紅外熱波成像技術(shù)在復(fù)合材料無損檢測中的應(yīng)用

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(南京諾威爾光電系統(tǒng)有限公司，南京210046)

復(fù)合材料是多種不同性質(zhì)的材料通過物理或化學(xué)的方法，在宏觀上組成的具有新性能的材料。不同材料在性能上相互取長補短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使得復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料的。復(fù)合材料已廣泛應(yīng)用于航空航天、軍工、船舶、體育用品、工業(yè)等領(lǐng)域[1-3]。由于復(fù)合材料的非均質(zhì)性和各項異性，受生產(chǎn)工藝、環(huán)境控制和一些隨機因素的影響，復(fù)合材料中會不可避免地存在一些缺陷，而復(fù)合材料在制造、裝配和服役的過程中，又可能因機械加工、外力沖擊、碰撞和刮擦等而出現(xiàn)損傷。復(fù)合材料產(chǎn)生的缺陷很大一部分都在材料內(nèi)部，屬于內(nèi)部缺陷。這些缺陷和損傷很難通過目視的方法發(fā)現(xiàn)，對結(jié)構(gòu)的承載能力有很大的影響，成為威脅結(jié)構(gòu)安全性的主要隱患。

為了能夠有效地發(fā)現(xiàn)缺陷并及時排除隱患，工程技術(shù)人員通常需要選用合適的無損檢測技術(shù)對特定類型的缺陷進行安全有效的檢測，以保證復(fù)合材料構(gòu)件的安全服役，因而發(fā)展了多種無損檢測手段對這些缺陷進行檢測，目前影響比較大的有射線檢測技術(shù)、超聲檢測技術(shù)、渦流檢測技術(shù)、紅外熱波成像檢測技術(shù)等[4-7]。

紅外熱波成像技術(shù)是一種新型的無損檢測技術(shù)，近年來取得了快速發(fā)展[8-12]。1994年，美國韋恩州立大學(xué)工業(yè)制造研究所的FAVRO等[13]使用紅外熱波成像技術(shù)對碳纖維增強環(huán)氧薄板中的沖擊損傷進行了檢測。楊小林等[14]使用閃光燈激勵紅外熱波成像技術(shù)對飛機雷達罩復(fù)合材料、新型戰(zhàn)機垂尾結(jié)構(gòu)玻璃纖維復(fù)合材料進行檢測，檢測出了試件的缺陷面積和深度；張劍等[15]采用閃光燈激勵紅外無損檢測技術(shù)對固體火箭發(fā)動機玻璃纖維復(fù)合材料進行檢測，該檢測方法能夠快速、直觀、準確地檢測出復(fù)合材料中的分層、脫黏、夾雜等缺陷；王揚等[16]采用紅外熱波成像檢測方法對CFRP(碳纖維增強復(fù)合材料)層板缺陷進行檢測，采用POD(檢測概率)曲線完成了對紅外鎖相熱波成像技術(shù)檢測能力的評價。以上幾例檢測結(jié)果表明，紅外熱波成像技術(shù)不僅具有檢測復(fù)合材料缺陷的能力，還能夠給出缺陷深度方面的信息。筆者主要介紹了脈沖紅外熱波成像技術(shù)和鎖相紅外熱波成像技術(shù)，并采用上述兩種技術(shù)對多種類型的復(fù)合材料進行了缺陷檢測。

1 紅外熱波成像技術(shù)原理

紅外熱波成像技術(shù)是隨著熱成像技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型無損檢測技術(shù)，其利用紅外熱像儀將物體不可見的紅外輻射信息轉(zhuǎn)換成可見熱圖像。該技術(shù)具有檢測速度快、非接觸、非破壞、檢測面積大、便于在線在役檢測、結(jié)果直觀易懂等優(yōu)點，可對金屬、非金屬、復(fù)合材料中存在的脫黏、裂紋、銹蝕、疲勞、損傷等缺陷進行檢測。

1.1 脈沖紅外熱波成像技術(shù)原理

脈沖紅外熱波成像技術(shù)采用脈沖激勵對試件表面進行熱激勵，形成的熱波向試件內(nèi)部傳播，試件內(nèi)部的缺陷，如脫黏、裂紋、銹蝕、疲勞、損傷等會影響熱波的傳播，從而引起試件表面溫度場的變化，這種溫度變化由紅外熱像儀記錄存儲，并通過對紅外熱圖序列的分析處理實現(xiàn)對缺陷的檢測和評估。因此，該技術(shù)結(jié)合了紅外成像、調(diào)制激勵、信號檢測、圖像處理等多方面的技術(shù)。

脈沖激勵紅外熱波成像檢測系統(tǒng)一般由3部分組成：閃光燈激勵系統(tǒng)、紅外成像系統(tǒng)、紅外圖像序列處理系統(tǒng)等。圖1為脈沖紅外熱波成像系統(tǒng)示意。

圖1 脈沖紅外熱波成像系統(tǒng)示意

1.2 鎖相紅外熱波成像技術(shù)原理

鎖相紅外熱波成像技術(shù)與脈沖紅外熱波成像技術(shù)最大的區(qū)別是鎖相技術(shù)中使用的是周期性熱源。鎖相紅外熱波成像技術(shù)采用周期性調(diào)制熱源激勵被測材料表面，通過紅外熱像儀記錄材料表面周期性變化的溫度場，對紅外圖像序列進行鎖相處理得到振幅與相位圖像，通過分析振幅與相位圖像可以得到材料內(nèi)部的缺陷信息，包括脫黏、損傷等缺陷信息；振幅圖像包括熱激勵源信號的不均勻性信息，相位圖像消除了熱激勵源不均勻性的影響,包含缺陷更多的信息。鎖相法所使用的熱激勵源包括鹵素燈/紅外燈、激光、超聲、電磁等。圖像處理方式主要包括傅里葉變換法、相關(guān)函數(shù)法、四點法等，最后得到熱波振幅和相位圖像。由于鎖相技術(shù)采用周期性熱激勵，所以可以通過增加采集周期來提高熱波圖像的信噪比，以達到較高的檢測靈敏度。圖2為鎖相紅外熱波成像系統(tǒng)示意。

圖2 鎖相紅外熱波成像系統(tǒng)示意

2 試驗系統(tǒng)

2.1 脈沖紅外熱波成像檢測系統(tǒng)

脈沖紅外熱波無損檢測所采用的系統(tǒng)外觀如圖3所示，其配置了10.4 in (1 in=2.54 cm)觸摸顯示屏，操作方便，系統(tǒng)采用鋰電池供電，便于攜帶，適合外場檢測。閃光燈最大能量為6 000 J，熱像儀分辨率為384像素×288像素，工作波長為8～14 μm，采集幀頻最高為100 Hz，室溫下溫度靈敏度小于0.04 ℃，配置短焦距紅外鏡頭，檢測視場范圍為(長×寬)300 mm×225 mm。軟件系統(tǒng)可以完成閃光燈激勵能量、同步觸發(fā)、熱像儀采集時間、采集幀頻、采集背景燈試驗條件控制及對紅外圖像的處理、分析等。

圖3 脈沖紅外熱波成像系統(tǒng)外觀

系統(tǒng)采用一體便攜式設(shè)計，集熱激勵、圖像采集、信號處理于一身，具有重量輕、便攜、易操作、非接觸、非破壞、檢測速度快、檢測面積大、便于在役檢測等優(yōu)點。

2.2 鎖相紅外熱波成像檢測系統(tǒng)

鎖相紅外熱波成像系統(tǒng)采用LED光源作為熱激勵源，總功率為600 W，采用非制冷熱像儀，室溫下溫度靈敏度小于0.04 ℃，采集幀頻在10～100 Hz之間可調(diào)，檢測視場范圍為300 mm×225 mm。

鎖相紅外熱波成像系統(tǒng)具有熱激勵能量小,檢測靈敏度高，對物體表面發(fā)射率均勻性要求低，特別適合于分層缺陷、微小缺陷等優(yōu)點。

圖4 鎖相紅外熱波成像系統(tǒng)外觀

3 檢測結(jié)果

3.1 玻璃纖維蜂窩夾層的檢測

圖5 玻璃纖維蜂窩夾層試件外觀

玻璃纖維蜂窩夾層試件如圖5所示，試件尺寸(長×寬×高)為390 mm×390 mm×11 mm，最上一層是厚度為0.7 mm的玻璃纖維，中間一層是厚度為9.8 mm的紙蜂窩，最下面一層是厚度為0.5 mm的玻璃纖維。在試件的制作過程中，在最上一層和紙蜂窩夾層中的斜對角處預(yù)埋了3個方形膠帶，同時涂膠存在不均勻性。采用脈沖紅外成像系統(tǒng)檢測試件，由于試件面積比單次檢測面積大，因而分成4次進行檢測，分別是左上、右上、左下、右下，檢測結(jié)果如圖6所示。通過圖像無縫拼接技術(shù)把4次檢測的圖像拼接成一張整圖(見圖7)，涂膠不均勻的地方和斜對角處有3個方形膠帶清晰可見。

圖6 玻璃纖維蜂窩夾層試件檢測結(jié)果(拼接前)

圖7 玻璃纖維蜂窩夾層試件檢測結(jié)果(拼接后)

3.2 碳纖維復(fù)合材料試件的檢測

復(fù)合材料在沖擊作用下會產(chǎn)生變形、斷裂、分層、開裂和破碎等缺陷。沖擊一般分為高能沖擊和低能沖擊，高能沖擊一般指采用高速沖擊(例如子彈)造成復(fù)合材料穿透損傷；低能沖擊一般指受到重物的撞擊，產(chǎn)生不可目視檢查的內(nèi)部大范圍損傷。碳纖維復(fù)合材料試件尺寸(長×寬×高)為60 mm×110 mm×2 mm，采用低能沖擊對3個碳纖維復(fù)合材料人工試件造成損傷，采用脈沖紅外無損檢測系統(tǒng)對沖擊損傷試件進行檢測，其可見光圖像與脈沖紅外檢測圖像如圖8所示，從圖8可以看出撞擊的位置和撞擊力的大小。

圖8 碳纖維復(fù)合材料沖擊損傷試件可見光和脈沖紅外檢測圖像

圖9 無人機機翼碳纖維蜂窩試件可見光圖像與脈沖紅外檢測圖像

3.3 無人機機翼碳纖維蜂窩的檢測

無人機機翼碳纖維蜂窩試件尺寸(長×寬×高)為200 mm×280 mm×15 mm，在圈中區(qū)域背面打有一直徑為8 mm的孔，在里面注入水并封住。采用脈沖紅外無損檢測系統(tǒng)對無人機機翼碳纖維蜂窩試件進行檢測，其可見光圖像與脈沖紅外檢測圖像如圖9所示，從圖9(b)可以看到背面注水處的缺陷位置，并可以看到試件的橫梁位置。

3.4 碳纖維蜂窩夾層網(wǎng)格面板脫黏檢測

網(wǎng)格面板碳纖維試件尺寸(長×寬×高)為140 mm×100 mm×20 mm，其中碳纖維條寬度為1.4 mm，網(wǎng)格寬度為2.5 mm，網(wǎng)格正交鋪設(shè)且相交區(qū)域通過膠黏在一起，采用美工刀在某些碳纖維條正交鋪設(shè)的地方挑開，但其物理結(jié)構(gòu)還是交織在一起并依然緊貼；另一方面碳纖維條寬度小，網(wǎng)格寬度小，同時要求能檢測出單個網(wǎng)格脫黏情況，因而增加了檢測的實際難度。

采用鎖相紅外熱波無損檢測系統(tǒng)對網(wǎng)格面板碳纖維試件進行檢測，熱像儀采集頻率為50 Hz，通過多次試驗，不斷調(diào)整鎖相頻率，在鎖相頻率為0.8 Hz的情況下，可以檢測出碳纖維面板之間的脫黏缺陷。網(wǎng)格面板碳纖維檢測圖像如圖10所示，正交鋪設(shè)的碳纖維條脫黏后會阻礙熱量向內(nèi)部傳播，因此脫黏區(qū)域溫度會變高，圖中白色部分為脫黏區(qū)域。

圖10 網(wǎng)格面板碳纖維檢測圖像

3.5 太陽能電池的檢測

太陽能電池以硅半導(dǎo)體材料集成，通過吸收太陽光并轉(zhuǎn)換成電荷進行發(fā)電。在使用過程中，由于轉(zhuǎn)換效率不能很高，會有很多熱能產(chǎn)生，因此電池片與背板的粘接質(zhì)量直接影響太陽能電池的發(fā)電效率與壽命。圖11為太陽能電池板外觀，包括4片小硅太陽能電池，編號分別為3，4，5，6。由于硅太陽能電池板厚度大約為0.2 mm，采用鎖相紅外熱波成像系統(tǒng)對太陽能電池板進行檢測，熱像儀頻率設(shè)為50 Hz，鎖相頻率為1 Hz。

圖11 太陽能電池板外觀

圖12 太陽能電池檢測結(jié)果

圖12為太陽能電池板檢測結(jié)果，圖12(a)為振幅圖像，圖12(b)為相位圖像。從振幅圖像和相位圖像都可以看出太陽能電池板的黏接質(zhì)量信息，但振幅圖像會包含熱激勵的不均勻性信息，振幅圖像清晰度比相位圖像清晰度稍差。從相位圖中可以看出，編號為5的硅太陽能電池中間有一大片面積黏接質(zhì)量差的區(qū)域，編號為3，6，硅太陽能電池黏接質(zhì)量良好；編號為4的硅太陽能電池左邊出現(xiàn)類似圓環(huán)區(qū)域為黏接質(zhì)量差的區(qū)域。相位圖比振幅圖能提供更多的內(nèi)部缺陷信息。

4 結(jié)語

描述了紅外熱波成像檢測技術(shù)的原理，主要對脈沖紅外熱波成像技術(shù)和鎖相紅外熱波成像技術(shù)的原理、系統(tǒng)組成等方面進行了論述。通過脈沖紅外熱波成像技術(shù)與鎖相紅外熱波成像技術(shù)對玻璃纖維蜂窩夾層、鋁蜂窩夾層、碳纖維復(fù)合材料、無人機機翼碳纖維蜂窩、碳纖維蜂窩夾層網(wǎng)格面板、太陽能電池等共6種試件進行了檢測，取得了良好的檢測效果，展示了該技術(shù)對復(fù)合材料缺陷的檢測能力。