基于THz-TDS的碳纖維復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)

廖曉玲,王 強(qiáng),谷小紅,陳錫愛(ài)

(1.中國(guó)計(jì)量學(xué)院質(zhì)量與安全工程學(xué)院,浙江 杭州 310018；2.中國(guó)計(jì)量學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,浙江 杭州 310018)

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·太赫茲技術(shù)·

基于THz-TDS的碳纖維復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)

廖曉玲1,王 強(qiáng)1,谷小紅2,陳錫愛(ài)2

(1.中國(guó)計(jì)量學(xué)院質(zhì)量與安全工程學(xué)院,浙江 杭州 310018；2.中國(guó)計(jì)量學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,浙江 杭州 310018)

基于反射式THz-TDS成像技術(shù)對(duì)碳纖維纏繞增強(qiáng)復(fù)合材料缺陷進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)實(shí)驗(yàn),獲得不同缺陷碳纖維樣品的成像結(jié)果及數(shù)據(jù)。結(jié)果表明,反射式THz-TDS成像技術(shù)在0.1～3.5 THz波段對(duì)碳纖維復(fù)合材料中的熱損傷、劃傷缺陷、磨損缺陷及孔洞缺陷成像清晰,分辨率較高；且獲得的時(shí)域波形對(duì)樣品熱損傷缺陷敏感,適用于局部檢測(cè)對(duì)整體性能的判斷。

THz-TDS成像;碳纖維復(fù)合材料;無(wú)損檢測(cè);缺陷

1 引 言

太赫茲(Terahertz,THz)光譜技術(shù)在過(guò)去的幾十年中發(fā)展迅速,被廣泛應(yīng)用于物質(zhì)鑒別[1]、生物醫(yī)學(xué)[2]、安全監(jiān)測(cè)[3]等方面,在無(wú)損探傷領(lǐng)域也開(kāi)始得到應(yīng)用[4-5],并在復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)方面逐漸引起關(guān)注。

復(fù)合材料是由兩種或多種元素組成的材料,其有效改善原材料本身存在的強(qiáng)度低和抗疲勞性低等物理特性,且克服金屬材料不耐腐蝕等不足,纖維纏繞增強(qiáng)材料屬于典型復(fù)合材料。通常復(fù)合材料表面硬度和強(qiáng)度都比金屬材料低,以沖擊損傷為例,復(fù)合材料依靠材料的彈性變形和損傷破壞來(lái)吸收能量,其損傷模式較金屬材料的塑性形變更為復(fù)雜,沖擊后可能產(chǎn)生多種缺陷。

傳統(tǒng)復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)多采用超聲波檢測(cè)方法,劉松平等以超聲成像技術(shù)輔以計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)等技術(shù)對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Carbon Fiber Reinforce Plastic,CFRP)的層間界面結(jié)構(gòu)缺陷進(jìn)行檢測(cè)[6],但對(duì)其他缺陷的檢測(cè)還存在不足。太赫茲波對(duì)復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域中,Kwang-Hee等對(duì)厚纖維纏繞材料進(jìn)行研究,得到材料中不同組分的折射率[7]。Stoik等對(duì)航空用復(fù)合材料進(jìn)行一維檢測(cè),從成像結(jié)果及吸收系數(shù)等參數(shù)指認(rèn)夾雜、燒傷等缺陷[8]。Wietzke等對(duì)聚乙烯等材料進(jìn)行檢測(cè),結(jié)果表明太赫茲成像技術(shù)可清晰檢測(cè)樣品分層、夾雜等缺陷[9-13]。但針對(duì)CFRP熱損傷、機(jī)械損傷等缺陷進(jìn)行太赫茲光譜成像定量檢測(cè)分析的國(guó)內(nèi)外還較少有文獻(xiàn)報(bào)道。

本文以厚度d=2 mm的CFRP材料為樣品,對(duì)熱損傷、劃傷、磨損等缺陷開(kāi)展反射式THz-TDS成像檢測(cè)實(shí)驗(yàn),分析結(jié)果,并提取若干像素點(diǎn)的時(shí)域光譜,探索不同缺陷的成像效果及成像點(diǎn)時(shí)域數(shù)據(jù)的變化規(guī)律,對(duì)上述缺陷進(jìn)行檢測(cè)鑒別。

2 實(shí)驗(yàn)原理及樣品制備

2.1 THz-TDS成像原理及裝置

太赫茲時(shí)域光譜(Terahertz Time Domain Spectroscopy,THz-TDS)技術(shù)因其在測(cè)量光譜信息時(shí)直接測(cè)量時(shí)域的電場(chǎng)強(qiáng)度而得名?；谏鲜?本文采用反射式成像原理,對(duì)CFRP樣品進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。反射式THz-TDS相較其他一般強(qiáng)度成像的最大特點(diǎn)在于其含有更大的信息量,每個(gè)像素點(diǎn)都對(duì)應(yīng)一個(gè)時(shí)域波形,可從時(shí)域信號(hào)及傅里葉變換頻譜中選擇任一數(shù)據(jù)點(diǎn)的振幅或相位進(jìn)行成像,從而重構(gòu)樣品的空間密度分布、折射率和厚度分布等。

如圖1所示為反射式太赫茲信號(hào)成像原理,太赫茲波從探頭發(fā)射后,在各向同性的媒介中碰到缺陷點(diǎn)(圖中黑色圓點(diǎn)所示)后被反射到媒介表面(Z=0),Timothy等將基于惠更斯原理(Huyghens principle)提出的基爾霍夫積分(Kirchhoff integral)用于解決上述問(wèn)題[14]。

圖1 太赫茲反射式成像信號(hào)模式

信號(hào)重構(gòu)成像位置如圖2所示,接收探頭對(duì)稱的分布在發(fā)射探頭兩側(cè),當(dāng)接收探頭按照接收的信號(hào)直接重建將出現(xiàn)一個(gè)理論的缺陷點(diǎn),按原規(guī)則缺陷點(diǎn)位于(x0,z0),發(fā)射器位于(0,0),其中一個(gè)接收器位于(x,0),在各向同性媒介中的傳播時(shí)間可由畢達(dá)哥拉斯定理(Pythagorean theorem)獲得[14]。

(1)

其中，v0是太赫茲波在介質(zhì)中的速度;τ是兩個(gè)光程的傳播時(shí)間;D(x)是太赫茲波從發(fā)射探頭到目標(biāo)點(diǎn)后返回接收器的距離。

圖2 信號(hào)重構(gòu)成像位置

接收器對(duì)每一個(gè)接收到的信號(hào)進(jìn)行重建,真正缺陷點(diǎn)的能量與其他點(diǎn)之間存在差異,因此在成像時(shí)可明確區(qū)分,基爾霍夫遷移提供了一種可以重建同質(zhì)媒介中點(diǎn)源的方法,同理其可對(duì)任意形狀的源進(jìn)行重建。

其中X軸方向的分辨率可由公式(2)確定:

(2)

其中，fmean是太赫茲源的平均頻率;ν0是太赫茲波在介質(zhì)中的速度;τ是兩個(gè)光程的傳播時(shí)間。

Z軸方向的分辨率由公式(3)確定:

(3)

其中，Δf是太赫茲輻射的帶寬。

如圖3所示為本實(shí)驗(yàn)所用的反射式THz-TDS成像系統(tǒng),該系統(tǒng)是美國(guó)Zomega公司生產(chǎn)的Z3 THz-TDS儀,發(fā)射端為光電導(dǎo)天線,接收端為電光采樣。Z3 THz-TDS儀產(chǎn)品參數(shù)見(jiàn)表1,其中樣品數(shù)據(jù)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。

圖3 THz-TDS成像系統(tǒng)

表1 Z3 THz-TDS儀參數(shù)

實(shí)驗(yàn)時(shí),樣品在步進(jìn)電機(jī)控制下在垂直于太赫茲波傳輸方向的x-y平面移動(dòng),使太赫茲射線通過(guò)樣品的不同測(cè)試點(diǎn),確保預(yù)置區(qū)域全部被掃描,計(jì)算機(jī)采集并保存預(yù)置區(qū)域中每個(gè)測(cè)試點(diǎn)的時(shí)域信息,再利用各點(diǎn)時(shí)域信號(hào)中的最大值最小值或頻譜相位對(duì)樣品圖像進(jìn)行重構(gòu)并顯示。

2.2 CFRP樣品制備

實(shí)驗(yàn)樣品來(lái)自河北石家莊某公司纏繞車間,生產(chǎn)時(shí)抽取纖維絲的一端固定在金屬模板上(40 cm×50 cm),并將纖維浸潤(rùn)到環(huán)氧樹(shù)脂中,確保達(dá)到工藝要求的樹(shù)脂占比在40%～60%,纏繞至一定厚度后,將金屬模板及纏繞板壓制成型,脫模后切割至預(yù)設(shè)大小并制作缺陷。生產(chǎn)所用纖維材料來(lái)自藍(lán)星公司(LX-500H-12K碳纖維),直徑Φ=10 μm,該尺寸遠(yuǎn)小于THz波長(zhǎng)(300 μm)。

3 結(jié)果與分析

反射式THz-TDS系統(tǒng)對(duì)物體的成像有多種模式可選,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點(diǎn),如最大值成像注重邊緣散射的優(yōu)化,相位成像則對(duì)樣品的厚度信息更加敏感。實(shí)驗(yàn)中所用碳纖維樣品厚度相同(d=2 mm),因此最大值成像更適用。

3.1 時(shí)間窗口截取

反射式THz-TDS系統(tǒng)在對(duì)樣品進(jìn)行成像前,需對(duì)探測(cè)點(diǎn)的時(shí)域波形進(jìn)行時(shí)間窗口截取,以便后期處理數(shù)據(jù)時(shí)可依據(jù)不同需求選擇。因太赫茲波在樣品表面采集信號(hào)并成像,則時(shí)間窗口的截取與樣品厚度有關(guān),因此實(shí)驗(yàn)中只需針對(duì)一個(gè)厚度(2 mm)進(jìn)行測(cè)算即可。截取時(shí)需保證截取的窗口中包含的脈沖個(gè)數(shù)為主脈沖的整數(shù)倍,遵循輸入信號(hào)與輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)原則,以主脈沖前約3 ps位置為標(biāo)準(zhǔn),下一個(gè)脈沖前3 ps為另一個(gè)截?cái)帱c(diǎn),如圖4所示,為樣品時(shí)間窗口截取示意圖,樣品反射峰的位置決定參考波的時(shí)間窗口[15]。實(shí)驗(yàn)中,經(jīng)多次截取比對(duì),確定時(shí)間窗口為8～17 ps。

圖4 時(shí)間窗口截取示意圖

3.2 CFRP成像檢測(cè)

圖5所示分別為CFRP樣品不同缺陷的THz-TDS反射成像結(jié)果及光學(xué)圖示對(duì)比。成像缺陷包括熱損傷、表面劃傷、磨損缺陷及孔洞缺陷等。

圖5 四種缺陷成像結(jié)果及光學(xué)圖示

表2為不同缺陷經(jīng)打點(diǎn)測(cè)試后確定的掃描區(qū)域,成像的相對(duì)分辨率均為0.5,以最大值成像。

表2 不同缺陷掃描區(qū)域值

如圖5所示,不同缺陷成像效果存在一定的差異,成像結(jié)果中,橫縱軸分別表示樣品X軸及Y軸坐標(biāo)。圖5(a)、(c)、(e)、(g)分別為CFRP樣品中為熱損傷、劃傷、磨損及孔洞缺陷的成像,圖中有缺陷處成像結(jié)果較無(wú)缺陷處暗,且隨著缺陷深度變化,成像結(jié)果呈現(xiàn)不同亮度。如5(c)、(d)所示,因CFRP表面的劃傷缺陷深度存在差異,在成像結(jié)果中的顯示則隨著深度的減小,成像亮度增強(qiáng)；圖5(g)、(h)為CFRP樣品中孔洞缺陷的成像及光學(xué)圖示,圖5(g)中三孔洞相對(duì)位置與樣品光學(xué)圖示相符,且孔徑大小與實(shí)際尺寸存在比值關(guān)系。

3.3 CFRP成像數(shù)據(jù)分析

圖6(a)、(b)所示分別為CFRP樣品中熱損傷及磨損缺陷交叉處的時(shí)域波形,圖中兩條曲線表示成像過(guò)程中前后兩個(gè)相位的時(shí)域波形。從圖6(a)中觀察,太赫茲波透過(guò)樣品中部熱損傷交叉處時(shí),其時(shí)域波形幅值發(fā)生較大衰減,最大值在16 a.u.左右。上述現(xiàn)象在磨損缺陷交叉處同樣發(fā)生,時(shí)域最大值僅為13 a.u.。

圖6 2種缺陷交叉區(qū)域成像時(shí)域波形

已知圖7(a)中左側(cè)曲線為前一個(gè)成像點(diǎn)的相位,右側(cè)曲線為后一個(gè)點(diǎn)相位。當(dāng)后一個(gè)相位位于前一個(gè)相位的右側(cè),波向右移動(dòng),基于反射成像的原理,此處太赫茲波穿過(guò)樣品的距離增大,波峰滯后出現(xiàn),實(shí)際檢測(cè)中,探頭從有缺陷向無(wú)缺陷處移動(dòng)；反之后一個(gè)相位波形出現(xiàn)在前一個(gè)相位左側(cè),波向左移動(dòng),太赫茲探頭向有缺陷處推進(jìn)。

結(jié)合圖6和圖7,可知缺陷交叉區(qū)域?qū)μ掌澆ǖ乃p較大,成像點(diǎn)相位峰值的前后位置對(duì)缺陷也有所表達(dá)。

圖7 2種缺陷邊緣成像時(shí)域波形

3.4 CFRP熱損傷定量分析

圖8為四種缺陷在成像過(guò)程中幅值取最大值的時(shí)域波形,觀察成像結(jié)果及波形,并提取其中參數(shù)分析整理得到表3,CFRP樣品成像過(guò)程太赫茲波的光譜數(shù)據(jù)。

圖8 四種缺陷成像時(shí)域波形最大值

發(fā)射強(qiáng)度/GHz最大幅值(a．u．)最小幅值(a．u．)存在缺陷2003516交叉型熱損傷2006433劃傷2004013線型磨損2004215線型熱損傷2005929劃傷(2)

表格中最后一組數(shù)據(jù)為劃傷缺陷二次成像檢測(cè),以排除偶然失誤的可能。分析上表及波形圖,發(fā)現(xiàn)四種缺陷中存在劃傷缺陷的樣品在成像過(guò)程中損失能量最少(成像峰值達(dá)64 a.u.),而其他三種缺陷的成像最大值和最小值皆在40 a.u.左右。分析發(fā)現(xiàn),劃傷缺陷在形成的過(guò)程中產(chǎn)生熱量值最小(可忽略不計(jì)),而其他三種缺陷的樣品在成像過(guò)程中都有不同程度的受熱,如燙傷缺陷是由T=300 ℃的電烙鐵持續(xù)燙傷形成。當(dāng)太赫茲波透過(guò)碳纖維樣品時(shí),樣品因受熱導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,太赫茲波在其中的散射強(qiáng)度因而產(chǎn)生差異,最終在采集到的時(shí)域波形中體現(xiàn)為較低的峰值?？芍鶕?jù)CFRP樣品上特定區(qū)域中任一反射THz-TDS信號(hào)參數(shù),對(duì)整個(gè)區(qū)域是否受過(guò)熱損傷做出準(zhǔn)確判斷。

4 結(jié) 論

(1)反射式THz-TDS成像對(duì)2 mm厚碳纖維中孔洞缺陷、熱損傷、磨損缺陷及劃傷具有良好的效果。

(2)反射式THz-TDS成像對(duì)碳纖維材料受熱情況敏感,可通過(guò)對(duì)成像太赫茲光譜數(shù)據(jù)的分析,對(duì)被檢對(duì)象進(jìn)行,分析表面無(wú)損的碳纖維樣品,適用于通過(guò)局部檢測(cè)對(duì)整體性能的判斷。

(3)CFRP樣品缺陷的成像結(jié)果與樣品實(shí)際尺寸存在比例關(guān)系,熱損傷程度與成像時(shí)域波形幅值之間關(guān)系有待于進(jìn)一步研究。

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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

浙江省自然科學(xué)基金(No.LY14E040002;No.LQ14F05003);質(zhì)檢公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(No.201410025)資助。

廖曉玲(1990-)女,在讀碩士,主要從事太赫茲光譜技術(shù)應(yīng)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