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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。傳統(tǒng)的無損檢測方法主要有五種：超聲檢測、射線檢測、磁粉檢測、滲透檢測和渦流檢測，五種檢測方法具有不同的特點(diǎn)，適用于不同的場合、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方法探測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、超聲檢測等方法幾乎無法進(jìn)行無損檢測。

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，形成一種基于射線的無損檢測技術(shù)。作為一種新型的手段，太赫茲無損檢測具有十分廣闊的應(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，評(píng)估其黏合質(zhì)量和脫粘狀況。

1 太赫茲無損檢測的工作原理

實(shí)現(xiàn)太赫茲無損檢測的技術(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)射的波長在中心波長附近小范圍可調(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?；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。

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玻璃令探測光和THz波共線；HRS是高阻硅（Si）；TD表示THz探測器；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（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，探測縱深z往往很小；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測試分析

測得樣件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。測試結(jié)果表明，該無損檢測技術(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。太赫茲無損檢測技術(shù)為復(fù)合構(gòu)件黏合面質(zhì)量的非破壞性檢測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［J].無損檢測，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方法［J].測量技術(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的試驗(yàn)研究［J].光電子.激光，2013，24（6）：1158－1162.