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        復(fù)合材料與鋼板黏合面的太赫茲無損檢測(cè)

        2014-05-14 06:45:34,,
        無損檢測(cè) 2014年4期
        關(guān)鍵詞:粘接劑樣件赫茲

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        (華中科技大學(xué) 光學(xué)與電子信息學(xué)院,武漢光電國(guó)家實(shí)驗(yàn)室,武漢 430074)

        復(fù)合材料與傳統(tǒng)材料相比,具有比強(qiáng)度高、密度低、比模量高、抗疲勞性能好及減振性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)。進(jìn)入21世紀(jì)以來,復(fù)合材料已廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車工業(yè)、化工紡織及機(jī)械制造等領(lǐng)域,但在復(fù)合材料的制造、成形過程中,可能會(huì)產(chǎn)生分層、夾雜、脫粘等缺陷,影響結(jié)構(gòu)的性能和受力[1],在實(shí)際應(yīng)用中通常要求對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行無損檢測(cè)。傳統(tǒng)的無損檢測(cè)方法主要有五種:超聲檢測(cè)、射線檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、滲透檢測(cè)和渦流檢測(cè),五種檢測(cè)方法具有不同的特點(diǎn),適用于不同的場(chǎng)合、材料和工件。隨著科技的發(fā)展與進(jìn)步,一些新型復(fù)合材料應(yīng)運(yùn)而生,如絕熱材料、蜂窩材料、電子填充材料等。

        用于航天、兵器等領(lǐng)域的高分子復(fù)合材料,將其作為構(gòu)件與襯底黏合時(shí),其黏合面脫粘或灌膠不到位是導(dǎo)致構(gòu)件失效的最主要原因之一[2],使用方迫切希望通過非破壞性檢測(cè)方法探測(cè)脫粘或未灌滿膠的部位。由于高分子復(fù)合材料的特性,這一質(zhì)量問題用傳統(tǒng)的X射線、超聲檢測(cè)等方法幾乎無法進(jìn)行無損檢測(cè)。

        太赫茲波是頻率在0.1~10 THz的電磁波[3],是人類近十來年才開發(fā)利用的一個(gè)電磁波段,能夠透過泡沫、陶瓷、塑料、高分子復(fù)合材料、磁性材料等這些可見光與紅外波、甚至超聲波都無法透過的材料,所以可以實(shí)現(xiàn)對(duì)這些材料的無損檢測(cè),形成一種基于射線的無損檢測(cè)技術(shù)。作為一種新型的手段,太赫茲無損檢測(cè)具有十分廣闊的應(yīng)用前景。針對(duì)上述高分子復(fù)合材料與襯底黏合質(zhì)量的問題,可以利用連續(xù)太赫茲成像系統(tǒng)對(duì)黏合面進(jìn)行無損檢測(cè),評(píng)估其黏合質(zhì)量和脫粘狀況。

        1 太赫茲無損檢測(cè)的工作原理

        實(shí)現(xiàn)太赫茲無損檢測(cè)的技術(shù)途徑主要分為連續(xù)波成像與脈沖成像。前者利用電子器件發(fā)射的波長(zhǎng)在中心波長(zhǎng)附近小范圍可調(diào)的連續(xù)太赫茲波,通過在(x,y)二維平面上移動(dòng)樣件或探頭,獲得二維圖像。通過發(fā)射器中的調(diào)頻技術(shù)和探測(cè)器中的混頻技術(shù),可在一定范圍內(nèi)獲得樣件不同縱深z處的(x,y)二維圖像。后者利用光電子器件發(fā)射的寬頻(典型的頻譜范圍為0.1~2.5 THz)脈沖太赫茲波,通過在(x,y)二維平面上移動(dòng)樣件,獲得不同(x,y)點(diǎn)的太赫茲時(shí)域譜,傅立葉變換后獲得相應(yīng)點(diǎn)的頻域譜。這樣可以獲得0.1~2.5 THz范圍內(nèi)不同頻率點(diǎn)上樣件的(x,y)二維圖像。

        1.1 連續(xù)太赫茲成像系統(tǒng)的工作原理[4]

        圖1所示為德國(guó)Syn View公司生產(chǎn)的Syn-View Scan 300連續(xù)太赫茲成像系統(tǒng),其工作原理為:耿氏二極管發(fā)射中心頻率0.3 THz的連續(xù)太赫茲波。通過三角波調(diào)制技術(shù),使頻率范圍在0.23~0.32 THz范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。不同頻率的太赫茲波被透鏡聚焦到樣件的不同深度處,反射信號(hào)穿過樣件后與發(fā)射信號(hào)進(jìn)行混頻,被肖特基二極管接收探測(cè)?;祛l后得到的信號(hào)中含有目標(biāo)的相對(duì)距離信息,掃描頭一次二維掃描,可同時(shí)采集樣件不同深度的二維太赫茲圖像(獲得的二維圖像為太赫茲波等光程面),有效實(shí)現(xiàn)太赫茲無損檢測(cè)。

        圖1 Syn ViewScan 300連續(xù)太赫茲成像系統(tǒng)

        1.2 脈沖太赫茲成像系統(tǒng)的工作原理

        圖2 脈沖太赫茲成像系統(tǒng)工作原理圖

        圖2所示為脈沖太赫茲成像系統(tǒng)工作原理圖,其中M1到M3表示反射鏡;PCA是光電導(dǎo)天線;TA是一個(gè)THz吸收器;OAP1及OAP2表示離軸拋物面鏡;裝置中使用ITO玻璃令探測(cè)光和THz波共線;HRS是高阻硅(Si);TD表示THz探測(cè)器;L是高密度聚乙烯透鏡。其工作原理為:由飛秒激光脈沖激發(fā)的太赫茲脈沖被離軸拋物面鏡準(zhǔn)直,由高密度聚乙烯透鏡聚焦在樣件上,其反射的太赫茲輻射被另一個(gè)離軸拋物面鏡收集并聚焦在太赫茲探測(cè)器上,并且太赫茲脈沖的時(shí)域波形被記錄下來。在掃描樣件的過程中跟蹤太赫茲脈沖波形的變化,即可記錄下該樣件的太赫茲像。

        2 測(cè)試過程與結(jié)果分析

        2.1 樣件介紹

        樣件均為白色高分子復(fù)合材料壓制成的六面體,外面有一層黑色涂層。樣件1橫截面為直角梯形,如圖3(a)所示。尺寸:上底(63 mm)+下底(191 mm)+直角腰(150 mm)+高(23 mm);樣件2橫截面為正方形,如圖3(b)所示。尺寸:邊長(zhǎng)(150 mm)+高(26 mm);兩者均利用粘接劑黏結(jié)在一個(gè)300 mm見方的鋼質(zhì)薄板上,需要對(duì)黏結(jié)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估。由于基于光電子學(xué)產(chǎn)生的脈沖太赫茲波,能量非常低,探測(cè)縱深z往往很??;而且脈沖太赫茲波成像還需要在時(shí)域進(jìn)行掃描,對(duì)此大樣件耗時(shí)更多,故針對(duì)本樣件選用連續(xù)太赫茲成像方式。根據(jù)連續(xù)太赫茲成像系統(tǒng)的工作原理,掃描頭在XY平面內(nèi)二維掃描,以樣件上表面為基準(zhǔn)面(令Z=0),可同時(shí)獲得Z方向上不同深度(此時(shí)Z為負(fù)值)的二維太赫茲圖像。

        圖3 樣件圖示

        2.2 樣件1測(cè)試分析

        測(cè)得樣件1在Z方向上不同深度位置的太赫茲二維圖像如圖4所示,其中右邊顏色條表示反射太赫茲波信號(hào)的相對(duì)強(qiáng)弱,紅色最強(qiáng),藍(lán)色最弱。圖4(a)為樣件表面(Z=0)的二維太赫茲圖像,可知黑色涂層對(duì)太赫茲波有一定的反射率。圖4(a)中有一青色矩形輪廓,為試驗(yàn)標(biāo)記的標(biāo)簽紙。圖4(b)為距離上表面之下26 mm處(Z=-26)的等太赫茲波光程的二維圖像,圖中有一反射率均勻的反射表面,說明此處為鋼板表面的二維太赫茲圖像。因?yàn)闃蛹?duì)太赫茲波的折射率(令其為n)大于空氣的折射率,根據(jù)等光程面的性質(zhì),圖4(b)中的梯形并不是樣件底部的輪廓,而是樣件Z=-26/n處的反射圖像。樣件厚度為23 mm,所以粘接劑厚度約為3 mm。圖4(c)為Z=-28處的二維太赫茲圖像,對(duì)應(yīng)樣件Z=-28/n處的反射圖像。圖中梯形樣件反射強(qiáng)度并不均勻,四周反射率高,應(yīng)是粘接劑涂層較薄,底部鋼板對(duì)太赫茲的反射信號(hào)較強(qiáng)的緣故,說明此處接近樣件底部。據(jù)此可估算高分析復(fù)合材料對(duì)太赫茲波的折射率為n=28/23=1.22。另在梯形樣件中心區(qū)域觀察到明顯的條紋,說明中心部位粘接劑涂抹非常不均勻,樣件與鋼板的黏合質(zhì)量不高,已產(chǎn)生脫黏現(xiàn)象。測(cè)試完成之后,做樣件鋼板受力分離試驗(yàn),待粘接劑完全干燥凝固后,在鋼板上施加0.5 kg的力就能將樣件與鋼板分離。

        2.3 樣件2測(cè)試分析

        圖5所示為樣件2在Z方向上不同深度位置所對(duì)應(yīng)的太赫茲二維圖像。圖5(a)為樣件表面(Z=0)的二維太赫茲圖像,圖中樣件表面右下角的太赫茲反射信號(hào)強(qiáng)度較弱,是因?yàn)榇颂幒谏繉用撀?,白色高分子?fù)合材料對(duì)太赫茲波反射率很低的緣故。圖5(b)為距離上表面之下28 mm處(Z=-28)的等太赫茲波光程的二維圖像,此處在空氣中太赫茲波已達(dá)到鋼板表面。樣件厚度為26 mm,所以粘接劑厚度約為2 mm。同樣此時(shí)中間方形圖像對(duì)應(yīng)樣件Z=-28/n處的反射圖像。圖5(c)為Z=-32處的二維太赫茲圖像,對(duì)應(yīng)樣件Z=-32/n≈-26處的反射圖像,此處為接近樣件底部的太赫茲圖像。圖中方形樣件底部反射信號(hào)較弱,且信號(hào)強(qiáng)度均勻,說明中心部位粘接劑涂抹均勻,預(yù)估樣件與鋼板的黏合質(zhì)量很好。測(cè)試完成之后,做樣件鋼板受力分離試驗(yàn),待粘接劑完全干燥凝固后,在鋼板上施加20 kg的力并不能將樣件與鋼板分離。

        圖4 樣件1太赫茲圖像

        圖5 樣件2太赫茲圖像

        3 結(jié)論

        利用德國(guó)Syn ViewScan 300連續(xù)太赫茲成像系統(tǒng)對(duì)復(fù)合材料與鋼板黏合面的黏合質(zhì)量進(jìn)行了無損檢測(cè)。測(cè)試結(jié)果表明,該無損檢測(cè)技術(shù)能獲得黏合面的二維太赫茲圖像,分析粘接劑涂抹的均勻性,并進(jìn)行黏合面的質(zhì)量評(píng)估;后續(xù)鋼板受力分析試驗(yàn)證實(shí)了黏合面質(zhì)量評(píng)估的正確性。太赫茲無損檢測(cè)技術(shù)為復(fù)合構(gòu)件黏合面質(zhì)量的非破壞性檢測(cè)提供了一種可靠的方法。

        [1]傅天航,劉松平.淺談復(fù)合材料超聲手動(dòng)掃描成像檢測(cè)[J].無損檢測(cè),2012,34(8):50-54.

        [2]溫茂萍,田勇,游開興.復(fù)合構(gòu)件粘合質(zhì)量超聲多次脈沖反射檢測(cè)方法[J].測(cè)量技術(shù)學(xué)報(bào),1996,10(2/3):679-682.

        [3]許景周,張希成.太赫茲科學(xué)技術(shù)和應(yīng)用[M].北京:北京大學(xué)出版社,2007.

        [4]楊振剛,劉勁松,王可嘉.連續(xù)太赫茲成像系統(tǒng)對(duì)多層蜂窩樣件無損檢測(cè)的試驗(yàn)研究[J].光電子.激光,2013,24(6):1158-1162.

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