太赫茲技術(shù)檢驗(yàn)滾塑制品壁內(nèi)氣泡缺陷的可行性

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0 引言

滾塑成型是制備大型、異形中空塑料制品的一種重要加工方式。通常滾塑成型使用粉末狀聚乙烯進(jìn)行加工，在加工過(guò)程中氣泡的形成和排除是工藝的必然過(guò)程[1-2]。如果工藝條件不完善，在成型制品中存在殘留氣泡是常見(jiàn)的一種質(zhì)量缺陷。氣泡的存在會(huì)造成制品力學(xué)性能下降、滲透性增加，并誘導(dǎo)制品在應(yīng)力下開(kāi)裂[3-4]。

非金屬承壓容器是壓力容器的一個(gè)重要分支，使用滾塑工藝加工塑料和襯里制壓力容器已經(jīng)有多年歷史。2018年，在中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)會(huì)高分子管道和容器專(zhuān)委會(huì)的支持下，GB/T 35974—2018 《塑料及其襯里制壓力容器》[5]系列標(biāo)準(zhǔn)得以公布并實(shí)施，該標(biāo)準(zhǔn)中明確指出應(yīng)對(duì)滾塑成型壓力容器的壁內(nèi)氣泡進(jìn)行檢驗(yàn)。此外，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/CAS 266—2017《滾塑制品燃油箱》[6]也明確提出需對(duì)壁內(nèi)氣泡進(jìn)行控制。

在大多情況下，壁內(nèi)氣泡無(wú)法通過(guò)目視直接觀測(cè)，而破壞性檢驗(yàn)只具備抽樣價(jià)值。目前，對(duì)非極性的聚乙烯塑料制品進(jìn)行內(nèi)部缺陷檢驗(yàn)尚無(wú)很好的辦法。

近年來(lái)，太赫茲技術(shù)發(fā)展迅速，由于0.1～10 THz的電磁波具有透視性，對(duì)塑料、紙張、木材等很多介電材料具有良好的穿透性，通過(guò)分析太赫茲脈沖透過(guò)物質(zhì)前后波形的變化或進(jìn)行太赫茲成像就可以實(shí)現(xiàn)無(wú)損檢測(cè)[7-8](見(jiàn)圖1),因此，太赫茲技術(shù)用于檢驗(yàn)材料內(nèi)部缺陷成為可能。

圖1 太赫茲技術(shù)測(cè)試示意

Zhang等[9-10]采用太赫茲連續(xù)波成像系統(tǒng)及THz-TDS 系統(tǒng)對(duì)灼燒以及未灼燒的石墨纖維復(fù)合材料進(jìn)行分析,在石墨纖維的太赫茲成像上可以明顯區(qū)分出被灼燒的區(qū)域。Quast等[11]運(yùn)用三維電場(chǎng)太赫茲成像技術(shù)對(duì)聚苯乙烯泡沫結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，結(jié)果能發(fā)現(xiàn)人工設(shè)置的缺陷。董?？12]使用太赫茲技術(shù)對(duì)預(yù)制缺陷的亞克力板進(jìn)行了缺陷測(cè)量，發(fā)現(xiàn)太赫茲技術(shù)可較好地表征材料缺陷。涂婉麗等[13]采用太赫茲無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)的反射模式對(duì)船舶防護(hù)涂層多層結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)，并對(duì)含氣泡、剝離等缺陷的涂層進(jìn)行了對(duì)比。潘釗等[14]采用反射式連續(xù)太赫茲波檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)航天復(fù)合材料與基板的粘接缺陷進(jìn)行了無(wú)損檢測(cè)，通過(guò)與已知缺陷面積樣件對(duì)比，對(duì)粘接缺陷面積的預(yù)測(cè)誤差可控制在±9%以?xún)?nèi)。張丹丹等[15]提出一種基于太赫茲時(shí)域光譜無(wú)損檢測(cè)的太赫茲反射式層析成像技術(shù),用于分析玻璃纖維蜂窩復(fù)合材料的粘接質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了玻璃纖維蜂窩材料的上層脫粘厚度50 μm、下層脫粘厚度50 μm 缺陷的太赫茲無(wú)損檢測(cè)。

從上述文獻(xiàn)分析可以看出，利用太赫茲技術(shù)檢測(cè)材料內(nèi)部缺陷的工作仍然處于前期研究狀態(tài)，目前的研究?jī)H論證了可行性，在分析方法、測(cè)量精度控制等方面還有待完善。

由于聚乙烯材料對(duì)太赫茲波的吸收接近零，因此聚乙烯經(jīng)常被作為太赫茲壓片的稀釋物使用[16]，對(duì)于聚乙烯為基材的滾塑制品的內(nèi)部缺陷是否能被太赫茲技術(shù)探測(cè)到，至今無(wú)相關(guān)研究。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料及主要設(shè)備儀器

材料為滾塑級(jí)LLDPE粉末：LLD510P。主要設(shè)備儀器有：BF-1000型烘箱式滾塑機(jī)，模內(nèi)無(wú)線測(cè)溫儀,TeraGaugeTM1000型太赫茲無(wú)損測(cè)試測(cè)量?jī)x(見(jiàn)圖2)。

圖2 太赫茲無(wú)損測(cè)試測(cè)量?jī)x

1.2 試樣制備

將LLDPE粉末按預(yù)定重量投入模具中，在模具內(nèi)部安置模內(nèi)測(cè)溫儀探頭以測(cè)量模內(nèi)空氣溫度，根據(jù)不同的模內(nèi)空氣溫度選擇加熱時(shí)間，預(yù)制出以下編號(hào)的樣品。

(1)樣品A1：無(wú)壁內(nèi)氣泡，表面平整的透明對(duì)比樣；

(2)樣品A2：一側(cè)表面不平整，但無(wú)壁內(nèi)氣泡的透明樣品；

(3)樣品A3：材料一側(cè)內(nèi)部存在可見(jiàn)氣泡的透明樣品；

(4)樣品B1：無(wú)壁內(nèi)氣泡，表面平整的黑色對(duì)比樣；

(5)樣品B2：材料一側(cè)內(nèi)部存在可見(jiàn)氣泡的黑色樣品。

1.3 性能測(cè)試

將樣品A1作為后續(xù)缺陷檢測(cè)的對(duì)比樣。使用太赫茲無(wú)損測(cè)試測(cè)量?jī)x，從有缺陷的樣本中獲得信號(hào)特征，并與對(duì)比樣信號(hào)進(jìn)行比較，以確定典型缺陷區(qū)域，使用信號(hào)強(qiáng)度差異確定檢測(cè)氣泡的有效性。

所有樣品均從板材兩側(cè)進(jìn)行掃描，以驗(yàn)證是否可以檢測(cè)到缺陷而不考慮板材方向。每個(gè)樣品選取3個(gè)典型部位進(jìn)行掃描。

試驗(yàn)參數(shù)：掃描頻率為0.1～5 THz；掃描速度為2.5 mm/s；樣品工作距離為77 mm；掃描斑束直徑為4 mm。

2 結(jié)果及其討論

2.1 掃描端面對(duì)測(cè)試的影響

從2個(gè)面對(duì)樣品A1分別進(jìn)行掃描。從圖3可以看出，無(wú)論從那個(gè)面進(jìn)行掃描，樣品面均出現(xiàn)強(qiáng)烈的反射現(xiàn)象，反射峰的出現(xiàn)和掃描面無(wú)關(guān)。2個(gè)反射峰之間的距離代表樣品厚度。

圖3 樣品A1的太赫茲掃描反射圖譜

3個(gè)典型區(qū)域的掃描結(jié)果完全重合，說(shuō)明相同特征的樣品具有一致的掃描結(jié)果。

2.2 表面平整度對(duì)測(cè)試的影響

對(duì)樣品A2進(jìn)行掃描，從圖4可以看出，無(wú)論樣品的表面平整程度如何，反射峰均會(huì)出現(xiàn)，但由于樣品表面不平整，3個(gè)典型區(qū)域在該側(cè)反射峰的位置發(fā)生變化，這也正反映了太赫茲測(cè)量技術(shù)對(duì)厚度測(cè)試的敏感性。

圖4 樣品A2的太赫茲掃描反射圖譜

2.3 壁內(nèi)氣泡對(duì)測(cè)試的影響

在樣品A3上選擇無(wú)氣泡的區(qū)域(見(jiàn)圖5)，與樣品A1進(jìn)行對(duì)比，基本無(wú)區(qū)別。

圖5 樣品A3無(wú)氣泡區(qū)域太赫茲反射圖譜

在樣品A3上選擇有氣泡的區(qū)域進(jìn)行掃描，從圖6可以看出，3個(gè)典型區(qū)域有氣泡的一側(cè)反射峰均嚴(yán)重衰減，且衰減程度基本一致。

圖6 樣品A3有氣泡區(qū)域太赫茲反射圖譜

太赫茲波的吸收強(qiáng)度對(duì)物品的空間密度非常敏感，因此太赫茲技術(shù)可以用來(lái)測(cè)量物品的厚度、多層物品的厚度分布，甚至物品的三維空間密度差異信息[17]，對(duì)于有氣泡缺陷的聚乙烯制品，氣泡內(nèi)的空氣和聚乙烯之間形成了強(qiáng)烈的密度差，令太赫茲波的強(qiáng)度和頻率發(fā)生變化。另外，由于氣泡的球形結(jié)構(gòu)，大幅度增加了太赫茲波的散射，令反射回接收器的太赫茲波信號(hào)減少，從而在圖像上反映出信號(hào)的衰減現(xiàn)象。

2.4 樣品透明度對(duì)測(cè)試的影響

對(duì)樣品B1進(jìn)行掃描，得出的圖譜(見(jiàn)圖7)和樣品A1類(lèi)似，對(duì)樣品B2進(jìn)行掃描，得出的圖譜(見(jiàn)圖8)和樣品A3類(lèi)似，說(shuō)明材料的透明度對(duì)測(cè)試無(wú)影響。

圖7 樣品B1太赫茲反射圖譜

圖8 樣品B2太赫茲反射圖譜

3 結(jié)論

基于預(yù)制氣泡缺陷的滾塑樣品，利用太赫茲技術(shù)對(duì)樣品進(jìn)行了測(cè)試，根據(jù)測(cè)試結(jié)果可以得到以下結(jié)論。

(1)太赫茲技術(shù)可以用于檢測(cè)聚乙烯滾塑制品的壁內(nèi)氣泡缺陷；

(2)測(cè)量面、樣品表面平整度和樣品透明度不影響對(duì)壁內(nèi)氣泡的測(cè)試。

聚乙烯對(duì)太赫茲波的吸收惰性，為探測(cè)內(nèi)部缺陷提供了良好的理論基礎(chǔ)，由于安全性的要求，大量使用聚乙烯材料，通過(guò)滾塑工藝制備的壓力容器或非承壓容器，均對(duì)內(nèi)部氣泡缺陷探測(cè)存在急迫的市場(chǎng)需求。太赫茲技術(shù)為解決這一問(wèn)題，提供了快速、準(zhǔn)確、無(wú)害的無(wú)損測(cè)試手段，具有廣闊的應(yīng)用前景。