復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)中的射線檢測(cè)應(yīng)用

呂益良 丁衛(wèi)良 連 潔

河南筑信智能技術(shù)有限公司，河南鄭州 450000

中國(guó)材料技術(shù)一直持續(xù)發(fā)展，并取得了很大的進(jìn)步，這就導(dǎo)致現(xiàn)有材料的性能已經(jīng)不能滿(mǎn)足許多行業(yè)的要求，復(fù)合材料的應(yīng)用解決了這一問(wèn)題。通常把兩種或兩種以上具有不同性質(zhì)的材料通過(guò)物理或化學(xué)技術(shù)合成具有新特性的材料稱(chēng)為復(fù)合材料，它是一種結(jié)合了不同的材料性能，以達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的要求。復(fù)合材料在各行各業(yè)的應(yīng)用逐漸擴(kuò)大，其性能要求的完整性也不斷提高，因此，傳統(tǒng)的檢測(cè)方法已經(jīng)不能滿(mǎn)足復(fù)合材料的檢測(cè)要求。射線檢測(cè)的圖像直觀并且方便保存。近年來(lái)隨著人們對(duì)射線檢測(cè)方法不斷的研究和探索，在檢測(cè)能力以及檢測(cè)范圍都有了很大的提高。

1 射線檢測(cè)復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)的未來(lái)發(fā)展

射線檢測(cè)方法不斷改進(jìn)和發(fā)展，無(wú)損檢測(cè)設(shè)備在實(shí)踐中也得到了廣泛的使用。當(dāng)前的計(jì)算機(jī)模擬、數(shù)字輻射和仿真技術(shù)正成為無(wú)損檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的要點(diǎn)。此外，檢測(cè)成本相對(duì)較低、對(duì)環(huán)境的污染較小是與傳統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)相比起來(lái)，非膠片數(shù)字照相技術(shù)的的特點(diǎn)。結(jié)合這些優(yōu)點(diǎn)，非膠片數(shù)字射線照相技術(shù)將會(huì)是復(fù)合無(wú)損檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的主要趨勢(shì)之一。同時(shí)，計(jì)算機(jī)和仿真技術(shù)的發(fā)展也使復(fù)合材料的無(wú)損檢測(cè)更為廣泛和集中，計(jì)算技術(shù)在結(jié)構(gòu)配置優(yōu)化、系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化和虛擬檢測(cè)優(yōu)化中都得到了廣泛的應(yīng)用，不但可以提高無(wú)損檢測(cè)的工藝水平，而且減短其裝置生產(chǎn)的周期。結(jié)合當(dāng)前技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，無(wú)損檢測(cè)的相關(guān)設(shè)備的發(fā)展可以概括為3點(diǎn)：

（1）高智能化的圖像顯示功能；（2）數(shù)字技術(shù)以及自動(dòng)化識(shí)別技術(shù)；（3）模塊化以及大型化。例如，高性能探測(cè)器系統(tǒng)、錐束CT成像技術(shù)以及微焦點(diǎn)CT成像技術(shù)等，這些技術(shù)更是復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)的重要研究方向。

2 射線檢測(cè)在復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)中的具體應(yīng)用

2.1 射線實(shí)時(shí)成像檢測(cè)技術(shù)

射線實(shí)時(shí)成像檢測(cè)技術(shù)（DR技術(shù)）是在電子成像的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。射線實(shí)時(shí)成像技術(shù)主要應(yīng)用于無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域，在無(wú)損的前提下，評(píng)估復(fù)合材料的內(nèi)部問(wèn)題和缺陷是根據(jù)成像對(duì)象實(shí)際變動(dòng)圖像的改變來(lái)進(jìn)行的。這種技術(shù)與傳統(tǒng)的復(fù)合材料檢測(cè)的膠片射線照相技術(shù)相比有著很大的優(yōu)勢(shì)：首先，它可以改善得到的圖像的動(dòng)態(tài)范圍，有效地提高圖像處理的效益；其次，可以控制檢測(cè)連續(xù)曝光時(shí)間，從而減少了輻射對(duì)人體的影響；第三，在測(cè)試過(guò)程中需要求曝光時(shí)間有很高的寬容性。

射線實(shí)時(shí)成像技術(shù)具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值，在汽車(chē)制造、壓力容器和軍工制造業(yè)等領(lǐng)域都有著重要的作用。根據(jù)目前的技術(shù)，工業(yè)射線實(shí)時(shí)成像檢測(cè)系統(tǒng)、微焦點(diǎn)射線實(shí)時(shí)成像檢測(cè)系統(tǒng)和陣列射線實(shí)時(shí)成像檢測(cè)系統(tǒng)是現(xiàn)在國(guó)內(nèi)各行業(yè)常用的射線實(shí)時(shí)成像檢測(cè)系統(tǒng)，這種檢測(cè)系統(tǒng)常常用來(lái)檢測(cè)電子器件和各種小工件等；陣列射線實(shí)時(shí)成像檢測(cè)系統(tǒng)，我們可以在機(jī)場(chǎng)和車(chē)站以及海關(guān)看到，這種系統(tǒng)為安檢和貨物檢查帶來(lái)了很大的便利。各種產(chǎn)品的在線檢測(cè)，實(shí)時(shí)成像檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛，能夠快速的對(duì)裝配線上的產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)還能夠改變遙控裝置，便于相關(guān)人員查看產(chǎn)品的細(xì)節(jié)問(wèn)題。

2.2 計(jì)算機(jī)斷層掃描成像技術(shù)

人們常說(shuō)的工業(yè)CT技術(shù)就是計(jì)算機(jī)斷層掃描成像技術(shù)，自1980年以來(lái)，逐漸成為了一種普遍實(shí)用的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。這種檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)結(jié)果具有非常高的分辨率，可生成三維圖像，便于分析和存儲(chǔ)。

計(jì)算機(jī)技術(shù)是計(jì)算機(jī)斷層掃描成像技術(shù)發(fā)展起來(lái)的基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)斷層掃描成像技術(shù)在復(fù)合材料的無(wú)損檢測(cè)之中，有著極為重要的作用。其原理（見(jiàn)圖1）是：工業(yè)CT 射線源系統(tǒng)發(fā)出的射線束從多個(gè)方向以掃描方式透射被測(cè)復(fù)合材料某斷層，探測(cè)系統(tǒng)從不同的角度采集射線信號(hào)并轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)使用的數(shù)字信號(hào)，圖像處理系統(tǒng)將數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)送來(lái)的數(shù)字信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)處理（如數(shù)據(jù)重排和校正）后進(jìn)行圖像重建，得到斷層的二維圖像。通過(guò)二維圖像，再現(xiàn)被測(cè)復(fù)合材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、材料組成及缺陷狀況。

圖1 復(fù)合材料X射線工業(yè)計(jì)算機(jī)層析成像(CT)檢測(cè)技術(shù)原理圖

在當(dāng)前的技術(shù)條件下計(jì)算機(jī)斷層掃描成像無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)主要是由射線源系統(tǒng)、探測(cè)器系統(tǒng)、機(jī)械掃描系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)、輻射安全防護(hù)系統(tǒng)7個(gè)子系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)檢測(cè)對(duì)材料進(jìn)行檢測(cè)的基本流程是：第一，在被檢測(cè)的材料經(jīng)過(guò)掃描之后得到被檢測(cè)材料斷層方面的有關(guān)數(shù)據(jù)信息；第二，進(jìn)行圖像的重建，將得到的材料相關(guān)的數(shù)據(jù)信息通過(guò)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的干預(yù)進(jìn)行處理，得到圖像，通過(guò)所得到的圖像可以來(lái)了解和分析材料的內(nèi)部是否存在缺陷。在這中間需要在意的是，復(fù)合材料的二維灰度圖像是通過(guò)計(jì)算機(jī)斷層掃描成像技術(shù)的無(wú)損檢測(cè)得到的，被檢材料內(nèi)部的裝配情況、結(jié)構(gòu)組成、材質(zhì)狀況有無(wú)缺陷，缺陷的性質(zhì)與大小等從圖像的灰度就可以進(jìn)行分析，因此如果想要得到被檢物的三維圖像，只需沿掃描軸線進(jìn)行掃描，直到獲得足夠多的斷層二維圖像即可。使用計(jì)算機(jī)斷層掃描成像技術(shù)可以很大程度上解決圖像重疊的問(wèn)題，對(duì)提高生成圖像的靈敏度也具有重要的意義。更重要的是，數(shù)字化圖像處理是計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)的一大特征，可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行放大、壓縮，使數(shù)據(jù)的傳輸更加方便，并具有遠(yuǎn)距離觀測(cè)的實(shí)用價(jià)值。在目前各個(gè)行業(yè)大都應(yīng)用計(jì)算機(jī)斷層掃描成像技術(shù)來(lái)測(cè)試對(duì)象包含碳/碳和碳/酚醛的復(fù)合材料，使得這些材料在傳統(tǒng)檢測(cè)方法下的問(wèn)題得到解決。

2.3 膠片射線照相技術(shù)

膠片射線照相技術(shù)是國(guó)內(nèi)各個(gè)行業(yè)里應(yīng)用最為廣泛的檢測(cè)技術(shù)，其他射線檢測(cè)技術(shù)是以該技術(shù)為基礎(chǔ)而逐步發(fā)展起來(lái)的。射線經(jīng)射線源發(fā)出后，穿過(guò)被檢測(cè)物體，從而檢測(cè)物體的缺陷部分，由于射線通過(guò)缺陷部分時(shí)，射線衰減的程度與其他部位是不同的，因此可以記錄檢測(cè)到的物體的內(nèi)部信息，這就是膠片射線照相技術(shù)的工作原理。形成投影圖像需要將射線膠片中記錄的信息進(jìn)行定影和顯影，評(píng)估測(cè)試對(duì)象的內(nèi)部連續(xù)性。膠片射線照相技術(shù)和數(shù)字射線成像技術(shù)相比起來(lái)，其圖像質(zhì)量更高，可以檢測(cè)物體內(nèi)部0.25mm左右的缺陷。

2.4 康普頓背散射成像技術(shù)

康普頓背散射成像（CST）是一項(xiàng)在20世紀(jì)80年代后期開(kāi)發(fā)的新技術(shù)。單面非接觸，不受物體幾何形狀的影響是該技術(shù)的特點(diǎn)。使用CST設(shè)備，可以通過(guò)將射線源和檢測(cè)器放置在組件的一側(cè)來(lái)檢測(cè)組件。透射系統(tǒng)無(wú)法檢測(cè)的大型構(gòu)件通過(guò)CST設(shè)備能夠檢測(cè)；具有高靈敏度，尤其用于檢測(cè)低射線吸收系數(shù)材料時(shí)；快速三維成像，一次掃描可獲得深度方向的三維成像數(shù)據(jù)。

康普頓背散射成像技術(shù)可以用來(lái)檢測(cè)鋁合金、塑料、復(fù)合材料等，低密度材料的檢測(cè)比透視圖像具有更高的對(duì)比度。特別是當(dāng)物體表面復(fù)雜時(shí)，其檢測(cè)效果比普通射線更好，能夠檢測(cè)大型物體，且檢測(cè)效果良好。因?yàn)槠渌麩o(wú)損檢測(cè)技術(shù)無(wú)法解決的技術(shù)問(wèn)題在使用康普頓散射成像技術(shù)就可以解決，所以在一些國(guó)家的航空航天領(lǐng)域中，該技術(shù)得到了廣泛的研究和應(yīng)用。因?yàn)橄嚓P(guān)的技術(shù)設(shè)備的缺少，要想在國(guó)內(nèi)普及該技術(shù)還需要研究人員的不斷探索和研究。

3 射線檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

射線檢測(cè)技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是對(duì)工件的檢測(cè)沒(méi)有特殊要求，基本上所有的材料都可以使用。缺陷圖像可以清晰地顯示出來(lái)，便于檢測(cè)人員的定量、定性和定位。射線膠片可以?xún)?chǔ)存很長(zhǎng)一段時(shí)間，為后期需要查看提供方便。但與此同時(shí)，射線檢測(cè)技術(shù)的使用成本較高；一般為重型設(shè)備；垂直于射線方向的小線性缺陷不能被檢測(cè)到；對(duì)環(huán)境有一定的輻射污染，可能對(duì)人們的健康有一定的影響，甚至傷害到其他敏感的物體，所以有安全要求，在這些方面，射線檢測(cè)技術(shù)還有待改進(jìn)。

4 結(jié)語(yǔ)

復(fù)合材料主要是應(yīng)用于航天、電氣、電子、汽車(chē)、建筑等領(lǐng)域，隨著科技的進(jìn)步，復(fù)合材料也得到了廣泛的關(guān)注并迅速發(fā)展起來(lái)。復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)方法已經(jīng)成為了重要的研究?jī)?nèi)容，它保證了各領(lǐng)域生產(chǎn)質(zhì)量，具有非常重要的研究意義。 射線檢測(cè)技術(shù)具有最直接的圖像，便于保存，這些基本特征是開(kāi)發(fā)無(wú)損檢測(cè)最有效的前景。射線檢測(cè)技術(shù)人員需要不斷加強(qiáng)對(duì)檢測(cè)技術(shù)的研究，努力提高檢測(cè)水平，保證復(fù)合材料的質(zhì)量。