你知道防彈頭盔、防彈背心和防彈車靠什么材料來(lái)阻擋子彈嗎？答案就是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，進(jìn)一步細(xì)說(shuō)就是由超強(qiáng)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(fù)合材料，這么多種纖維“復(fù)合”在一起，使其具有了輕質(zhì)、耐用且耐候性好等特點(diǎn)。

    雖然這種復(fù)合材料這么強(qiáng)大，但在子彈高速襲擊的作用下還是免不了產(chǎn)生缺陷，如脫層等，對(duì)脫層的區(qū)域和尺寸進(jìn)行相應(yīng)的研究有利于了解整個(gè)防護(hù)過(guò)程，以及對(duì)于開發(fā)更高級(jí)別的防護(hù)材料具有指導(dǎo)意義。要在不破壞材料的前提下進(jìn)行研究，無(wú)損檢測(cè)就可以大顯身手了。

    對(duì)于復(fù)合材料常用的無(wú)損檢測(cè)方法有以下幾種：X射線斷層掃描技術(shù)（X-ray CT）、微波法、超聲法、聲學(xué)以及熱成像技術(shù)，另外還有其他一些新技術(shù)對(duì)于新型材料的檢測(cè)也正在研究中。至今為止，用來(lái)檢測(cè)超高分子量聚乙烯纖維復(fù)合材料穿刺區(qū)域的測(cè)試方法主要是X射線斷層掃描技術(shù)，也就是我們通常所說(shuō)的X射線CT技術(shù)。這種方法可以清晰地反映材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。但是該方法采用高能粒子激發(fā)X射線，所以設(shè)備價(jià)格十分昂貴，只有少數(shù)研究機(jī)構(gòu)才配備有該設(shè)備用于材料的檢測(cè)。

    太赫茲（THZ）光譜技術(shù)是當(dāng)前十分熱門的研究領(lǐng)域，在無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域也開始發(fā)揮重要的作用，該技術(shù)目前也被用于復(fù)合材料的檢測(cè)，它是一種全面有效檢測(cè)復(fù)合材料的缺陷及性能的無(wú)損檢測(cè)方法。

    太赫茲輻射是對(duì)一個(gè)特定波段的電磁輻射的統(tǒng)稱，是一種快速發(fā)展的新型光譜技術(shù)。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(gè)頻率為1THz的光子的能量約為4.1MeV，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于X射線的能量，不會(huì)引起生物體的有害電離反應(yīng)，對(duì)人體損害小，安全性良好。

    太赫茲波的透視性高、能級(jí)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(yōu)勢(shì)，應(yīng)用前景廣闊。太赫茲波的典型波長(zhǎng)（300μm）遠(yuǎn)大于塵埃等微小結(jié)構(gòu)的尺寸，因此在大多數(shù)物體中的散射遠(yuǎn)小于可見光和近中紅外光，同時(shí)太赫茲波的光子能力低于多數(shù)化學(xué)鍵的鍵能，所以對(duì)大多數(shù)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(yīng)用前景。

    另外太赫茲波的頻率比一般無(wú)損檢測(cè)波的頻率要高，因此其在空間的分辨率會(huì)高于一般的檢測(cè)技術(shù)，具有代替射線和微波檢測(cè)應(yīng)用于非金屬材料缺陷檢測(cè)的潛力。

    來(lái)自波蘭的Norbert Palka小組通過(guò)X射線CT技術(shù)和太赫茲?rùn)z測(cè)技術(shù)，對(duì)超高分子量聚乙烯復(fù)合材料的樣品進(jìn)行了無(wú)損檢測(cè)。該樣品用來(lái)阻擋5.56 mm的子彈穿透射擊，在該過(guò)程中造成復(fù)合材料脫層且產(chǎn)生相應(yīng)的凸起及形成一個(gè)相應(yīng)的空間。盡管CT技術(shù)可靠和真實(shí)的展現(xiàn)了材料內(nèi)部的特征區(qū)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(huì)影響其測(cè)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(duì)材料進(jìn)行掃描，根據(jù)樣品的太赫茲脈沖的傳遞和理論模型進(jìn)行比較。透視模式可以大致確定材料脫層的區(qū)域以及破壞形成空腔的尺寸。反射光掃描通過(guò)飛行時(shí)間分析和對(duì)信號(hào)進(jìn)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(cè)結(jié)果與X射線斷層掃描的結(jié)果相吻合。

    1 樣品和子彈

    實(shí)驗(yàn)樣品選定為Dyneema的HB26 tape超高分子量聚乙烯纖維增強(qiáng)復(fù)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(guò)聚氨酯進(jìn)行粘接，然后將該材料進(jìn)行熱壓形成250 mm邊長(zhǎng)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(jìn)行子彈射擊穿透實(shí)驗(yàn)，參考NATO SS109標(biāo)準(zhǔn)，子彈的質(zhì)量為4g，速度為948 m/s。

    2 X射線斷層掃描檢測(cè)

    檢測(cè)的參數(shù)設(shè)定為加速電壓為110kV，電流強(qiáng)度為140 μA，時(shí)間設(shè)定為500 ms。樣品放置于放射源距離為150 mm，樣品由一個(gè)夾具固定，測(cè)試示意圖見圖2，通過(guò)緩慢的調(diào)整角度來(lái)保證相對(duì)均一的X射線的輻射。

    圖2.CT檢測(cè)過(guò)程中樣品的擺放位置

    收集的數(shù)據(jù)通過(guò)Phoenix Datosx 2 Programme處理，且對(duì)圖1中的P-O-R和G-O-F方向的斷面進(jìn)行了相應(yīng)的B面和C面掃描，相應(yīng)的測(cè)試結(jié)果見圖3，圖中黃色區(qū)域?yàn)槌叻肿恿烤垡蚁├w維，綠色部分為金屬碎片，材料的脫層現(xiàn)象以及穿透形成的空腔及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)得到了直觀的呈現(xiàn)。

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

    但是材料邊緣區(qū)域的尺寸發(fā)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(cè)試中選定的能量對(duì)于測(cè)試過(guò)程也有顯著的影響，因?yàn)閷?duì)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(cè)試者的經(jīng)驗(yàn)或者多次重復(fù)選定合適的參數(shù)。

    3 太赫茲光譜檢測(cè)

    選定的發(fā)射器為光電導(dǎo)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(cè)試模式為反射式THz-TDS成像檢測(cè)，對(duì)探測(cè)點(diǎn)的時(shí)域波形進(jìn)行實(shí)踐窗口截取，根據(jù)樣品的不同特性選擇成像類型。因?yàn)樘掌澆ㄔ跇悠繁砻娌杉盘?hào)成像，時(shí)間窗口的截取與樣品的厚度沒有關(guān)系，因此實(shí)驗(yàn)值選定一個(gè)厚度進(jìn)行測(cè)試即可，截取時(shí)需要保證截取的窗口含有的脈沖的個(gè)數(shù)為主脈沖的整數(shù)倍（圖4），根據(jù)不同的測(cè)試模式，采集相應(yīng)的信號(hào)，通過(guò)信號(hào)處理獲得不同區(qū)域的深度，最終獲取三維成像（圖5）。

    圖4.不同點(diǎn)位的時(shí)域波形

    圖5.THz-TDS反射模式下成像，該圖像調(diào)整了飽和度來(lái)直觀體現(xiàn)復(fù)合材料的脫層現(xiàn)象

    4 綜合比較

    為了獲得精準(zhǔn)的成像圖，太赫茲波檢測(cè)往往需要對(duì)不同的面進(jìn)行掃描，所以太赫茲波相比CT的測(cè)量時(shí)間往往會(huì)更長(zhǎng)。

    CT檢測(cè)中，樣品尺寸往往受到CT儀器本身的樣品放置區(qū)域的限制，而太赫茲波測(cè)試?yán)碚撋蟻?lái)講是沒有尺寸限制的。

    由于太赫茲波測(cè)試原理多為反射模式成像，所以大多傾向于片層材料的測(cè)試，當(dāng)材料具有獨(dú)特的形狀時(shí)往往會(huì)產(chǎn)生散射的線性，而復(fù)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(xiàn)材料內(nèi)部反射率差異較大的填充物。因此太赫茲波測(cè)試技術(shù)也可以作為新型方法，或者作為CT檢測(cè)的輔助方法來(lái)進(jìn)行材料的無(wú)損檢測(cè)。

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責(zé)任編輯：王元

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