無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在陶瓷材料檢測(cè)中的應(yīng)用

羅湧

（廣東省建筑材料研究院有限公司）

陶瓷材料制備工藝復(fù)雜、流程多，同批次材料的質(zhì)量差異較大，故對(duì)陶瓷材料的質(zhì)量把控尤為重要。陶瓷材料本身的高脆性、低韌性的特點(diǎn)，微小缺陷的存在也容易在缺陷處造成應(yīng)力集中，迅速破壞。傳統(tǒng)的陶瓷工業(yè)中，多采用敲擊法、目視法來(lái)判斷陶瓷制品中缺陷的存在及缺陷的大致位置，該種方法顯然不能滿足現(xiàn)代陶瓷工業(yè)的要求，因此研究一種適合現(xiàn)代陶瓷工業(yè)的無(wú)損檢測(cè)方法尤為重要。無(wú)損檢測(cè)技術(shù)（nondestructive testing，NDT），意義在不會(huì)對(duì)檢測(cè)對(duì)象的有效性及可靠性產(chǎn)生破壞的前提下，對(duì)被檢對(duì)象的整體質(zhì)量（缺陷、損傷）進(jìn)行定位及定量。無(wú)損檢測(cè)的常規(guī)五大檢測(cè)方法分別是：超聲法、射線法、磁粉法、滲透法、渦流法。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，新型的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)也不斷涌現(xiàn)，例如：超聲TOFD 檢測(cè)技術(shù)，數(shù)字射線技術(shù)、巴克豪森噪聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)、紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)等。

1 超聲檢測(cè)在陶瓷材料檢測(cè)中的應(yīng)用

無(wú)損檢測(cè)技術(shù)即非破壞性檢測(cè)技術(shù)，就是在不破壞待測(cè)物質(zhì)原來(lái)的狀態(tài)、化學(xué)性質(zhì)等前提下，為獲取與待測(cè)物的品質(zhì)有關(guān)的內(nèi)容、性質(zhì)或成分等物理、化學(xué)情況所采用的檢查方法。 超聲無(wú)損檢測(cè)是常規(guī)無(wú)損檢測(cè)方法中的一種，它是由超聲波與試件相互作用，通過(guò)對(duì)產(chǎn)生的反射、透射和散射波的研究，對(duì)試件進(jìn)行缺陷檢測(cè)、幾何特性測(cè)量、組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能變化的檢測(cè)和表征，并進(jìn)而對(duì)其特定應(yīng)用性進(jìn)行評(píng)價(jià)的一項(xiàng)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，具有非破壞性、檢測(cè)全面性及全程性等特點(diǎn)。

超聲波無(wú)損檢測(cè)的基本工作原理如下：聲源產(chǎn)生超聲波，采用一定的方式使超聲波進(jìn)入被測(cè)件；超聲波在試件中傳播并與試件材料以及其中的缺陷相互作用，使其傳播方向或特征被改變；改變后的超聲波通過(guò)檢測(cè)設(shè)備被接收，并可對(duì)其進(jìn)行處理和分析。根據(jù)接收的超聲波的特征，評(píng)估試件本身及其內(nèi)部是否存在缺陷及缺陷的特性。

超聲檢測(cè)是通過(guò)超聲換能器發(fā)射超聲脈沖波通過(guò)耦合介質(zhì)傳輸?shù)奖粰z對(duì)象內(nèi)部，觀察被檢對(duì)象內(nèi)部的缺陷回波或底面反射波來(lái)判斷缺陷的存在及位置。超聲法在探測(cè)被檢對(duì)象的內(nèi)部缺陷具有一定的優(yōu)勢(shì)，例如陶瓷材料的內(nèi)部裂紋、氣孔、夾渣分層等。同時(shí)，超聲檢測(cè)可以檢測(cè)陶瓷材料厚度、密度的均勻性。

超聲C 掃描技術(shù)與常規(guī)超聲相比較能夠提取更為完整的聲波傳播特征信息，對(duì)陶瓷材料的內(nèi)部缺陷有較高的分辨力，對(duì)于陶瓷材料的多層層疊整個(gè)深度內(nèi)的裂紋和不連續(xù)性具有顯著優(yōu)勢(shì)。水浸超聲法將被檢對(duì)象置于水中，超聲換能器不與被檢對(duì)象表面直接接觸，用水作為耦合介質(zhì)（檢測(cè)原理圖略）。該檢測(cè)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①由于耦合介質(zhì)水層的存在，探頭不需要和工件直接接觸，因此檢測(cè)過(guò)程基本不會(huì)受陶瓷材料表面粗糙度的影響，并且可使得檢測(cè)“盲區(qū)”只在耦合介質(zhì)水層，不影響實(shí)際檢測(cè)過(guò)程；②水浸掃描可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)，為檢測(cè)提供方便；③水浸聚焦探頭由于聲束的匯聚，能使得超聲波主要能量集中在被檢測(cè)工件需要檢測(cè)部位，可滿足檢測(cè)達(dá)到較高的分辨率和靈敏度。超聲波換能器頻率的選取尤為關(guān)鍵，頻率的選取影響缺陷檢出的靈敏度及分辨率。對(duì)于厚度較小、聲衰減較小的檢測(cè)對(duì)象一般選擇高頻探頭，而厚度較大、聲衰減較大的檢測(cè)對(duì)象則選擇高頻探頭。研究表明：當(dāng)換能器頻率選為25Mhz時(shí)，可檢出陶瓷材料表面以下2mm 深處長(zhǎng)度約為10～75μm的條形缺陷；當(dāng)換能器頻率選為15Mhz時(shí)，可檢出30μm左右的點(diǎn)狀缺陷；當(dāng)換能器頻率選為30Mhz時(shí)，可檢出20μm 左右的點(diǎn)狀缺陷。超聲顯微鏡（ultrasonic microscope）是利用缺陷的聲阻抗率、聲衰減與陶瓷材料本身的差異來(lái)判斷缺陷的存在，工作頻率一般在100Mhz 以上。由于高頻超聲波波長(zhǎng)較短，能量較低，衰減迅速。陶瓷材料聲衰減系數(shù)較大，因此難以發(fā)現(xiàn)深度較大的缺陷。當(dāng)使用10～100Mhz 的低頻SAM 技術(shù)時(shí)，可發(fā)現(xiàn)距離陶瓷材料表面500μm 深處，直徑為130μm 的體積型缺陷和10～15μm 寬的表面裂紋以及400μm的分層缺陷。

2 紅外成像檢測(cè)技術(shù)在陶瓷制品中的應(yīng)用

紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)是通過(guò)不同的可控?zé)峒?lì)源對(duì)被檢對(duì)象進(jìn)行加熱，若被檢對(duì)象存在缺陷，瞬態(tài)的熱能量傳導(dǎo)可使得被檢對(duì)象表面的溫度場(chǎng)與內(nèi)部溫度場(chǎng)產(chǎn)生差異，用紅外熱像儀連續(xù)采集被檢對(duì)象溫度場(chǎng)變化的熱譜圖并進(jìn)行圖像處理，即可對(duì)被檢對(duì)象的缺陷進(jìn)行定位及定量。紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)具有非接觸、速度快、面積大、操作簡(jiǎn)單、適用面廣、可在線檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。

根據(jù)激勵(lì)形式的不同可分為光脈沖熱成像、超聲激勵(lì)紅外熱成像、電磁激勵(lì)紅外熱成像。光脈沖熱成像較為傳統(tǒng)，熱激勵(lì)源為高能脈沖閃關(guān)燈，激勵(lì)源在被檢對(duì)象表面形成熱能量波并向被檢對(duì)象內(nèi)部傳播，當(dāng)遇到內(nèi)部缺陷時(shí)，熱能波傳播形式發(fā)生改變。該現(xiàn)象可被熱像儀捕捉，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理及圖像識(shí)別等技術(shù)可較為準(zhǔn)確的判斷缺陷的大小及位置。其他的紅外成像技術(shù)還有：鎖相紅外熱成像、脈沖相位熱成像、泰赫茲激勵(lì)的紅外熱成像。

紅外熱成像技術(shù)在薄壁陶瓷材料缺陷檢測(cè)中有所優(yōu)勢(shì)，能檢出的缺陷有：空洞、脫粘層、裂紋及雜質(zhì)等。紅外無(wú)損檢測(cè)方法較其他檢測(cè)方法有以下優(yōu)點(diǎn)：①反應(yīng)迅速，顯示直觀。適合大批量、大面積檢測(cè)；②空間分辨力高；③可完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)。

3 結(jié)論與展望

適合陶瓷制品檢測(cè)的超聲法有：超聲C 掃描檢測(cè)技術(shù)、超聲顯微鏡技術(shù)。超聲法對(duì)于缺陷的分辨力、檢出率較高，可用于生產(chǎn)工藝研究時(shí)產(chǎn)品質(zhì)量的把控。紅外熱成像技術(shù)檢測(cè)速度快，缺陷顯示直觀，可用于批量生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)品質(zhì)量的把控。隨著當(dāng)代陶瓷材料在工業(yè)中的廣泛運(yùn)用，對(duì)于陶瓷材料的制作工藝、產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來(lái)越高。因此，實(shí)現(xiàn)超聲C 掃描自動(dòng)化檢測(cè)是今后的研究重點(diǎn)。