基于微波技术的复合材料无损检测

2013-10-23邢贺民段滋华

无损检测 2013年10期

邢贺民，马耀，段滋华

（太原理工大学化学化工学院，太原 030024）

复合材料虽然经过合理的工艺加工过程和材料成型过程，但还是存在产生缺陷的可能，引起质量问题，导致材料的失效。缺陷的存在制约了复合材料的研发和应用，从而也推进了无损检测技术的发展。无损检测技术已成为发展复合材料的关键技术之一。复合材料内部的常规无损检测方法为超声波检测法和射线检测法。超声波属于弹性波，作用在被测试件表面后会进入试件内并快速传播。由于摩擦作用、热弹效应和迟滞效应的作用［1－2］，其在检测复合材料时衰减很大，制约了其检测的效果。微波属于电磁波，对于非金属材料具有很好的穿透性，衰减大大降低，弥补了超声波的不足。对于射线检测法，由于射线辐射的危害和屏蔽设备的复杂，使其检测成本很高，同时其对平行于表面的裂纹不敏感，需要与超声波技术互补来实现全面检测［3］。对比之下，微波辐射的危害大大降低，检测时不需要复杂的屏蔽设备，降低了检测成本。

笔者采用聚苯乙烯泡沫材料、石蜡和橡胶为实验用非金属基，用微波技术对其进行了无损检测。结果表明，微波回波损耗可以作为检测复合材料内部裂纹和气孔缺陷的特征参量。同时得出，非金属基的介电常数差异会影响检测结果

1 微波检测原理及方案

1.1 微波检测原理

微波一方面在不连续界面处会产生反射、散射和透射，另一方面还能与被检测材料相互作用。不同材料的介电常数不同，微波传输也会受到材料的电磁参数和几何参数的影响［4－5］。通过测量携带材料内部信息的微波信号的基本特征参数的改变，就可以对材料进行无损检测。笔者采用微波回波损耗这一特征参数，测量出的回波损耗为负值，与缺陷的尺寸成反比关系，在分析和绘图过程中为了便于理解，使其与缺陷的尺寸单调一致，对回波损耗测量值取绝对值，然后进行数据分析。

1.2 微波检测方案

试验参考件和复合材料是由非金属基和金属层复合而成。其中金属层材料为Q235，非金属基为聚苯乙烯泡沫材料、石蜡和橡胶。聚苯乙烯泡沫材料的相对介电常数为1.03，石蜡的相对介电常数为2.1，橡胶的相对介电常数为3［6］。

在被测复合材料试件的金属层加工裂纹和气孔缺陷，非金属基叠加覆盖其表面，使缺陷预置于复合材料内部。金属层裂纹缺陷板预制了5块，深度分别为1，2，…，5mm，每块板预置裂纹宽度为1，2，…，10mm的10条裂纹。图1为裂纹深度为5mm的金属缺陷层。非金属基为聚苯乙烯泡沫材料、石蜡和橡胶各两块板，其长×宽×厚均为500mm×120mm×5mm。气孔（4行4列）缺陷预置在一块金属层中，如图2所示。其中每一列直径相等，一至四列分别为φ4，5，6和7mm，而每一行深度相等，一至四列分别为2，4，6和8mm。非金属基为聚苯乙烯泡沫材料、石蜡和橡胶各2块板，其长×宽×厚均为208mm×208mm×5mm。

图2 金属气孔缺陷层结构

参考试件金属层为相同两块未预置裂纹缺陷和气孔缺陷的板材。裂纹类参考试件的金属层长×宽×厚为32mm×32mm×8mm，气孔类参考试件金属层长×宽×厚为32mm×32mm×15mm。裂纹和气孔类参考试件的表面叠加的非金属基相同，为聚苯乙烯泡沫材料、石蜡和橡胶各2块，其长×宽×厚为32mm×32mm×5mm。

通过上述金属板和非金属基叠加放置可以组合出复合材料测试试件和参考试件。参考件内部没有预置缺陷，用于复合材料内部缺陷的定位。

试验装置如图3所示。微波矢量网络分析仪通过同轴电缆与微波探头相连接，用于信号的输出与输入，端口1输出微波信号到探头6，微波信号发射到复合材料中，然后接收信号到微波矢量网络分析仪进行分析。端口2发射微波信号到探头3，参考件没有预置缺陷，可以用于参考，当两组曲线有峰值区别时即可以认为发现试验用复合材料中的预置缺陷，然后可以记录特征信号的测量数值。

图3 复合材料内部缺陷微波无损检测装置的结构

2 试验数据与结果分析

由于装置波导探头的匹配频率为13～18GHz，所以用试验装置检测复合材料时，首先需在该频率下进行扫频检测。借助于参考件可以确定不同非金属基的点频频率，然后进行点频无损检测。聚苯乙烯泡沫材料基的点频频率为14.5677GHz、石蜡基的点频频率为14.5375GHz，橡胶基的点频频率为14.7084GHz。

2.1 复合材料气孔缺陷的分析

由图4可以看出气孔直径及埋深对微波特征参量回波损耗的影响规律。在圆形气孔深度不变的情况下，微波特征参量回波损耗取绝对值，其随聚苯乙烯泡沫基、石蜡基和橡胶基的复合材料中圆形气孔缺陷的直径增大而变大。在圆形气孔直径不变的情况下，微波特征参量回波损耗取绝对值，其随聚苯乙烯泡沫基、石蜡基和橡胶基的复合材料中的圆形气孔缺陷的深度增大而变大。

2.2 不同非金属基对气孔缺陷检测的影响分析

由图5可以得出检测圆形气孔缺陷时的介电常数对微波特征参量回波损耗的影响规律。在非金属基和圆形气孔缺陷深度不变的情况下，微波特征参量回波损耗取绝对值，其随气孔直径的增大而变大。由于聚苯乙烯泡沫材料的相对介电常数为1.03，石蜡的相对介电常数为2.1，橡胶的相对介电常数为3，在圆形气孔缺陷尺寸不变的情况下，微波特征参量回波损耗取绝对值，其随非金属基的相对介电常数的增大而增加。

2.3 复合材料裂纹缺陷的分析

由图6～8可以得出，检测裂纹缺陷时微波特征参量回波损耗的变化规律。图6（a），7（a）和8（a）为裂纹深度为3mm的不同金属基回波损耗的拟合曲线。可以得出，微波特征参量回波损耗取绝对值，其随裂纹宽度的增加而增大，而且规律很显著。由图6（b），7（b）和8（b）可以得出，在不同的裂纹深度下，上述规律依然成立。由此可以得出，微波特征参量回波损耗对于裂纹的深度不敏感，无法检测出裂纹的深度。

2.4 不同非金属基对裂纹缺陷检测的影响分析

由图9可以得出，测裂纹缺陷时介电常数对微波特征参量回波损耗的影响规律。由于聚苯乙烯泡沫基和橡胶基的相对介电常数相差比较大，在裂纹缺陷尺寸不变的情况下，微波特征参量回波损耗取绝对值，其随非金属基的相对介电常数的增大而增加。由于聚苯乙烯泡沫基和石蜡基的相对介电常数相差比较小，同时受到试验操作误差的影响，所以图9中曲线出现了交叉情况，但交叉点均在裂纹宽度为（5±1）mm区域内。