紅外熱成像技術研究進展*

顧　軒　何問慎　陸倩映　劉亞民　肖景紅

(佛山出入境檢驗檢疫局　廣東 佛山　528000)

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紅外熱成像技術研究進展*

顧軒何問慎陸倩映劉亞民肖景紅

(佛山出入境檢驗檢疫局廣東 佛山528000)

摘要作為現代工業生產中廣泛應用的材料，陶瓷在制作及使用過程中極易出現缺陷。這些缺陷如果不能被及時發現，將會對生產生活造成一定的困擾，嚴重時會造成災難性后果。筆者通過對陶瓷存在的缺陷進行分析，繼而對當前使用較為廣泛的十二種無損檢測技術一一進行分析；然后再對當下紅外熱成像技術研究以及使用的情況作一介紹，主要對其原理等進行了細致分析。

關鍵詞陶瓷無損檢測紅外熱成像技術

前言

陶瓷材料因其所具有的獨特性能，不僅在工業生產中得到廣泛的使用，而且日益成為現代材料的3個組要部分之一。可是，在制作以及使用陶瓷材料的過程中，或多或少都會因為各種主客觀因素導致陶瓷材料存在諸多缺陷。這些缺陷的存在一方面影響了陶瓷材料的有效使用，使其性能無法全部展現出來，另一方面也導致了陶瓷材料難以有效推廣使用，甚至還會造成災難性的后果。在陶瓷工業，尤其是普通日用陶瓷以及建筑衛生陶瓷中，如果產品存在表面缺陷，會對產品的質量以及等級造成嚴重影響，也會給消費者造成不良后果。因此，有必要對陶瓷企業所生產的產品進行檢測。可是，現代陶瓷工業逐漸實現了工業化，傳統的肉眼觀察以及敲擊法不再適應大工業生產的需要。在這一背景下，一種新的檢測方式——無損檢測法應運而生。

無損檢測是在損害材料以及成品的狀態下完成對材料內部以及材料表現檢測的手段。檢測的內容是有無缺陷，檢測的手段是當材料和制品存在缺陷或者異常的情況下，對聲音、光源、電磁以及熱能等的反映是不同于正常材料的。通過這種方式可以有效辨別材料的結構是否異常以及所存在的缺陷。之所以要使用無損檢測，主要有三個目的：

1)加強產品質量的管理工作；

2)完成對產品質量的管理；

3)對工業生產設備的維護檢測。

1　陶瓷材料的缺陷

對陶瓷材料進行的無損檢測主要是用來檢測是否存在缺陷及變形。因為陶瓷產品作為一種脆性材料，楊氏模量值一般都會稍高一些，所以只要有輕微的缺陷以及變形都會產生非常大的機械應力，從而導致陶瓷產品尤其是外表面遭到嚴重破壞。因此，筆者對陶瓷材料的無損檢測主要集中在缺陷檢測上面。相較于金屬以及復合材料，對陶瓷進行缺陷檢測時，所需要的尺寸往往小1～2個數量級。

按照不同的形成原因，將陶瓷缺陷主要分為以下三類：

1)制作過程中存在的缺陷。這類缺陷主要是指存在裂紋、表面落渣、氣孔以及縮釉等。而這一類的缺陷主要是在制作過程中由于操作不當等導致的內部以及表面缺陷，尤以表面缺陷最為嚴重。因為這不僅導致了制品的物理化學以及機械性能發生變化，更會造成了陶瓷外觀的嚴重質量問題。

2)機械加工以及處理過程中導致的缺陷。這些缺陷的具體表現主要是裂紋以及邊角的缺失等。

3)使用以及保存環境導致的缺陷。這類缺陷的具體表現是裂紋類缺陷、內部氣孔以及夾層等。而相較于前兩類缺陷，這類缺陷是最常見的。

2　陶瓷材料的無損檢測方法

通過對陶瓷材料無損檢測方法的整體考察，無損檢測方法可以分為傳統檢測法以及新型檢測法。

2.1傳統檢測法

2.1.1超聲波檢測法

這一方法又稱為UT檢測法。是通過檢測超聲波反射后形成的波形圖來檢測陶瓷材料表面以及內部異常問題的方法。這類方法對于裂紋、分層的檢測特別有效，但是對于100 μm以下的缺陷無能為力。

2.1.2射線檢測

射線檢測主要是采用X射線、中子射線、γ射線、β射線等進行檢測。因為這幾類射線具有較強的穿透力，將其用于對陶瓷的檢測再合適不過。通過射線檢測可以有效探測出陶瓷產品內部存在的諸如氣孔、夾渣等體積型缺陷。但是射線檢測效果不佳，一般需要配合其他檢測手段來使用才能提高檢測的精度。以使用最為廣泛的X射線為例，一般可以測出750 μm的裂痕，熟練的工作人員可以檢測出150 μm的缺陷。

2.1.3滲透檢測

這一方法又叫作液體滲透檢測法。這種檢測方式使用歷史非常久遠，到目前仍在使用。這種檢測方式主要是利用液體的表面張力對材料進行檢測。首先將滲透液噴灑到陶瓷表面，陶瓷如果存在缺陷，滲透液就會殘留在缺陷中；再噴灑顯影液，這樣就會使得滲透液從缺陷中洗出來，留下痕跡。這一方式主要用于陶瓷表面的開口性缺陷。同時，檢測的精度也只能是150 μm。

2.2新型檢測方法

隨著科技的不斷發展，將以上3種傳統無損檢測手段結合其他技術方式，便提升了無損檢測的精度，也產生了新型的檢測手段:

2.2.1計算機輔助超聲檢測

這一方式首先在日本得到廣泛使用。其優點在于全部自動操作，無需人工；檢測頻率也完全由計算機來控制，檢測精度可以達到50 μm左右。大大優化了超聲波檢測的精度。

2.2.2計算機輔助X射線斷層攝影

將計算機技術與射線檢測相結合也是目前較常使用的新型無損檢測手段。這一手段最先在加拿大以及美國使用。加拿大公司通過Co90源γ射線CT系統，對ZrO2、SiC等高級陶瓷材料進行檢測，可以精確到10 μm的缺陷以及密度分布的差異。而美國公司用Iγ192射線成功檢測了5 μm的陶瓷裂紋。經過數年的發展，該技術已經開始在工業生產中使用，目前能夠精確檢測出30 μm的裂紋。但是，這一方法對于平面裂紋檢測的靈敏度不夠，又因為這一設備價格昂貴，不能夠在工業生產中得到普遍使用。

2.2.3超聲波顯微鏡法

通過使用頻率在100～1 000 Hz的超聲波并將其反射到陶瓷上面，然后對收集到的反射波加以分析，通過對其頻率以及能量的衰減來完成對陶瓷的檢測。這種檢測可以達到1～10 μm的精度，但是，目前僅僅存在于實驗室中，無法在工業生產中使用；同時，這種檢測也只能完成對陶瓷表面的檢測。這兩個原因，也導致了其使用面不廣。

2.2.4激光掃描超聲波顯微鏡法

這一方法又被稱為SLAM法，其主要方式就是通過使用非接觸型傳感器，把反射波變成可以肉眼觀察的信息的方式。這一方式是對前面方法的改良以及提升。相較于超聲波顯微鏡法，這一方法的優點在于可以實時觀察。目前，其精度能夠達到15 μm，除了可以完成表面檢測外，還能夠檢測到氣孔、點狀平面的缺陷。但操作較復雜，大面積推廣使用不可行。

2.2.5同步顯微聚焦X射線透視

這一方法主要是通過視頻探查設備代替底片來顯示零部件的X射線成像。與其他幾種新型手段相比較，這一方法也是傳統無損檢測手段結合現代技術得來的。其優點在于系統是同步進行的，即調整了X射線后，便立刻可以得到一個新的視圖。操作也比較簡單，只需要對發射源的電壓進行改變即可完成檢測。列痕的顯示方式也大大得到了提高。但是，此方法仍舊存在不適應工業生產需要的問題。

2.2.6聲發射

這一方法也被叫做AE法。一般我們知道，當物體尤其是固體發生變形或者斷裂的時候都會產生一種彈力波，聲發射技術就是通過檢測這種彈性波來達到對陶瓷檢測的。通過對陶瓷裂痕產生的微裂波的檢測，可以確定裂痕的位置以及裂痕的面積，甚至連裂痕產生的時間等都可以檢測出來。這種檢測方法的精度可以達到1～5 μm。因此，這種技術非常被人們看好，但是這種檢測手段仍然僅適用于實驗室，無法大范圍推廣使用。

2.2.7表面聲波技術

該技術在國外被稱為SAW法。由于光具有波粒二象性，因此激光也就具有了波的特性。當激光束照射到陶瓷表面時，會發生反射現象。這時，通過技術對其產生的超聲波進行檢測便會確認是否存在于表面。因為波相較于光更易于觀察，可以通過波的振幅位移的幅度來完成檢測。當然，這種檢測手段目前僅存在理論可能，實用性還有待驗證。

2.2.8熱波成像技術

陶瓷具有較好的導熱性能，這一性能也可以被科學家用來完成對陶瓷的無損檢測。具體操作：通過使用可調節光源對陶瓷表面進行加熱，再通過各類物理手段來完成對陶瓷的非接觸性溫度測量。兩次溫度比較，即可發現是否存在缺陷。這方式目前已在使用，但使用范圍并不廣泛。其優點在于對于小裂痕有很好的敏感性。

2.2.9光學顯微鏡

該方法也被叫做光聲成像法。這一方法也是前幾種方法的變種。通過使用頻率在10～100 Hz的激光對陶瓷表面進行掃描，陶瓷在激光照射下會產生一定的熱量，而這種熱量可以被微音器檢測到。這樣便完成了對陶瓷是否存在缺陷的檢測。目前，此種方式并不常用。但有些實驗室已經成功地完成了對氮化硅的檢測，效果相當好。因此，人們對這一檢測方法寄予厚望。

以上的各種檢測方法，各有其優缺點。但都對陶瓷檢測有著重大意義。相較于傳統方式，新型檢測手段檢測精度更高，操作也更加簡單，且能夠檢測到多種形式的缺陷，新型檢測手段的使用卻需要以傳統檢測手段為基礎，在此基礎之上結合其他技術才能夠完成，這類檢測往往需要花費很高的代價，多數還僅能夠在實驗室使用，無法滿足大工業生產的需要。

3　紅外熱成像技術在無損檢測中的應用概況

我國作為重要的陶瓷生產基地，每年通過陶瓷創造的效益非常可觀，必須要找到一種適應工業化生產需要的無損檢測手段。近些年，我國科學家以及各地實驗室也在加強無損檢測手段的研究，對這一領域也有著一定的研究成果。有些成果雖然并非專門為檢測陶瓷產品而研發的，但是因其有良好的使用性能，也就可以借鑒到陶瓷的無損檢測工作中來，正如筆者要介紹的紅外熱成像技術的無損檢測技術。這一技術最先使用在電瓷絕緣性能的檢測上面，目前開始有人研究其對陶瓷無損檢測的應用中來。

紅外熱成像技術的全稱是計算機輔助紅外熱像儀無損檢測法，又可以被簡化為紅外無損檢測或IRNDT法。最早的紅外熱成像技術是應用于軍事當中，主要是當作瞄準技術來發展的，后來這一技術被應用于偵查、監視以及制導等方面。而在20世紀六七十年代這一技術開始用于商業用途。

第二次世界大戰之后，美蘇爭霸使得紅外熱成像無損檢測技術得到廣泛的研究。20世紀60年代初，美國為解決固體火箭發動機界面脫粘的檢測問題，從而開始對紅外熱成像技術進行研究。很快便將這一研究成果應用于固體火箭的發動機上面。同一時期，前蘇聯也開始了對該項技術的研究。從后期公布的材料來看，當時前蘇聯的研究主要集中在非金屬材料與金屬材料、金屬與金屬材料之間的焊接質量、蜂窩結構等的檢測，這種技術有著優良的效果，也使得檢測質量得以不斷提升。其他西方國家對此技術研究也不甘示弱，紛紛在眾多領域開展紅外無損檢測技術的研究。

而到了20世紀80年代，紅外技術得到了廣泛的使用。在諸多行業都可以看到紅外檢測技術的身影。如在飛機生產中，發動機的無損檢測利用了紅外溫度記錄技術，機翼結構的分析以及新型材料性能以及在飛機的使用上面等都應用到了結合計算機而使用的紅外技術，這樣對圖像以及數據分析都得到了進一步提升。其他諸如建筑、采暖以及節能等領域也都開始廣泛采用紅外技術。歐洲的英國及法國在電網、太陽能技術以及核電設備等領域也開始廣泛采用紅外技術。而日本，除了在冶金爐的溫度控制方面使用外，甚至將紅外技術應用到醫學領域。

我國使用紅外無損檢測技術的時間相較于其他國家也不晚，早在1968年便開始用紅外技術檢測金屬膠接而成的核燃料棒的粘接質量和固體火箭發動機第一、二、三界面的脫粘。但是，直到改革開放之后，我國才開始掀起對紅外無損檢測技術研究的熱潮。這也是導致我國在這一領域的落后原因。

當下，隨著國際合作更加密切，我國對紅外無損檢測的研究已經到達世界先進行列，同時紅外無損檢測的實踐應用也得到了長足發展。我國紅外無損檢測技術應用領域也是非常廣泛的。除了應用于航空航天技術外，還應用于在紅外測溫、氣體分析、火車熱軸檢測、醫學診斷、熱軋成形、工業質量控制等領域。

相較于其他無損檢測手段，紅外無損檢測發展的時間也就短短數十年，而應用于實踐當中的時間更短，但是這一技術卻產生了極大的效果，對提升檢測質量有著非常好的促進作用，也開始得到廣泛使用。但是，隨著物理學、光學等基礎學科研究的不斷深入，紅外無損檢測手段也需要不斷地提升與發展。相較于其他已經成熟的技術， 紅外無損檢測還有待于深入研究。

4　紅外熱成像無損檢測的基本原理及方法

普朗克定律是紅外無損檢測手段所應用到的基本物理規律。這是通過對陶瓷表面進行紅外掃描，但由于缺陷以及材料的不同導致溫度也不盡相同，而紅外攝像儀則捕捉到這種物體表面溫度的變化，通過電腦的處理，最后以圖像的方式呈現出來的手段。由于計算機在這一過程中必不可少，因此被叫做計算機輔助紅外檢測。

紅外熱成像測溫技術可以有效對材料的淺表層缺陷實現無損檢測。具體的操作流程如圖1所示。其工作原理則是通過對物體表面進行熱激發，由于物體內部存在缺陷，導致熱傳遞的過程也不均勻，通過記錄熱量在物體中的轉移過程，便可完成對此物體的有效檢測。物體內部的各種缺陷會使得物體熱傳遞不均勻，而在缺陷區域會明顯形成一個增加熱阻。在忽略空氣的熱導率以及熱阻后，缺陷區域熱阻明顯大于正常范圍的熱阻，導致缺陷區域的表面溫度較正常區域溫度降低。而通過計算機將此溫度通過圖像的形式表現出來，便可以看出缺陷的分布以及缺陷的類型。

圖1紅外熱成像無損檢測方框圖

目前，關于紅外熱成像無損檢測的方式研究以及使用狀況的報道有很多。但是這一技術的使用仍有其限制條件。如，只能適用于層狀結構以及表面發射率高且均衡的材料的檢測中。這一條件也限制了紅外熱成像技術的使用范圍。

5　結論

紅外熱成像無損檢測技術相較于其他技術來說，有著檢測精度高、范圍廣、檢測迅速以及易于觀察等優點。這些優點決定了紅外熱成像無損檢測技術會受到人們的青睞。但是，作為一種新技術，最大的問題還在于能否適應工業化大生產的需要，雖然紅外熱成像無損檢測技術有了長足的發展，但是離滿足商業化需要還有一段距離。這中間需要科研工作者不斷探索，也需要生產一線不斷配合，從而使得該技術能夠順利地發展。

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*作者簡介：顧軒(1988-)，本科，助理工程師；主要從事陶瓷磚性能檢測及陶瓷檢測設備改造工作。

中圖分類號：TQ:174.5

文獻標識碼：B

文章編號：1002-2872(2016)07-0036-04