虹科案例 | 復合材料內部缺陷的無損“透視”技術

近年來，復合材料領域迅猛發展，越來越多的復合材料被應用在航空航天、船舶、汽車、風電以及核工業等高新領域。所謂復合材料，可以是金屬材料、無機材料、 高分子材料中任意 2 種或 2 種以上的復合，通過物理或化學作用，將會形成并得到兼具各材料優點的新材料。

但將它們組成、結構相差甚遠的材料復合到一起時，它們的結合不可能達到完美，并且每一種基材自身也可能存在一定的缺陷，而這些缺陷將會成為材料使用過程中的薄弱環節。也就是說，材料很可能在實際使用條件未達理論上限 時就從這些薄弱環節開始發生破壞。為保證材料在后期使用過程中的可靠性，在復合材料的生產、加工、使用過程中對其進行缺陷檢測十分必要。無損檢測技術具有無損性、即時性等特點，在航空航天、汽車工業、化工等領域得到了廣泛應用。目前應用較廣的無損檢測手段包括接觸式超聲檢測、射線檢測、磁粉檢測、滲透檢測、渦流檢測 5 種?？筛鶕褂脠龊?、材料等條件的不同，選擇適當的探傷方式進行檢測。上述 5 種檢測方法各有其特點和優勢，但不能夠完全適用于任何場合。

4種常見的無損檢測技術

對于磁性材料、高分子復合材料以及泡沫、陶瓷、塑料等應用廣泛的材料，可見光、紅外線甚至是超聲波都不能透過。而對于通常的射線檢測方法而言，無論是上述材料本身，還是材料中可能出現的缺陷，如孔洞、錯位、裂縫等，都是幾近透明的，因此難以對材料內部的缺陷清晰成像，這就使得對這類材料的無損檢測受到限制。

虹科基于太赫茲技術與激光聲學技術，為復合材料的內部缺陷檢測提供了非接觸式的“透視”成像技術，可用于科研與工業環境的檢測場景。

太赫茲無損檢測技術

太赫茲無損檢測作為一種新興的無損檢測手段，可以與傳統的檢測方法相互彌補，為復合材料的無損檢測提供更加全面的技術支持。太赫茲(Terahertz)波，是指波長范圍為 3 mm~30 μm，頻率范圍為 100 GHz~10 THz 的一類電磁波，又稱 T 射 線(T-rays)，在某些領域也被稱為遠紅外輻射或毫米波、亞毫米波。

基于太赫茲波譜的無損探傷技術，與其他傳統的檢測手段相比，具有許多獨特的優點。在非金屬、非極性材料的檢測方面，太赫茲波不僅可以透過不透明材料探測材料內部的雜質、位錯、微裂紋、纖維分層、纖維與基體界面開裂、纖維卷曲、富膠或貧膠、孔洞、脫膠以及氧化等缺陷，還可代替紅外應用在絕熱材料和熱敏感材料的檢測中。并且由于太赫茲波的低能性，不會對被檢材料造成結構上的破壞，也不會產生對人體有害的輻射。

01. 虹科太赫茲成像方案

虹科太赫茲成像方案基于連續波太赫茲源，現有三種配置的成像方案，下圖所示：

虹科三種太赫茲成像方案

連續太赫茲成像系統主要基于強度信息進行成像，通常會有更高功率的太赫茲輸出，能夠穿透較厚的樣品。在輸出波長方面，虹科方案有高頻（2~5THz）、低頻（~150GHz）均有輸出，高頻成像分辨率高，低頻穿透深度更深；在成像效果上，TE-HV系統具有實時成像效果，而兩款雷達則是以反射式的成像方式獲取三維圖像信息；在探測形式方面，虹科方案具有實時成像與掃描成像兩種方式選擇，滿足不同應用場景的需求。

02. 太赫茲檢測實例

利用虹科亞太赫茲NDT雷達，我們對預設缺陷的玻璃纖維元件下的不同尺寸大小的缺陷進行了掃描成像，顯示了在工業復合材料檢測的可行性。NDT雷達具有7.6KHz的探測速率，緊湊的單體結構能夠集成于機械臂等結構，能夠用于工廠環境的自動化檢測。

激光聲學無損檢測技術

在傳統的液體耦合超聲中，壓電換能器廣泛用作發射器和接收器，換能器與樣品之間有液體偶聯劑(如水)，這種液體有利于超聲波能量的傳遞。但是液體耦合式超聲增加了成本，并且不能和所有檢測材料兼容，部分應用場景不能使用液體，另外接觸式檢測難以實現自動化檢測方案。

在不能使用液體的情況下，傳統的替代方法是空氣耦合超聲。但是空氣耦合超聲在靈敏度和頻率帶寬上是有限的，并且在單面脈沖回波測量中表現出盲區。

超聲波從發射器到接收器的衰減示意圖:(a)空氣耦合UT;(b)液耦UT

除此以外，傳統的激光超聲技術（LUS）是一種無接觸的替代方案。激發激光器向樣品表面發射短激光脈沖，并在樣品表面被吸收。材料局部受熱，膨脹的時間遠低于導熱率，這將通過材料發送寬帶超聲波，超聲波直接在樣品內部靠近表面的地方產生。第二束激光被引導到樣品表面進行超聲檢測。部分激光從表面反射回探測器頭部，在那里信號(由于超聲波引起的樣品表面振動)通過干涉測量法測量。這種方法具有大帶寬和高靈敏度，但成本高，對表面條件敏感，并且需要復雜的光學器件，因此不適合大多數工業應用。

01. 虹科激光聲學方案

虹科激光聲學（LEA）技術提供了一種新型非接觸無損檢測的方法。在LEA中，設置如下:激發激光器作為脈沖發生器并產生超聲信號，而光學麥克風作為接收器。LEA可以在超聲波無損檢測的兩種標準布置中工作:一種是在樣品的相對側使用激勵激光器和光學麥克風進行透傳測試，另一種是單面檢測，即發送端和接收端都在樣品的同一側，如圖所示。與大多數用于傳統LUS的商業系統相比，LEA中的可見光或近紅外激發激光器是光纖耦合的，這使得單面間距捕獲和通過傳輸設置的傳感器頭設計非常緊湊。