主動紅外熱波技術在復合材料檢測中的應用研究

于海濱，柳迎春

（海軍航空工程學院青島校區(qū)，山東 青島 266041）

主動紅外熱波技術在復合材料檢測中的應用研究

于海濱，柳迎春

（海軍航空工程學院青島校區(qū)，山東 青島 266041）

復合材料由于其制造工藝和材料特性的獨特性，不可避免的會存在缺陷。適合金屬材料的常規(guī)檢測技術對復合材料缺陷（損傷）的檢測精度、準確度、敏感度都存在不同程度的差距，甚至有的不適合用來檢測復合材料。對無損檢測技術進行梳理，側重研究了主動紅外熱波關鍵技術，并對復合材料試件進行了溫度場分析。

復合材料；紅外熱波；無損檢測

復合材料具有高的比強度、比剛度及良好的抗疲勞性、耐腐蝕性，為此獲得了廣泛應用。復合材料一般是由纖維、基體和填料組成，是一種多種物質(zhì)混合物形成的復雜的多相體系。常見的復合材料的缺陷可能包括一種，也可能是幾種。孔隙、裂紋、夾雜等常見缺陷都需要在生產(chǎn)中盡量避免。復合材料的缺陷對材料的性能影響非常大。因此，對復合材料在使用過程中的有效檢測，顯得極為重要。

紅外熱波檢測技術基于被檢材料的熱輻射特性，從理論來說，只要材料的溫度在絕對零度，就可以采用紅外熱波檢測技術。這些材料包括金屬材料，也包括非金屬材料。主動紅外熱波技術基于主動加熱技術，只要能夠使被檢測對象中的缺陷或損傷與基體材料的溫度差值達到了儀器的捕捉范圍，該缺陷或損傷就可以被檢測。

1 復合材料的檢測技術

1.1 無損檢測技術對比

無損檢測技術作為一種實用性很強的技術，發(fā)展經(jīng)過了三個階段：第一，無損探傷(NDI)階段；第二，無損檢測(NDT)階段；第三，無損評價(NDE)階段。據(jù)美國國家宇航局調(diào)研分析結果，無損檢測可分六大類約70多種。在國內(nèi)實際應用中比較常見和成熟的常規(guī)檢測方法有5種，它包括超聲檢測、射線檢測、磁粉檢測、滲透檢驗、渦流檢測；此外，還有非常規(guī)無損檢測技術有聲發(fā)射、泄漏檢測、光全息照相、紅外熱成像、微波檢測。通過五種常規(guī)無損檢測方法和紅外熱波無損檢測技術特點進行分析對比可以發(fā)現(xiàn)：紅外熱波無損檢測可以測量損傷深度；快速，一般只需數(shù)秒鐘；觀測面積大，可覆蓋面積達到平方米量級；顯示直觀易懂深度；非接觸等，因此在復合材料外場在線、在役檢測方面具有明顯優(yōu)勢。

1.2 復合材料檢測技術及現(xiàn)狀

在復合材料結構的生產(chǎn)過程環(huán)節(jié)多。工藝比較復雜，為確保產(chǎn)品的最終質(zhì)量達到設計要求，在生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)中，都會采用相應的無損檢測手段來檢驗產(chǎn)品質(zhì)量。這些方法包括目視法、敲擊法、聲阻法、聲諧振法、超聲檢測技術、射線檢測技術等。

目視檢查法是使用最廣泛、最直接的無損檢測方法。主要借助放大鏡和內(nèi)窺鏡觀測結構表面和內(nèi)部可達區(qū)域的表面，觀察明顯的結構變形、變色、斷裂、螺釘松動等結構異常。它可以檢查表面劃傷、裂紋、起泡、起皺、凹痕等缺陷。

敲擊檢測是膠接結構的最快捷和有效的檢測方法之一，檢測速度快，準確性高，因此被廣泛地應用于外場檢測，目前蜂窩夾芯結構、板板膠接結構主要采用敲擊法檢測。“啄木鳥”敲擊檢測儀就是采用敲擊檢測方法的典型設備。

超聲檢測技術，特別是超聲C掃描技術，由于顯示直觀、檢測速度快，已成為大型復合材料構件普遍采用的檢測技術，例如復合材料飛行器零件的檢測。由于大型超聲C掃描系統(tǒng)需要噴水耦合，目前只能在大的檢測實驗室進行，復合材料的外場超聲檢測多數(shù)采用傳統(tǒng)的人工超聲波A掃描。人工超聲波A掃描檢測可以逐點覆蓋檢測結構件的所有檢測面，設備簡單，實施方便，適合外場。但其檢測效率比較低，且檢測可靠性不高，檢測者的技術水平對檢測結果可信度具有較大影響。

2 主動紅外熱波技術

新的檢測技術的產(chǎn)生使得復合材料的外場無損檢測成為可能。目前，適合外場檢測的技術和方法主要有便攜式超聲C掃描系統(tǒng)、X射線非膠片成像技術、紅外熱成像技術等。主動紅外熱波檢測技術利用紅外熱成像儀的成像技術，以熱圖的方式非接觸地測定被檢工件表面的溫度分布及等溫線輪廓，通過圖像識別獲得工件的檢測信息。由于其非接觸、成像快、檢測效率高、可原位檢測等優(yōu)點，主動紅外熱波檢測技術收到廣泛關注。

2.1 主動紅外熱波檢測理論

紅外熱成像技術是把物體反射或自身輻射的紅外輻射圖樣轉換成可觀測圖象的技術。從理論上來說，任何物體，只要它的溫度高于絕對零度，就會向外發(fā)出紅外熱波，其輻射強度W（W/m2）可由斯蒂芬—玻爾茲曼定律表示。

式中：e——灰體發(fā)射系數(shù)（發(fā)射率）；

T——絕對溫度(K)。

圖1 主動式熱波檢測技術理論模型

建立如圖1所示的熱播檢測模型。依據(jù)斯蒂芬—玻爾茲曼定律可知，如果給工件施加均勻的熱流，當工件材料的熱性質(zhì)均勻時，則工件的表面溫度場處處一致，紅外輻射強度相同。如果工件中存在與基體材料熱性質(zhì)(尤其是熱導率)不同的缺陷，將導致缺陷處相應表面的溫度異常，從而導致紅外輻射強度異常。只要工件表面具有一定溫度，就產(chǎn)生熱輻射，利用熱像儀便可測出該表面溫度，溫度不同在紅外熱像上表現(xiàn)為顏色不同，因此通過分析工件表面的紅外熱像圖就可以推知材料內(nèi)部有無缺陷情況，從而對工件進行缺陷檢測和質(zhì)量評估。

2.2 主動紅外熱波關鍵技術分析及應用

由于熱成像技術的逐漸成熟和推廣，主動紅外熱波技術在復合材料的檢測方面的應用得到快速發(fā)展。下面主要分析除熱成像技術外的關鍵技術。

（1）紅外圖像信息處理技術。熱成像獲得大量的圖像信息，要對圖像進行處理分析，從而獲得有效的檢測結果，需要好的算法實現(xiàn)圖像有效處理。

熱傳導是一個擴散過程，有些時候裂紋損傷信號與環(huán)境噪聲信號（如熱像儀的紅外攝像頭噪聲）之間的區(qū)別可能會微乎其微，因此它們的分離工作將會變得相當困難。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，一般材料表面每個像元受熱激發(fā)后溫度變化遵循方程：

式中，ΔT——溫度變化；

Q——輸入能量；

e——導熱系數(shù)；

t——時間。

對公式（1）兩邊取對數(shù)可得：

作出ln(T)-ln(t)坐標圖，可得圖2。

圖2 ln(T)-ln(t)曲線圖

正常構件的方程是一條斜率為-1/2的直線。如果構件存在裂紋缺陷，構件溫度梯度變化會出現(xiàn)異常，在缺陷的地方方程的斜率會發(fā)生改變。但是斜率發(fā)生變化，并不意味著一定存在缺陷。因為諸如紅外熱像儀的噪聲信號等也會對這條曲線產(chǎn)生影響。

繼續(xù)對方程（2）兩邊分別取一階和二階微分，獲得處理后的圖像信息，見圖3中（b）、（c）的情況。

圖3 ln(T)-ln(t)及其一階和二階微分圖像

預先設置的缺陷在原函數(shù)下的相應十分微弱，如圖3（a）中白框部分所示。取一階微分獲得新的圖像信息，缺陷響應開始顯現(xiàn)，但不夠明顯。繼續(xù)取二階微分，此時缺陷響應會到達峰值，缺陷顯現(xiàn)。這系列變化是缺陷處紅外輻射特有的變化規(guī)律。據(jù)此，通過對圖像信息元方程取微分的方法可以使缺陷顯現(xiàn)出來。由此可知，采用合理的算法，可以有效完成對每個像元的處理并獲得有效檢測信息。

（2）熱激勵方法。根據(jù)熱激勵方式的不同，復合材料加熱方法有脈沖加熱法、調(diào)制加熱法和超聲波激勵加熱法。不同的熱激勵方法直接決定主動紅外檢測的技術途徑。

復合材料因其組元材料性質(zhì)各異、組元組合方法各異等，導致其對熱激勵響應復雜多樣。經(jīng)試驗驗證，在主動紅外檢測中，要很好的提取被檢測試件的缺陷，除了檢測方法、處理算法正確外，熱激勵源對檢測結果的影響很大。無論采用何種熱激勵方法，其中可以肯定的就是熱分布均勻、熱激勵能量足夠的熱激勵源一定有利于主動紅外無損檢測。

3 結語

（1）主動紅外熱波檢測技術，在復合材料檢測應用中具有先天的優(yōu)勢，檢測效率極高、適合外場工作等。

（2）材料的導熱特性直接影響紅外熱波的檢測結果。復合材料是一種多元材料，材料各項異性表現(xiàn)突出，材料的多元和缺陷信號容易混淆，熱源的非均勻性等其它偶然噪聲也會影響檢測結果。提高缺陷類型識別的準確性，需要進一步優(yōu)化數(shù)據(jù)和圖像處理來提高檢測準確度。

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O434.3

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1671-0711（2017）05（上）-0094-03