石英陶瓷天線罩無損檢測技術研究

趙中堅

（上海玻璃鋼研究院有限公司，上海 201404）

石英陶瓷天線罩無損檢測技術研究

趙中堅

（上海玻璃鋼研究院有限公司，上海 201404）

采用壓汞儀對多孔石英陶瓷進行了開口孔徑分布測試，結果顯示石英陶瓷開口孔徑分布主要集中在100～400nm之間，其孔徑分布范圍比較集中。分別采用燈光照射法、工業(yè) CT和X射線數(shù)碼成像無損檢測系統(tǒng)進行石英陶瓷天線罩無損檢測，并分析了三種檢測方法各自的工作原理、檢測優(yōu)勢與不足。

石英陶瓷；天線罩；孔徑分布；無損檢測；工業(yè)CT；X射線數(shù)碼成像

0 前 言

導彈天線罩既是彈頭的組成部分，又是導彈制導系統(tǒng)的重要組成部分。隨著導彈技術的發(fā)展,導彈射程越來越遠，速度越來越快，這使得導彈彈頭面臨的使用環(huán)境越來越惡劣，對導彈天線罩材料也提出了越來越高的使用要求。石英陶瓷是目前國內外應用最廣泛的導彈天線罩材料，我國在上世紀70年代開始石英陶瓷天線罩的研制工作，目前已經在多個型號導彈上得到應用[1-5]。石英陶瓷材料是一種多孔陶瓷材料，采用阿基米德排水法測定其開氣孔率為8-12%。石英陶瓷天線罩在成型、燒結和加工過程中，可能在產品表面或內部產生各種微小缺陷，導致天線罩存在安全隱患。所以有必要采用有效的測試手段對石英陶瓷天線罩微缺陷進行全面檢測。

無損檢測(NDT)是在不改變被檢對象使用性能的前提下評價材料完整性和連續(xù)性, 檢出固有缺陷及其形狀、位置和大小等信息，適于檢測加工效率低而成本高的工程陶瓷材料的缺陷情況。據(jù)可查閱文獻資料顯示[6-10]，無損檢測方法對于致密陶瓷材料的缺陷探傷檢測研究進行的較多，而對于多孔石英陶瓷材料的無損檢測未見報道。本文結合石英陶瓷材料的多孔特性，采用多種無損檢測技術對石英陶瓷天線罩進行缺陷檢測與評價。

1 實驗材料及實驗方法

本文試驗所用多孔石英陶瓷和石英陶瓷天線罩由上海玻璃鋼研究院有限公司采用泥漿澆注工藝制備。采用美國康塔公司生產的PoreMaster 33G壓汞儀測試多孔石英陶瓷開口氣孔孔徑分布，采用300W白熾燈進行石英陶瓷天線罩燈光檢測。

采用上海軸承技術研究所計算機X射線斷層數(shù)字成像系統(tǒng)(工業(yè)CT)進行石英陶瓷天線罩無損檢測，其主要技術參數(shù)如下：

X光射線管管電壓：225 KV；管電流：1.4 mA；空間分辨率：0.05 mm3；缺陷分辨尺寸：≥12μm；密度分辨率：≥1%。

采用以色列維迪斯科公司生產的DR便攜式X射線數(shù)碼成像無損檢測系統(tǒng)進行石英陶瓷天線罩無損檢測。其主要技術參數(shù)如下：

圖像傳感器種類：大尺寸非晶硅陣列；動態(tài)范圍：14位(16384灰度)；分辨率：3.5l p/mm(線對/毫米)；800%的非數(shù)字不失真放大；X射線源：便攜式脈沖射線源。

2 結果與討論

2.1 石英陶瓷孔徑分布測試

石英陶瓷天線罩在成型、燒結和加工過程中，由于存在體積收縮、變形和機械沖擊，每道工序都可能導致材料內部產生氣孔、微裂紋等微小缺陷，陶瓷材料顯微結構的非均質性和對外因損傷的敏感性，使其缺陷臨界尺寸比金屬或復合材料小1～2個數(shù)量級，材料中存在幾微米的裂紋或氣孔即可能導致制品破壞，導致天線罩存在安全隱患。所以有必要采用高靈敏度的測試手段對石英陶瓷天線罩微缺陷進行全面檢測。

石英陶瓷材料是一種多孔陶瓷材料，采用阿基米德排水法測定其開氣孔率為8～12%。在進行無損檢測實驗之前，有必要對石英陶瓷的正常的開口氣孔孔徑分布進行測試，以便區(qū)別正常尺寸的孔隙與非正常尺寸的氣孔和微裂紋。采用美國康塔公司生產的PoreMaster 33G壓汞儀進行多孔石英陶瓷開口氣孔孔徑分布測試，測試結果見圖1。從圖1可看出，石英陶瓷正常尺寸開口氣孔孔徑分布范圍主要集中在100～400 nm之間，其孔徑分布范圍比較集中。

圖1 石英陶瓷孔徑分布圖Fig.1 Pore size distribution of silica ceramic

2.2 石英陶瓷天線罩燈光照射檢測

無損檢測是指對材料或產品實施一種不損害或不影響其未來使用性能或用途的檢測。石英陶瓷天線罩燈光照射檢驗方法(簡稱燈檢法)就是一種無損檢測的方法，該檢測方法的工作原理是利用石英陶瓷的透光性，采用300～500W的白熾燈光源在罩體內部照射罩體，通過目測觀察對產品的質量進行判定。

由于石英陶瓷材料是由石英玻璃顆粒堆積而成的陶瓷材料，具有8～12%的開氣孔率，當有外來光源從罩體內部發(fā)出，光線通過石英陶瓷材料時，會受到一系列阻礙，但仍會有一部分的光線從罩體表面穿透出來，石英陶瓷透光性受石英顆粒形貌、大小、氣孔、雜質相、表面粗糙度、微裂紋及黑點等因素的影響。石英顆粒是這些因素中最主要的散射點，石英顆粒的表面形貌決定了光入射及反射的角度及透過率，顆粒的大小則影響光通過的路徑。當石英陶瓷罩體中顆粒、氣孔分布均勻時，罩體具有整體一致的透光性。當罩體中存在大氣孔(如氣孔集中)或裂紋(可視為連續(xù)氣孔)時，光的透過性增加，缺陷所在部位的亮度比罩體其它部位大，可以顯示出缺陷的情況，當罩體中存在黑點等雜質時，雜質所在部位往往成為散射和吸收中心，導致均勻罩體內部的透光性不一致，這也能反映出雜質的存在。目前采用的燈光檢測的方法也是基于此原理進行的。

石英陶瓷天線罩燈光檢測整體照片、罩體局部氣孔和裂紋照片見圖2。

從圖2可以看出，采用燈光照射檢測技術進行石英陶瓷天線罩缺陷檢測具有操作簡便、檢測成本低、檢測結果直觀等優(yōu)點，可以比較直觀地檢測出石英陶瓷天線罩表面和內部尺寸大于0.5 mm的氣孔、裂紋、雜質等缺陷。該方法的檢測精度受檢測人員的肉眼分辨精度限制，對于尺寸小于0.5 mm的微小缺陷難以通過該方法得到較好的檢測，而且該方法存在一定的主觀因素影響，檢測人員的改變也可能導致不同的檢測結果。

2.3 石英陶瓷天線罩工業(yè)CT檢測

工業(yè)CT 是在無損傷狀態(tài)下得到被檢測斷層的二維灰度圖像，它以圖像的灰度來分辨被檢測面內部的結構組成、裝配情況、材質狀況、有無缺陷、缺陷的性質和大小等，且圖像清晰，可以直觀看到目標細節(jié)的空間位置、形狀、大小，感興趣的區(qū)域不受周圍細節(jié)特征的遮擋，圖像容易識別和理解。同時，CT 圖像是數(shù)字化的結果，從中可以得到象數(shù)值、尺寸及密度等物理信息，數(shù)字化的圖像也便于存儲、傳輸、分析和處理等。

工業(yè)CT主體部分由X光射線管、旋轉物臺和X光接收器三部分組成，工業(yè)CT檢測現(xiàn)場照片見圖3。

石英陶瓷天線罩頭部工業(yè)CT透視照片見圖4。該測試對象為經燈光照射法檢測未見明顯缺陷的成品石英陶瓷天線罩。從圖4可以看出，采用工業(yè)CT進行石英陶瓷天線罩無損檢測未發(fā)現(xiàn)罩體內部存在微缺陷。由于石英陶瓷的多孔特性，其微觀孔隙對于X射線的透過會造成一定的散射效果，從而導致其檢測精度難以達到該檢測系統(tǒng)在檢測金屬材料或致密陶瓷材料時所具有的精度指標。

圖2 石英陶瓷天線罩燈光檢測照片F(xiàn)ig.2 Light detection of silica ceramic radome∶ (a) light detection for the whole radome; (b) air holes and impurities in the radome; (c) crack in the radome

圖3 工業(yè)CT檢測現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.3 Detection by the industrial CT

圖4 石英陶瓷天線罩頭部工業(yè)CT透視照片F(xiàn)ig.4 Tomographic image of the silica ceramic radome head detected by industrial CT

2.4 石英陶瓷天線罩DR便攜式X射線數(shù)碼成像無損檢測系統(tǒng)檢測

數(shù)字DR平板射線系統(tǒng)是計算機數(shù)字圖像處理技術與X射線放射技術相結合而形成的一種先進的X射線無損檢測系統(tǒng)。DR平板射線技術是一種全新的射線無損檢測技術，它具有更高的量子檢測效率、更短的成像時間、更高的圖像質量、更長的使用壽命。DR系統(tǒng)最突出的技術優(yōu)勢在于高效性和便攜性。采用數(shù)字DR平板射線系統(tǒng)進行石英陶瓷天線罩無損檢測具有使用方便，檢測效果較好，無污染，對環(huán)境友好、對人體安全，使用壽命長等優(yōu)勢。

數(shù)字DR平板射線系統(tǒng)由超薄非晶硅成像板和便攜式脈沖X光射線源組成，石英陶瓷天線罩X射線數(shù)碼成像無損檢測現(xiàn)場照片見圖5。

石英陶瓷天線罩局部X射線數(shù)碼成像無損檢測透視照片見圖6。該測試對象為經燈光照射法檢測可發(fā)現(xiàn)有疑似裂紋缺陷和小氣孔缺陷的石英陶瓷天線罩局部取樣樣品。從圖6(a)和圖6(b)可看出，采用該檢測系統(tǒng)可以較清晰地檢測出石英陶瓷天線罩表面和內部的微裂紋、小氣孔和材質不均勻等缺陷，但對于燈光檢驗未發(fā)現(xiàn)缺陷的區(qū)域，該檢測系統(tǒng)也未能檢測出更細微的缺陷。由于該檢測系統(tǒng)工作原理與工業(yè)CT檢測同屬于X射線檢測方法，對于多孔石英陶瓷材料，其檢測精度受到多孔結構散射現(xiàn)象的影響，難以達到該檢測系統(tǒng)在檢測金屬材料或致密陶瓷材料時所具有的精度指標。

圖5 DR便攜式X射線數(shù)碼成像無損檢測系統(tǒng)檢測現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.5 The portable DR X-ray digital imaging nondestructive testing system

圖6 石英陶瓷天線罩DR便攜式X射線數(shù)碼成像無損檢測系統(tǒng)檢測圖Fig.6 Images of the silica ceramic radome detected by portable DR X-ray digital imaging nondestructive testing system∶ (a) crack in the radome, (b) air holes and defect in the radome head

3 結 論

(1)石英陶瓷正常尺寸開口孔徑分布范圍主要集中在100-400 nm之間，其孔徑分布范圍比較集中。

(2)石英陶瓷天線罩燈光照射檢測技術具有操作簡便、檢測成本低、檢測結果直觀等優(yōu)點，對于尺寸大于0.5 mm缺陷具有較好的檢測效果。

(3)由于石英陶瓷的多孔特性，其微觀孔隙對于X射線的透過會造成一定的散射效果，從而導致工業(yè)CT和數(shù)字DR平板射線系統(tǒng)檢測精度達不到該檢測系統(tǒng)在檢測金屬材料或致密陶瓷材料時所具有的精度指標。

(4)綜合比較上述三種無損檢測方法，得出燈光折射法是目前最適合應用于石英陶瓷天線罩缺陷檢測的無損檢測方法。

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The Nondestructive Testing Technology of Silica Ceramic Radome

ZHAO Zhongjian
(Shanghai FRP Research Institute Co. Ltd., Shanghai 201404, China)

The open pore size distribution of porous silica ceramics for radome application was tested by a mercury porosimeter. The results show that their open pore sizes were mainly distributed between 100～400nm. Then, the silica ceramic radome was nondestructively tested by the light irradiation method, the industrial CT and the X-ray digital imaging nondestructive testing system. The working principles, testing advantages and shortages of the three methods were analyzed respectively.

silica ceramic; radome; pore size distribution; nondestructive testing; industrial CT; X-ray digital imaging

date: 2014-03-18. Revised date: 2014-03-25.

TQ174.75

A

1000-2278(2014)04-0387-05

10.13957/j.cnki.tcxb.2014.04.008

2014-03-18。

2014-03-25。

趙中堅(1977-)，男，碩士，工程師。

Correspondent author:ZHAO Zhongjian(1977-), male, Master, Engineer.

E-mail:gLzhao4sh@163.com