潘紹祥，劉 春

（廣西壯族自治區(qū)特種設(shè)備檢驗研究院欽州分院，廣西 欽州535000）

欽州坭興陶是欽州最名著名的特產(chǎn)之一，也被認(rèn)定為目前廣西最具民族特色的二寶之一。坭興陶是硬脆材料，具備優(yōu)良的耐熱性能、耐磨性能和抗腐蝕性能等物理機械性能。坭興陶制品加工工序復(fù)雜，在制作或者后處理的工序中都可能會產(chǎn)生影響性能的缺陷，當(dāng)表面存在10μm至60μm數(shù)量級的缺陷或者氣孔，就可能導(dǎo)致坭興陶制品在工作時發(fā)生破壞。例如，碳化硅材料在承受的負(fù)荷應(yīng)力為686 N/mm~980 N/mm時，若表面存在30μm至50μm數(shù)量級的缺陷，材料就會遭受破壞[1]。因此，采用靈敏度較高的檢測技術(shù)對坭興陶材料缺陷進行全面檢測十分重要。

超聲檢測技術(shù)具有不改變陶瓷制品使用性能的前提下評價材料連續(xù)性和完整性，并且根據(jù)其特性可以較為全面地檢測坭興陶材料中存在的裂紋、夾雜、氣孔、凹坑等微觀缺陷及其形狀、大小和位置等信息。因此，超聲檢測技術(shù)適用于坭興陶材料檢測加工效率低而成本較高的缺陷情況。

1 超聲檢測的發(fā)展簡史和現(xiàn)狀

無損檢測技術(shù)經(jīng)歷一個世紀(jì)，盡管無損檢測技術(shù)本身并非一種生產(chǎn)技術(shù)，但其技術(shù)水平卻能反映該部門、該行業(yè)、該地區(qū)甚至該國的工業(yè)技術(shù)水平。超聲檢測技術(shù)作為五大常規(guī)檢測技術(shù)之一，由于其與其他常規(guī)無損技術(shù)相比，具有：被測對象范圍廣，檢測深度大；缺陷定位準(zhǔn)確，檢測靈敏度高；成本低，使用方便，速度快，對人體無害以及便于現(xiàn)場使用等特點，因此世界各國都對超聲無損檢測給予高度的重視。目前，國外工業(yè)發(fā)達(dá)的國家的無損檢測技術(shù)已逐步從NDI和 NDT向NDE過渡。無損探傷（NDI）、無損檢測（NDT）和無損評價（NDE）是無損檢測發(fā)展的三個階段[2]。超聲波無損探傷是階級階段，他的作用僅僅是在不損零部件的前提下，發(fā)展其人眼不可見的內(nèi)部缺陷，以滿足工業(yè)設(shè)計中的強度要求。超聲波無損檢測是近20年來應(yīng)用最廣泛的術(shù)語，它不僅是檢測最終產(chǎn)品，而且還要對生產(chǎn)過程的有關(guān)參數(shù)進行檢測。超聲無損評價是超聲波檢測發(fā)展的最高界，不但要求探測缺陷的有無，還要給出材質(zhì)的定量評價，也包括對陶瓷材料和缺陷的物理和力學(xué)性能的檢測及其評價。

2 超聲檢測的工作原理

超聲波是頻率高于（20×103）Hz的機械波。在超聲探傷中常用的頻率為（0.5×106~25×106）Hz.這種機械波在材料中能以一定的速度和方向傳播，遇到聲阻抗不同的異質(zhì)界面（如缺陷或被測物件的底面等）就會產(chǎn)生反射，這種反射現(xiàn)象可被用來進行超聲檢測[3]。超聲檢測就是先用發(fā)射探頭向被檢物內(nèi)部發(fā)射超聲波，再用接收探頭接受從缺陷處發(fā)射回來或穿過被檢工件后的超聲波，并將其在顯示儀表上顯示出來，通過觀察與分析發(fā)射波或透射波的時延與衰減情況，即獲得物體內(nèi)部有無缺陷以及缺陷的位置、大小和性質(zhì)等方面的信息。

以脈沖反射法為例。當(dāng)采用脈沖反射法進行探傷時，脈沖振蕩器發(fā)出的電壓加在探頭上，探頭發(fā)出的超聲波脈沖通過聲耦合介質(zhì)進入材料并在其中傳播，遇到缺陷后，部分反射能量沿原途徑返回探頭，探頭又將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娒}沖，經(jīng)儀器放大而顯示在示波管的熒光屏上。根據(jù)缺陷反射波在熒光屏上的位置和幅度，即可測定缺陷的位置和大致尺寸（其工作原理見圖1）[3]。除脈沖反射法外，還有用另一探頭在工件另一側(cè)接受信號的衍射時差法（TOFD）和穿透法。利用超聲法檢測材料的物理特性時，還經(jīng)常利用超聲波在工件中的聲速、衰減和共振等特性。

圖1 脈沖反射法工作原理示意圖

3 坭興陶材料缺陷的檢測

由于超聲檢測技術(shù)具有不改變坭興陶材料使用性能的前提下，判別出材料的彈性模量、密度差異、厚度等特性，并且根據(jù)其特性可以較為全面地檢測坭興陶材料中存在的裂紋、夾雜、氣孔、分層和凹坑等微觀缺陷及其形狀、大小和位置等信息。因此，超聲檢測是應(yīng)用在坭興陶材料檢測的無損檢測方法中最廣泛的技術(shù)。

超聲C掃描利用超聲波在材料內(nèi)部的傳播特性，通過脈沖掃描采樣方法獲取不同層深位置的超聲特征信號，能較好地再現(xiàn)坭興陶材料或結(jié)構(gòu)內(nèi)部的缺陷（氣孔、裂紋、夾雜和孔隙率等）分布或結(jié)構(gòu)變化，從而為陶瓷材料應(yīng)用和產(chǎn)品設(shè)計提供比常規(guī)超聲C掃描檢測更詳細(xì)的信息，深度方向超聲C掃描檢測技術(shù)具有明顯優(yōu)越的分辨力和小缺陷檢測能力[4]。由于該檢測技術(shù)能檢測陶瓷制品多層層疊整個深度內(nèi)的裂紋和不連續(xù)性，目前已在坭興陶材料工藝研究中得到廣泛應(yīng)用，發(fā)揮了較好的作用。

掃描聲學(xué)顯微鏡（SAM）是提供坭興陶材料信息的一種非常有用的檢測工具，它無需復(fù)雜的樣品制備，就可無損地對材料表面及表層內(nèi)部成像而進行顯微分析，它能獨具特色地提供材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)及材料力學(xué)參數(shù)等重要材料性能參數(shù)[5]。具體地說，聲學(xué)掃描顯微鏡是一種多功能、高分辨率的顯微成像儀器，兼具電子顯微術(shù)高分辨率和聲學(xué)顯微術(shù)非破壞性內(nèi)部成像的特點，被廣泛的應(yīng)用在物料檢測（IQC）、失效分析（FA）、質(zhì)量控制（QC）、質(zhì)量保證及可靠性（QA/REL）、研發(fā)（R&D）等領(lǐng)域，可以檢測陶瓷材料內(nèi)部的晶格結(jié)構(gòu)、雜質(zhì)顆粒、內(nèi)部裂紋、分層缺陷、氣孔、空隙等，為陶瓷制品質(zhì)量鑒定提供客觀公正的微觀依據(jù)[6]。聲學(xué)顯微鏡的出現(xiàn)，彌補了其他現(xiàn)有微觀測試手段（如光學(xué)顯微鏡，掃描電子顯微鏡）的不足，從而使人們獲得了研究認(rèn)識坭興陶材料結(jié)構(gòu)的有力工具。

激光超聲陶瓷無損評價，克服了傳統(tǒng)耦合法難以適應(yīng)在線檢測及高溫、高濕條件下的坭興陶檢測的缺點，具有非接觸性、定量、寬帶、多波型（能同時激發(fā)表面波、橫波、縱波）、時空分辨率高等優(yōu)點，使其既適于坭興陶制作過程監(jiān)測，又能對其成品進行質(zhì)量評價[7-8]。

4 結(jié)束語

綜上所述，無損檢測技術(shù)與人工智能、激光等技術(shù)有機結(jié)合以實現(xiàn)了對復(fù)雜形面復(fù)合構(gòu)件的超聲掃描成像檢測，將現(xiàn)代數(shù)字信號處理與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)用于超聲檢測可以較為全面地檢測坭興陶材料中存在的裂紋、夾雜、氣孔、凹坑等微觀缺陷及其形狀、大小和位置等信息。近年來，隨著人們對工業(yè)生產(chǎn)中陶瓷制品質(zhì)量意識和陶瓷材料壽命預(yù)測技術(shù)的不斷提高，超聲與斷裂力學(xué)知識相結(jié)合，對陶瓷材料的強度與剩余壽命進行評估等方面很有發(fā)展前景。

[1]田欣利，于愛兵.工程陶瓷加工的理論與技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社，2006.

[2]陳建忠，史耀武，常保華.陶瓷材料超聲無損檢測進展[J].宇航材料工藝，1998，（2）:5-10．

[3]羅登林，丘泰球，盧 群.超聲波技術(shù)及應(yīng)用[J].日用化學(xué)工業(yè).2005，2006（5）:323-326．

[4]梁宏寶，朱安慶，趙 玲.超聲檢測技術(shù)的最新研究與應(yīng)用[J].無損檢測，2008，（03）:174-177.

[5]燕戰(zhàn)秋，彭光俊，王春麟，等.精細(xì)陶瓷的超聲波探傷法[J].無損檢測，1994，（7）:181-195.

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[7] 岸輝雄.陶瓷材料的無損評價[J].無損檢測，1987（7）:201-206．

[8]王洪博.復(fù)合材料構(gòu)件的超聲無損檢測關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京：北京理工大學(xué)，2014.