廖曉玲,王 強,谷小紅,陳錫愛

(1.中國計量學院質(zhì)量與安全工程學院,浙江 杭州 310018；2.中國計量學院機電工程學院,浙江 杭州 310018)

?

·太赫茲技術(shù)·

基于THz-TDS的碳纖維復合材料無損檢測

廖曉玲1,王 強1,谷小紅2,陳錫愛2

(1.中國計量學院質(zhì)量與安全工程學院,浙江 杭州 310018；2.中國計量學院機電工程學院,浙江 杭州 310018)

基于反射式THz-TDS成像技術(shù)對碳纖維纏繞增強復合材料缺陷進行無損檢測實驗,獲得不同缺陷碳纖維樣品的成像結(jié)果及數(shù)據(jù)。結(jié)果表明,反射式THz-TDS成像技術(shù)在0.1～3.5 THz波段對碳纖維復合材料中的熱損傷、劃傷缺陷、磨損缺陷及孔洞缺陷成像清晰,分辨率較高；且獲得的時域波形對樣品熱損傷缺陷敏感,適用于局部檢測對整體性能的判斷。

THz-TDS成像;碳纖維復合材料;無損檢測;缺陷

1 引 言

太赫茲(Terahertz,THz)光譜技術(shù)在過去的幾十年中發(fā)展迅速,被廣泛應用于物質(zhì)鑒別[1]、生物醫(yī)學[2]、安全監(jiān)測[3]等方面,在無損探傷領域也開始得到應用[4-5],并在復合材料無損檢測方面逐漸引起關注。

復合材料是由兩種或多種元素組成的材料,其有效改善原材料本身存在的強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,纖維纏繞增強材料屬于典型復合材料。通常復合材料表面硬度和強度都比金屬材料低,以沖擊損傷為例,復合材料依靠材料的彈性變形和損傷破壞來吸收能量,其損傷模式較金屬材料的塑性形變更為復雜,沖擊后可能產(chǎn)生多種缺陷。

傳統(tǒng)復合材料無損檢測多采用超聲波檢測方法,劉松平等以超聲成像技術(shù)輔以計算機設計等技術(shù)對碳纖維增強復合材料(Carbon Fiber Reinforce Plastic,CFRP)的層間界面結(jié)構(gòu)缺陷進行檢測[6],但對其他缺陷的檢測還存在不足。太赫茲波對復合材料無損檢測領域中,Kwang-Hee等對厚纖維纏繞材料進行研究,得到材料中不同組分的折射率[7]。Stoik等對航空用復合材料進行一維檢測,從成像結(jié)果及吸收系數(shù)等參數(shù)指認夾雜、燒傷等缺陷[8]。Wietzke等對聚乙烯等材料進行檢測,結(jié)果表明太赫茲成像技術(shù)可清晰檢測樣品分層、夾雜等缺陷[9-13]。但針對CFRP熱損傷、機械損傷等缺陷進行太赫茲光譜成像定量檢測分析的國內(nèi)外還較少有文獻報道。

本文以厚度d=2 mm的CFRP材料為樣品,對熱損傷、劃傷、磨損等缺陷開展反射式THz-TDS成像檢測實驗,分析結(jié)果,并提取若干像素點的時域光譜,探索不同缺陷的成像效果及成像點時域數(shù)據(jù)的變化規(guī)律,對上述缺陷進行檢測鑒別。

2 實驗原理及樣品制備

2.1 THz-TDS成像原理及裝置

太赫茲時域光譜(Terahertz Time Domain Spectroscopy,THz-TDS)技術(shù)因其在測量光譜信息時直接測量時域的電場強度而得名?；谏鲜?本文采用反射式成像原理,對CFRP樣品進行無損檢測實驗。反射式THz-TDS相較其他一般強度成像的最大特點在于其含有更大的信息量,每個像素點都對應一個時域波形,可從時域信號及傅里葉變換頻譜中選擇任一數(shù)據(jù)點的振幅或相位進行成像,從而重構(gòu)樣品的空間密度分布、折射率和厚度分布等。

如圖1所示為反射式太赫茲信號成像原理,太赫茲波從探頭發(fā)射后,在各向同性的媒介中碰到缺陷點(圖中黑色圓點所示)后被反射到媒介表面(Z=0),Timothy等將基于惠更斯原理(Huyghens principle)提出的基爾霍夫積分(Kirchhoff integral)用于解決上述問題[14]。

圖1 太赫茲反射式成像信號模式

信號重構(gòu)成像位置如圖2所示,接收探頭對稱的分布在發(fā)射探頭兩側(cè),當接收探頭按照接收的信號直接重建將出現(xiàn)一個理論的缺陷點,按原規(guī)則缺陷點位于(x0,z0),發(fā)射器位于(0,0),其中一個接收器位于(x,0),在各向同性媒介中的傳播時間可由畢達哥拉斯定理(Pythagorean theorem)獲得[14]。

(1)

其中，v0是太赫茲波在介質(zhì)中的速度;τ是兩個光程的傳播時間;D(x)是太赫茲波從發(fā)射探頭到目標點后返回接收器的距離。

圖2 信號重構(gòu)成像位置

接收器對每一個接收到的信號進行重建,真正缺陷點的能量與其他點之間存在差異,因此在成像時可明確區(qū)分,基爾霍夫遷移提供了一種可以重建同質(zhì)媒介中點源的方法,同理其可對任意形狀的源進行重建。

其中X軸方向的分辨率可由公式(2)確定:

(2)

其中，fmean是太赫茲源的平均頻率;ν0是太赫茲波在介質(zhì)中的速度;τ是兩個光程的傳播時間。

Z軸方向的分辨率由公式(3)確定:

(3)

其中，Δf是太赫茲輻射的帶寬。

如圖3所示為本實驗所用的反射式THz-TDS成像系統(tǒng),該系統(tǒng)是美國Zomega公司生產(chǎn)的Z3 THz-TDS儀,發(fā)射端為光電導天線,接收端為電光采樣。Z3 THz-TDS儀產(chǎn)品參數(shù)見表1,其中樣品數(shù)據(jù)采集方式中兼具透射和反射,文中使用的是反射式成像方式。

圖3 THz-TDS成像系統(tǒng)

表1 Z3 THz-TDS儀參數(shù)

實驗時,樣品在步進電機控制下在垂直于太赫茲波傳輸方向的x-y平面移動,使太赫茲射線通過樣品的不同測試點,確保預置區(qū)域全部被掃描,計算機采集并保存預置區(qū)域中每個測試點的時域信息,再利用各點時域信號中的最大值最小值或頻譜相位對樣品圖像進行重構(gòu)并顯示。

2.2 CFRP樣品制備

實驗樣品來自河北石家莊某公司纏繞車間,生產(chǎn)時抽取纖維絲的一端固定在金屬模板上(40 cm×50 cm),并將纖維浸潤到環(huán)氧樹脂中,確保達到工藝要求的樹脂占比在40%～60%,纏繞至一定厚度后,將金屬模板及纏繞板壓制成型,脫模后切割至預設大小并制作缺陷。生產(chǎn)所用纖維材料來自藍星公司(LX-500H-12K碳纖維),直徑Φ=10 μm,該尺寸遠小于THz波長(300 μm)。

3 結(jié)果與分析

反射式THz-TDS系統(tǒng)對物體的成像有多種模式可選,如最大值成像、最小值成像、相位成像和位置成像等,不同成像方式具有各自特點,如最大值成像注重邊緣散射的優(yōu)化,相位成像則對樣品的厚度信息更加敏感。實驗中所用碳纖維樣品厚度相同(d=2 mm),因此最大值成像更適用。

3.1 時間窗口截取

反射式THz-TDS系統(tǒng)在對樣品進行成像前,需對探測點的時域波形進行時間窗口截取,以便后期處理數(shù)據(jù)時可依據(jù)不同需求選擇。因太赫茲波在樣品表面采集信號并成像,則時間窗口的截取與樣品厚度有關,因此實驗中只需針對一個厚度(2 mm)進行測算即可。截取時需保證截取的窗口中包含的脈沖個數(shù)為主脈沖的整數(shù)倍,遵循輸入信號與輸出信號對應原則,以主脈沖前約3 ps位置為標準,下一個脈沖前3 ps為另一個截斷點,如圖4所示,為樣品時間窗口截取示意圖,樣品反射峰的位置決定參考波的時間窗口[15]。實驗中,經(jīng)多次截取比對,確定時間窗口為8～17 ps。

圖4 時間窗口截取示意圖

3.2 CFRP成像檢測

圖5所示分別為CFRP樣品不同缺陷的THz-TDS反射成像結(jié)果及光學圖示對比。成像缺陷包括熱損傷、表面劃傷、磨損缺陷及孔洞缺陷等。

圖5 四種缺陷成像結(jié)果及光學圖示

表2為不同缺陷經(jīng)打點測試后確定的掃描區(qū)域,成像的相對分辨率均為0.5,以最大值成像。

表2 不同缺陷掃描區(qū)域值

如圖5所示,不同缺陷成像效果存在一定的差異,成像結(jié)果中,橫縱軸分別表示樣品X軸及Y軸坐標。圖5(a)、(c)、(e)、(g)分別為CFRP樣品中為熱損傷、劃傷、磨損及孔洞缺陷的成像,圖中有缺陷處成像結(jié)果較無缺陷處暗,且隨著缺陷深度變化,成像結(jié)果呈現(xiàn)不同亮度。如5(c)、(d)所示,因CFRP表面的劃傷缺陷深度存在差異,在成像結(jié)果中的顯示則隨著深度的減小,成像亮度增強；圖5(g)、(h)為CFRP樣品中孔洞缺陷的成像及光學圖示,圖5(g)中三孔洞相對位置與樣品光學圖示相符,且孔徑大小與實際尺寸存在比值關系。

3.3 CFRP成像數(shù)據(jù)分析

圖6(a)、(b)所示分別為CFRP樣品中熱損傷及磨損缺陷交叉處的時域波形,圖中兩條曲線表示成像過程中前后兩個相位的時域波形。從圖6(a)中觀察,太赫茲波透過樣品中部熱損傷交叉處時,其時域波形幅值發(fā)生較大衰減,最大值在16 a.u.左右。上述現(xiàn)象在磨損缺陷交叉處同樣發(fā)生,時域最大值僅為13 a.u.。

圖6 2種缺陷交叉區(qū)域成像時域波形

已知圖7(a)中左側(cè)曲線為前一個成像點的相位,右側(cè)曲線為后一個點相位。當后一個相位位于前一個相位的右側(cè),波向右移動,基于反射成像的原理,此處太赫茲波穿過樣品的距離增大,波峰滯后出現(xiàn),實際檢測中,探頭從有缺陷向無缺陷處移動；反之后一個相位波形出現(xiàn)在前一個相位左側(cè),波向左移動,太赫茲探頭向有缺陷處推進。

結(jié)合圖6和圖7,可知缺陷交叉區(qū)域?qū)μ掌澆ǖ乃p較大,成像點相位峰值的前后位置對缺陷也有所表達。

圖7 2種缺陷邊緣成像時域波形

3.4 CFRP熱損傷定量分析

圖8為四種缺陷在成像過程中幅值取最大值的時域波形,觀察成像結(jié)果及波形,并提取其中參數(shù)分析整理得到表3,CFRP樣品成像過程太赫茲波的光譜數(shù)據(jù)。

圖8 四種缺陷成像時域波形最大值

發(fā)射強度/GHz最大幅值(a．u．)最小幅值(a．u．)存在缺陷2003516交叉型熱損傷2006433劃傷2004013線型磨損2004215線型熱損傷2005929劃傷(2)

表格中最后一組數(shù)據(jù)為劃傷缺陷二次成像檢測,以排除偶然失誤的可能。分析上表及波形圖,發(fā)現(xiàn)四種缺陷中存在劃傷缺陷的樣品在成像過程中損失能量最少(成像峰值達64 a.u.),而其他三種缺陷的成像最大值和最小值皆在40 a.u.左右。分析發(fā)現(xiàn),劃傷缺陷在形成的過程中產(chǎn)生熱量值最小(可忽略不計),而其他三種缺陷的樣品在成像過程中都有不同程度的受熱,如燙傷缺陷是由T=300 ℃的電烙鐵持續(xù)燙傷形成。當太赫茲波透過碳纖維樣品時,樣品因受熱導致內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,太赫茲波在其中的散射強度因而產(chǎn)生差異,最終在采集到的時域波形中體現(xiàn)為較低的峰值?？芍鶕?jù)CFRP樣品上特定區(qū)域中任一反射THz-TDS信號參數(shù),對整個區(qū)域是否受過熱損傷做出準確判斷。

4 結(jié) 論

(1)反射式THz-TDS成像對2 mm厚碳纖維中孔洞缺陷、熱損傷、磨損缺陷及劃傷具有良好的效果。

(2)反射式THz-TDS成像對碳纖維材料受熱情況敏感,可通過對成像太赫茲光譜數(shù)據(jù)的分析,對被檢對象進行,分析表面無損的碳纖維樣品,適用于通過局部檢測對整體性能的判斷。

(3)CFRP樣品缺陷的成像結(jié)果與樣品實際尺寸存在比例關系,熱損傷程度與成像時域波形幅值之間關系有待于進一步研究。

[1] WANG Qiang,WANG Xiaowei,MA Yehao.Application of terahertz time-domain spectrum in fruits and bactericide mixtures detection and classification[J].Journal of Central South University,2012,43(8):3080-3084.(in Chinese)

王強,王孝偉,馬冶浩.基于THz時域光譜技術(shù)的水果殺菌劑農(nóng)藥檢測與鑒別[J].中南大學學報,2012,43(8):3080-3084.

[2] Ma Y H,Wang Q,Li L Y.PLS model investigation of thiabendazole based on THz spectrum[J].Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer,2013,117:7-14.

[3] Dexheimer S L.Terahertz spectroscopy:principles and applications[M].New York:CRC press,2007:299.

[4] Di Zhigang,YAO Jianquan,JIA Chunrong,et al.Experimental study on terahertz imaging technique in nondestructive inspection[J].Laser & Infrared,2011,41(10):1163-1166.(in Chinese)

邸志剛,姚建銓,賈春榮,等.太赫茲成像技術(shù)在無損檢測中的實驗研究[J].激光與紅外,2011,41(10):1163-1166.

[5] ZHANG Chunlin,MU Kaijun.Terahertz spectrum and imaging[J].Laser & Optoelectronics Process,2010,02:1-14.(in Chinese)

張存林,牧凱軍.太赫茲波譜與成像[J].激光與光電子學進展,2010,02:1-14.

[6] LIU Songping,LIU Feifei,GUO Enming,et al.Ultrasonic imaging technique for evaluation of interlaminar defect in carbon fiber-reinforced composites[J].Nondestructive Testing,2009,31(11):868-872.(in Chinese)

劉松平,劉菲菲,郭恩明,等.碳纖維增強復合材料層間界面缺陷超聲成像技術(shù)[J].無損檢測,2009,31(11):868-872.

[7] Im K H,Hsu D K,Chiou C P,et al.Influence of Terahertz Waves on the Penetration in Thick FRP Composite Materials[C].AIP Publishing Proceedings,2014:1568-1575.

[8] Stoik C D,Bohn M J,Blackshire J L.Nondestructive evaluation of aircraft composites using transmissive terahertz time domain spectroscopy[J].Optics Express,2008,16(21)：17039-17051.

[9] Peters O,Wietzke S,Jansen C,et al.Nondestructive detection of delaminations in plastic weld joints[C],IEEE.2010:1-2.

[10]Scheller M,Jansen C,Koch M.Analyzing sub-100-μm samples with transmission terahertz time domain spectroscopy[J].Optics Communications,2009,282(7):1304-1306.

[11]Jansen C,Wietzke S,Peters O,et al.Terahertz imaging:applications and perspectives[J].Applied optics,2010,49(19):E48-E57.

[12]Wietzke S,J?rdens C,Krumbholz N,et al.Terahertz imaging:a new non-destructive technique for the quality control of plastic weld joints[J].Journal of the European Optical Society-Rapid publications,2007,2.

[13]Jansen C,Wietzke S,Wang H,et al.Terahertz spectroscopy on adhesive bonds[J].Polymer Testing,2011,30(1):150-154.

[14]Dorney T D,Symes W W,Mittleman D M.Multistatic reflection imaging with terahertz pulses[J].International journal of high speed electronics and systems,2003,13(02):677-699.

[15]Duvillaret Lionel,Garet Frederic,Jean-Louis Coutaz.A Reliable Method for Extraction of Material Parameters in Terahertz Time-Domain Spectroscopy[J].IEEE Journal of Selected Topics In Quantum Electronics,1996,2(3):739-746.

Nondestructive inspection of carbon fiber composite materials based on THz-TDS

LIAO Xiao-ling1,WANG Qiang1,GU Xiao-hong2,CHEN Xi-ai2

(1.College of Quality and Safety Engineering,China Jiliang University,Hangzhou 310018,China；2.College of Mechanical and Electrical Engineering,China Jiliang University,Hangzhou 310018,China)

The reflective THz-TDS imaging technology was used to perform non-destructive testing of carbon fiber winding reinforced composite material.The imaging and data of carbon fiber samples with different defects were obtained.The results show that the heat damage,scratch defect,wear defects and flat-hole defect in carbon fiber composite material are clearly revealed by reflective THz-TDS imaging technology,and the imaging has high resolution.The time domain waveform is sensitive to thermal damage in samples,and this is especially suitable for determining the overall performance by local detection.

THz-TDS imaging;carbon fiber composite materials;nondestructive testing;defect

1001-5078(2015)10-1255-06

浙江省自然科學基金(No.LY14E040002;No.LQ14F05003);質(zhì)檢公益性行業(yè)科研專項(No.201410025)資助。

廖曉玲(1990-)女,在讀碩士,主要從事太赫茲光譜技術(shù)應用研究。E-mail:liaoliaoxl@163.com

2015-02-03;

2015-02-13

TB322

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.10.022