厚度的均勻性，影響了整體的膠接質(zhì)量。有時(shí)甚至面板上會(huì)出現(xiàn)貧樹(shù)脂區(qū)，而貧樹(shù)脂區(qū)是一種缺陷。所以利用紅外熱像檢測(cè)技術(shù)對(duì)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)膠接面的膠接狀況進(jìn)行檢測(cè)，標(biāo)識(shí)出樹(shù)脂堆積的區(qū)域，不僅有助于改進(jìn)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)工藝，而且有利于日后對(duì)該構(gòu)件進(jìn)行原位檢測(cè)時(shí)，對(duì)積水區(qū)域能夠做出快速、準(zhǔn)確的判斷。

由于膠接面上形成的樹(shù)脂堆積并不是一種缺陷，所以目前還未見(jiàn)對(duì)其進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)研究的報(bào)道。文章應(yīng)用脈沖熱像法對(duì)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)膠接面的樹(shù)脂堆積進(jìn)行紅外熱像檢測(cè)研究，發(fā)現(xiàn)樹(shù)脂堆積形成的膠柱、膠塊和較厚膠層區(qū)域在紅外圖像和溫度曲線(xiàn)上都有明顯的特征，包括明顯的面板貧樹(shù)脂區(qū)在內(nèi)都能夠被檢測(cè)出來(lái)。

1 檢測(cè)原理

文章采用的是閃光燈激勵(lì)的脈沖熱像法。這種方法采用閃光燈陣列對(duì)被測(cè)制件表面進(jìn)行脈沖加熱，使用紅外熱像儀探測(cè)并記錄被測(cè)制件在激勵(lì)前后的表面溫度分布及其變化，并經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析和處理獲得被測(cè)制件內(nèi)部的特征、缺陷、損傷和非均勻信息。

2 建模分析

針對(duì)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)膠接面樹(shù)脂堆積的問(wèn)題，建立了如圖1所示的A模型和B模型，A模型為膠層厚度正常的蜂窩格，B模型為由樹(shù)脂堆積引起的膠層厚度較厚的蜂窩格。為了研究這兩種模型在紅外熱像檢測(cè)過(guò)程中對(duì)熱激勵(lì)響應(yīng)的特點(diǎn)，利用ANSYS軟件對(duì)模型中心區(qū)域采用一維模型求解方式進(jìn)行仿真分析。熱激勵(lì)方式為脈沖寬度0.002s的脈沖加熱，加熱在t＝0的時(shí)刻開(kāi)始。面板材料為GFRP，厚度為1.0mm，設(shè)膠層的正常厚度為0.2mm，較厚膠層的厚度為1.2mm，其他參數(shù)詳見(jiàn)表1。面板材料、樹(shù)脂、水和空氣的熱物理性質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表2，從該表中可以看出樹(shù)脂和水的熱物理性質(zhì)與空氣相比，兩者更加接近，各個(gè)參數(shù)都在同一個(gè)數(shù)量級(jí)。

表1 模型主要參數(shù)

表2 面板材料、樹(shù)脂、水和空氣的熱物理性質(zhì)參數(shù)

通過(guò)計(jì)算得到了A模型（膠層厚度正常）區(qū)域的表面溫度變化曲線(xiàn)和B模型（膠層較厚）區(qū)域的表面溫度變化曲線(xiàn)，如圖2所示。由于兩者的溫差較小，很難在圖2中把它們區(qū)分出來(lái)，所以繪制了兩者的溫差曲線(xiàn)，見(jiàn)圖3。圖3中的縱坐標(biāo)值為膠層較厚區(qū)域的表面溫度減去膠層正常區(qū)域的表面溫度。在圖3中可以看到膠層較厚區(qū)域的表面溫度低于膠層正常區(qū)域的表面溫度。這是因?yàn)槟z層較厚，其熱容量較大，溫度上升的幅度較小，因而表面溫度較低。而且還可以看出兩者的溫差絕對(duì)值在t＝6.4 s附近出現(xiàn)最大值0.038℃。依據(jù)圖3給出的結(jié)果還可以進(jìn)一步推斷出：在紅外熱像檢測(cè)的原始熱像圖中膠層較厚的區(qū)域相對(duì)于膠層正常的區(qū)域表現(xiàn)為“暗區(qū)”。這一點(diǎn)將在隨后的樣件試驗(yàn)中將得到證實(shí)。

圖2 膠層正常區(qū)域表面溫度與膠層較厚區(qū)域表面溫度對(duì)比

圖3 膠層較厚區(qū)域與膠層正常區(qū)域的溫差曲線(xiàn)

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 樣件及試驗(yàn)設(shè)備

樣件分別為1號(hào)和2號(hào)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)樣件，兩者均為A夾層結(jié)構(gòu)。面板材料為GFRP，蜂窩材料為Nomex紙蜂窩，蜂窩格邊長(zhǎng)2.75 mm。兩個(gè)樣件的上、下面板厚度均為1和2 mm，蜂窩高20 mm，樣件尺寸300 mm×180 mm。1號(hào)樣件面板厚度1 mm的一面中，在四個(gè)角存在明顯的貧樹(shù)脂區(qū)，中間區(qū)域很均勻；2號(hào)樣件面板厚度2 mm的一面表面很均勻。但是隨后在對(duì)這兩個(gè)面進(jìn)行紅外熱像檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了很多有趣的樣件內(nèi)部信息。

試驗(yàn)采用的設(shè)備包括：紅外熱像儀，工作波段為8～9μm，320×240像元，溫度靈敏度在室溫下為0.02 K，采樣頻率為60 Hz；閃光燈陣列，加熱量為9.6 kJ，脈沖寬度為2 ms。

3.2 紅外圖像

圖4為1號(hào)樣件面板厚度為1 mm一面的原始熱像圖，在圖中發(fā)現(xiàn)在貧樹(shù)脂區(qū)有大量的“暗斑”，此外在樣件看似均勻的大面積范圍內(nèi)有大量的“小暗斑”。對(duì)原始熱圖序列進(jìn)行一階微分處理得到了該檢測(cè)結(jié)果的一階微分圖，如圖5所示。原始熱像圖中的“暗斑”此時(shí)變成了“亮斑”。

2號(hào)樣件兩側(cè)面板（1 mm厚和2 mm厚）雖然從表面上看很均勻，但是在紅外熱圖中卻出現(xiàn)了差異明顯的明、暗區(qū)域，如圖6和7所示。依據(jù)前面建模分析得到的結(jié)果，判斷這些“暗斑”和“暗區(qū)”可能為膠層較厚的區(qū)域。于是對(duì)1號(hào)和2號(hào)樣件在圖4～7箭頭所指的部位進(jìn)行了解剖。

3.3 解剖分析

在圖5中箭頭所示的區(qū)域進(jìn)行了解剖，發(fā)現(xiàn)圖5中的“亮斑”和“小亮斑”分別為樹(shù)脂堆積形成的膠柱和大量、廣泛分布的膠塊，見(jiàn)圖8。

對(duì)圖6和7箭頭所示的暗區(qū)進(jìn)行剖切，得到其斷面，部分結(jié)果如圖9和10所示。這些暗區(qū)為膠層較厚的區(qū)域，比周?chē)哪z層厚0.5～1.0 mm左右。

以上解剖分析的結(jié)果證實(shí)了先前對(duì)這些“暗斑”和“暗區(qū)”為膠層較厚區(qū)域的判斷。膠層較厚除了在熱像圖上有此類(lèi)特征外，在溫度曲線(xiàn)上是否也存在明顯的特點(diǎn)，接下來(lái)將比較一下膠層正常區(qū)域和膠層較厚區(qū)域的表面溫度。

圖8 1號(hào)樣件（1 mm）解剖圖

圖9 2號(hào)樣件（2 mm）解剖圖

3.4 曲線(xiàn)分析

在如圖11上的貧樹(shù)脂區(qū)取一點(diǎn)記為A點(diǎn)，在膠柱處取一點(diǎn)記為B點(diǎn)，在膠層正常的區(qū)域（參考區(qū)域）取一點(diǎn)記為C點(diǎn)，在膠塊處取一點(diǎn)記為D點(diǎn)。這四點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度曲線(xiàn)如圖12?？梢?jiàn)，貧樹(shù)脂區(qū)的表面溫度要高于膠層正常區(qū)域?qū)?yīng)的表面溫度，而膠柱和膠塊對(duì)應(yīng)的表面溫度要低于膠層正常區(qū)域?qū)?yīng)的表面溫度。

圖11 1號(hào)樣件上的取點(diǎn)位置圖

圖12 不同取點(diǎn)處的溫度曲線(xiàn)

在如圖13上的膠層正常區(qū)域（參考區(qū)域）取一點(diǎn)記為A點(diǎn)，在膠層較厚的區(qū)域取一點(diǎn)記為B點(diǎn)。圖14給出了以上兩點(diǎn)的溫度曲線(xiàn)?？梢?jiàn)B點(diǎn)的溫度在加熱結(jié)束后略低于A點(diǎn)的溫度，與前面得到的結(jié)果是一致的。

圖13 2號(hào)樣件上的取點(diǎn)位置圖

圖14 膠層正常區(qū)域與膠層較厚區(qū)域的溫度曲線(xiàn)

通過(guò)以上基于樣件的紅外熱像檢測(cè)試驗(yàn)和解剖分析發(fā)現(xiàn)，由樹(shù)脂堆積造成的膠層較厚、膠柱和膠塊在紅外熱像檢測(cè)的原始熱圖中表現(xiàn)為“暗區(qū)”或“暗斑”，溫度曲線(xiàn)上表現(xiàn)為這些區(qū)域的溫度低于正常膠層厚度區(qū)域的溫度。這些結(jié)論與前面建模分析的結(jié)果是一致的。

4 問(wèn)題與討論

水和樹(shù)脂的熱物理性質(zhì)很接近，積水在紅外原始熱圖中也表現(xiàn)為“暗區(qū)”，見(jiàn)圖15。在實(shí)際的積水檢測(cè)中，積水和樹(shù)脂堆積很難區(qū)分開(kāi)。因此，在制件出廠或安裝使用前進(jìn)行紅外熱像檢測(cè)，將樹(shù)脂堆積的區(qū)域進(jìn)行識(shí)別、記錄和存檔，為將來(lái)積水檢測(cè)提供判斷依據(jù)，也不失為一種檢測(cè)積水的有效方法。

圖15 積水的紅外熱像檢測(cè)原始熱圖

5 結(jié)論

文章通過(guò)一維模型的建模分析、樣件試驗(yàn)和解剖分析得出了以下結(jié)論 ：

（1）由樹(shù)脂堆積造成的膠層較厚、膠柱和膠塊在紅外熱像檢測(cè)的原始熱圖中表現(xiàn)為“暗區(qū)”或“暗斑”。溫度曲線(xiàn)上的差別為這些區(qū)域的表面溫度低于正常膠層厚度區(qū)域的表面溫度?；谝陨咸卣?，樹(shù)脂堆積可以在紅外熱像檢測(cè)中被檢出。

（2）檢測(cè)出蜂窩與面板膠接處的樹(shù)脂堆積區(qū)域，對(duì)這些區(qū)域的位置、形狀和面積進(jìn)行記錄，可以為改進(jìn)生產(chǎn)工藝提供支持。

（3）蜂窩積水時(shí)的紅外熱像顯示與樹(shù)脂堆積類(lèi)似，研究工作表明，制造階段檢測(cè)和記錄樹(shù)脂堆積情況，可以為原位檢測(cè)蜂窩積水問(wèn)題提供評(píng)定的依據(jù)。

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