复合材料缺陷检测的新型”透视“技术——太赫兹与激光声学

近年来，复合材料领域迅猛发展，越来越多的复合材料被应用在航空航天、船舶、汽车以及核工业等高新领域，利用太赫兹波对复合材料进行无损检测的热潮也应运而生。

所谓复合材料，可以是金属材料、无机材料、高分子材料中任意 2 种或 2 种以上的复合，通过物理或化学作用，将会形成并得到兼具各材料优点的新材料。但将组成、结构相差甚远的材料复合到一起时，它们的结合不可能达到完美，并且每一种基材自身也可能存在一定的缺陷，而这些缺陷将会成为材料使用过程中的薄弱环节，也就是说，材料很可能在实际使用条件未达理论上限时就从这些薄弱环节开始发生破坏。为保证材料在后期使用过程中的可靠性，在复合材料的生产、加工、使用过程中对其进行缺陷检测十分必要。

无损检测技术具有无损性、即时性等特点，在航空航天、汽车工业、化工等领域得到了广泛应用。目前应用较广的无损检测手段包括接触式超声检测、射线检测、磁粉检测、渗透检测、涡流检测 5 种。可根据使用场合、材料等条件的不同，选择适当的探伤方式进行检测。上述 5 种检测方法各有其特点和优势，但不能够完全适用于任何场合。

对于磁性材料、高分子复合材料以及泡沫、陶瓷、塑料等应用广泛的材料，可见光、红外线甚至是超声波都不能透过。而对于通常的射线检测方法而言，无论是上述材料本身，还是材料中可能出现的缺陷，如孔洞、错位、裂缝等，都是几近透明的，因此难以对材料内部的缺陷清晰成像，这就使得对这类材料的无损检测受到限制。

因此，开发出新型的非接触式的无损检测技术，对于复合材料的研究十分重要。

1. 太赫兹技术

太赫兹无损检测作为一种新兴的无损检测手段，可以与传统的检测方法相互弥补，为复合材料的无损检测提供更加全面的技术支持。

太赫兹(Terahertz)波，是指波长范围为 3 mm~30 μm，频率范围为 100 GHz~10 THz 的一类电磁波，又称 T 射 线(T-rays)，在某些领域也被称为远红外辐射或毫米波、亚毫米波。

基于太赫兹波谱的无损探伤技术，与其他传统的检测手段相比，具有许多独特的优点。在非金属、非极性材料的检测方面，太赫兹波不仅可以透过不透明材料探测材料内部的杂质、位错、微裂纹、纤维分层、纤维与基体界面开裂、纤维卷曲、富胶或贫胶、孔洞、脱胶以及氧化等缺陷，还可代替红外应用在绝热材料和热敏感材料的检测中。并且由于太赫兹波的低能性，不会对被检材料造成结构上的破坏，也不会产生对人体有害的辐射。

应用案例

利用虹科亚太赫兹NDT雷达，我们对预设缺陷的玻璃纤维元件下的不同尺寸大小的缺陷进行了扫描成像，显示了在工业复合材料检测的可行性。

NDT雷达具有7.6KHz的探测速率，紧凑的单体结构能够集成于机械臂等结构，能够用于工厂环境的自动化检测。

2. 激光声学技术

在传统的液体耦合超声中，压电换能器广泛用作发射器和接收器，换能器与样品之间有液体偶联剂(如水)，这种液体有利于超声波能量的传递。但是液体耦合式超声增加了成本，并且不能和所有检测材料兼容，部分应用场景不能使用液体，另外接触式检测难以实现自动化检测方案。

在不能使用液体的情况下，传统的替代方法是空气耦合超声。但是空气耦合超声在灵敏度和频率带宽上是有限的，并且在单面脉冲回波测量中表现出盲区。

超声波从发射器到接收器的衰减示意图:(a)空气耦合UT;(b)液耦UT

除此以外，传统的激光超声技术（LUS）是一种无接触的替代方案。激发激光器向样品表面发射短激光脉冲，并在样品表面被吸收。材料局部受热，膨胀的时间远低于导热率，这将通过材料发送宽带超声波，超声波直接在样品内部靠近表面的地方产生。第二束激光被引导到样品表面进行超声检测。部分激光从表面反射回探测器头部，在那里信号(由于超声波引起的样品表面振动)通过干涉测量法测量。

这种方法具有大带宽和高灵敏度，但成本高，对表面条件敏感，并且需要复杂的光学器件，因此不适合大多数工业应用。

虹科激光声学（LEA）技术提供了一种新型非接触无损检测的方法。在LEA中，设置如下:激发激光器作为脉冲发生器并产生超声信号，而光学麦克风作为接收器(Fischer 2016; Fischer et al. 2019)。LEA可以在超声波无损检测的两种标准布置中工作:一种是在样品的相对侧使用激励激光器和光学麦克风进行透传测试，另一种是单面测试，即发送端和接收端都在样品的同一侧，采用节距捕捉配置，如图2a和2b所示。

与大多数用于传统LUS的商业系统相比，LEA中的可见光或近红外激发激光器是光纤耦合的，这使得单面间距捕获和通过传输设置的传感器头设计非常紧凑。

LEA检测实例

激光脉冲的超声激发和虹科专有的超声检测器相结合，实现了两全其美：它在灵敏度和分辨率上与当今的标准液体偶联UT相匹配，同时不需要水或偶联凝胶。紧凑型LEA探头是完全光纤耦合的，从一开始就设计用于机器人检测。其对错位和表面变化的鲁棒性确保了整个检测区域的高信噪比，最大限度地减少了昂贵的手动重新测试。

利用虹科LEA系统，对具有分层结构的碳纤维材料进行了内部缺陷检测，能够查看到其分层、内部的切口。将一个切口区域放大扫描，可以清晰地看见蜂窝状的碳纤维材料，以及缺陷的位置的形态，分辨率可以达到几百um的量级。

该种无损检测技术能用应用于碳纤维材料的质量控制、复合结构的冲击检测、多层复合材料的连接测试以及粘合接头的分层检测。与FILL合作开发的工厂使用版本，集成机械臂能够快速检测碳纤维复合材料的质量。

审核编辑 黄宇