郭小弟，王 強(qiáng)，谷小紅，陳錫愛，范昕煒

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玻璃纖維復(fù)合材料缺陷的太赫茲光譜檢測(cè)實(shí)驗(yàn)分析

郭小弟1，王 強(qiáng)2，谷小紅1，陳錫愛1，范昕煒2

（1. 中國(guó)計(jì)量學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，杭州 310018；2. 中國(guó)計(jì)量學(xué)院質(zhì)量與安全工程學(xué)院，杭州 310018）

復(fù)合材料壓力容器缺陷無損檢測(cè)成為目前的研究熱點(diǎn)?；谔掌澕夹g(shù)（透射式THz-TDS系統(tǒng)和BWO成像系統(tǒng)）在室溫下對(duì)玻璃纖維樣品進(jìn)行無損檢測(cè)，獲得了分層缺陷樣品在0.2～1.8THz范圍內(nèi)的折射率譜和吸收譜、夾雜金屬和熱損傷缺陷樣品的成像數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，太赫茲技術(shù)對(duì)玻璃纖維分層缺陷、夾雜金屬和熱損傷缺陷檢測(cè)效果明顯，適用于局部檢測(cè)對(duì)整體性能的判斷。

THz-TDS；BWO成像；玻璃纖維；無損檢測(cè)

0 引言

復(fù)合材料是由兩種或多種元素組成的材料，其有效地改善了原材料本身存在的強(qiáng)度低和抗疲勞性低等物理特性，且克服金屬材料不耐腐蝕等不足，代替了金屬壓力容器和壓力管道[1]。通常來說，復(fù)合材料表面硬度和強(qiáng)度都比金屬材料低。纖維纏繞增強(qiáng)材料屬于典型的復(fù)合材料，廣泛應(yīng)用于車輛CNG（compress natural gas）氣瓶。纖維纏繞材料的纏繞層間強(qiáng)度較低，當(dāng)氣瓶從高處跌落或和利器撞擊（如與后備箱中行李之間的碰撞）會(huì)造成沖擊損傷，制造或使用不當(dāng)會(huì)使內(nèi)膽與纏繞層之間發(fā)生脫粘等不同類型的損傷[2]。傳統(tǒng)的復(fù)合材料無損檢測(cè)多采用超聲波和聲發(fā)射檢測(cè)方法，曾光宇等[3]應(yīng)用超聲C掃描技術(shù)獲得了玻璃纖維材料氣孔、夾渣和疏松等缺陷的多組數(shù)據(jù)。劉懷喜等[4]采用聲發(fā)射法采集了玻璃纖維復(fù)合材料的損傷信號(hào)。

太赫茲時(shí)域光譜（terahertz time-domain spectro- scopy，簡(jiǎn)稱THz-TDS）技術(shù)是基于超快激光技術(shù)的遠(yuǎn)紅外波段光譜測(cè)量新技術(shù)[5-6]，利用物質(zhì)對(duì)THz輻射的特征吸收分析物質(zhì)成分、結(jié)構(gòu)等信息。近些年來，很多學(xué)者利用THz-TDS技術(shù)對(duì)復(fù)合材料領(lǐng)域做了大量的實(shí)驗(yàn)研究。Kwang-Hee等人[7]對(duì)厚纖維氣瓶纏繞材料進(jìn)行太赫茲透射研究，分析時(shí)域光譜，驗(yàn)證了太赫茲時(shí)域光譜和成像技術(shù)對(duì)復(fù)合材料無損檢測(cè)的可行性。Stoik等人[8]對(duì)航空用復(fù)合材料進(jìn)行不同時(shí)間和溫度的熱損傷，并開展實(shí)驗(yàn)，獲得樣品的折射率圖和吸收譜。Wietzke等[9-12]應(yīng)用太赫茲連續(xù)成像系統(tǒng)對(duì)聚乙烯等材料進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明THz成像技術(shù)可清晰檢測(cè)出樣品分層、夾雜等缺陷。但利用THz光譜技術(shù)對(duì)玻璃纖維分層、熱損傷、金屬夾雜等缺陷的檢測(cè)分析國(guó)內(nèi)外還較少有文獻(xiàn)報(bào)道。

本文基于透射式THz-TDS系統(tǒng)和BWO （backward wave oscillator，返波振蕩器）成像系統(tǒng)對(duì)玻璃纖維樣品缺陷進(jìn)行無損檢測(cè)，提取玻璃纖維樣品（100mm×80mm×10mm）分層缺陷的太赫茲時(shí)域光譜。獲得玻璃纖維樣品（25mm×20mm×5mm）夾雜金屬和熱損傷成像數(shù)據(jù)。分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果、探索分層缺陷時(shí)域數(shù)據(jù)的變化規(guī)律以及金屬夾雜和熱損傷缺陷的成像效果，對(duì)上述缺陷進(jìn)行檢測(cè)鑒別。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

如圖1所示，0()為入射的太赫茲信號(hào)，在氮?dú)猸h(huán)境中傳播距離后，得到參考信號(hào)為r()：

r()＝0()e－jN()d/c(1)

式中：()是樣品的復(fù)折射率；為樣品的厚度；為角頻率；為真空中的光速。

通過樣品玻璃纖維時(shí)信號(hào)為s()，其帶有樣品玻璃纖維的信息。根據(jù)Fresnel方程得：

s()＝0()abexp[－j()d/]ba(2)

實(shí)驗(yàn)時(shí)，樣品周圍的介質(zhì)為氮?dú)猓╝≈1），則太赫茲波透過樣品時(shí)的傳遞函數(shù)為[13]：

式中：b是樣品后表面接觸介質(zhì)氮?dú)獾膹?fù)折射率；()和()分別為樣品和參考信號(hào)的振幅模的比值和相位差。因此樣品的折射率和吸收系數(shù)為[13]：

()＝()/d＋1 (4)

式中：()是樣品的消光系數(shù)；()和()分別為樣品的折射率和吸收系數(shù)。由式(4)和(5)可知，樣品厚度精度直接影響到樣品的折射率和吸收系數(shù)。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

本文中實(shí)驗(yàn)部分共涉及2類實(shí)驗(yàn)：透射式THz-TDS系統(tǒng)檢測(cè)和BWO連續(xù)太赫茲波成像檢測(cè)。

透射式THz-TDS系統(tǒng)裝置光路如圖2所示，該系統(tǒng)核心部件是鈦寶石飛秒脈沖激光器，中心波長(zhǎng)為800nm，脈寬小于100fs，重復(fù)頻率為80MHz，輸出功率960mW[14-15]。利用本系統(tǒng)對(duì)玻璃纖維樣品分層缺陷檢測(cè)，得到樣品的THz時(shí)域光譜。

試驗(yàn)在室溫下（約292K）進(jìn)行，THz光路罩在充有氮?dú)獾南潴w內(nèi)（圖2中虛線框），箱內(nèi)相對(duì)濕度為4.0%。在信號(hào)掃描過程中，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的信噪比為1000dB，譜分辨率超過40GHz。

圖1 THz波透射玻璃纖維樣品示意圖

圖2 THz-TDS裝置光路圖

表1為BWO連續(xù)成像系統(tǒng)的主要參數(shù)，實(shí)驗(yàn)時(shí)，樣品放置于樣品架上，調(diào)整THz射線與樣品的角度到垂直狀態(tài)，無需充氮?dú)夂徒档蜐穸龋_啟掃描，采取X-Z二維逐點(diǎn)掃描方式進(jìn)行，計(jì)算機(jī)記錄掃描信息并成像[16]。利用本系統(tǒng)對(duì)玻璃纖維樣品夾雜金屬和熱損傷缺陷檢測(cè)，得到樣品的成像數(shù)據(jù)。

表1 BWO連續(xù)成像系統(tǒng)參數(shù)

1.3 實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)樣品有：玻璃纖維分層缺陷（夾雜聚四氟乙烯，樣品大小為100mm×80mm×10mm）、玻璃纖維夾雜金屬缺陷（樣品大小為25mm×20mm×5mm）和玻璃纖維熱損傷缺陷（樣品大小為25mm×20mm×5mm），實(shí)驗(yàn)樣品如圖3所示。

圖3 玻璃纖維樣品光學(xué)圖示

實(shí)驗(yàn)樣品來自河北石家莊某公司纏繞車間，纖維纏繞材料是由直徑約10mm的纖維絲捻成。纏繞過程中，將纖維線浸入環(huán)氧樹脂后纏繞到模板上，達(dá)到一定厚度時(shí)，停止纏繞。最后將纏繞板壓制成型，按要求切割樣品。按照工藝要求纏繞時(shí)樹脂的理論比例占40%～60%。使樣品結(jié)構(gòu)均勻，前后表面基本保持平行，以減少THz波透過樣品過程中多重反射的影響。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

基于透射式THz-TDS系統(tǒng)檢測(cè)玻璃纖維分層缺陷的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，圖4(a)為THz波透過參照氮?dú)獾臅r(shí)域波形，圖4(b)為THz波透過無缺陷的玻璃纖維和有缺陷的玻璃纖維的時(shí)域波形，其中包含了振幅和相位信息。

(a)

(b)

圖4 玻璃纖維分層缺陷的THz時(shí)域波形圖

Fig.4 THz time domain waveform of glass fiber delamination defect

由圖4(b)和4(a)比較可知，樣品信號(hào)相對(duì)于氮?dú)庑盘?hào)有一定的幅值衰減和時(shí)間延遲，無缺陷樣品信號(hào)的幅值約為參考信號(hào)的2%，時(shí)間延遲37ps，首先由于THz波在樣品中的折射率大于在氮?dú)庵械恼凵渎剩浯尾ＡЮw維樣品對(duì)THz波的吸收高于氮?dú)饧皹悠繁砻婕皟?nèi)部的反射和散射造成以上結(jié)果；有缺陷的樣品信號(hào)的幅值約為參考信號(hào)的2%，時(shí)間延遲41ps。由圖4(b)可知，有缺陷的樣品信號(hào)的幅值是無缺陷的樣品信號(hào)的97%，時(shí)間延遲4ps。這是由于玻璃纖維夾雜的聚四氟乙烯對(duì)THz波的吸收大于玻璃纖維造成的。

對(duì)如圖4所示的時(shí)域數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換，根據(jù)公式(4)和(5)計(jì)算了玻璃纖維樣品有缺陷和無缺陷的折射率和吸收系數(shù)，結(jié)果如圖5、6所示。

從圖5(a)和圖6(a)可知無缺陷玻璃纖維樣品折射率隨著頻率的增加而緩慢下降，但是有缺陷的玻璃纖維樣品的折射率在0.25～0.85THz范圍內(nèi)隨著頻率的增加而增加，在0.85～1.8THz范圍內(nèi)隨著頻率的增加而緩慢下降。這可能是由于光色散和樣品結(jié)構(gòu)缺陷的吸收引起的。而且折射率的每處顯著變化都與吸收譜中的特征吸收峰所對(duì)應(yīng)，這與Kromers-Kronig方程一致，說明在吸收峰附近，樣品呈反常色散現(xiàn)象。從圖5(b)吸收譜可得到，樣品在0.84THz、1.35THz、1.54THz、1.63THz處均存在1個(gè)明顯的特征吸收峰。經(jīng)分析認(rèn)為是玻璃纖維樣品中纖維結(jié)構(gòu)和環(huán)氧樹脂引起的。從圖6(b)可得到，樣品在0.6THz、0.91THz、1.06THz、1.63THz處均存在1個(gè)明顯的特征吸收峰。經(jīng)分析認(rèn)為是玻璃纖維樣品中纖維結(jié)構(gòu)、環(huán)氧樹脂和夾雜的聚四氟乙烯引起的。

(a)

(b)

圖5 無缺陷樣品的折射率和吸收系數(shù)

Fig. 5 Refractive index and absorption coefficient of the no defect sample

(a)

(b)

圖6 缺陷樣品的折射率和吸收系數(shù)

Fig.6 Refractive index and absorption coefficient of the defect sample

基于BWO連續(xù)太赫茲波成像系統(tǒng)對(duì)玻璃纖維樣品夾雜金屬和熱損傷缺陷檢測(cè)結(jié)果如圖7所示。

圖7 BWO系統(tǒng)成像結(jié)果

如圖3(b)和圖7(a)所示，該樣品缺陷為5mm厚的玻璃纖維中夾雜＝0.5mm的低熔點(diǎn)焊錫絲，缺陷面積約為10mm×15mm。因?yàn)榻殡姴牧蠈?duì)THz波是不透明的，當(dāng)波透射到焊錫絲時(shí)，其作為介電性良好的導(dǎo)電材料，將THz波全部反射。金屬材料與玻璃纖維材料不同的THz波特性使其在成像時(shí)能清晰的顯現(xiàn)出，圖7(a)中，成像結(jié)果出現(xiàn)暗色塊狀區(qū)域，觀察樣品發(fā)現(xiàn)此處焊錫絲與玻璃纖維樣品沒有完全貼合，存在較淺的空氣層。如圖3(c)和7(b)所示的熱損傷缺陷是由300℃的電烙鐵持續(xù)燙劃造成。缺陷呈“十”字，橫軸長(zhǎng)10mm，縱軸長(zhǎng)13mm，寬約1mm。圖7(b)中軸方向有長(zhǎng)12mm，寬2mm的深色區(qū)域，與原圖相符。但軸方向上的顯示不夠清晰，經(jīng)與實(shí)物對(duì)比，發(fā)現(xiàn)軸方向上的燙傷深度較軸淺，太赫茲波在透射時(shí)走過的距離更長(zhǎng)，能量損耗更多，峰值下降，因此未能在圖案中完全顯示。圖7(b)中位于軸8mm、18mm、28mm、42mm處，軸方向出現(xiàn)4條長(zhǎng)約20～30mm不等的黑色暗紋，是由玻璃纖維復(fù)合材料樣品在制作過程中纖維和環(huán)氧樹脂的分布不均勻造成的，并非樣品缺陷。

3 結(jié)語

1）基于透射式THz-TDS系統(tǒng)得到10mm厚玻璃纖維分層缺陷在0.2～1.8THz波段的時(shí)域波形，分析其吸收譜和折射率譜。結(jié)果表明該系統(tǒng)對(duì)玻璃纖維分層缺陷具有良好的檢測(cè)效果。

2）BWO連續(xù)太赫茲波成像系統(tǒng)對(duì)5mm厚玻璃纖維夾雜金屬和熱損傷缺陷檢測(cè)，檢測(cè)效果明顯?？赏ㄟ^成像的THz光譜數(shù)據(jù)分析表面無損的玻璃纖維樣品，尤其適用于通過局部檢測(cè)對(duì)整體性能的判斷。

3）成像結(jié)果中缺陷與樣品中實(shí)際尺寸存在的比例關(guān)系，損傷程度與成像幅值之間關(guān)系確定是下一步的研究方向。

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Analysis of Terahertz Spectroscopic Inspection Experiment forGlass Fiber Composite Material Defects

GUO Xiao-Di1，WANG Qiang2，GU Xiao-Hong1，CHEN Xi-Ai1，F(xiàn)AN Xin-Wei2

(1.,,310018,；2.,,310018,)

Defect nondestructive test of composite pressure vessel has become a hot research field at present. The glass fiber winding reinforced composite material was detected nondestructively at room temperature by the THz technology (transmission THz-TDS system and BWO imaging system). Measurement of the sample gained the absorption coefficient and refractive index of delamination defect from 0.2THz to 1.8THz and imaging data including metal and thermal damage. The results show that THz technology has obvious defect inspection effect on the samples of glass fiber lamination, including metal and thermal damage. The method can be applied to determine the overall performance of the local inspection.

THz-TDS，BWO imaging，glass fiber reinforce plastic，nondestructive testing

TB322

A

1001-8891(2015)09-0764-05

2015-06-08；

2015-07-17.

郭小弟（1991-），男，碩士研究生，主要從事太赫茲光譜技術(shù)應(yīng)用研究。E-mail：505126972@qq.com。

谷小紅（1977-），男，副教授，主要從事自動(dòng)化裝置與檢測(cè)、信號(hào)處理。E-mail：xhgu@cjlu.edu.cn。

浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目，編號(hào)：LY14E040002，LQ14F05003；質(zhì)檢公益性行業(yè)科研專項(xiàng)資助，編號(hào)：201410025。