復(fù)合材料與鋼板黏合面的太赫茲無損檢測

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（華中科技大學(xué) 光學(xué)與電子信息學(xué)院，武漢光電國家實驗室，武漢 430074）

復(fù)合材料與傳統(tǒng)材料相比，具有比強度高、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。進入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]，在實際應(yīng)用中通常要求對復(fù)合材料進行無損檢測。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，適用于不同的場合、材料和工件。隨著科技的發(fā)展與進步，一些新型復(fù)合材料應(yīng)運而生，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，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，所以可以實現(xiàn)對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)對黏合面進行無損檢測，評估其黏合質(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）二維平面上移動樣件，獲得不同（x，y）點的太赫茲時域譜，傅立葉變換后獲得相應(yīng)點的頻域譜。這樣可以獲得0.1～2.5 THz范圍內(nèi)不同頻率點上樣件的（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，反射信號穿過樣件后與發(fā)射信號進行混頻，被肖特基二極管接收探測。混頻后得到的信號中含有目標(biāo)的相對距離信息，掃描頭一次二維掃描，可同時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300 mm見方的鋼質(zhì)薄板上，需要對黏結(jié)質(zhì)量進行評估。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域進行掃描，對此大樣件耗時更多，故針對本樣件選用連續(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），可同時獲得Z方向上不同深度（此時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的相對強弱，紅色最強，藍色最弱。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。因為樣件對太赫茲波的折射率（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，對應(yīng)樣件Z＝－28/n處的反射圖像。圖中梯形樣件反射強度并不均勻，四周反射率高，應(yīng)是粘接劑涂層較薄，底部鋼板對太赫茲的反射信號較強的緣故，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，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強度較弱，是因為此處黑色涂層脫落，白色高分子復(fù)合材料對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。同樣此時中間方形圖像對應(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較弱，且信號強度均勻，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，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)對復(fù)合材料與鋼板黏合面的黏合質(zhì)量進行了無損檢測。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，并進行黏合面的質(zhì)量評估；后續(xù)鋼板受力分析試驗證實了黏合面質(zhì)量評估的正確性。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，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)對多層蜂窩樣件無損檢測的試驗研究［J].光電子.激光，2013，24（6）：1158－1162.