石英陶瓷天线罩无损检测技术研究

赵中坚

（上海玻璃钢研究院有限公司，上海 201404）

石英陶瓷天线罩无损检测技术研究

赵中坚

（上海玻璃钢研究院有限公司，上海 201404）

采用压汞仪对多孔石英陶瓷进行了开口孔径分布测试，结果显示石英陶瓷开口孔径分布主要集中在100～400nm之间，其孔径分布范围比较集中。分别采用灯光照射法、工业 CT和X射线数码成像无损检测系统进行石英陶瓷天线罩无损检测，并分析了三种检测方法各自的工作原理、检测优势与不足。

石英陶瓷；天线罩；孔径分布；无损检测；工业CT；X射线数码成像

0 前 言

导弹天线罩既是弹头的组成部分，又是导弹制导系统的重要组成部分。随着导弹技术的发展,导弹射程越来越远，速度越来越快，这使得导弹弹头面临的使用环境越来越恶劣，对导弹天线罩材料也提出了越来越高的使用要求。石英陶瓷是目前国内外应用最广泛的导弹天线罩材料，我国在上世纪70年代开始石英陶瓷天线罩的研制工作，目前已经在多个型号导弹上得到应用[1-5]。石英陶瓷材料是一种多孔陶瓷材料，采用阿基米德排水法测定其开气孔率为8-12%。石英陶瓷天线罩在成型、烧结和加工过程中，可能在产品表面或内部产生各种微小缺陷，导致天线罩存在安全隐患。所以有必要采用有效的测试手段对石英陶瓷天线罩微缺陷进行全面检测。

无损检测(NDT)是在不改变被检对象使用性能的前提下评价材料完整性和连续性, 检出固有缺陷及其形状、位置和大小等信息，适于检测加工效率低而成本高的工程陶瓷材料的缺陷情况。据可查阅文献资料显示[6-10]，无损检测方法对于致密陶瓷材料的缺陷探伤检测研究进行的较多，而对于多孔石英陶瓷材料的无损检测未见报道。本文结合石英陶瓷材料的多孔特性，采用多种无损检测技术对石英陶瓷天线罩进行缺陷检测与评价。

1 实验材料及实验方法

本文试验所用多孔石英陶瓷和石英陶瓷天线罩由上海玻璃钢研究院有限公司采用泥浆浇注工艺制备。采用美国康塔公司生产的PoreMaster 33G压汞仪测试多孔石英陶瓷开口气孔孔径分布，采用300W白炽灯进行石英陶瓷天线罩灯光检测。

采用上海轴承技术研究所计算机X射线断层数字成像系统(工业CT)进行石英陶瓷天线罩无损检测，其主要技术参数如下：

X光射线管管电压：225 KV；管电流：1.4 mA；空间分辨率：0.05 mm3；缺陷分辨尺寸：≥12μm；密度分辨率：≥1%。

采用以色列维迪斯科公司生产的DR便携式X射线数码成像无损检测系统进行石英陶瓷天线罩无损检测。其主要技术参数如下：

图像传感器种类：大尺寸非晶硅阵列；动态范围：14位(16384灰度)；分辨率：3.5l p/mm(线对/毫米)；800%的非数字不失真放大；X射线源：便携式脉冲射线源。

2 结果与讨论

2.1 石英陶瓷孔径分布测试

石英陶瓷天线罩在成型、烧结和加工过程中，由于存在体积收缩、变形和机械冲击，每道工序都可能导致材料内部产生气孔、微裂纹等微小缺陷，陶瓷材料显微结构的非均质性和对外因损伤的敏感性，使其缺陷临界尺寸比金属或复合材料小1～2个数量级，材料中存在几微米的裂纹或气孔即可能导致制品破坏，导致天线罩存在安全隐患。所以有必要采用高灵敏度的测试手段对石英陶瓷天线罩微缺陷进行全面检测。

石英陶瓷材料是一种多孔陶瓷材料，采用阿基米德排水法测定其开气孔率为8～12%。在进行无损检测实验之前，有必要对石英陶瓷的正常的开口气孔孔径分布进行测试，以便区别正常尺寸的孔隙与非正常尺寸的气孔和微裂纹。采用美国康塔公司生产的PoreMaster 33G压汞仪进行多孔石英陶瓷开口气孔孔径分布测试，测试结果见图1。从图1可看出，石英陶瓷正常尺寸开口气孔孔径分布范围主要集中在100～400 nm之间，其孔径分布范围比较集中。

图1 石英陶瓷孔径分布图Fig.1 Pore size distribution of silica ceramic

2.2 石英陶瓷天线罩灯光照射检测

无损检测是指对材料或产品实施一种不损害或不影响其未来使用性能或用途的检测。石英陶瓷天线罩灯光照射检验方法(简称灯检法)就是一种无损检测的方法，该检测方法的工作原理是利用石英陶瓷的透光性，采用300～500W的白炽灯光源在罩体内部照射罩体，通过目测观察对产品的质量进行判定。

由于石英陶瓷材料是由石英玻璃颗粒堆积而成的陶瓷材料，具有8～12%的开气孔率，当有外来光源从罩体内部发出，光线通过石英陶瓷材料时，会受到一系列阻碍，但仍会有一部分的光线从罩体表面穿透出来，石英陶瓷透光性受石英颗粒形貌、大小、气孔、杂质相、表面粗糙度、微裂纹及黑点等因素的影响。石英颗粒是这些因素中最主要的散射点，石英颗粒的表面形貌决定了光入射及反射的角度及透过率，颗粒的大小则影响光通过的路径。当石英陶瓷罩体中颗粒、气孔分布均匀时，罩体具有整体一致的透光性。当罩体中存在大气孔(如气孔集中)或裂纹(可视为连续气孔)时，光的透过性增加，缺陷所在部位的亮度比罩体其它部位大，可以显示出缺陷的情况，当罩体中存在黑点等杂质时，杂质所在部位往往成为散射和吸收中心，导致均匀罩体内部的透光性不一致，这也能反映出杂质的存在。目前采用的灯光检测的方法也是基于此原理进行的。

石英陶瓷天线罩灯光检测整体照片、罩体局部气孔和裂纹照片见图2。

从图2可以看出，采用灯光照射检测技术进行石英陶瓷天线罩缺陷检测具有操作简便、检测成本低、检测结果直观等优点，可以比较直观地检测出石英陶瓷天线罩表面和内部尺寸大于0.5 mm的气孔、裂纹、杂质等缺陷。该方法的检测精度受检测人员的肉眼分辨精度限制，对于尺寸小于0.5 mm的微小缺陷难以通过该方法得到较好的检测，而且该方法存在一定的主观因素影响，检测人员的改变也可能导致不同的检测结果。

2.3 石英陶瓷天线罩工业CT检测

工业CT 是在无损伤状态下得到被检测断层的二维灰度图像，它以图像的灰度来分辨被检测面内部的结构组成、装配情况、材质状况、有无缺陷、缺陷的性质和大小等，且图像清晰，可以直观看到目标细节的空间位置、形状、大小，感兴趣的区域不受周围细节特征的遮挡，图像容易识别和理解。同时，CT 图像是数字化的结果，从中可以得到象数值、尺寸及密度等物理信息，数字化的图像也便于存储、传输、分析和处理等。

工业CT主体部分由X光射线管、旋转物台和X光接收器三部分组成，工业CT检测现场照片见图3。

石英陶瓷天线罩头部工业CT透视照片见图4。该测试对象为经灯光照射法检测未见明显缺陷的成品石英陶瓷天线罩。从图4可以看出，采用工业CT进行石英陶瓷天线罩无损检测未发现罩体内部存在微缺陷。由于石英陶瓷的多孔特性，其微观孔隙对于X射线的透过会造成一定的散射效果，从而导致其检测精度难以达到该检测系统在检测金属材料或致密陶瓷材料时所具有的精度指标。

图2 石英陶瓷天线罩灯光检测照片Fig.2 Light detection of silica ceramic radome∶ (a) light detection for the whole radome; (b) air holes and impurities in the radome; (c) crack in the radome

图3 工业CT检测现场照片Fig.3 Detection by the industrial CT

图4 石英陶瓷天线罩头部工业CT透视照片Fig.4 Tomographic image of the silica ceramic radome head detected by industrial CT

2.4 石英陶瓷天线罩DR便携式X射线数码成像无损检测系统检测

数字DR平板射线系统是计算机数字图像处理技术与X射线放射技术相结合而形成的一种先进的X射线无损检测系统。DR平板射线技术是一种全新的射线无损检测技术，它具有更高的量子检测效率、更短的成像时间、更高的图像质量、更长的使用寿命。DR系统最突出的技术优势在于高效性和便携性。采用数字DR平板射线系统进行石英陶瓷天线罩无损检测具有使用方便，检测效果较好，无污染，对环境友好、对人体安全，使用寿命长等优势。

数字DR平板射线系统由超薄非晶硅成像板和便携式脉冲X光射线源组成，石英陶瓷天线罩X射线数码成像无损检测现场照片见图5。

石英陶瓷天线罩局部X射线数码成像无损检测透视照片见图6。该测试对象为经灯光照射法检测可发现有疑似裂纹缺陷和小气孔缺陷的石英陶瓷天线罩局部取样样品。从图6(a)和图6(b)可看出，采用该检测系统可以较清晰地检测出石英陶瓷天线罩表面和内部的微裂纹、小气孔和材质不均匀等缺陷，但对于灯光检验未发现缺陷的区域，该检测系统也未能检测出更细微的缺陷。由于该检测系统工作原理与工业CT检测同属于X射线检测方法，对于多孔石英陶瓷材料，其检测精度受到多孔结构散射现象的影响，难以达到该检测系统在检测金属材料或致密陶瓷材料时所具有的精度指标。

图5 DR便携式X射线数码成像无损检测系统检测现场照片Fig.5 The portable DR X-ray digital imaging nondestructive testing system

图6 石英陶瓷天线罩DR便携式X射线数码成像无损检测系统检测图Fig.6 Images of the silica ceramic radome detected by portable DR X-ray digital imaging nondestructive testing system∶ (a) crack in the radome, (b) air holes and defect in the radome head

3 结 论

(1)石英陶瓷正常尺寸开口孔径分布范围主要集中在100-400 nm之间，其孔径分布范围比较集中。

(2)石英陶瓷天线罩灯光照射检测技术具有操作简便、检测成本低、检测结果直观等优点，对于尺寸大于0.5 mm缺陷具有较好的检测效果。

(3)由于石英陶瓷的多孔特性，其微观孔隙对于X射线的透过会造成一定的散射效果，从而导致工业CT和数字DR平板射线系统检测精度达不到该检测系统在检测金属材料或致密陶瓷材料时所具有的精度指标。

(4)综合比较上述三种无损检测方法，得出灯光折射法是目前最适合应用于石英陶瓷天线罩缺陷检测的无损检测方法。

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The Nondestructive Testing Technology of Silica Ceramic Radome

ZHAO Zhongjian
(Shanghai FRP Research Institute Co. Ltd., Shanghai 201404, China)

The open pore size distribution of porous silica ceramics for radome application was tested by a mercury porosimeter. The results show that their open pore sizes were mainly distributed between 100～400nm. Then, the silica ceramic radome was nondestructively tested by the light irradiation method, the industrial CT and the X-ray digital imaging nondestructive testing system. The working principles, testing advantages and shortages of the three methods were analyzed respectively.

silica ceramic; radome; pore size distribution; nondestructive testing; industrial CT; X-ray digital imaging

date: 2014-03-18. Revised date: 2014-03-25.

TQ174.75

A

1000-2278(2014)04-0387-05

10.13957/j.cnki.tcxb.2014.04.008

2014-03-18。

2014-03-25。

赵中坚(1977-)，男，硕士，工程师。

Correspondent author:ZHAO Zhongjian(1977-), male, Master, Engineer.

E-mail:gLzhao4sh@163.com