红外热像检测技术在吸波涂层缺陷研究中的应用

王智勇， 刘颖韬， 王小虎， 张 桐， 李艳红， 霍 雁

（北京航空材料研究院，北京 100095）

雷达吸波涂层是武器装备实现隐身采取的最简单、有效的方式。美国SR-71隐身高空侦察机、B-1B隐身轰炸机、F-117隐身战斗机（2008年4月已正式退役）、B-2隐身轰炸机、F-22隐身战斗机与F-35隐身联合攻击战斗机等几代隐身飞机都采用了吸波涂层这项技术。相对于其他武器装备，飞机对吸波涂层的要求最高，除隐身性能要求外，吸波涂层还必须有优秀的物理机械性能和使用可靠性。因此，在研制高性能吸波涂层的同时，还必具关注吸波涂层施工和使用过程中可能产生的缺陷，其中脱粘就是一种典型的缺陷。吸波涂层厚度约为普通飞机蒙皮漆厚度的10到20倍，主要填料为铁磁性粉末，关键部位涂层的脱落将有可能威胁到飞机的安全［1～6］。吸波涂层质量与可靠性控制技术已成为隐身材料工程化研究中必须考虑的问题。

国内外技术上比较成熟的五种常规无损检测（non-destructive testing，NDT）方法为:射线，超声，磁粉，渗透，涡流。非常规技术包括声发射、激光散斑、红外热像、磁记忆、超声全息等。每种检测方法都有各自的适用范围、局限性和优缺点。超声、激光散斑和红外热像技术是目前国内外用于复合材料与涂层质量检测的主要手段。红外热像技术具备以下特点:（1）测量非接触性，无需耦合剂，无污染;（2）测量设备可便携，方便现场检测;（3）检测时间短;（4）测量面积大［7～10］。这些特点使得红外热像技术更适合用于吸波涂层外场的缺陷检测。

据报道红外热像检测技术已在美军装备维修中广泛应用，其中就包括隐身战机F-22的维修使用。美国TWI公司是从事红外热像无损检测设备的主要厂商之一［11］，所使用的红外热像检测方法已写入ASTM标准［12］。国内近年来红外热像无损检测技术也已得到发展。结合国家863项目，首都师范大学、北京维泰凯信新技术有限公司、北京航空材料研究院等三家单位在首都师范大学建立起联合红外热波实验室，红外热像试验条件已基本具备。但目前国内还没有此项技术在吸波涂层方面的应用案例。

1 红外热像无损检测系统

1.1 工作原理

红外检测，又称红外热像检测，是基于红外辐射原理，通过扫描、记录或观察被检测工件表面上由于缺陷所引起的温度变化来检测表面及近表面缺陷的无损检测方法。被测物体内部的不连续，如缺陷或结构的差异，会影响物体的热扩散过程。当外界施加热激励，或物体工作时自身产生热，从而在物体内部形成热流时，物体内部的不连续会影响热传导，使物体表面温度分布产生异常。红外检测方法利用红外热像仪等设备监测物体表面的温度变化，通过对热图像或温度数据的分析，获得物体表面或近表面缺陷的特征。对于隔热性缺陷，缺陷的热扩散系数要小于本体材料的热扩散系数，热量将会在缺陷上方发生积聚，使该处表面温度高于周围区域。通过获取材料表面的温场变化信息，从而判断被测试样表层下面是否存在缺陷以及缺陷存在的情况。

1.2 红外热像检测系统组成

闪光灯激励红外热像无损检测系统由高能闪光灯，红外热像仪，计算机软，硬件以及电源箱等组成。高能闪光灯是热激励装置，通过计算机控制进行脉冲加热;红外热像仪高速记录被测物体表面温度场变化，并将信号传送给计算机，由计算机进行数据采集控制和图像处理，给出检测结果。图1是系统组成和原理示意图。

图1 红外热像检测系统组成和原理示意图Fig.1 Schematic diagram of infrared thermograph testing system and its principle

2 试验与结果

2.1 系统

本研究采用红外热像检测系统进行试验。红外热像仪的工作波段8～9μm，图像分辨率320×240，采集频率60Hz，采集时间15s左右;选用两氙灯为脉冲热源，光脉冲宽度为2ms，脉冲能量为9.6kJ。

2.2 可行性试验

2.2.1 缺陷材料试样制备 预制吸波涂层胶膜:采用羰基铁粉作为吸收剂、氯磺化聚乙烯类橡胶为粘结剂，胶膜中吸收剂体积比为39%，胶膜平均厚度0.97mm，尺寸为80mm×80mm。

本研究设计了三种不同的涂层脱粘缺陷状态，1#样品选择涂层中间脱粘状态;2#样品为涂层有两条长方形脱粘缺陷设计;3#样品为涂层边缘脱粘。按缺陷设计将胶膜非缺陷部位均匀涂上914环氧胶，将其贴在同样尺寸的铝合金金属基底上，施加压力，放置24h，制成带脱粘缺陷的材料试样。图2、图3分别为材料脱粘缺陷设计示意图和带缺陷材料试样截面示意图，图4是带缺陷材料试样实物照片，虚线标注区域为所设计缺陷部位。

2.2.2 涂层缺陷检测试验与结果 图5给出三个带缺陷的吸波涂层胶膜试样热像照片。热像照片非常清楚地显示出与本设计的涂层缺陷情况（见图2）相吻合的灰度变化。这正是由于缺陷导致了涂层受热激励后热量在内部传导出现的不一致，因而导致涂层表面温度的差异。由于脱粘缺陷为隔热性缺陷，因此，缺陷部位涂层表面的温度要高于正常涂层表面的温度。

在图5照片中我们发现缺陷区域边界不规则，主要原因来自于粘结预制涂层胶膜的914环氧胶在制样过程中受压后面积的扩延。同时照片中也出现了非缺陷部位的亮区，这些亮区是涂胶时胶层厚度不均匀带来的。另外，在1#样品的热像照片中缺陷部位中间显示为暗区，这一试验现象的出现是因为这一区域没有涂胶，在制样施压过程中这一区域吸波涂层胶膜与金属基底处于紧密接触状态，脱粘层空气层厚度可近似为0，而无缺陷涂层通过一定厚度的914胶层与金属基底接触。由于吸波涂层中铁粉的高热传导性，所以使得缺陷中间区域的表面温度低于缺陷边缘的表面温度，甚至低于无缺陷区域的表面温度。

图5 三种带缺陷试样的热像照片Fig.5 IR Photos of the samples with the bonding defects

以上试验结果表明红外热像技术可检测出吸波涂层脱粘缺陷。

2.3 验证试验

2.3.1 缺陷涂层试样制备 直接在铝合金金属基底（尺寸为80mm×80mm）上涂刷吸波涂料。吸波涂料采用羰基铁粉作为吸收剂、环氧/聚酰胺树脂体系为粘结剂，涂层中吸收剂质量分数，涂层设计厚度为1.00mm或1.50mm。

设计了三种不同的涂层脱粘缺陷状态，5#样品选择涂层中间脱粘状态;6#样品为涂层有一条长方形脱粘缺陷设计;7#样品为涂层两端边缘脱粘。涂刷吸波涂层前，在金属基底缺陷设计部位粘贴纸质薄胶带（厚度约0.1mm），模拟脱粘空气层。材料脱粘缺陷设计参见图6，虚线标注区域为所设计缺陷部位。试样样品共4块，其中5#样品为两块（取不同涂层厚度）。

图6 吸波涂层脱粘缺陷设计示意图Fig.6 Design drawing of RAC bonding defects location

打磨刷涂完的吸波涂层至设计厚度，5#-样品、5#-2样品、6#样品与7#样品的涂层平均厚度分别为0.97mm，1.46mm，1.45mm 与1.49mm。

2.3.2 涂层缺陷检测试验与结果 图7给出5#-1样品、6#样品与7#吸波涂层试样热像照片。除5#-1样品由于涂层缩边带来边缘亮区外，三张吸波涂层热像照片中给出灰度亮区与图4设计的不同涂层脱粘缺陷完全对应吻合。

在5#-2样品上选取缺陷区域（圆形图示）和非缺陷区域（三角图示）进行分析，作出时间值（热像图帧数）与热像仪采集涂层红外发射能量信号的logT（辐射能量的对数值）图像见图8。带圆形图示的曲线代表了缺陷区域降温曲线，带三角图示的曲线作为参考曲线为选取的非缺陷区域降温曲线。通过该降温曲线图，可以清楚地看出在箭头所指时间点两条曲线开始出现分离，说明在该时间点后试验区域里圆形图示部位的温度要高于三角图示部位的温度，验证了圆形图示区域为隔热性脱粘缺陷的这一结果。

3 结论

（1）试验结果表明红外热像技术是检测吸波涂层脱粘缺陷的一种可行方法。

（2）红外热像检测系统可便携，测量时间短，测量面积大，进行外场RAC检测具有可行性。

（3）国内目前尚未有用于吸波涂层缺陷无损检测的手段，这一NDT技术在吸波材料研究中的应用，将解决RAC施工质量和可靠性控制问题。

［1］王智勇，熊克敏，等.单层薄型双波段雷达波吸收涂层研究［J］.航空材料学报，1998，18（1）:51-55.

（WANG Z Y，XIONG K M，et al.The development of a thin one layer radar absorbing coating for X band and Ku bands［J］.Journal of Aeronautical Materials，1998，18（1）:51-55.）

［2］胡秉科，周训波.美军用飞机推进系统上隐身技术的发展与应用［J］.国际航空，2001，6:54-56.

（HU B K，ZHOU X B.Application of stealth design technologies in propulsion system of USA's military aircraft［J］.International Aviation，2001，6:54-56.）

［3］胡传炘.隐身涂层技术［M］.北京:化学工业出版社，2004:183-218.

（HU C X.Stealth coatings technology［M］.Beijing:Chemical Industry Press，2004:183-218.）

［4］王智勇，刘俊能，熊克敏.兼具红外隐身的八毫米雷达波吸收材料的研究［J］.材料工程，1998（11）:11-13.

（WANG Z Y，LIU J N，XIONG K M.Study of Ka-band radar absorbing materials with infra-red camouflage［J］.材料工程，1998（11）:11-13.）

［5］赫丽华，刘平桂，王晓红.雷达吸波涂层的失效行为［J］.失效分析与预防，2009，4（3）:183-187.

（HE L H，LIU P G，WANG X H.Degeneration behavior of radar absorbing coatings［J］.Failure Analysis and Prevention.2009，4（3）:183-187.）

［6］黄大庆，王智勇，刘俊能.偶联剂对吸波涂层力学性能的影响及其作用机理的研究［J］.材料工程，1999，9:28-31.

（HUANG D Q，WANG Z Y，LIU J N.Effects of coupling agents on mechanical properties of radar absorbing coating and its mechanism［J］.Journal of Materials Engineering，1999，9:28-31.）

［7］吴时红，陈颖，何双起.超声显微检测系统在涂层检测中的应用研究［J］.宇航材料工艺，2005，35（4）:55-57.

（WU S H，CHEN Y，HE S Q.Application of scanning acoustic microscope for coat testing［J］.Aerospace Materials＆ Technology.2005，35（4）:55-57.）

［8］鲍凯，王俊涛，吴东流.新兴的无损检测技术—红外热波成像检测［J］.无损检测，2006，28（8）:393-398，408.

（BAO K，WANG J T，WU D L.New nondestructive testing technology:infrared thermography testing［J］.Nondestructive Testing，2006，28（8）:393-398，408.）

［9］王迅，金万平，张存林，等.红外热波无损检测技术及其进展［J］.无损检测，2004，26（10）:497-501.

（WANG X，JIN W P，ZHANG C L，et al.Actuality＆evolvement of infrared thermal wave nondestructive imaging technology［J］.Nondestructive Testing，2004，26（10）:497-501.）

［10］COX R L，ALMOND D P，REITER H.Ultrasonic testing of plasma sprayed coatings［J］.NDT International，1980，13（6）:291-295.

［11］张晓燕，金万平.红外热波检测技术在美军装备维修中的应用［J］.航空维修与工程，2006，5:41-43.

（Zhang X Y，Jin W P.The Application of thermal wave detection in American equip maintenance［J］.Aviation Maintenance＆ Engineering，2006，5:41-43.）

［12］ASTM E 2582-07 Infrared Flash Thermography of Composite Panels and Repair Patches Used in Aerospace Applications.