无损检测技术在陶瓷材料检测中的应用

罗湧

（广东省建筑材料研究院有限公司）

陶瓷材料制备工艺复杂、流程多，同批次材料的质量差异较大，故对陶瓷材料的质量把控尤为重要。陶瓷材料本身的高脆性、低韧性的特点，微小缺陷的存在也容易在缺陷处造成应力集中，迅速破坏。传统的陶瓷工业中，多采用敲击法、目视法来判断陶瓷制品中缺陷的存在及缺陷的大致位置，该种方法显然不能满足现代陶瓷工业的要求，因此研究一种适合现代陶瓷工业的无损检测方法尤为重要。无损检测技术（nondestructive testing，NDT），意义在不会对检测对象的有效性及可靠性产生破坏的前提下，对被检对象的整体质量（缺陷、损伤）进行定位及定量。无损检测的常规五大检测方法分别是：超声法、射线法、磁粉法、渗透法、涡流法。随着工业技术的发展，新型的无损检测技术也不断涌现，例如：超声TOFD 检测技术，数字射线技术、巴克豪森噪声无损检测技术、红外热成像检测技术等。

1 超声检测在陶瓷材料检测中的应用

无损检测技术即非破坏性检测技术，就是在不破坏待测物质原来的状态、化学性质等前提下，为获取与待测物的品质有关的内容、性质或成分等物理、化学情况所采用的检查方法。 超声无损检测是常规无损检测方法中的一种，它是由超声波与试件相互作用，通过对产生的反射、透射和散射波的研究，对试件进行缺陷检测、几何特性测量、组织结构和力学性能变化的检测和表征，并进而对其特定应用性进行评价的一项无损检测技术，具有非破坏性、检测全面性及全程性等特点。

超声波无损检测的基本工作原理如下：声源产生超声波，采用一定的方式使超声波进入被测件；超声波在试件中传播并与试件材料以及其中的缺陷相互作用，使其传播方向或特征被改变；改变后的超声波通过检测设备被接收，并可对其进行处理和分析。根据接收的超声波的特征，评估试件本身及其内部是否存在缺陷及缺陷的特性。

超声检测是通过超声换能器发射超声脉冲波通过耦合介质传输到被检对象内部，观察被检对象内部的缺陷回波或底面反射波来判断缺陷的存在及位置。超声法在探测被检对象的内部缺陷具有一定的优势，例如陶瓷材料的内部裂纹、气孔、夹渣分层等。同时，超声检测可以检测陶瓷材料厚度、密度的均匀性。

超声C 扫描技术与常规超声相比较能够提取更为完整的声波传播特征信息，对陶瓷材料的内部缺陷有较高的分辨力，对于陶瓷材料的多层层叠整个深度内的裂纹和不连续性具有显著优势。水浸超声法将被检对象置于水中，超声换能器不与被检对象表面直接接触，用水作为耦合介质（检测原理图略）。该检测具有以下优点：①由于耦合介质水层的存在，探头不需要和工件直接接触，因此检测过程基本不会受陶瓷材料表面粗糙度的影响，并且可使得检测“盲区”只在耦合介质水层，不影响实际检测过程；②水浸扫描可实现自动化检测，为检测提供方便；③水浸聚焦探头由于声束的汇聚，能使得超声波主要能量集中在被检测工件需要检测部位，可满足检测达到较高的分辨率和灵敏度。超声波换能器频率的选取尤为关键，频率的选取影响缺陷检出的灵敏度及分辨率。对于厚度较小、声衰减较小的检测对象一般选择高频探头，而厚度较大、声衰减较大的检测对象则选择高频探头。研究表明：当换能器频率选为25Mhz时，可检出陶瓷材料表面以下2mm 深处长度约为10～75μm的条形缺陷；当换能器频率选为15Mhz时，可检出30μm左右的点状缺陷；当换能器频率选为30Mhz时，可检出20μm 左右的点状缺陷。超声显微镜（ultrasonic microscope）是利用缺陷的声阻抗率、声衰减与陶瓷材料本身的差异来判断缺陷的存在，工作频率一般在100Mhz 以上。由于高频超声波波长较短，能量较低，衰减迅速。陶瓷材料声衰减系数较大，因此难以发现深度较大的缺陷。当使用10～100Mhz 的低频SAM 技术时，可发现距离陶瓷材料表面500μm 深处，直径为130μm 的体积型缺陷和10～15μm 宽的表面裂纹以及400μm的分层缺陷。

2 红外成像检测技术在陶瓷制品中的应用

红外热成像检测技术是通过不同的可控热激励源对被检对象进行加热，若被检对象存在缺陷，瞬态的热能量传导可使得被检对象表面的温度场与内部温度场产生差异，用红外热像仪连续采集被检对象温度场变化的热谱图并进行图像处理，即可对被检对象的缺陷进行定位及定量。红外热成像检测技术具有非接触、速度快、面积大、操作简单、适用面广、可在线检测等优点。

根据激励形式的不同可分为光脉冲热成像、超声激励红外热成像、电磁激励红外热成像。光脉冲热成像较为传统，热激励源为高能脉冲闪关灯，激励源在被检对象表面形成热能量波并向被检对象内部传播，当遇到内部缺陷时，热能波传播形式发生改变。该现象可被热像仪捕捉，经过信号处理及图像识别等技术可较为准确的判断缺陷的大小及位置。其他的红外成像技术还有：锁相红外热成像、脉冲相位热成像、泰赫兹激励的红外热成像。

红外热成像技术在薄壁陶瓷材料缺陷检测中有所优势，能检出的缺陷有：空洞、脱粘层、裂纹及杂质等。红外无损检测方法较其他检测方法有以下优点：①反应迅速，显示直观。适合大批量、大面积检测；②空间分辨力高；③可完全实现自动化检测。

3 结论与展望

适合陶瓷制品检测的超声法有：超声C 扫描检测技术、超声显微镜技术。超声法对于缺陷的分辨力、检出率较高，可用于生产工艺研究时产品质量的把控。红外热成像技术检测速度快，缺陷显示直观，可用于批量生产时产品质量的把控。随着当代陶瓷材料在工业中的广泛运用，对于陶瓷材料的制作工艺、产品质量的要求越来越高。因此，实现超声C 扫描自动化检测是今后的研究重点。