太赫茲光譜檢測(cè)不同橡膠材料研究

徐鳳

摘 要： 太赫茲?rùn)z測(cè)技術(shù)是當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的一種技術(shù)，其在安全檢測(cè)、化學(xué)、生命科學(xué)等方面得到了應(yīng)用。為了更好地研究太赫茲技術(shù)的應(yīng)用，該文針對(duì)太赫茲在橡膠材料檢測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行分析，得到不同橡膠材料的光譜特性等，通過(guò)太赫茲光譜檢測(cè)技術(shù)，對(duì)不同橡膠材料的吸收系數(shù)、折射率等指標(biāo)進(jìn)行分析對(duì)比，有效地對(duì)不同橡膠材料進(jìn)行區(qū)分。通過(guò)研究得出，太赫茲的橡膠材料中的應(yīng)用價(jià)值；同時(shí)也通過(guò)該研究得出橡膠對(duì)太赫茲作用機(jī)制的影響，提供科學(xué)的研究依據(jù)。

關(guān)鍵詞： 太赫茲光譜檢測(cè)； 橡膠材料； 檢測(cè)技術(shù)； 安全檢測(cè)

中圖分類號(hào)： TN012?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）08?0135?03

Research on terahertz spectrum used to detect different rubber materials

XU Feng

（School of Science， Changchun University of Science and Technology， Changchun 310018， China）

Abstract： Terahertz detection technology as a widely used technology has been extensively used in the aspects of safety inspection， chemistry， life science， etc. In order to study the application of terahertz technology further more， the spectral characteristics of different rubber materials were obtained by analyzing the application of terahertz technology in rubber material detection. The absorption coefficient and refractive index of different rubber materials are analyzed and compared by means of terahertz spectrum detection technology to effectively distinguish different rubber materials. The study results show that the terahertz technology has the application value in rubber material identification， and the rubber can influence on the terahertz mechanism. The study provides a basis for the scientific research.

Keywords： terahertz spectrum detection； rubber material； detection technology； security detection

近幾年太赫茲技術(shù)得到飛速的發(fā)展，且隨著人們對(duì)透明材料需求量的不斷提升，透明材料、橡膠材料的種類、性能的檢測(cè)和區(qū)分受到了人們的關(guān)注。太赫茲光譜檢測(cè)技術(shù)作為一種新的檢測(cè)技術(shù)，將其應(yīng)用在橡膠材料的鑒別、性能檢測(cè)中，有重要的意義。在實(shí)際的檢測(cè)中，太赫茲光譜檢測(cè)技術(shù)，針對(duì)透射率較好的光學(xué)性質(zhì)的材料有較好的應(yīng)用檢測(cè)價(jià)值。本文針對(duì)太赫茲光譜檢測(cè)不同橡膠材料等相關(guān)的內(nèi)容進(jìn)行分析研究。

1 實(shí)驗(yàn)材料

橡膠材料是當(dāng)前使用較為廣泛的一類材料，橡膠主要是由膠料和一些助劑組成，橡膠材料的基礎(chǔ)原料為高彈性高分子化合物，在橡膠材料中所占的比例為30%～100%，其可以決定橡膠材料的性能[1]。當(dāng)前使用廣泛的橡膠材料主要有氯丁橡膠、三元乙丙橡膠、丁腈橡膠，前兩種橡膠是通用橡膠的主要產(chǎn)品，有較大的需求量和市場(chǎng)，后一種橡膠是目前消耗量最大的橡膠材料。

氯丁橡膠是由氯丁二烯聚合而成的橡膠，其自身具有耐熱、耐氧化等特性，氯丁橡膠主要應(yīng)用于運(yùn)輸皮帶、造紙、耐油膠管等的制造。除此之外，氯丁橡膠還是一種性能較好的膠粘劑，其且有粘度小、易滲透、耐老化、粘接力強(qiáng)等特點(diǎn)[2]。而丁腈橡膠是一種共聚物，有較好的耐油性、耐磨性、耐熱性，其可以廣泛的應(yīng)用在汽車、石油紡織、印刷、航空等領(lǐng)域中，而三元乙丙橡膠則是乙烯、丙烯、非共軛二烯烴的三元共聚物，其有較強(qiáng)的抗氧化、抗侵蝕的能力。隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，橡膠材料的種類和性能不斷的增多和擴(kuò)展，在一些合成橡膠中，對(duì)橡膠材料進(jìn)行的鑒別，有重要的意義和作用，目前產(chǎn)生的鑒別方法主要有外觀檢測(cè)法、燃燒實(shí)驗(yàn)法、氣相色譜法、紅外光譜法等，這些檢測(cè)方法對(duì)試樣的處理較為復(fù)雜，且花費(fèi)的時(shí)間、精力較多，檢測(cè)的結(jié)果準(zhǔn)確度也較低，所以這些方法無(wú)法準(zhǔn)確地解決橡膠材料區(qū)分[3?4]。

太赫茲光譜技術(shù)，在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的背景下產(chǎn)生，其是一種非接觸測(cè)量技術(shù)，具有傳統(tǒng)檢測(cè)方法沒(méi)有的優(yōu)點(diǎn)，太赫茲光譜檢測(cè)技術(shù)，其可以利用THz?TDS技術(shù)，橡膠的結(jié)構(gòu)、形態(tài)以及環(huán)境對(duì)其性能產(chǎn)生的影響等進(jìn)行有效的鑒別和測(cè)定。太赫茲光譜技術(shù)，可以敏銳地發(fā)現(xiàn)分子偶極矩產(chǎn)生的變化，為此本文選擇氯丁橡膠、三元乙丙橡膠、丁腈橡膠，作為本次研究中的材料，對(duì)其相關(guān)的性能和參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，便于對(duì)氯丁橡膠、三元乙丙橡膠、丁腈橡膠進(jìn)行區(qū)分鑒別。

2 實(shí)驗(yàn)儀器及方法

為了對(duì)太赫茲光譜技術(shù)檢測(cè)氯丁橡膠、三元乙丙橡膠、丁腈橡膠進(jìn)行研究，使用太赫茲光譜透射裝置進(jìn)行測(cè)量，裝置如圖1所示。太赫茲光譜測(cè)定中，光譜物理再生放大器系統(tǒng)波長(zhǎng)為800 nm，脈寬100 fs，重復(fù)頻率為1 kHz飛秒脈沖[5]。在分束鏡的后面有泵浦脈沖、探測(cè)脈沖。電磁波采用自由電光采樣技術(shù)進(jìn)行探測(cè)，THz信號(hào)則使用斬波器控制的鎖相放大器進(jìn)行采集測(cè)定。在對(duì)氯丁橡膠、三元乙丙橡膠、丁腈橡膠進(jìn)行太赫茲光譜測(cè)定中，試驗(yàn)溫度為室溫，濕度要求為<4%，在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行中，需要最大限度的消除水汽對(duì)測(cè)定結(jié)果產(chǎn)生的影響，為此可以將其放在氮?dú)猸h(huán)境中完成測(cè)定。在測(cè)定的過(guò)程中，其產(chǎn)生的不確定性主要是來(lái)自振蕩和噪音，而噪音則是由電、光、機(jī)械振蕩等因素產(chǎn)生。在測(cè)定因素的影響中，噪音影響因素中的電噪音和光噪音可以通過(guò)鎖相放大器進(jìn)行改善和減弱，但是其只能將噪音降低到最小，而無(wú)法將測(cè)定中的機(jī)械漂移解決。在太赫茲光譜測(cè)定中，多次進(jìn)行掃描，取得了的掃描信號(hào)取平均值，可以將噪音產(chǎn)生的影響降低，在測(cè)定中每一個(gè)樣品測(cè)定兩次。

太赫茲光譜測(cè)定系統(tǒng)對(duì)樣品進(jìn)行的測(cè)定可以清楚地測(cè)量通過(guò)樣品和沒(méi)有通過(guò)樣品脈沖的相位和振幅。對(duì)參考信號(hào)和樣品測(cè)定得到的光譜進(jìn)行快速的傅里葉轉(zhuǎn)換，可以得到影響的時(shí)域光譜，并得出穿過(guò)樣品THz電場(chǎng)強(qiáng)度，以及參考電場(chǎng)強(qiáng)度在時(shí)域光譜中的比值、折射率之間的關(guān)系：

[T=4N（N+1）ei2π（n-1）dv/c=Aeiφ] （1）

式中：A為振幅；φ為樣品電場(chǎng)和參考電場(chǎng)的相位差；d為樣品的厚度；v為輻射頻率；c為真空中的光速。從式（1）可以得出橡膠材料樣品的折射率n（v）、消光系數(shù)k（v）、吸收系數(shù)α（v），有：

[n（v）=cφ2πdv+1] （2）

[α（v）=4πvk（v）c] （3）

在實(shí)驗(yàn)中，橡膠樣品的厚度，對(duì)光學(xué)參數(shù)的獲取有重要的影響，樣品的厚度過(guò)薄、過(guò)厚等會(huì)影響測(cè)量的精度和準(zhǔn)確度。主要是因?yàn)橄鹉z樣品的厚度會(huì)造成太赫茲光譜檢測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)生的太赫茲波與很多分子發(fā)生相互作用，相對(duì)而言，橡膠樣品的厚度過(guò)厚，在一定程度上會(huì)因?yàn)槊}沖吸收的作用，降低信噪比，而橡膠樣品過(guò)薄則會(huì)造成參考信號(hào)與橡膠樣品信號(hào)的區(qū)分難度增加，這些因素的存在都與橡膠材料本身的吸收性能有關(guān)[6]。所以為了保證整個(gè)測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時(shí)又可以保證信噪比降低，需要將實(shí)驗(yàn)中橡膠樣品的厚度控制在0.6 mm。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在本次實(shí)驗(yàn)中，三種不同類型的橡膠材料，進(jìn)行太赫茲光譜測(cè)定，不同類型的橡膠材料，有不同的折射率、吸收率，且呈現(xiàn)出不同的波速和光程。如圖2所示。

從圖2中可以知道三種橡膠材料在0.2～1.8 THz波段中，呈現(xiàn)出來(lái)的吸收光譜存在明顯的差異性，且吸收系數(shù)隨著頻率的增加呈現(xiàn)升高的趨勢(shì)。在本次實(shí)驗(yàn)中，丁腈橡膠、三元乙丙橡膠沒(méi)有吸收峰，氯丁橡膠呈現(xiàn)出一個(gè)吸收峰。在本次測(cè)定中，三種橡膠樣品的吸收性均較強(qiáng)，且為共振吸收，造成這種現(xiàn)象的主要原因?yàn)橄鹉z分子在太赫茲波段產(chǎn)生的共振及聚合物之間較弱的結(jié)合力。

本次研究中的三種橡膠材料的太赫茲光譜測(cè)定的折射光譜如圖3所示。

從本次的測(cè)定結(jié)果可以得出，三種橡膠材料的折射率在1.67～5.74之間，平均折射率為氯丁橡膠1.85、丁腈橡膠3.02、三元乙丙橡膠2.06。不同的橡膠材料其折射率不同，其與太赫茲光波的頻率呈現(xiàn)一定的關(guān)系，丁腈橡膠和氯丁橡膠隨著頻率的增加而減小，呈現(xiàn)反比例關(guān)系，三元乙丙橡膠隨著頻率的增加，基本上保持平穩(wěn)，由此可以說(shuō)明，橡膠材料的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)均存在著差異性，每個(gè)種類都有自己的特性。

通過(guò)本次研究可以得出，太赫茲光譜技術(shù)，通過(guò)測(cè)定得出不同橡膠材料的折射率，而不同的折射率，可以作為不同橡膠材料區(qū)分鑒別的指標(biāo)，所以太赫茲光譜技術(shù)可以在橡膠材料領(lǐng)域中得到應(yīng)用。

4 結(jié) 語(yǔ)

社會(huì)在發(fā)展，科技在進(jìn)步，各種診斷技術(shù)、測(cè)定技術(shù)不斷的產(chǎn)生，性能的不斷提高且廣泛地應(yīng)用在各個(gè)方面，太赫茲光譜技術(shù)，在不同橡膠材料區(qū)分鑒別中的應(yīng)用，可以通過(guò)折射率、吸收率確定橡膠材料的種類。通過(guò)本次研究得出太赫茲光譜測(cè)定技術(shù)，檢測(cè)準(zhǔn)確率高，對(duì)樣品無(wú)損耗，可以進(jìn)行橡膠材料的區(qū)分。

參考文獻(xiàn)

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