碳素材料內部缺陷的檢測方法的研究

摘 要：碳素材料是當前比較常見的一種無機非金屬材料，由于其特殊的性質和性能，因而在很多領域中都逐漸得到廣泛的應用。不過，也正是因為碳素材料本身的原因，導致其無損檢測面臨著很大的難度。無損檢測是檢測和發現碳素材料內部缺陷的重要方法，主要包括超聲波檢測、X射線檢測、聲發射檢測等。應結合碳素材料自身特點，對各種檢測方法加以分析，進而找出最適合碳素材料內部缺陷檢測的方法，為碳素材料質量提供更大的保障。

關鍵詞：碳素材料;內部缺陷;檢測方法

0 引言

近年來，隨著科技水平和工業水平的不斷提升，碳素材料作為一種重要的無機非金屬材料，在很多領域中都得到了廣泛的應用，也發揮了越來越重要的作用。碳素材料具有化學穩定性良好、彈性模量較低、耐高溫耐腐蝕性能強、自潤滑強、導電性能好等諸多優勢，在航天、竣工、國防等諸多領域，都能發揮重要作用。但是，由于燃素材料自身性質和工藝，在制造中容易出現內部缺陷，從而導致性能降低和壽命縮短。必須采取有效方法，將碳素材料內部缺陷準確檢出，以保證其良好的應用效果。

1 碳素材料結構特性及對檢測的影響

在碳素材料制品中，主要包括了兩個部分，分別是粘結劑和骨料。其中，常見的骨料類型包括炭黑、無煙煤、天然石墨、冶金焦、針狀焦、瀝青焦、石油焦等。而粘結劑的主要作用，是將骨料粘合形成整體，從而能夠加工成不同形狀的高強度制品[1]。粘結劑常用類型主要有合成樹脂、煤焦油、煤瀝青等。在碳素材料制品的生產過程中，采用不同的生產工藝，對于料粉粒度也有著不同的選擇要求。所以，不同的碳素材料制品，在結構方面也是不容的。在結構當中，由于原子排列方式有所差異，因此不同種類的碳素材料制品，在實際用途、化學性質、物理性能等方面，也都有所差異。另外，碳素材料的原材料種類、生產工藝等因素，也會對碳素材料制品的理化性能、均質結構產生直接的影響。蔡素材料制品結構均質問題，將會造成其耐腐蝕性能、抗壓強度、體積密度等技術指標降低，對于內部質量檢測也將造成一定的干擾[2]。基于碳素材料自身特性，其在石墨化、焙燒、壓型等生產工藝當中，都有可能會出現夾渣、結構疏松、氣孔、裂紋都能夠內部缺陷，進而影響碳素材料制品的質量。近年來，隨著人們對碳素材料制品認識的不斷提升，逐漸積累了更多的豐富的實踐經驗。對于碳素材料制品不均質結構的產生原因，以及不均質結構對碳素材料制品質量造成的影響，已經可以從不同方面加以探索。由于碳素材料制品往往存在內部缺陷，因此其實際強度仍然無法完全達到理論強度的水平。因此，對于燃素材料的生產工藝、內部缺陷問題等，都要進行深入細致的研究，并將二者之間的關系理清，才能夠更好的開展碳素材料無損檢測技術的研究。

2 碳素材料內部缺陷的無損檢測

無損檢測技術是碳素材料內部缺陷檢測的一個重要方法，主要是通過電、磁、光、聲等特性，在不影響和不損害碳素材料制品的基礎上，對碳素材料中是否存在不均勻性、缺陷問題等加以檢出。同時需要確定內部缺陷的數量、性質、位置、大小等信息[3]。根據這些信息，判斷碳素材料的剩余壽命、是否合格等技術狀態加以判斷。目前，常用的內部缺陷無損檢測技術，主要包括了聲發射檢測技術、渦流檢測技術、液態滲透檢測技術、磁粉檢測技術、超聲檢測技術、射線照相檢測技術等。在實際應用中，還需要根據碳素材料的具體特點與性質，做出合理選擇。

3 碳素材料內部缺陷檢出的難點

碳素材料作為當前常用的一種材料，其本身性質特點及制造工藝比較特殊，因而很多內部夾渣、氣孔、裂紋等缺陷問題是難以避免的。這些內部缺陷的存在，將造成碳素材料制品使用壽命明顯縮短，導致碳素材料的實際應用和推廣受到阻礙[4]。因此，采用有效的技術準確檢出碳素材料內部缺陷，是至關重要的。但是，在碳素材料無損檢測中，面臨著很大的難點。相比于其他粗晶材料，碳素材料內部結構特點主要是特異性強、密度不均、空隙較多、晶體粗大、結構疏松，存在比較多的強噪聲干擾。因此，其本質特征確定性信息容易被湮沒，檢測信號信噪比很低，因而無法將碳素材料制品的內部缺陷有效檢出。

4 碳素材料內部缺陷無損檢測的現狀

目前，很多國家對碳素材料無損檢測技術已經開始了深入的研究，也取得了一定的成果。當前主要的研究方向集中在超聲波、X射線、聲發射等領域。對超聲波檢測技術的研究中，碳素材料制品彈性模量、體積密度、氣孔大小等，都會對碳素材料中超聲波傳播速度造成影響。通過不斷的研究和實踐，也得出了一定的技術參數，對于碳素材料超聲波檢測提供了較大的支持[5]。不過，在碳素材料當中，超聲波會發生比較多、比較復雜的衰減，因而對碳素材料進行超聲波檢測，仍需要更加深入的研究理論和實踐經驗，才能提高結論的可靠性。關于X射線在碳素材料中的檢測研究，主要是對內部孔隙、裂紋的檢測。例如，通過X射線對石墨塊探傷檢測，在300mm的石墨塊中，可探測出尺寸為3mm的內部缺陷。聲發射檢測研究當中，需要對碳素材料施加外界激勵，如果碳素材料制品不在工作狀態，該方法將無法發揮作用。盡管當前對于碳素材料制品無損檢測技術，已經給開展了較多的研究，但是對于一些大規格碳素材料制品，內部隱藏缺陷仍然難以有效探測，因而導致碳素材料無損檢測研究受到阻礙[6]。所以，對于碳素材料內部規律及缺陷特征，都要更加深入的了解和認識，對各種無損檢測技術準確把握及合理應用，進而為碳素材料質量提供更好的保障。

5 碳素材料內部缺陷的檢測方法分析

5.1 超聲波檢測

超聲波檢測是材料內部缺陷檢測中的一項重要技術，主要是利用了被檢測對象中超聲波的傳播及反射原理，對內部缺陷位置、性質、大小，以及材料某些物理性能等加以分析。由于碳素材料制品存在較多內部缺陷，會引起嚴重的超聲波衰減，因而在碳素材料內部缺陷檢測中，面臨著較大的難度。在相關研究中，使用超聲波探傷儀檢測陰極碳塊、石墨的內部人工缺陷。探頭對不同頻率超聲波進行發射，接收端對超聲波信號加以接收，經過A/D轉換器量化，然后想計算機輸入。根據研究結果顯示，接收的超聲波存在嚴重衰減，無法體現出有價值的波形，也無法實現有效缺陷回波提取和噪聲消除[7]。所以，對于碳素材料內部缺陷來說，超聲波回波法顯然并不合適。超聲波的波長比較短，衍射能力不足，因而穿過孔隙障礙繼續傳播的性能也相對較低。所以，在超聲波傳播路徑上，如果有孔隙障礙存在，對于其傳播速度會造成影響。

基于此，可以根據這一特性，使用超聲波檢測碳塊孔洞裂紋等缺陷。如果發現超聲波在碳塊中速度改變，就可以初步判定碳塊有結構缺陷存在超聲波速度大小，通常會受到材料密度、彈性模量的影響，因此可利用泊松比、體積密度、彈性模量等參數，計算出縱波聲速。在碳素材料中，不同位置密度及彈性模量也有所差異，所以在不同的點，超聲波速度也有所不同。可以利用這一特點對碳素材料內部之來那個加以判斷，不過對于內部缺陷仍難以實現定量分析。目前，在碳素材料制品檢測中，這種方法也得到了一定的應用，利用超聲波檢測被檢測物體，得到一定的聲速值，如果比這個值低，就說明材料內部疏松程度過大。在我國，也有一些軍工企業，使用超聲波聲速對碳素材料制品均質質量加以控制。由此可見，利用超聲波檢測技術，能夠對碳素材料制品均質結構加以檢測，在實際應用當中也能夠取得理想的效果。不過由于碳素材料制品中，超聲波衰減較多，也比較復雜，因此在實際檢測中，仍難以實現對內部缺陷的準確分析。

5.2 X射線檢測

對于碳素材料制品內部缺陷，單純采用超聲波檢測技術，難以準確有效的判斷，所以，要探索出更加適合的無損檢測技術。通過研究發現，X射線可以對大規格陰極碳塊內部缺陷進行檢出，對于25mm2以上的夾渣、5mm以上的氣孔、0.5mm以上寬度及15mm以上長度的裂紋，均可有效檢出，同時能對缺陷的位置、性狀、尺寸等加以體現。基于此，設計和應用X射線成像系統，運用X射線機，利用X射線底片、數碼相機等，代替圖像采集卡、CCD攝像機、圖像增強器等設備。在膠片上獲取圖像，在冷光源強光觀片燈下用數碼相機攝像。然后在計算機中輸入得出的內容，通過圖像格式轉換、MATLAB圖像處理工具，進一步處理和分析獲取的圖像。根據研究顯示，在實際檢測中，針對不同的材料厚度、材料密度等，合理設定相關技術參數，能夠保證圖像效果理想，準確檢測碳素材料的內部缺陷。在不同位置、不同角度拍照分析，可以對缺陷位置準確判定，從而實現對內部缺陷的定量分析。不過，基于X射線機自身靈敏度的限制，對于尺寸較小的缺陷可能無法準確檢出。當前使用的X射線機，能夠達到500mm的最大探測厚度，以及2%左右的探傷靈敏度，與機械自動傳動機構配合，可以對一定范圍內的內部缺陷連續批量檢測。相比于超聲波檢測，X射線檢測在碳素材料制品內部缺陷檢測中，可以達到更高的準確率，不過費用相對較高，并且對場地也有一定的要求。

5.3 聲發射檢測

聲發射檢測技術中，材料或構件由于受力產生斷裂或變形，其應變能通常以彈性波的方式釋放出來，稱之為聲發射。通過對聲發射信號的接收，開展材料研究及結構完整性動態評價，就是聲發射檢測技術。該項技術對于材料內部變化過程可以連續監視，是一種動態化的無損檢測技術。另外，聲發射技術能夠有效減少材料本身的限制。基于此，在碳素材料制品的內部缺陷檢測中，可利用聲發射檢測技術開展動態檢測。不過，需要注意的是，對于非加載狀態下的碳素材料制品，聲發射檢測技術就難以發揮出理想的作用。

6 結論

碳素材料是當前應用比較廣泛的一種無機非金屬材料，原材料一般以石油焦及瀝青為主。由于碳素材料自身的性質結構特點、生產工藝條件等因素，使其比較容易出現內部缺陷。這種情況將會對碳素材料制品的性能與質量造成很大的影響，因此需要對其內部缺陷進行有效檢測。不過碳素材料內部缺陷檢測面臨著較大的難度，需要考慮其各方面特點，選擇合適的檢測方法，提高檢測結果的可靠性。

參考文獻：

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作者簡介：

馬兵（1987- ），男，籍貫：湖南常德，土家族，學歷：本科，職務：生產部副主任，研究方向：碳素類。