復合材料微波無損檢測技術的研究*

侯 哲 段滋華

(太原理工大學化學化工學院)

復合材料是由兩種或兩種以上異質、異形、異性的材料復合而成的新型材料，它可以有機地結合各種材料的優點，克服單一材料的缺點，擴大單一材料的應用范圍。近年來，復合材料已經廣泛應用于石油化工行業，如高壓玻璃鋼管在油田開采過程中用作輸送管線、井下油管及套管等。雙金屬復合材料用在氟化工生產設備的制造，它們具有耐高溫、耐高壓、耐腐蝕的優良性能；環氧基纖維纏繞氣瓶，具有重量輕、防腐蝕及成本低等優點。復合材料在生產制造和使用過程中，由于設備、材料特性、工藝及參數的控制等因素，在復合材料制品中難免會出現氣孔、疏松、樹脂開裂、分層以及脫粘等缺陷。

微波是頻帶很寬的電磁波，頻率通常在0.3～300.0GHz之間，相應波長為1～1 000mm。微波無損檢測技術通過研究微波與被檢材料的相互作用，通過反饋回來的基本信號來判斷被檢材料的缺陷特征和物理參數[1]。

1 復合材料無損檢測技術

可應用于復合材料結構中缺陷無損檢測的技術很多，包括超聲檢測技術、射線檢測技術、聲發射技術、工業CT檢測技術、聲-超聲技術、渦流檢測技術、紅外熱波成像技術(以上稱常規檢測技術)以及微波檢測技術等。

1.1 常規檢測技術

超聲波在復合材料中衰減很大，在精度要求不高的情況下，穿透法可以用于構件的粗檢。脈沖回波法的精度較高，但因衰減不能測定太厚的介質材料[2]。

射線檢測法主要是檢測夾渣、氣孔等體積狀的缺陷，不能有效檢測復合材料的層間脫粘。且當材料厚度較大時，因黑度差不明顯，很難判斷是否有缺陷[3]。

聲發射檢測主要用于在役產品的檢測，對宏觀動態擴展缺陷進行檢測，對靜態缺陷無效。且該技術對單個缺陷檢測靈敏度不高，適用于整體構件的檢測[4]。

工業CT技術的檢測精度較高，在不受構件結構形狀限制的情況下，可以精確檢測出復合材料的氣孔、夾渣、裂縫、分層等缺陷及其尺寸和在構件中的位置。但該技術采用的是斷層掃描法，一次掃描只能檢測0.5～10.0mm的寬度，檢測周期長、費用高[5]。

聲-超聲檢測技術適用于復合材料的完整性評估，可以檢測出復合材料中的孔隙、分層及脫粘等宏觀上不連續缺陷群。但該技術對單個、分散缺陷的檢測精度較低[6]。

渦流檢測法主要適用于檢測導電材料的表面缺陷，對于復合材料非金屬基底及內部缺陷無法檢測[7]。

紅外熱波檢測法適用于檢測復合材料界面脫粘類缺陷，并能準確地檢測出分層的深度。但該方法受周圍環境溫度的影響較大，檢測精度不高[8]。

1.2 微波檢測技術

與常規無損檢測技術相比，微波檢測技術的特點具體表現為[9]：

a. 微波無損檢測屬非接觸檢測，可以快速、連續、實時地進行檢測；

b. 微波頻譜寬、方向性好，對非金屬材料的穿透能力很強，很適合測量復合材料的內部缺陷；

c. 除了能檢測出材料的體積狀缺陷外，對于面狀缺陷(如脫粘)也有較好的檢測精度；

d. 微波對被檢材料特性的變化很靈敏，能夠較好地檢測材料的密度、厚度及濕度等；

e. 微波測量信號是電信號，不用進行非電量轉換，測量快速、操作簡易；

f. 微波輻射危害較低，屏蔽設備簡單、維護費用低。

2 復合材料微波無損檢測技術的研究與應用

微波無損檢測是通過測量微波信號基本參數的變化來達到檢測材料內部缺陷或物理特征參數的目的。其原理是利用微波與材料的相互作用，微波信號入射到介質表面時，會發生反射、散射、透射，材料中的電磁參數和幾何參數會改變微波場，從而改變回波損耗、相位等基本參數。

2.1 介電常數的微波測量

介電常數是材料的主要參量。基于對反射系數S11和傳輸系數S21的準確測量，可以用自由空間法測量復介電常數，其最簡單的模型是一束平面電磁波射到處于無限大介質中的平板上。測得的反射系數和傳輸系數分別為：

(1)

(2)

式中d——試件厚度；

λ——微波波長。

由此可得復介電常數為：

(3)

王曉明等用這種方法測量厚度4.6mm、半徑為100～500mm的不同曲面試件的反射系數S11的幅值和相位，并與同等厚度的平面試件比較。結果表明，只要微波波長小于試件的曲面半徑，那么采用自由空間法測量介電常數是很準確的[10]。

2.2 復合材料濕度的微波測量

微波濕度測量通常是指用微波技術測量液體或固體基底材料中的水分含量。微波與水分子的相互作用比大多數基底材料強烈，所以濕度含量微小的變化就會顯著影響基底材料的損耗因數和介電常數，采用回波法可以測量這些因數，從而測出濕度。樣品的介電常數與反射系數有關，且與濕度成正比關系，樣品的厚度、微波頻率也會影響反射系數，所以當微波頻率和樣品厚度不變時，反射系數僅與濕度相關。

王曉明等以IC卡密封樹脂為例測量其濕度，檢測到在12.5GHz時，對于不同的含濕量, 反射系數變化最大，有最好的靈敏度。并給出了在12.5GHz下濕度M和反射系數A之間的關系式[10]：

M=-0.2506A-1.229

(4)

2.3 非金屬復合材料薄片厚度的微波測量

測量非金屬復合材料的厚度時可采用駐波法，也可采用反射波法。設材料的介電常數ε=ε′-jε″，當適當波長的TE10微波信號照射在被測試件上，用微波矢量網絡分析儀測得其反射系數，再計算出介質薄片的厚度d。

(5)

(6)

(7)

(8)

式中，a、b分別是矩形波導寬邊尺寸和窄邊尺寸。該方法還可用于已知介質厚度來測量其電磁參數μ、ε[11]。

Sayar M等利用W與K波段的微波測量反射系數相位的方法，可以準確檢測出燃氣渦輪發動機的熱障涂層厚度[12]。

2.4 非金屬復合材料均勻性的微波檢測

復合材料的不均勻性表現為材料電磁參數μ、ε、σ的不均勻性導致密度或分子結構的不均勻性。波的傳播常數變化與μ、ε、σ的不均勻程度密切相關，通過透射波法檢測這些電磁參數的變化，從而判斷非金屬復合材料的不均勻性。在非均勻材料中，波的傳播方程為：

(9)

(10)

因此,非均勻復合材料的不均勻性可以用透射波法來檢測[11]。這種方法目前廣泛用于檢測橡膠、塑料及樹脂等材料的質量。

2.5 多層粘合材料脫粘的微波檢測

出現在多層用膠粘合的介質材料之間的剝離實際上是一個扁平形的空隙，可以看作空氣層，由于空氣層將增大對波的反射，材料的層間脫粘可以通過反射系數的變化來進行測量。多層復合材料可視為多層介質，則n層介質的反射系數為：

(11)

其中，R01，R12，…，R(n-1)n，Rnt分別為各層介質間的菲涅耳反射系數；d1，d2，…，dn分別為各介質層的厚度；k1，k2，…，kn分別為波在各介質層中的傳播的波數。

無缺陷時第i層與第i+1層介質分界面處的反射系數為：

(12)

脫粘時第i層與第i+1層間存在厚度為d的空氣層，其分界面處的總反射系數為：

(13)

顯然，n層介質中出現脫粘缺陷時，其反射系數會發生變化，用微波矢量網絡分析儀可以測出這些變化從而確定是否有脫粘缺陷。測量時要求靈敏度盡量高，對于一定的脫粘缺陷對應一個敏感頻段，用掃頻方法確定其敏感頻率后再進行檢測[13]。

樊明捷等用零平衡相位法對損耗40dB左右、厚度50mm的橡膠多層復合材料與金屬鋁板的脫粘缺陷進行檢測。結果表明，反射系數相角隨脫粘缺陷空氣層厚度的增加呈線性遞減關系。粘結缺陷空氣層厚度從0變化到3mm時，反射系數相角的平均變化為2.2°[14]。

2.6 復合材料中缺陷的微波檢測

復合材料中的缺陷主要有裂紋、裂縫及氣泡等幾大類。對長裂紋裂縫主要用透射波法和反射波法進行測量，對短裂紋裂縫和氣泡的檢測主要用散射波法。筆者主要對散射場做機理分析。

電磁波對半徑為a的導體球的遠區散射場為：

(14)

(15)

(16)

(17)

式中 e-jkr——角頻率時間因子；

E0——入射波的電場強度；

Eθc、Eφc——導體球中電場沿θ、φ方向的分量；

Hθc、Hφc——導體感受的磁場沿θ、φ方向的分量；

k——波數；

r——反射系數。

遠區散射場的平均功率為：

(18)

電磁波對半徑為a的介質球的遠區平均散射能流密度為：

(19)

介質材料中氣泡的不連續性造成微波散射。材料的介電常數越大，微波的頻率越高，散射的能量越大。當待檢材料的損耗不大時，用較高頻率的微波檢測小氣泡可以取得較好的結果[13]。

陸榮林等以玻璃纖維增強環氧樹脂基復合材料為試件，加工出了直徑1～ 11mm的圓柱孔模擬氣孔缺陷，采用頻率為36.5GHz的微波對所有試件的缺陷進行檢測。實驗結果表明，用該頻率的微波可以檢測出孔徑為2 mm的缺陷，對孔徑為1mm的缺陷檢測精度不高[16]。

3 結束語

雖然微波無損檢測技術在復合材料中得到廣泛應用，但該技術還是存在局限性。對于復合材料中的短裂紋、裂縫、氣孔和氣泡，散射波法能根據其波的能量變化檢測出是否存在這些缺陷，但不能測定其缺陷的取向和形狀；對于檢測復合材料中的長裂紋、裂縫時，目前所用的反射波法可以測量出其長度和位置，但不能確定其深度；對于多層復合材料的層間脫粘主要用反射波法和透射波法來檢測，可以檢測出是否存在脫粘和脫粘的程度，但不能確定其脫粘面積。若能將微波無損檢測技術與其他檢測方法有機地結合起來，發揮出各種檢測方法的優點，克服單一檢測的局限性，研究出一套簡易可行的復合材料無損檢測方法，從而保證復合材料的安全生產與應用。

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