你知道防彈頭盔、防彈背心和防彈車靠什么材料來阻擋子彈嗎？答案就是纖維增強復合材料，進一步細說就是由超強芳綸纖維、碳纖維、玻璃纖維和超高分子量聚乙烯纖維制備的復合材料，這么多種纖維“復合”在一起，使其具有了輕質、耐用且耐候性好等特點。

    雖然這種復合材料這么強大，但在子彈高速襲擊的作用下還是免不了產生缺陷，如脫層等，對脫層的區域和尺寸進行相應的研究有利于了解整個防護過程，以及對于開發更高級別的防護材料具有指導意義。要在不破壞材料的前提下進行研究，無損檢測就可以大顯身手了。

    對于復合材料常用的無損檢測方法有以下幾種：X射線斷層掃描技術（X-ray CT）、微波法、超聲法、聲學以及熱成像技術，另外還有其他一些新技術對于新型材料的檢測也正在研究中。至今為止，用來檢測超高分子量聚乙烯纖維復合材料穿刺區域的測試方法主要是X射線斷層掃描技術，也就是我們通常所說的X射線CT技術。這種方法可以清晰地反映材料的內部結構。但是該方法采用高能粒子激發X射線，所以設備價格十分昂貴，只有少數研究機構才配備有該設備用于材料的檢測。

    太赫茲（THZ）光譜技術是當前十分熱門的研究領域，在無損檢測領域也開始發揮重要的作用，該技術目前也被用于復合材料的檢測，它是一種全面有效檢測復合材料的缺陷及性能的無損檢測方法。

    太赫茲輻射是對一個特定波段的電磁輻射的統稱，是一種快速發展的新型光譜技術。在電磁波譜中位于微波和紅外之間，其典型的頻率為10^12Hz左右，一個頻率為1THz的光子的能量約為4.1MeV，遠遠低于X射線的能量，不會引起生物體的有害電離反應，對人體損害小，安全性良好。

    太赫茲波的透視性高、能級低、頻帶寬且攜帶豐富的光譜信息等特性，相比其他的光譜具有更大的優勢，應用前景廣闊。太赫茲波的典型波長（300μm）遠大于塵埃等微小結構的尺寸，因此在大多數物體中的散射遠小于可見光和近中紅外光，同時太赫茲波的光子能力低于多數化學鍵的鍵能，所以對大多數非極性材料具有較好的穿透性，在穿透成像方面具有良好的應用前景。

    另外太赫茲波的頻率比一般無損檢測波的頻率要高，因此其在空間的分辨率會高于一般的檢測技術，具有代替射線和微波檢測應用于非金屬材料缺陷檢測的潛力。

    來自波蘭的Norbert Palka小組通過X射線CT技術和太赫茲檢測技術，對超高分子量聚乙烯復合材料的樣品進行了無損檢測。該樣品用來阻擋5.56 mm的子彈穿透射擊，在該過程中造成復合材料脫層且產生相應的凸起及形成一個相應的空間。盡管CT技術可靠和真實的展現了材料內部的特征區域，但是其軸向分辨率屬于中等水平，由于人為的因素和形狀變化都會影響其測試的精度。

    于是研究小組采用透射和反射光模式，利用太赫茲波對材料進行掃描，根據樣品的太赫茲脈沖的傳遞和理論模型進行比較。透視模式可以大致確定材料脫層的區域以及破壞形成空腔的尺寸。反射光掃描通過飛行時間分析和對信號進行處理可以獲取樣品詳盡的三維成像圖。在該研究中太赫茲光譜檢測結果與X射線斷層掃描的結果相吻合。

    1 樣品和子彈

    實驗樣品選定為Dyneema的HB26 tape超高分子量聚乙烯纖維增強復合材料板，每層選定6μm合并4層最終組裝為270μm厚度的薄板，每層含有直徑為17μm的SK 76纖維，纖維與纖維直接通過聚氨酯進行粘接，然后將該材料進行熱壓形成250 mm邊長的方塊，厚度為16 mm，見圖1。

    圖1.樣品不同角度的視圖（a-c）及尺寸圖（d）

    樣品制備完成后，進行子彈射擊穿透實驗，參考NATO SS109標準，子彈的質量為4g，速度為948 m/s。

    2 X射線斷層掃描檢測

    檢測的參數設定為加速電壓為110kV，電流強度為140 μA，時間設定為500 ms。樣品放置于放射源距離為150 mm，樣品由一個夾具固定，測試示意圖見圖2，通過緩慢的調整角度來保證相對均一的X射線的輻射。

    圖2.CT檢測過程中樣品的擺放位置

    收集的數據通過Phoenix Datosx 2 Programme處理，且對圖1中的P-O-R和G-O-F方向的斷面進行了相應的B面和C面掃描，相應的測試結果見圖3，圖中黃色區域為超高分子量聚乙烯纖維，綠色部分為金屬碎片，材料的脫層現象以及穿透形成的空腔及其內部結構得到了直觀的呈現。

    圖3.P-O-R和G-O-F方向的斷面進行了相應的B面（a）和C面（b）掃描

    但是材料邊緣區域的尺寸發生了一定的變化，這是由于樣品與放射源之間的距離造成了分辨率的惡化。且測試中選定的能量對于測試過程也有顯著的影響，因為對于軟硬材料的穿透能力是不一樣的，因此，是否能獲取清晰的圖像還取決于測試者的經驗或者多次重復選定合適的參數。

    3 太赫茲光譜檢測

    選定的發射器為光電導天線，主脈沖為0.5皮秒，光譜的頻率范圍為0.1-3.5 THz。采取的測試模式為反射式THz-TDS成像檢測，對探測點的時域波形進行實踐窗口截取，根據樣品的不同特性選擇成像類型。因為太赫茲波在樣品表面采集信號成像，時間窗口的截取與樣品的厚度沒有關系，因此實驗值選定一個厚度進行測試即可，截取時需要保證截取的窗口含有的脈沖的個數為主脈沖的整數倍（圖4），根據不同的測試模式，采集相應的信號，通過信號處理獲得不同區域的深度，最終獲取三維成像（圖5）。

    圖4.不同點位的時域波形

    圖5.THz-TDS反射模式下成像，該圖像調整了飽和度來直觀體現復合材料的脫層現象

    4 綜合比較

    為了獲得精準的成像圖，太赫茲波檢測往往需要對不同的面進行掃描，所以太赫茲波相比CT的測量時間往往會更長。

    CT檢測中，樣品尺寸往往受到CT儀器本身的樣品放置區域的限制，而太赫茲波測試理論上來講是沒有尺寸限制的。

    由于太赫茲波測試原理多為反射模式成像，所以大多傾向于片層材料的測試，當材料具有獨特的形狀時往往會產生散射的線性，而復合材料本身由于基材與填充物的反射率存在差異，因此可以直觀的體現材料內部反射率差異較大的填充物。因此太赫茲波測試技術也可以作為新型方法，或者作為CT檢測的輔助方法來進行材料的無損檢測。

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責任編輯：王元

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