基于调频连续波太赫兹技术的复合陶瓷隔热瓦无损检测

2020-12-25张国强赵长兴锁路平钟业盛

无损检测 2020年12期

张国强，赵长兴，辛燕，锁路平，钟业盛

(1.航天科工防御技术研究试验中心，北京 100854;2.哈尔滨工业大学特种环境复合材料技术国家级重点实验室，哈尔滨 150001)

随着国防工业的发展，高超音速飞行器成为了一种重要的军事力量，这类飞行器会以很高的速度在大气层中穿行，其表面隔热结构面临的气动加热环境十分严酷[1-3]。氧化硅-氧化铝复合陶瓷隔热瓦(以下简称陶瓷隔热瓦)作为高超音速飞行器上应用广泛的一种热防护材料，其质量情况一直受到高度关注。若能及时地发现内部缺陷，则可及时采用相应的手段修补缺陷，以避免结构的损伤甚至飞行器的破坏[4],故行业内一直在探求一种直观可靠的无损检测手段。

陶瓷隔热瓦是由高纯超细石英纤维、氧化铝纤维和烧结助剂组成，通过纤维预处理、料浆有效分散、湿法抽滤成型、高温热处理等工艺制备得到的有一定强度的轻质多孔隔热材料[5-6]，孔隙率通常为90%左右。其制备环节较多，工艺过程控制难度较大，容易在多个环节产生缺陷，以孔洞类和裂纹类缺陷为主，这类缺陷的无损检测也是用户十分关注的问题。

纵观现有的各类无损检测手段，超声检测技术受超声波穿透能力的限制，很难在这种高孔隙率材料中传播；X射线检测技术对低原子序数材料的吸收系数较低，加上陶瓷隔热瓦密度低，会进一步降低缺陷特征的图像反差，难以形成明显的检测结果；而红外检测对于这类隔热材料本身就无能为力。相比而言，太赫兹波检测技术则具有诸多独特的优势，在隔热材料无损检测领域具有巨大的应用潜力[7-10]。

太赫兹波对陶瓷材料等非极性物质有良好的穿透性，可对不透明物体进行透视成像，是解决陶瓷隔热瓦材料无损检测的重点技术，与传统无损检测技术形成了有效的互补。

笔者基于调频连续波太赫兹技术对陶瓷隔热瓦材料的内部裂纹、孔洞类缺陷检测进行了试验研究，分析了被测材料的太赫兹光谱特性，设计了专用的模拟缺陷试块，成功检测出了模拟孔洞和模拟裂纹缺陷，最后通过对比陶瓷隔热瓦结构内部的真实裂纹，验证了检测工艺的可行性。

1 陶瓷隔热瓦中缺陷分析及模拟缺陷试块设计

1.1 典型缺陷分析

陶瓷隔热瓦中常见缺陷主要有孔洞和裂纹。

1.1.1 孔洞类缺陷

陶瓷隔热瓦在制备过程中,由短切石英纤维、氧化铝纤维、分散剂和烧结助剂等成分组成的浆料必须进行良好的均匀化处理，否则成分不均匀的浆料烧结后,达不到使用要求。浆料均匀化的手段通常为机械搅拌，较低的搅拌转速会使陶瓷纤维聚集成球的效果明显，而转速继续加大时，会对纤维产生分散效果。但搅拌叶片在高速旋转搅拌的过程中，一旦工艺控制不当易将气泡引入到浆料中，而气泡一旦掺入高黏度的浆料里很难再排出，在坯体成型、高温热处理以及高温烧结工艺之后，陶瓷隔热瓦内部则会出现孔洞，影响产品的隔热性能和力学性能。

1.1.2 裂纹类缺陷

陶瓷隔热瓦的主要成分互不相溶，热物理性能也有一定的差异。高纯超细石英纤维直径小、韧性大，非晶态结构下具有很低的导热系数和较低的热膨胀系数；氧化铝纤维具有较高的耐火度，但其导热系数、密度均大于石英纤维的，其热膨胀系数比石英纤维的高数倍。若将两种纤维在理想状态下均匀混合，则可以使复合型陶瓷隔热瓦既具有低导热性、低重量、低膨胀性，又具有优异的耐高温性能，但若未能控制好工艺过程，在制坯过程中产生了成分不均匀的情况，那么硬脆的陶瓷隔热瓦则有可能因热膨胀系数的差异而产生热应力，进而导致裂纹的产生。