基于THz-TDS的碳纤维复合材料无损检测

廖晓玲,王 强,谷小红,陈锡爱

(1.中国计量学院质量与安全工程学院,浙江 杭州 310018；2.中国计量学院机电工程学院,浙江 杭州 310018)



·太赫兹技术·

基于THz-TDS的碳纤维复合材料无损检测

廖晓玲1,王 强1,谷小红2,陈锡爱2

(1.中国计量学院质量与安全工程学院,浙江 杭州 310018；2.中国计量学院机电工程学院,浙江 杭州 310018)

基于反射式THz-TDS成像技术对碳纤维缠绕增强复合材料缺陷进行无损检测实验,获得不同缺陷碳纤维样品的成像结果及数据。结果表明,反射式THz-TDS成像技术在0.1～3.5 THz波段对碳纤维复合材料中的热损伤、划伤缺陷、磨损缺陷及孔洞缺陷成像清晰,分辨率较高；且获得的时域波形对样品热损伤缺陷敏感,适用于局部检测对整体性能的判断。

THz-TDS成像;碳纤维复合材料;无损检测;缺陷

1 引 言

太赫兹(Terahertz,THz)光谱技术在过去的几十年中发展迅速,被广泛应用于物质鉴别[1]、生物医学[2]、安全监测[3]等方面,在无损探伤领域也开始得到应用[4-5],并在复合材料无损检测方面逐渐引起关注。

复合材料是由两种或多种元素组成的材料,其有效改善原材料本身存在的强度低和抗疲劳性低等物理特性,且克服金属材料不耐腐蚀等不足,纤维缠绕增强材料属于典型复合材料。通常复合材料表面硬度和强度都比金属材料低,以冲击损伤为例,复合材料依靠材料的弹性变形和损伤破坏来吸收能量,其损伤模式较金属材料的塑性形变更为复杂,冲击后可能产生多种缺陷。

传统复合材料无损检测多采用超声波检测方法,刘松平等以超声成像技术辅以计算机设计等技术对碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforce Plastic,CFRP)的层间界面结构缺陷进行检测[6],但对其他缺陷的检测还存在不足。太赫兹波对复合材料无损检测领域中,Kwang-Hee等对厚纤维缠绕材料进行研究,得到材料中不同组分的折射率[7]。Stoik等对航空用复合材料进行一维检测,从成像结果及吸收系数等参数指认夹杂、烧伤等缺陷[8]。Wietzke等对聚乙烯等材料进行检测,结果表明太赫兹成像技术可清晰检测样品分层、夹杂等缺陷[9-13]。但针对CFRP热损伤、机械损伤等缺陷进行太赫兹光谱成像定量检测分析的国内外还较少有文献报道。

本文以厚度d=2 mm的CFRP材料为样品,对热损伤、划伤、磨损等缺陷开展反射式THz-TDS成像检测实验,分析结果,并提取若干像素点的时域光谱,探索不同缺陷的成像效果及成像点时域数据的变化规律,对上述缺陷进行检测鉴别。

2 实验原理及样品制备

2.1 THz-TDS成像原理及装置

太赫兹时域光谱(Terahertz Time Domain Spectroscopy,THz-TDS)技术因其在测量光谱信息时直接测量时域的电场强度而得名。基于上述,本文采用反射式成像原理,对CFRP样品进行无损检测实验。反射式THz-TDS相较其他一般强度成像的最大特点在于其含有更大的信息量,每个像素点都对应一个时域波形,可从时域信号及傅里叶变换频谱中选择任一数据点的振幅或相位进行成像,从而重构样品的空间密度分布、折射率和厚度分布等。

如图1所示为反射式太赫兹信号成像原理,太赫兹波从探头发射后,在各向同性的媒介中碰到缺陷点(图中黑色圆点所示)后被反射到媒介表面(Z=0),Timothy等将基于惠更斯原理(Huyghens principle)提出的基尔霍夫积分(Kirchhoff integral)用于解决上述问题[14]。

图1 太赫兹反射式成像信号模式

信号重构成像位置如图2所示,接收探头对称的分布在发射探头两侧,当接收探头按照接收的信号直接重建将出现一个理论的缺陷点,按原规则缺陷点位于(x0,z0),发射器位于(0,0),其中一个接收器位于(x,0),在各向同性媒介中的传播时间可由毕达哥拉斯定理(Pythagorean theorem)获得[14]。

(1)

其中，v0是太赫兹波在介质中的速度;τ是两个光程的传播时间;D(x)是太赫兹波从发射探头到目标点后返回接收器的距离。

图2 信号重构成像位置

接收器对每一个接收到的信号进行重建,真正缺陷点的能量与其他点之间存在差异,因此在成像时可明确区分,基尔霍夫迁移提供了一种可以重建同质媒介中点源的方法,同理其可对任意形状的源进行重建。

其中X轴方向的分辨率可由公式(2)确定:

(2)

其中，fmean是太赫兹源的平均频率;ν0是太赫兹波在介质中的速度;τ是两个光程的传播时间。

Z轴方向的分辨率由公式(3)确定:

(3)

其中，Δf是太赫兹辐射的带宽。

如图3所示为本实验所用的反射式THz-TDS成像系统,该系统是美国Zomega公司生产的Z3 THz-TDS仪,发射端为光电导天线,接收端为电光采样。Z3 THz-TDS仪产品参数见表1,其中样品数据采集方式中兼具透射和反射,文中使用的是反射式成像方式。

图3 THz-TDS成像系统

表1 Z3 THz-TDS仪参数

实验时,样品在步进电机控制下在垂直于太赫兹波传输方向的x-y平面移动,使太赫兹射线通过样品的不同测试点,确保预置区域全部被扫描,计算机采集并保存预置区域中每个测试点的时域信息,再利用各点时域信号中的最大值最小值或频谱相位对样品图像进行重构并显示。

2.2 CFRP样品制备

实验样品来自河北石家庄某公司缠绕车间,生产时抽取纤维丝的一端固定在金属模板上(40 cm×50 cm),并将纤维浸润到环氧树脂中,确保达到工艺要求的树脂占比在40%～60%,缠绕至一定厚度后,将金属模板及缠绕板压制成型,脱模后切割至预设大小并制作缺陷。生产所用纤维材料来自蓝星公司(LX-500H-12K碳纤维),直径Φ=10 μm,该尺寸远小于THz波长(300 μm)。

3 结果与分析

反射式THz-TDS系统对物体的成像有多种模式可选,如最大值成像、最小值成像、相位成像和位置成像等,不同成像方式具有各自特点,如最大值成像注重边缘散射的优化,相位成像则对样品的厚度信息更加敏感。实验中所用碳纤维样品厚度相同(d=2 mm),因此最大值成像更适用。

3.1 时间窗口截取

反射式THz-TDS系统在对样品进行成像前,需对探测点的时域波形进行时间窗口截取,以便后期处理数据时可依据不同需求选择。因太赫兹波在样品表面采集信号并成像,则时间窗口的截取与样品厚度有关,因此实验中只需针对一个厚度(2 mm)进行测算即可。截取时需保证截取的窗口中包含的脉冲个数为主脉冲的整数倍,遵循输入信号与输出信号对应原则,以主脉冲前约3 ps位置为标准,下一个脉冲前3 ps为另一个截断点,如图4所示,为样品时间窗口截取示意图,样品反射峰的位置决定参考波的时间窗口[15]。实验中,经多次截取比对,确定时间窗口为8～17 ps。

图4 时间窗口截取示意图

3.2 CFRP成像检测

图5所示分别为CFRP样品不同缺陷的THz-TDS反射成像结果及光学图示对比。成像缺陷包括热损伤、表面划伤、磨损缺陷及孔洞缺陷等。

图5 四种缺陷成像结果及光学图示

表2为不同缺陷经打点测试后确定的扫描区域,成像的相对分辨率均为0.5,以最大值成像。

表2 不同缺陷扫描区域值

如图5所示,不同缺陷成像效果存在一定的差异,成像结果中,横纵轴分别表示样品X轴及Y轴坐标。图5(a)、(c)、(e)、(g)分别为CFRP样品中为热损伤、划伤、磨损及孔洞缺陷的成像,图中有缺陷处成像结果较无缺陷处暗,且随着缺陷深度变化,成像结果呈现不同亮度。如5(c)、(d)所示,因CFRP表面的划伤缺陷深度存在差异,在成像结果中的显示则随着深度的减小,成像亮度增强；图5(g)、(h)为CFRP样品中孔洞缺陷的成像及光学图示,图5(g)中三孔洞相对位置与样品光学图示相符,且孔径大小与实际尺寸存在比值关系。

3.3 CFRP成像数据分析

图6(a)、(b)所示分别为CFRP样品中热损伤及磨损缺陷交叉处的时域波形,图中两条曲线表示成像过程中前后两个相位的时域波形。从图6(a)中观察,太赫兹波透过样品中部热损伤交叉处时,其时域波形幅值发生较大衰减,最大值在16 a.u.左右。上述现象在磨损缺陷交叉处同样发生,时域最大值仅为13 a.u.。

图6 2种缺陷交叉区域成像时域波形

已知图7(a)中左侧曲线为前一个成像点的相位,右侧曲线为后一个点相位。当后一个相位位于前一个相位的右侧,波向右移动,基于反射成像的原理,此处太赫兹波穿过样品的距离增大,波峰滞后出现,实际检测中,探头从有缺陷向无缺陷处移动；反之后一个相位波形出现在前一个相位左侧,波向左移动,太赫兹探头向有缺陷处推进。

结合图6和图7,可知缺陷交叉区域对太赫兹波的衰减较大,成像点相位峰值的前后位置对缺陷也有所表达。

图7 2种缺陷边缘成像时域波形

3.4 CFRP热损伤定量分析

图8为四种缺陷在成像过程中幅值取最大值的时域波形,观察成像结果及波形,并提取其中参数分析整理得到表3,CFRP样品成像过程太赫兹波的光谱数据。

图8 四种缺陷成像时域波形最大值

发射强度/GHz最大幅值(a．u．)最小幅值(a．u．)存在缺陷2003516交叉型热损伤2006433划伤2004013线型磨损2004215线型热损伤2005929划伤(2)

表格中最后一组数据为划伤缺陷二次成像检测,以排除偶然失误的可能。分析上表及波形图,发现四种缺陷中存在划伤缺陷的样品在成像过程中损失能量最少(成像峰值达64 a.u.),而其他三种缺陷的成像最大值和最小值皆在40 a.u.左右。分析发现,划伤缺陷在形成的过程中产生热量值最小(可忽略不计),而其他三种缺陷的样品在成像过程中都有不同程度的受热,如烫伤缺陷是由T=300 ℃的电烙铁持续烫伤形成。当太赫兹波透过碳纤维样品时,样品因受热导致内部结构发生变化,太赫兹波在其中的散射强度因而产生差异,最终在采集到的时域波形中体现为较低的峰值。可知根据CFRP样品上特定区域中任一反射THz-TDS信号参数,对整个区域是否受过热损伤做出准确判断。

4 结 论

(1)反射式THz-TDS成像对2 mm厚碳纤维中孔洞缺陷、热损伤、磨损缺陷及划伤具有良好的效果。

(2)反射式THz-TDS成像对碳纤维材料受热情况敏感,可通过对成像太赫兹光谱数据的分析,对被检对象进行,分析表面无损的碳纤维样品,适用于通过局部检测对整体性能的判断。

(3)CFRP样品缺陷的成像结果与样品实际尺寸存在比例关系,热损伤程度与成像时域波形幅值之间关系有待于进一步研究。

[1] WANG Qiang,WANG Xiaowei,MA Yehao.Application of terahertz time-domain spectrum in fruits and bactericide mixtures detection and classification[J].Journal of Central South University,2012,43(8):3080-3084.(in Chinese)

王强,王孝伟,马冶浩.基于THz时域光谱技术的水果杀菌剂农药检测与鉴别[J].中南大学学报,2012,43(8):3080-3084.

[2] Ma Y H,Wang Q,Li L Y.PLS model investigation of thiabendazole based on THz spectrum[J].Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer,2013,117:7-14.

[3] Dexheimer S L.Terahertz spectroscopy:principles and applications[M].New York:CRC press,2007:299.

[4] Di Zhigang,YAO Jianquan,JIA Chunrong,et al.Experimental study on terahertz imaging technique in nondestructive inspection[J].Laser & Infrared,2011,41(10):1163-1166.(in Chinese)

邸志刚,姚建铨,贾春荣,等.太赫兹成像技术在无损检测中的实验研究[J].激光与红外,2011,41(10):1163-1166.

[5] ZHANG Chunlin,MU Kaijun.Terahertz spectrum and imaging[J].Laser & Optoelectronics Process,2010,02:1-14.(in Chinese)

张存林,牧凯军.太赫兹波谱与成像[J].激光与光电子学进展,2010,02:1-14.

[6] LIU Songping,LIU Feifei,GUO Enming,et al.Ultrasonic imaging technique for evaluation of interlaminar defect in carbon fiber-reinforced composites[J].Nondestructive Testing,2009,31(11):868-872.(in Chinese)

刘松平,刘菲菲,郭恩明,等.碳纤维增强复合材料层间界面缺陷超声成像技术[J].无损检测,2009,31(11):868-872.

[7] Im K H,Hsu D K,Chiou C P,et al.Influence of Terahertz Waves on the Penetration in Thick FRP Composite Materials[C].AIP Publishing Proceedings,2014:1568-1575.

[8] Stoik C D,Bohn M J,Blackshire J L.Nondestructive evaluation of aircraft composites using transmissive terahertz time domain spectroscopy[J].Optics Express,2008,16(21)：17039-17051.

[9] Peters O,Wietzke S,Jansen C,et al.Nondestructive detection of delaminations in plastic weld joints[C],IEEE.2010:1-2.

[10]Scheller M,Jansen C,Koch M.Analyzing sub-100-μm samples with transmission terahertz time domain spectroscopy[J].Optics Communications,2009,282(7):1304-1306.

[11]Jansen C,Wietzke S,Peters O,et al.Terahertz imaging:applications and perspectives[J].Applied optics,2010,49(19):E48-E57.

[12]Wietzke S,Jördens C,Krumbholz N,et al.Terahertz imaging:a new non-destructive technique for the quality control of plastic weld joints[J].Journal of the European Optical Society-Rapid publications,2007,2.

[13]Jansen C,Wietzke S,Wang H,et al.Terahertz spectroscopy on adhesive bonds[J].Polymer Testing,2011,30(1):150-154.

[14]Dorney T D,Symes W W,Mittleman D M.Multistatic reflection imaging with terahertz pulses[J].International journal of high speed electronics and systems,2003,13(02):677-699.

[15]Duvillaret Lionel,Garet Frederic,Jean-Louis Coutaz.A Reliable Method for Extraction of Material Parameters in Terahertz Time-Domain Spectroscopy[J].IEEE Journal of Selected Topics In Quantum Electronics,1996,2(3):739-746.

Nondestructive inspection of carbon fiber composite materials based on THz-TDS

LIAO Xiao-ling1,WANG Qiang1,GU Xiao-hong2,CHEN Xi-ai2

(1.College of Quality and Safety Engineering,China Jiliang University,Hangzhou 310018,China；2.College of Mechanical and Electrical Engineering,China Jiliang University,Hangzhou 310018,China)

The reflective THz-TDS imaging technology was used to perform non-destructive testing of carbon fiber winding reinforced composite material.The imaging and data of carbon fiber samples with different defects were obtained.The results show that the heat damage,scratch defect,wear defects and flat-hole defect in carbon fiber composite material are clearly revealed by reflective THz-TDS imaging technology,and the imaging has high resolution.The time domain waveform is sensitive to thermal damage in samples,and this is especially suitable for determining the overall performance by local detection.

THz-TDS imaging;carbon fiber composite materials;nondestructive testing;defect

1001-5078(2015)10-1255-06

浙江省自然科学基金(No.LY14E040002;No.LQ14F05003);质检公益性行业科研专项(No.201410025)资助。

廖晓玲(1990-)女,在读硕士,主要从事太赫兹光谱技术应用研究。E-mail:liaoliaoxl@163.com

2015-02-03;

2015-02-13

TB322

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.10.022