邢賀民，馬 耀，段滋華

（太原理工大學 化學化工學院，太原 030024）

復合材料雖然經過合理的工藝加工過程和材料成型過程，但還是存在產生缺陷的可能，引起質量問題，導致材料的失效。缺陷的存在制約了復合材料的研發(fā)和應用，從而也推進了無損檢測技術的發(fā)展。無損檢測技術已成為發(fā)展復合材料的關鍵技術之一。復合材料內部的常規(guī)無損檢測方法為超聲波檢測法和射線檢測法。超聲波屬于彈性波，作用在被測試件表面后會進入試件內并快速傳播。由于摩擦作用、熱彈效應和遲滯效應的作用［1－2］，其在檢測復合材料時衰減很大，制約了其檢測的效果。微波屬于電磁波，對于非金屬材料具有很好的穿透性，衰減大大降低，彌補了超聲波的不足。對于射線檢測法，由于射線輻射的危害和屏蔽設備的復雜，使其檢測成本很高，同時其對平行于表面的裂紋不敏感，需要與超聲波技術互補來實現(xiàn)全面檢測［3］。對比之下，微波輻射的危害大大降低，檢測時不需要復雜的屏蔽設備，降低了檢測成本。

筆者采用聚苯乙烯泡沫材料、石蠟和橡膠為實驗用非金屬基，用微波技術對其進行了無損檢測。結果表明，微波回波損耗可以作為檢測復合材料內部裂紋和氣孔缺陷的特征參量。同時得出，非金屬基的介電常數(shù)差異會影響檢測結果

1 微波檢測原理及方案

1.1 微波檢測原理

微波一方面在不連續(xù)界面處會產生反射、散射和透射，另一方面還能與被檢測材料相互作用。不同材料的介電常數(shù)不同，微波傳輸也會受到材料的電磁參數(shù)和幾何參數(shù)的影響［4－5］。通過測量攜帶材料內部信息的微波信號的基本特征參數(shù)的改變，就可以對材料進行無損檢測。筆者采用微波回波損耗這一特征參數(shù)，測量出的回波損耗為負值，與缺陷的尺寸成反比關系，在分析和繪圖過程中為了便于理解，使其與缺陷的尺寸單調一致，對回波損耗測量值取絕對值，然后進行數(shù)據分析。

1.2 微波檢測方案

試驗參考件和復合材料是由非金屬基和金屬層復合而成。其中金屬層材料為Q235，非金屬基為聚苯乙烯泡沫材料、石蠟和橡膠。聚苯乙烯泡沫材料的相對介電常數(shù)為1.03，石蠟的相對介電常數(shù)為2.1，橡膠的相對介電常數(shù)為3［6］。

在被測復合材料試件的金屬層加工裂紋和氣孔缺陷，非金屬基疊加覆蓋其表面，使缺陷預置于復合材料內部。金屬層裂紋缺陷板預制了5塊，深度分別為1，2，…，5mm，每塊板預置裂紋寬度為1，2，…，10mm的10條裂紋。圖1為裂紋深度為5mm的金屬缺陷層。非金屬基為聚苯乙烯泡沫材料、石蠟和橡膠各兩塊板，其長×寬×厚均為500mm×120mm×5mm。氣孔（4行4列）缺陷預置在一塊金屬層中，如圖2所示。其中每一列直徑相等，一至四列分別為φ4，5，6和7mm，而每一行深度相等，一至四列分別為2，4，6和8mm。非金屬基為聚苯乙烯泡沫材料、石蠟和橡膠各2塊板，其長×寬×厚均為208mm×208mm×5mm。

圖2 金屬氣孔缺陷層結構

參考試件金屬層為相同兩塊未預置裂紋缺陷和氣孔缺陷的板材。裂紋類參考試件的金屬層長×寬×厚為32mm×32mm×8mm，氣孔類參考試件金屬層長×寬×厚為32mm×32mm×15mm。裂紋和氣孔類參考試件的表面疊加的非金屬基相同，為聚苯乙烯泡沫材料、石蠟和橡膠各2塊，其長×寬×厚為32mm×32mm×5mm。

通過上述金屬板和非金屬基疊加放置可以組合出復合材料測試試件和參考試件。參考件內部沒有預置缺陷，用于復合材料內部缺陷的定位。

試驗裝置如圖3所示。微波矢量網絡分析儀通過同軸電纜與微波探頭相連接，用于信號的輸出與輸入，端口1輸出微波信號到探頭6，微波信號發(fā)射到復合材料中，然后接收信號到微波矢量網絡分析儀進行分析。端口2發(fā)射微波信號到探頭3，參考件沒有預置缺陷，可以用于參考，當兩組曲線有峰值區(qū)別時即可以認為發(fā)現(xiàn)試驗用復合材料中的預置缺陷，然后可以記錄特征信號的測量數(shù)值。

圖3 復合材料內部缺陷微波無損檢測裝置的結構

2 試驗數(shù)據與結果分析

由于裝置波導探頭的匹配頻率為13～18GHz，所以用試驗裝置檢測復合材料時，首先需在該頻率下進行掃頻檢測。借助于參考件可以確定不同非金屬基的點頻頻率，然后進行點頻無損檢測。聚苯乙烯泡沫材料基的點頻頻率為14.5677GHz、石蠟基的點頻頻率為14.5375GHz，橡膠基的點頻頻率為14.7084GHz。

2.1 復合材料氣孔缺陷的分析

由圖4可以看出氣孔直徑及埋深對微波特征參量回波損耗的影響規(guī)律。在圓形氣孔深度不變的情況下，微波特征參量回波損耗取絕對值，其隨聚苯乙烯泡沫基、石蠟基和橡膠基的復合材料中圓形氣孔缺陷的直徑增大而變大。在圓形氣孔直徑不變的情況下，微波特征參量回波損耗取絕對值，其隨聚苯乙烯泡沫基、石蠟基和橡膠基的復合材料中的圓形氣孔缺陷的深度增大而變大。

2.2 不同非金屬基對氣孔缺陷檢測的影響分析

由圖5可以得出檢測圓形氣孔缺陷時的介電常數(shù)對微波特征參量回波損耗的影響規(guī)律。在非金屬基和圓形氣孔缺陷深度不變的情況下，微波特征參量回波損耗取絕對值，其隨氣孔直徑的增大而變大。由于聚苯乙烯泡沫材料的相對介電常數(shù)為1.03，石蠟的相對介電常數(shù)為2.1，橡膠的相對介電常數(shù)為3，在圓形氣孔缺陷尺寸不變的情況下，微波特征參量回波損耗取絕對值，其隨非金屬基的相對介電常數(shù)的增大而增加。

2.3 復合材料裂紋缺陷的分析

由圖6～8可以得出，檢測裂紋缺陷時微波特征參量回波損耗的變化規(guī)律。圖6（a），7（a）和8（a）為裂紋深度為3mm的不同金屬基回波損耗的擬合曲線?？梢缘贸?，微波特征參量回波損耗取絕對值，其隨裂紋寬度的增加而增大，而且規(guī)律很顯著。由圖6（b），7（b）和8（b）可以得出，在不同的裂紋深度下，上述規(guī)律依然成立。由此可以得出，微波特征參量回波損耗對于裂紋的深度不敏感，無法檢測出裂紋的深度。

2.4 不同非金屬基對裂紋缺陷檢測的影響分析

由圖9可以得出，測裂紋缺陷時介電常數(shù)對微波特征參量回波損耗的影響規(guī)律。由于聚苯乙烯泡沫基和橡膠基的相對介電常數(shù)相差比較大，在裂紋缺陷尺寸不變的情況下，微波特征參量回波損耗取絕對值，其隨非金屬基的相對介電常數(shù)的增大而增加。由于聚苯乙烯泡沫基和石蠟基的相對介電常數(shù)相差比較小，同時受到試驗操作誤差的影響，所以圖9中曲線出現(xiàn)了交叉情況，但交叉點均在裂紋寬度為（5±1）mm區(qū)域內。

圖9 不同裂紋深度下介電常數(shù)對回波損耗的影響

3 結語

通過綜合試驗，得出了微波特征參量回波損耗與復合材料內部缺陷的檢測規(guī)律：① 回波損耗可以實現(xiàn)復合材料內部裂紋寬度檢測和氣孔缺陷檢測。② 不同非金屬基由于介電常數(shù)不同，對微波無損檢測有很大影響。③ 回波損耗絕對值隨非金屬基的相對介電常數(shù)的增加而變大。試驗提供了一種復合材料內部缺陷的無損檢測新方法。

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