基于調(diào)頻連續(xù)波太赫茲技術(shù)的復(fù)合陶瓷隔熱瓦無損檢測

張國強(qiáng)，趙長興，辛 燕，鎖路平，鐘業(yè)盛

(1.航天科工防御技術(shù)研究試驗(yàn)中心，北京 100854;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 特種環(huán)境復(fù)合材料技術(shù)國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001)

隨著國防工業(yè)的發(fā)展，高超音速飛行器成為了一種重要的軍事力量，這類飛行器會(huì)以很高的速度在大氣層中穿行，其表面隔熱結(jié)構(gòu)面臨的氣動(dòng)加熱環(huán)境十分嚴(yán)酷[1-3]。氧化硅-氧化鋁復(fù)合陶瓷隔熱瓦(以下簡稱陶瓷隔熱瓦)作為高超音速飛行器上應(yīng)用廣泛的一種熱防護(hù)材料，其質(zhì)量情況一直受到高度關(guān)注。若能及時(shí)地發(fā)現(xiàn)內(nèi)部缺陷，則可及時(shí)采用相應(yīng)的手段修補(bǔ)缺陷，以避免結(jié)構(gòu)的損傷甚至飛行器的破壞[4],故行業(yè)內(nèi)一直在探求一種直觀可靠的無損檢測手段。

陶瓷隔熱瓦是由高純超細(xì)石英纖維、氧化鋁纖維和燒結(jié)助劑組成，通過纖維預(yù)處理、料漿有效分散、濕法抽濾成型、高溫?zé)崽幚淼裙に囍苽涞玫降挠幸欢◤?qiáng)度的輕質(zhì)多孔隔熱材料[5-6]，孔隙率通常為90%左右。其制備環(huán)節(jié)較多，工藝過程控制難度較大，容易在多個(gè)環(huán)節(jié)產(chǎn)生缺陷，以孔洞類和裂紋類缺陷為主，這類缺陷的無損檢測也是用戶十分關(guān)注的問題。

縱觀現(xiàn)有的各類無損檢測手段，超聲檢測技術(shù)受超聲波穿透能力的限制，很難在這種高孔隙率材料中傳播；X射線檢測技術(shù)對低原子序數(shù)材料的吸收系數(shù)較低，加上陶瓷隔熱瓦密度低，會(huì)進(jìn)一步降低缺陷特征的圖像反差，難以形成明顯的檢測結(jié)果；而紅外檢測對于這類隔熱材料本身就無能為力。相比而言，太赫茲波檢測技術(shù)則具有諸多獨(dú)特的優(yōu)勢，在隔熱材料無損檢測領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力[7-10]。

太赫茲波對陶瓷材料等非極性物質(zhì)有良好的穿透性，可對不透明物體進(jìn)行透視成像，是解決陶瓷隔熱瓦材料無損檢測的重點(diǎn)技術(shù)，與傳統(tǒng)無損檢測技術(shù)形成了有效的互補(bǔ)。

筆者基于調(diào)頻連續(xù)波太赫茲技術(shù)對陶瓷隔熱瓦材料的內(nèi)部裂紋、孔洞類缺陷檢測進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了被測材料的太赫茲光譜特性，設(shè)計(jì)了專用的模擬缺陷試塊，成功檢測出了模擬孔洞和模擬裂紋缺陷，最后通過對比陶瓷隔熱瓦結(jié)構(gòu)內(nèi)部的真實(shí)裂紋，驗(yàn)證了檢測工藝的可行性。

1 陶瓷隔熱瓦中缺陷分析及模擬缺陷試塊設(shè)計(jì)

1.1 典型缺陷分析

陶瓷隔熱瓦中常見缺陷主要有孔洞和裂紋。

1.1.1 孔洞類缺陷

陶瓷隔熱瓦在制備過程中,由短切石英纖維、氧化鋁纖維、分散劑和燒結(jié)助劑等成分組成的漿料必須進(jìn)行良好的均勻化處理，否則成分不均勻的漿料燒結(jié)后,達(dá)不到使用要求。漿料均勻化的手段通常為機(jī)械攪拌，較低的攪拌轉(zhuǎn)速會(huì)使陶瓷纖維聚集成球的效果明顯，而轉(zhuǎn)速繼續(xù)加大時(shí)，會(huì)對纖維產(chǎn)生分散效果。但攪拌葉片在高速旋轉(zhuǎn)攪拌的過程中，一旦工藝控制不當(dāng)易將氣泡引入到漿料中，而氣泡一旦摻入高黏度的漿料里很難再排出，在坯體成型、高溫?zé)崽幚硪约案邷責(zé)Y(jié)工藝之后，陶瓷隔熱瓦內(nèi)部則會(huì)出現(xiàn)孔洞，影響產(chǎn)品的隔熱性能和力學(xué)性能。

1.1.2 裂紋類缺陷

陶瓷隔熱瓦的主要成分互不相溶，熱物理性能也有一定的差異。高純超細(xì)石英纖維直徑小、韌性大，非晶態(tài)結(jié)構(gòu)下具有很低的導(dǎo)熱系數(shù)和較低的熱膨脹系數(shù)；氧化鋁纖維具有較高的耐火度，但其導(dǎo)熱系數(shù)、密度均大于石英纖維的，其熱膨脹系數(shù)比石英纖維的高數(shù)倍。若將兩種纖維在理想狀態(tài)下均勻混合，則可以使復(fù)合型陶瓷隔熱瓦既具有低導(dǎo)熱性、低重量、低膨脹性，又具有優(yōu)異的耐高溫性能，但若未能控制好工藝過程，在制坯過程中產(chǎn)生了成分不均勻的情況，那么硬脆的陶瓷隔熱瓦則有可能因熱膨脹系數(shù)的差異而產(chǎn)生熱應(yīng)力，進(jìn)而導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。

1.2 模擬缺陷試塊設(shè)計(jì)

為體現(xiàn)模擬缺陷在陶瓷隔熱瓦中的特性，同時(shí)依據(jù)陶瓷隔熱瓦的成型工藝特征、各環(huán)節(jié)容易出現(xiàn)的缺陷及其分布特征設(shè)計(jì)了模擬缺陷對比試塊，對比試塊結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 陶瓷隔熱瓦試塊結(jié)構(gòu)示意