弱磁檢測技術在玻璃纖維中的應用研究

余方林 ， 于潤橋 ， 廖連文 ， 劉 雷

（無損檢測技術教育部重點實驗室（南昌航空大學），南昌 330063）

0 引言

玻璃纖維是金屬材料的良好替代品，具有良好的耐腐蝕性以及高強度、高模量[1]的特性，已經被廣泛應用于建筑、交通、橋梁、國防等領域[2]。但由于玻璃纖維材料脆性大、耐磨性較差，致使其在生產制造和實際使用中容易形成裂紋和內部材料脫粘、分層等缺陷。特別是在國防、交通、建筑等方面，如果玻璃纖維內部出現(xiàn)裂紋和脫粘分層、孔洞、纖維斷裂等缺陷，會對材料的結構產生嚴重影響，造成巨大的安全隱患。為確保材料的工程安全性，利用無損檢測的方法對玻璃纖維性能進行檢測和評價具有重大意義[3-4]。

目前，國內外針對玻璃纖維的無損檢測主要有射線檢測、超聲檢測和紅外熱波成像法[5-8]。射線檢測作為5種常規(guī)非破壞性測試方法之一，其特征在于輻射對材料的強烈傳輸以及不同材料對輻射的不同程度的吸收和衰減，它是利用在膠片上呈現(xiàn)的圖像來觀察判定內部缺陷的一種行為，其對體積型的母體損傷檢出率高，但檢測工件厚度有特殊要求，檢測成本高、效率低；超聲檢測技術利用低頻相控陣探頭對工件內部進行缺陷檢測時，玻璃纖維檢測時的回波信號衰減嚴重，同時超聲檢測對玻璃纖維工件表面耦合度要求苛刻，雖然超聲對玻璃纖維中的脫粘和表面深度擦傷有很好的檢出效果，但對于內部細小的裂紋和線狀的缺陷檢出率不高；紅外熱波法[8]是通過加熱工件表面來進行檢測，利用待檢查工件內部的熱性能差異和熱傳導的不連續(xù)性，在表面的局部區(qū)域產生溫度梯度，再利用紅外熱像儀在對工件進行檢測的同時呈現(xiàn)熱成像圖，這樣就可以判斷出工件內部存在的缺陷，但紅外熱波法對于工件內部存在的裂紋和細小線狀的缺陷檢出率不理想。曾光宇等[5]應用超聲C掃描技術通過一定頻率的超聲波穿過試件后接收反射回來的回波對玻璃纖維中存在的氣孔、夾渣、疏松等缺陷得到了高檢出率的效果，但是玻璃纖維表面的粗糙性，對超聲耦合裝置要求比較高；郭曉娣提到利用太赫茲時域光譜[9]對材料太赫茲輻射的特征吸收來分析物質的組成和內部結構，該方法檢測了試樣的分層和包含等缺陷，但國內外報道的文章很少。

在地磁場的環(huán)境下，任何宏觀的物體都具有一定的磁性。經過對玻璃纖維的磁化曲線和磁化率曲線的分析可知，玻璃纖維屬于順磁性物質[10-11]。本研究提出一種在地磁場環(huán)境下的微磁檢測技術，通過地磁場原理分析和試驗研究確定該方法的適用性，通過對玻璃纖維復合板進行磁場數(shù)據(jù)采集和分析，得到試件的二維圖像，對比切割工件內部缺陷來驗證玻璃纖維應用中被動微磁檢測的可行性。

1 檢測原理

1.1 磁化實驗

地球作為一個基本的物理場，作用于自然界中的任何物質。基于地球磁場的磁化效應，物質的磁性是構成物質基本粒子的基本反應。任何物質都由原子、分子和離子組成，它們由電子和核組成。由于外界磁場的作用，核外電子的軌域運動產生的磁矩會做拉莫爾運動，從而產生額外磁矩，物質磁性就會累積凝聚而成。物質的原子磁矩在磁場中是不同的，因此該物質具有磁性差異。

一般而言，物質對磁場的影響程度稱為磁化，可以改變磁場影響中的磁性物質稱為磁介質。通常，磁介質的磁化程度滿足關系：

其中，M代表物質的磁化，H代表外部磁場的強度，μr表示物質的磁化率。不同磁介質的磁化率受外磁場的影響程度大小不一，其表達式為：

同時，物質本身的特性也會對物質周圍磁場產生影響。如果將地球視為大磁鐵，則可以看作地球某一區(qū)域的磁場均勻分布。如果不存在物質，則該區(qū)域中的磁力線均勻分布并平行。如果將某一物質放在這個物質上或者周圍，那么原來均勻的磁力線就會被打破，使這個區(qū)域的磁場在一定程度上發(fā)生改變，假如這個物質內部存在缺陷，缺陷處的磁力線就與母體磁力線有著區(qū)別。在空氣溫度為300 K時，使用磁力儀對玻璃纖維復合材料進行磁化后，獲得的磁化曲線如圖1所示。從圖1可以看出，從正向磁化曲線和反向磁化曲線加載外界磁場之后，磁力儀得出的曲線基本相同，材料的剩磁幾乎為零，并且沒有明顯的滯后現(xiàn)象。在-1 000～1 000 A·m-3的外加磁場范圍內，磁化曲線可以看作為正比例線性關系，由圖1可以計算出玻璃纖維相對磁化率，如圖2所示。其玻璃纖維的磁化率為0.000 7～0.001 5，玻璃纖維的相對磁導率可以計算得出1.000 7～1.015 0。所以玻璃纖維材料屬于順磁性，如果玻璃纖維內部出現(xiàn)分層、裂紋等缺陷時，玻璃纖維本身磁化后的磁場強度與缺陷處的磁場強度不同，可以用實驗室自主研制的高精度磁通門傳感器對試件進行掃描，找出試件中的缺陷。

圖 1 玻璃纖維復合材料正（反）向磁化曲線Fig.1 Positive (negative) magnetization curves of glass fiber composite

圖 2 玻璃纖維復合材料磁化率Fig.2 Magnetic susceptibility of glass fiber composites

1.2 檢測原理

從微磁學的角度來看，可以從磁場材料在地磁場作用下的材料磁體變化特性的分析中看出：在穩(wěn)定的地磁環(huán)境中，材料體被缺陷的疇壁移動，并且磁化矢量由于缺陷的存在而旋轉。以這種方式改變磁疇結構會產生磁疇的固定節(jié)點，當磁場穿過磁疇固定節(jié)點處的缺陷時，磁場發(fā)生改變。如果可以檢測到磁場的變化，則可以檢測到材料缺陷（圖3）。通過高靈敏度的磁探頭對材料表面的磁場值進行數(shù)據(jù)采集，檢測結果直接以電信號的方式輸出，并通過微磁檢測軟件對采集到的數(shù)據(jù)進行處理和分析，從而進一步對缺陷形態(tài)特征做出判斷。

圖 3 缺陷在材料中引起的磁力線彎曲現(xiàn)象Fig.3 The bending of magnetic lines caused by defects in materials

2 材料和檢測方法

2.1 試驗材料

檢測試樣為機翼形狀的玻璃纖維材料風力葉片試驗片（圖4）。其屬于無堿玻璃纖維，采用國外專用的真空灌注環(huán)氧樹脂。其主要組成如表1所示。玻璃纖維試塊具有高強度、高模量、耐熱性、抗氧化性和耐腐蝕性的特點[12]。在室溫下，玻璃纖維屬于非鐵磁性材料。

圖 4 玻璃纖維復合材料（風電葉片）實物圖Fig.4 Appearance of glass fiber composite (wind-electric blade)

2.2 檢測方法

在不需要任何激勵磁場的環(huán)境下，利用地磁場在某一區(qū)域的穩(wěn)定性和磁化后的材料本身和缺陷磁場的微弱變化，采用實驗室自主研發(fā)的高精度磁通門傳感器對玻璃纖維材料表面進行掃描，確保探頭可以完全掃描到待檢測的表面。使用微磁檢測儀器對玻璃纖維材料的表面進行掃描，獲取其表面磁場強度數(shù)值后進行數(shù)據(jù)處理，來確定試件本身是否存在缺陷。

掃描是從試件的端部到尾部依次進行。玻璃纖維復合材料試塊模型表面有一個弧度，所以探頭所測得磁場通過材料磁場強度B與傳感器接收到的磁場強度B1會產生一個偏角，所測得的角度最大可以達到11.3°。則傳感器測量的磁場強度為：

根據(jù)已有的測量數(shù)據(jù)，江西南昌區(qū)域的地磁場總強度約為35 500 nT，其中垂直分量磁場強度為31 500 nT[7]。磁場垂直分量強度大小最大偏差值可以達到197.8 nT，其中偏差造成的磁場值的變化會大于缺陷處磁場強度變化量。所以，針對這種情況，對試件進行橫向掃查方式檢測，該檢測方式可以保持傳感器在同一水平面上移動，減小傳感器偏移角帶來實驗結果的誤差。

考慮到試件厚度不均勻，為了降低厚度對檢測結果的影響，將試件表面劃分為8個掃查區(qū)域，編號為1#～8#，試件中每個區(qū)域的掃查寬度為90 mm，掃查長度為150 mm，如圖5所示。將試件放在除了地磁場外無其他任何干擾的地方，用實驗室自制的4個高精度傳感器單排陣列式探頭緊貼試件，對表面進行橫向掃查檢測，盡量保持探頭在同一個厚度層掃查，每次掃查的條件一致。由于是手持探頭進行掃查，具有一定的抖動誤差，對數(shù)據(jù)的分析產生較小的干擾，因此，為減小誤差，對試件中不連續(xù)區(qū)域進行多次反復掃查，通過對某一區(qū)域的多次掃查，在同一條件下采集多組數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)重復性試驗，用分析采集到的實驗數(shù)據(jù)對試件內的缺陷進行特征判斷。

表 1 化學組成（質量分數(shù) /%）Table 1 Chemical composition (mass fraction /%)

圖 5 檢測區(qū)域圖Fig.5 Detection area diagram

3 檢測結果與驗證分析

3.1 檢測結果分析

經過對試樣1#～8#檢測區(qū)域橫向掃查，得出各區(qū)域的檢測結果。對磁場信號變化大的區(qū)域5#進行數(shù)據(jù)分析，圖6是區(qū)域5#的檢測原始曲線圖和差分圖。

圖6a是傳感器探頭在5#區(qū)域從上而下掃查采集到的試件原始磁場信號，分別為1～4號探頭所接收處理的曲線，在掃描區(qū)域的105～130 mm范圍內磁場強度發(fā)生了突變。為了進一步處理和分析信號，需要從原始信號獲得磁梯度信號，圖6b顯示了每個傳感器的磁梯度信號。這些信號的不確定性、幅度和相位變化是不可預測的，因此不能用某些數(shù)學公式表示。整個信號的特征只能通過統(tǒng)計分析獲得，盡管隨機信號的狀態(tài)在任何時候都是隨機變量。但是，不同的隨機信號都會有各自的特征，可以用概率密度函數(shù)和分布函數(shù)進行統(tǒng)計。假設隨機信號的樣本k為變量，那么，對于任意時刻的隨機變量Xt，在區(qū)間[x，x+Δt]中的概率為：

磁梯度表示的是一組數(shù)據(jù)前后的差分值，屬于隨機信號，其服從正態(tài)分布，對于高斯分布（正態(tài)分布）的隨機變量[13]，其概率密度函數(shù)為：

圖 6 5#區(qū)域數(shù)據(jù)處理分析Fig.6 Analysis of 5# area data processing

為了驗證弱磁檢測的可靠性，選取5#區(qū)域磁場值變化大的區(qū)域再次進行橫向掃查，掃查區(qū)域如圖7所示。掃查寬度為90 mm，掃查長度為150 mm。

圖 7 驗證掃描區(qū)域圖Fig.7 Verification scanning area diagram

圖8為驗證區(qū)域掃查采集到的磁場數(shù)據(jù)及分析。圖8a是探頭沿著試件從上而下掃描的原始曲線圖像，根據(jù)原始曲線圖可以看出有2個異常信號點，位置在50～130 mm處。信號異常點都有明顯的磁場突變，圖中的2個異常點，一個向下突起，一個向上凹，磁異常的幅值H1、H2分別為80、320 nT。圖8b是原始信號的磁場梯度值，可以看出，在1號探頭的50 mm處和2號探頭的130 mm處存在超閾值的磁梯度值，所以判斷這2處存在磁缺陷異常信號。圖8c為檢測數(shù)據(jù)處理后的二維成像圖，也可以明顯看出在50、130 mm區(qū)域存在缺陷。由于信號具有一定時間的延遲，與實際缺陷具有一定的偏差，故判斷該區(qū)域的缺陷位于47～62、120～130 mm 處。

3.2 檢測結果驗證

根據(jù)弱磁檢測數(shù)據(jù)分析結果，從工件上切割一塊檢測結果顯示信號為超閾值的區(qū)域，如圖9所示。將這塊區(qū)域試樣進行切割（圖9中標號為2、3），觀察可知，試樣中可見明顯的孔洞，即圖9b～圖 9d中的孔洞 1（深 13 mm，寬 18 mm）、孔洞2（深5 mm，寬12 mm）、孔洞3（深3 mm，寬10 mm）、孔洞4（深10 mm，寬13 mm）。這與微磁檢測結果一致。

試驗結果證明，弱磁檢測技術可檢測具有一定厚度差的玻璃鋼復合材料，對母材上存在缺陷的區(qū)域具有一定的檢出率。試驗采用橫向掃查方式，針對有異常信號的區(qū)域做了多次掃查，掃查結果重復性較好，異常信號值較大，可以判斷母體中存在缺陷，與實際工件缺陷位置基本對應。

4 結論

1）在地磁場作用下的微磁環(huán)境中，工件內部缺陷可以利用高精度探頭較好地識別內部缺陷。

2）通過分析玻璃纖維復合材料的磁化曲線和磁化率，在理論上說明了在地磁場環(huán)境下，檢出玻璃纖維內缺陷的可行性。

3）通過對玻璃纖維原始磁場數(shù)據(jù)和磁場梯度進行分析，可以對試件內部缺陷進行判斷，由磁梯度的幅值可以判斷試件的損傷程度。