趙中堅(jiān)

（上海玻璃鋼研究院有限公司，上海 201404）

石英陶瓷天線罩無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究

趙中堅(jiān)

（上海玻璃鋼研究院有限公司，上海 201404）

采用壓汞儀對(duì)多孔石英陶瓷進(jìn)行了開(kāi)口孔徑分布測(cè)試，結(jié)果顯示石英陶瓷開(kāi)口孔徑分布主要集中在100～400nm之間，其孔徑分布范圍比較集中。分別采用燈光照射法、工業(yè) CT和X射線數(shù)碼成像無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行石英陶瓷天線罩無(wú)損檢測(cè)，并分析了三種檢測(cè)方法各自的工作原理、檢測(cè)優(yōu)勢(shì)與不足。

石英陶瓷；天線罩；孔徑分布；無(wú)損檢測(cè)；工業(yè)CT；X射線數(shù)碼成像

0 前 言

導(dǎo)彈天線罩既是彈頭的組成部分，又是導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)的重要組成部分。隨著導(dǎo)彈技術(shù)的發(fā)展,導(dǎo)彈射程越來(lái)越遠(yuǎn)，速度越來(lái)越快，這使得導(dǎo)彈彈頭面臨的使用環(huán)境越來(lái)越惡劣，對(duì)導(dǎo)彈天線罩材料也提出了越來(lái)越高的使用要求。石英陶瓷是目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的導(dǎo)彈天線罩材料，我國(guó)在上世紀(jì)70年代開(kāi)始石英陶瓷天線罩的研制工作，目前已經(jīng)在多個(gè)型號(hào)導(dǎo)彈上得到應(yīng)用[1-5]。石英陶瓷材料是一種多孔陶瓷材料，采用阿基米德排水法測(cè)定其開(kāi)氣孔率為8-12%。石英陶瓷天線罩在成型、燒結(jié)和加工過(guò)程中，可能在產(chǎn)品表面或內(nèi)部產(chǎn)生各種微小缺陷，導(dǎo)致天線罩存在安全隱患。所以有必要采用有效的測(cè)試手段對(duì)石英陶瓷天線罩微缺陷進(jìn)行全面檢測(cè)。

無(wú)損檢測(cè)(NDT)是在不改變被檢對(duì)象使用性能的前提下評(píng)價(jià)材料完整性和連續(xù)性, 檢出固有缺陷及其形狀、位置和大小等信息，適于檢測(cè)加工效率低而成本高的工程陶瓷材料的缺陷情況。據(jù)可查閱文獻(xiàn)資料顯示[6-10]，無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)于致密陶瓷材料的缺陷探傷檢測(cè)研究進(jìn)行的較多，而對(duì)于多孔石英陶瓷材料的無(wú)損檢測(cè)未見(jiàn)報(bào)道。本文結(jié)合石英陶瓷材料的多孔特性，采用多種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)石英陶瓷天線罩進(jìn)行缺陷檢測(cè)與評(píng)價(jià)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及實(shí)驗(yàn)方法

本文試驗(yàn)所用多孔石英陶瓷和石英陶瓷天線罩由上海玻璃鋼研究院有限公司采用泥漿澆注工藝制備。采用美國(guó)康塔公司生產(chǎn)的PoreMaster 33G壓汞儀測(cè)試多孔石英陶瓷開(kāi)口氣孔孔徑分布，采用300W白熾燈進(jìn)行石英陶瓷天線罩燈光檢測(cè)。

采用上海軸承技術(shù)研究所計(jì)算機(jī)X射線斷層數(shù)字成像系統(tǒng)(工業(yè)CT)進(jìn)行石英陶瓷天線罩無(wú)損檢測(cè)，其主要技術(shù)參數(shù)如下：

X光射線管管電壓：225 KV；管電流：1.4 mA；空間分辨率：0.05 mm3；缺陷分辨尺寸：≥12μm；密度分辨率：≥1%。

采用以色列維迪斯科公司生產(chǎn)的DR便攜式X射線數(shù)碼成像無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行石英陶瓷天線罩無(wú)損檢測(cè)。其主要技術(shù)參數(shù)如下：

圖像傳感器種類：大尺寸非晶硅陣列；動(dòng)態(tài)范圍：14位(16384灰度)；分辨率：3.5l p/mm(線對(duì)/毫米)；800%的非數(shù)字不失真放大；X射線源：便攜式脈沖射線源。

2 結(jié)果與討論

2.1 石英陶瓷孔徑分布測(cè)試

石英陶瓷天線罩在成型、燒結(jié)和加工過(guò)程中，由于存在體積收縮、變形和機(jī)械沖擊，每道工序都可能導(dǎo)致材料內(nèi)部產(chǎn)生氣孔、微裂紋等微小缺陷，陶瓷材料顯微結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)性和對(duì)外因損傷的敏感性，使其缺陷臨界尺寸比金屬或復(fù)合材料小1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，材料中存在幾微米的裂紋或氣孔即可能導(dǎo)致制品破壞，導(dǎo)致天線罩存在安全隱患。所以有必要采用高靈敏度的測(cè)試手段對(duì)石英陶瓷天線罩微缺陷進(jìn)行全面檢測(cè)。

石英陶瓷材料是一種多孔陶瓷材料，采用阿基米德排水法測(cè)定其開(kāi)氣孔率為8～12%。在進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)之前，有必要對(duì)石英陶瓷的正常的開(kāi)口氣孔孔徑分布進(jìn)行測(cè)試，以便區(qū)別正常尺寸的孔隙與非正常尺寸的氣孔和微裂紋。采用美國(guó)康塔公司生產(chǎn)的PoreMaster 33G壓汞儀進(jìn)行多孔石英陶瓷開(kāi)口氣孔孔徑分布測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖1。從圖1可看出，石英陶瓷正常尺寸開(kāi)口氣孔孔徑分布范圍主要集中在100～400 nm之間，其孔徑分布范圍比較集中。

圖1 石英陶瓷孔徑分布圖Fig.1 Pore size distribution of silica ceramic

2.2 石英陶瓷天線罩燈光照射檢測(cè)

無(wú)損檢測(cè)是指對(duì)材料或產(chǎn)品實(shí)施一種不損害或不影響其未來(lái)使用性能或用途的檢測(cè)。石英陶瓷天線罩燈光照射檢驗(yàn)方法(簡(jiǎn)稱燈檢法)就是一種無(wú)損檢測(cè)的方法，該檢測(cè)方法的工作原理是利用石英陶瓷的透光性，采用300～500W的白熾燈光源在罩體內(nèi)部照射罩體，通過(guò)目測(cè)觀察對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量進(jìn)行判定。

由于石英陶瓷材料是由石英玻璃顆粒堆積而成的陶瓷材料，具有8～12%的開(kāi)氣孔率，當(dāng)有外來(lái)光源從罩體內(nèi)部發(fā)出，光線通過(guò)石英陶瓷材料時(shí)，會(huì)受到一系列阻礙，但仍會(huì)有一部分的光線從罩體表面穿透出來(lái)，石英陶瓷透光性受石英顆粒形貌、大小、氣孔、雜質(zhì)相、表面粗糙度、微裂紋及黑點(diǎn)等因素的影響。石英顆粒是這些因素中最主要的散射點(diǎn)，石英顆粒的表面形貌決定了光入射及反射的角度及透過(guò)率，顆粒的大小則影響光通過(guò)的路徑。當(dāng)石英陶瓷罩體中顆粒、氣孔分布均勻時(shí)，罩體具有整體一致的透光性。當(dāng)罩體中存在大氣孔(如氣孔集中)或裂紋(可視為連續(xù)氣孔)時(shí)，光的透過(guò)性增加，缺陷所在部位的亮度比罩體其它部位大，可以顯示出缺陷的情況，當(dāng)罩體中存在黑點(diǎn)等雜質(zhì)時(shí)，雜質(zhì)所在部位往往成為散射和吸收中心，導(dǎo)致均勻罩體內(nèi)部的透光性不一致，這也能反映出雜質(zhì)的存在。目前采用的燈光檢測(cè)的方法也是基于此原理進(jìn)行的。

石英陶瓷天線罩燈光檢測(cè)整體照片、罩體局部氣孔和裂紋照片見(jiàn)圖2。

從圖2可以看出，采用燈光照射檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行石英陶瓷天線罩缺陷檢測(cè)具有操作簡(jiǎn)便、檢測(cè)成本低、檢測(cè)結(jié)果直觀等優(yōu)點(diǎn)，可以比較直觀地檢測(cè)出石英陶瓷天線罩表面和內(nèi)部尺寸大于0.5 mm的氣孔、裂紋、雜質(zhì)等缺陷。該方法的檢測(cè)精度受檢測(cè)人員的肉眼分辨精度限制，對(duì)于尺寸小于0.5 mm的微小缺陷難以通過(guò)該方法得到較好的檢測(cè)，而且該方法存在一定的主觀因素影響，檢測(cè)人員的改變也可能導(dǎo)致不同的檢測(cè)結(jié)果。

2.3 石英陶瓷天線罩工業(yè)CT檢測(cè)

工業(yè)CT 是在無(wú)損傷狀態(tài)下得到被檢測(cè)斷層的二維灰度圖像，它以圖像的灰度來(lái)分辨被檢測(cè)面內(nèi)部的結(jié)構(gòu)組成、裝配情況、材質(zhì)狀況、有無(wú)缺陷、缺陷的性質(zhì)和大小等，且圖像清晰，可以直觀看到目標(biāo)細(xì)節(jié)的空間位置、形狀、大小，感興趣的區(qū)域不受周圍細(xì)節(jié)特征的遮擋，圖像容易識(shí)別和理解。同時(shí)，CT 圖像是數(shù)字化的結(jié)果，從中可以得到象數(shù)值、尺寸及密度等物理信息，數(shù)字化的圖像也便于存儲(chǔ)、傳輸、分析和處理等。

工業(yè)CT主體部分由X光射線管、旋轉(zhuǎn)物臺(tái)和X光接收器三部分組成，工業(yè)CT檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)照片見(jiàn)圖3。

石英陶瓷天線罩頭部工業(yè)CT透視照片見(jiàn)圖4。該測(cè)試對(duì)象為經(jīng)燈光照射法檢測(cè)未見(jiàn)明顯缺陷的成品石英陶瓷天線罩。從圖4可以看出，采用工業(yè)CT進(jìn)行石英陶瓷天線罩無(wú)損檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)罩體內(nèi)部存在微缺陷。由于石英陶瓷的多孔特性，其微觀孔隙對(duì)于X射線的透過(guò)會(huì)造成一定的散射效果，從而導(dǎo)致其檢測(cè)精度難以達(dá)到該檢測(cè)系統(tǒng)在檢測(cè)金屬材料或致密陶瓷材料時(shí)所具有的精度指標(biāo)。

圖2 石英陶瓷天線罩燈光檢測(cè)照片F(xiàn)ig.2 Light detection of silica ceramic radome∶ (a) light detection for the whole radome; (b) air holes and impurities in the radome; (c) crack in the radome

圖3 工業(yè)CT檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)照片F(xiàn)ig.3 Detection by the industrial CT

圖4 石英陶瓷天線罩頭部工業(yè)CT透視照片F(xiàn)ig.4 Tomographic image of the silica ceramic radome head detected by industrial CT

2.4 石英陶瓷天線罩DR便攜式X射線數(shù)碼成像無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)

數(shù)字DR平板射線系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)數(shù)字圖像處理技術(shù)與X射線放射技術(shù)相結(jié)合而形成的一種先進(jìn)的X射線無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)。DR平板射線技術(shù)是一種全新的射線無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，它具有更高的量子檢測(cè)效率、更短的成像時(shí)間、更高的圖像質(zhì)量、更長(zhǎng)的使用壽命。DR系統(tǒng)最突出的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于高效性和便攜性。采用數(shù)字DR平板射線系統(tǒng)進(jìn)行石英陶瓷天線罩無(wú)損檢測(cè)具有使用方便，檢測(cè)效果較好，無(wú)污染，對(duì)環(huán)境友好、對(duì)人體安全，使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)。

數(shù)字DR平板射線系統(tǒng)由超薄非晶硅成像板和便攜式脈沖X光射線源組成，石英陶瓷天線罩X射線數(shù)碼成像無(wú)損檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)照片見(jiàn)圖5。

石英陶瓷天線罩局部X射線數(shù)碼成像無(wú)損檢測(cè)透視照片見(jiàn)圖6。該測(cè)試對(duì)象為經(jīng)燈光照射法檢測(cè)可發(fā)現(xiàn)有疑似裂紋缺陷和小氣孔缺陷的石英陶瓷天線罩局部取樣樣品。從圖6(a)和圖6(b)可看出，采用該檢測(cè)系統(tǒng)可以較清晰地檢測(cè)出石英陶瓷天線罩表面和內(nèi)部的微裂紋、小氣孔和材質(zhì)不均勻等缺陷，但對(duì)于燈光檢驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)缺陷的區(qū)域，該檢測(cè)系統(tǒng)也未能檢測(cè)出更細(xì)微的缺陷。由于該檢測(cè)系統(tǒng)工作原理與工業(yè)CT檢測(cè)同屬于X射線檢測(cè)方法，對(duì)于多孔石英陶瓷材料，其檢測(cè)精度受到多孔結(jié)構(gòu)散射現(xiàn)象的影響，難以達(dá)到該檢測(cè)系統(tǒng)在檢測(cè)金屬材料或致密陶瓷材料時(shí)所具有的精度指標(biāo)。

圖5 DR便攜式X射線數(shù)碼成像無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)照片F(xiàn)ig.5 The portable DR X-ray digital imaging nondestructive testing system

圖6 石英陶瓷天線罩DR便攜式X射線數(shù)碼成像無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)圖Fig.6 Images of the silica ceramic radome detected by portable DR X-ray digital imaging nondestructive testing system∶ (a) crack in the radome, (b) air holes and defect in the radome head

3 結(jié) 論

(1)石英陶瓷正常尺寸開(kāi)口孔徑分布范圍主要集中在100-400 nm之間，其孔徑分布范圍比較集中。

(2)石英陶瓷天線罩燈光照射檢測(cè)技術(shù)具有操作簡(jiǎn)便、檢測(cè)成本低、檢測(cè)結(jié)果直觀等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于尺寸大于0.5 mm缺陷具有較好的檢測(cè)效果。

(3)由于石英陶瓷的多孔特性，其微觀孔隙對(duì)于X射線的透過(guò)會(huì)造成一定的散射效果，從而導(dǎo)致工業(yè)CT和數(shù)字DR平板射線系統(tǒng)檢測(cè)精度達(dá)不到該檢測(cè)系統(tǒng)在檢測(cè)金屬材料或致密陶瓷材料時(shí)所具有的精度指標(biāo)。

(4)綜合比較上述三種無(wú)損檢測(cè)方法，得出燈光折射法是目前最適合應(yīng)用于石英陶瓷天線罩缺陷檢測(cè)的無(wú)損檢測(cè)方法。

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The Nondestructive Testing Technology of Silica Ceramic Radome

ZHAO Zhongjian
(Shanghai FRP Research Institute Co. Ltd., Shanghai 201404, China)

The open pore size distribution of porous silica ceramics for radome application was tested by a mercury porosimeter. The results show that their open pore sizes were mainly distributed between 100～400nm. Then, the silica ceramic radome was nondestructively tested by the light irradiation method, the industrial CT and the X-ray digital imaging nondestructive testing system. The working principles, testing advantages and shortages of the three methods were analyzed respectively.

silica ceramic; radome; pore size distribution; nondestructive testing; industrial CT; X-ray digital imaging

date: 2014-03-18. Revised date: 2014-03-25.

TQ174.75

A

1000-2278(2014)04-0387-05

10.13957/j.cnki.tcxb.2014.04.008

2014-03-18。

2014-03-25。

趙中堅(jiān)(1977-)，男，碩士，工程師。

Correspondent author:ZHAO Zhongjian(1977-), male, Master, Engineer.

E-mail:gLzhao4sh@163.com