基于微波技術(shù)的復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)

邢賀民，馬 耀，段滋華

（太原理工大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，太原 030024）

復(fù)合材料雖然經(jīng)過(guò)合理的工藝加工過(guò)程和材料成型過(guò)程，但還是存在產(chǎn)生缺陷的可能，引起質(zhì)量問(wèn)題，導(dǎo)致材料的失效。缺陷的存在制約了復(fù)合材料的研發(fā)和應(yīng)用，從而也推進(jìn)了無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展。無(wú)損檢測(cè)技術(shù)已成為發(fā)展復(fù)合材料的關(guān)鍵技術(shù)之一。復(fù)合材料內(nèi)部的常規(guī)無(wú)損檢測(cè)方法為超聲波檢測(cè)法和射線檢測(cè)法。超聲波屬于彈性波，作用在被測(cè)試件表面后會(huì)進(jìn)入試件內(nèi)并快速傳播。由于摩擦作用、熱彈效應(yīng)和遲滯效應(yīng)的作用［1－2］，其在檢測(cè)復(fù)合材料時(shí)衰減很大，制約了其檢測(cè)的效果。微波屬于電磁波，對(duì)于非金屬材料具有很好的穿透性，衰減大大降低，彌補(bǔ)了超聲波的不足。對(duì)于射線檢測(cè)法，由于射線輻射的危害和屏蔽設(shè)備的復(fù)雜，使其檢測(cè)成本很高，同時(shí)其對(duì)平行于表面的裂紋不敏感，需要與超聲波技術(shù)互補(bǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)全面檢測(cè)［3］。對(duì)比之下，微波輻射的危害大大降低，檢測(cè)時(shí)不需要復(fù)雜的屏蔽設(shè)備，降低了檢測(cè)成本。

筆者采用聚苯乙烯泡沫材料、石蠟和橡膠為實(shí)驗(yàn)用非金屬基，用微波技術(shù)對(duì)其進(jìn)行了無(wú)損檢測(cè)。結(jié)果表明，微波回波損耗可以作為檢測(cè)復(fù)合材料內(nèi)部裂紋和氣孔缺陷的特征參量。同時(shí)得出，非金屬基的介電常數(shù)差異會(huì)影響檢測(cè)結(jié)果

1 微波檢測(cè)原理及方案

1.1 微波檢測(cè)原理

微波一方面在不連續(xù)界面處會(huì)產(chǎn)生反射、散射和透射，另一方面還能與被檢測(cè)材料相互作用。不同材料的介電常數(shù)不同，微波傳輸也會(huì)受到材料的電磁參數(shù)和幾何參數(shù)的影響［4－5］。通過(guò)測(cè)量攜帶材料內(nèi)部信息的微波信號(hào)的基本特征參數(shù)的改變，就可以對(duì)材料進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。筆者采用微波回波損耗這一特征參數(shù)，測(cè)量出的回波損耗為負(fù)值，與缺陷的尺寸成反比關(guān)系，在分析和繪圖過(guò)程中為了便于理解，使其與缺陷的尺寸單調(diào)一致，對(duì)回波損耗測(cè)量值取絕對(duì)值，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

1.2 微波檢測(cè)方案

試驗(yàn)參考件和復(fù)合材料是由非金屬基和金屬層復(fù)合而成。其中金屬層材料為Q235，非金屬基為聚苯乙烯泡沫材料、石蠟和橡膠。聚苯乙烯泡沫材料的相對(duì)介電常數(shù)為1.03，石蠟的相對(duì)介電常數(shù)為2.1，橡膠的相對(duì)介電常數(shù)為3［6］。

在被測(cè)復(fù)合材料試件的金屬層加工裂紋和氣孔缺陷，非金屬基疊加覆蓋其表面，使缺陷預(yù)置于復(fù)合材料內(nèi)部。金屬層裂紋缺陷板預(yù)制了5塊，深度分別為1，2，…，5mm，每塊板預(yù)置裂紋寬度為1，2，…，10mm的10條裂紋。圖1為裂紋深度為5mm的金屬缺陷層。非金屬基為聚苯乙烯泡沫材料、石蠟和橡膠各兩塊板，其長(zhǎng)×寬×厚均為500mm×120mm×5mm。氣孔（4行4列）缺陷預(yù)置在一塊金屬層中，如圖2所示。其中每一列直徑相等，一至四列分別為φ4，5，6和7mm，而每一行深度相等，一至四列分別為2，4，6和8mm。非金屬基為聚苯乙烯泡沫材料、石蠟和橡膠各2塊板，其長(zhǎng)×寬×厚均為208mm×208mm×5mm。

圖2 金屬氣孔缺陷層結(jié)構(gòu)

參考試件金屬層為相同兩塊未預(yù)置裂紋缺陷和氣孔缺陷的板材。裂紋類參考試件的金屬層長(zhǎng)×寬×厚為32mm×32mm×8mm，氣孔類參考試件金屬層長(zhǎng)×寬×厚為32mm×32mm×15mm。裂紋和氣孔類參考試件的表面疊加的非金屬基相同，為聚苯乙烯泡沫材料、石蠟和橡膠各2塊，其長(zhǎng)×寬×厚為32mm×32mm×5mm。

通過(guò)上述金屬板和非金屬基疊加放置可以組合出復(fù)合材料測(cè)試試件和參考試件。參考件內(nèi)部沒(méi)有預(yù)置缺陷，用于復(fù)合材料內(nèi)部缺陷的定位。

試驗(yàn)裝置如圖3所示。微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀通過(guò)同軸電纜與微波探頭相連接，用于信號(hào)的輸出與輸入，端口1輸出微波信號(hào)到探頭6，微波信號(hào)發(fā)射到復(fù)合材料中，然后接收信號(hào)到微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行分析。端口2發(fā)射微波信號(hào)到探頭3，參考件沒(méi)有預(yù)置缺陷，可以用于參考，當(dāng)兩組曲線有峰值區(qū)別時(shí)即可以認(rèn)為發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)用復(fù)合材料中的預(yù)置缺陷，然后可以記錄特征信號(hào)的測(cè)量數(shù)值。

圖3 復(fù)合材料內(nèi)部缺陷微波無(wú)損檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果分析

由于裝置波導(dǎo)探頭的匹配頻率為13～18GHz，所以用試驗(yàn)裝置檢測(cè)復(fù)合材料時(shí)，首先需在該頻率下進(jìn)行掃頻檢測(cè)。借助于參考件可以確定不同非金屬基的點(diǎn)頻頻率，然后進(jìn)行點(diǎn)頻無(wú)損檢測(cè)。聚苯乙烯泡沫材料基的點(diǎn)頻頻率為14.5677GHz、石蠟基的點(diǎn)頻頻率為14.5375GHz，橡膠基的點(diǎn)頻頻率為14.7084GHz。

2.1 復(fù)合材料氣孔缺陷的分析

由圖4可以看出氣孔直徑及埋深對(duì)微波特征參量回波損耗的影響規(guī)律。在圓形氣孔深度不變的情況下，微波特征參量回波損耗取絕對(duì)值，其隨聚苯乙烯泡沫基、石蠟基和橡膠基的復(fù)合材料中圓形氣孔缺陷的直徑增大而變大。在圓形氣孔直徑不變的情況下，微波特征參量回波損耗取絕對(duì)值，其隨聚苯乙烯泡沫基、石蠟基和橡膠基的復(fù)合材料中的圓形氣孔缺陷的深度增大而變大。

2.2 不同非金屬基對(duì)氣孔缺陷檢測(cè)的影響分析

由圖5可以得出檢測(cè)圓形氣孔缺陷時(shí)的介電常數(shù)對(duì)微波特征參量回波損耗的影響規(guī)律。在非金屬基和圓形氣孔缺陷深度不變的情況下，微波特征參量回波損耗取絕對(duì)值，其隨氣孔直徑的增大而變大。由于聚苯乙烯泡沫材料的相對(duì)介電常數(shù)為1.03，石蠟的相對(duì)介電常數(shù)為2.1，橡膠的相對(duì)介電常數(shù)為3，在圓形氣孔缺陷尺寸不變的情況下，微波特征參量回波損耗取絕對(duì)值，其隨非金屬基的相對(duì)介電常數(shù)的增大而增加。

2.3 復(fù)合材料裂紋缺陷的分析

由圖6～8可以得出，檢測(cè)裂紋缺陷時(shí)微波特征參量回波損耗的變化規(guī)律。圖6（a），7（a）和8（a）為裂紋深度為3mm的不同金屬基回波損耗的擬合曲線?？梢缘贸觯⒉ㄌ卣鲄⒘炕夭〒p耗取絕對(duì)值，其隨裂紋寬度的增加而增大，而且規(guī)律很顯著。由圖6（b），7（b）和8（b）可以得出，在不同的裂紋深度下，上述規(guī)律依然成立。由此可以得出，微波特征參量回波損耗對(duì)于裂紋的深度不敏感，無(wú)法檢測(cè)出裂紋的深度。

2.4 不同非金屬基對(duì)裂紋缺陷檢測(cè)的影響分析

由圖9可以得出，測(cè)裂紋缺陷時(shí)介電常數(shù)對(duì)微波特征參量回波損耗的影響規(guī)律。由于聚苯乙烯泡沫基和橡膠基的相對(duì)介電常數(shù)相差比較大，在裂紋缺陷尺寸不變的情況下，微波特征參量回波損耗取絕對(duì)值，其隨非金屬基的相對(duì)介電常數(shù)的增大而增加。由于聚苯乙烯泡沫基和石蠟基的相對(duì)介電常數(shù)相差比較小，同時(shí)受到試驗(yàn)操作誤差的影響，所以圖9中曲線出現(xiàn)了交叉情況，但交叉點(diǎn)均在裂紋寬度為（5±1）mm區(qū)域內(nèi)。

圖9 不同裂紋深度下介電常數(shù)對(duì)回波損耗的影響

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)綜合試驗(yàn)，得出了微波特征參量回波損耗與復(fù)合材料內(nèi)部缺陷的檢測(cè)規(guī)律：① 回波損耗可以實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料內(nèi)部裂紋寬度檢測(cè)和氣孔缺陷檢測(cè)。② 不同非金屬基由于介電常數(shù)不同，對(duì)微波無(wú)損檢測(cè)有很大影響。③ 回波損耗絕對(duì)值隨非金屬基的相對(duì)介電常數(shù)的增加而變大。試驗(yàn)提供了一種復(fù)合材料內(nèi)部缺陷的無(wú)損檢測(cè)新方法。

［1］HAN Xiao－Yan，LI Wei.Acoustic chaos and sonic in－frared imaging［J］.Applied Physics Letters，2002，81（17）：3188－3190.

［2］洪毅.超聲紅外熱像技術(shù)及其在無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.南京大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2003（4）：105－110.

［3］劉懷喜，張恒，馬潤(rùn)香.復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)方法［J］.無(wú)損檢測(cè)，2003，25（12）：631－634.

［4］周在杞，周克印，許會(huì).微波檢測(cè)技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008：260－452.

［5］任吉林，林俊明.電磁無(wú)損檢測(cè)［M］.北京：科學(xué)出版社，2008：432－501.

［6］謝處方，饒克謹(jǐn).電磁場(chǎng)與電磁波［M］.北京：高等教育出版社，2007：50－62.