無(wú)損檢測(cè)技術(shù)之前主要應(yīng)用于金屬材料，檢測(cè)金屬表面存在的缺陷通常可以選用液體滲透檢測(cè)和渦流檢測(cè)；而金屬內(nèi)部深度區(qū)域主要可以通過(guò)X射線和超聲波來(lái)完成檢測(cè)。

    隨著科技的發(fā)展，新型復(fù)合材料的應(yīng)用日益廣泛，而適用于金屬的傳統(tǒng)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在面臨復(fù)合材料檢測(cè)時(shí)存在著一些不足：

    （1）非金屬材料對(duì)X射線的吸收能力很弱；

    （2）超聲波會(huì)很容易分散和被復(fù)合材料吸收；

    （3）非金屬材料無(wú)法通過(guò)電磁感應(yīng)產(chǎn)生渦流來(lái)完成檢測(cè)；

    （4）液體滲透技術(shù)主要用于檢測(cè)表面存在的裂紋和一些明顯的孔洞缺陷，并不適用于復(fù)合材料。

    熱無(wú)損檢測(cè)（Thermal nondestructive testing，TNDT）技術(shù)是通過(guò)獲取材料的熱力學(xué)數(shù)據(jù)和圖像來(lái)描述材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可用于檢測(cè)金屬以及非金屬材料內(nèi)部存在的缺陷，如裂紋、雜質(zhì)、分離、結(jié)構(gòu)分層，以及材料本身熱力學(xué)性能的變化，應(yīng)用范圍非常廣泛，尤其適用于復(fù)合材料的檢測(cè)。紅外熱成像技術(shù)就是一種典型的熱無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。

    但是每一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)都有其優(yōu)勢(shì)和不足，對(duì)于復(fù)合材料產(chǎn)品，紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)是“一枝獨(dú)秀”呢？還是各種無(wú)損檢測(cè)方法“團(tuán)結(jié)力量大”呢？來(lái)自法國(guó)的D.Balageas、加拿大的X.Maldgue和美國(guó)的D.Burleigh等研究人員就將紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)和其他無(wú)損檢測(cè)技術(shù)并用，通過(guò)不同的數(shù)據(jù)處理方法對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，從而用于復(fù)合材料的全面檢測(cè)。

    1.各種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)比較

    表1主要介紹了一些常見(jiàn)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)，這些檢測(cè)方法都存在以下共同的特點(diǎn)：

    （1）都存在一定的不足，沒(méi)有單一的方法滿足所有領(lǐng)域的檢測(cè)；

    （2）需要一定的理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能，單一的方法需要一定的培訓(xùn)基礎(chǔ)（超聲除外）；

    （3）大多數(shù)檢測(cè)手段都可以獲取圖像數(shù)據(jù)（超聲除外）。

    表1.不同種類無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)

    根據(jù)檢測(cè)環(huán)境和限定條件、需要考慮的缺陷種類、成本、檢測(cè)速度以及用戶需求，再加上不同檢測(cè)方法存在諸多的限制條件，包括檢測(cè)條件以及對(duì)被測(cè)樣品的要求，結(jié)合檢測(cè)人員自身豐富的經(jīng)驗(yàn)，才能最終為樣品選出合適的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。

    2.紅外熱成像技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

    當(dāng)材料的溫度發(fā)生變化時(shí)存在明顯的熱傳導(dǎo)過(guò)程，因此，理論上來(lái)說(shuō)紅外熱成像技術(shù)適用于各種材料。傳統(tǒng)的紅外熱成像圖如圖1所示。

    圖1. 太陽(yáng)能電池的表觀圖（左）及其紅外熱成像圖（右）

    但這里要指出的是，如果材料的熱導(dǎo)率很低，熱量很難深入到材料的內(nèi)部，這種情況下就需要限定紅外熱成像技術(shù)的檢測(cè)深度。

    高熱導(dǎo)率的金屬材料具有很高的熱傳導(dǎo)速率，因此整個(gè)檢測(cè)過(guò)程持續(xù)時(shí)間非常短，缺陷處產(chǎn)生的溫度信號(hào)會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)消失。具有光澤或者拋光的金屬具有較低的熱輻射率，因此可以迅速升溫，所產(chǎn)生的熱輻射能量也就較低。如果想應(yīng)用紅外熱成像技術(shù)檢測(cè)這類金屬材料時(shí)，可以在其表面噴涂一層具有高熱輻射率的涂層（如黑色涂層，black painting），然后再進(jìn)行檢測(cè)。有了這層黑色涂層以后，檢測(cè)區(qū)域的能量吸收變大，熱輻射率增高，就可以產(chǎn)生明顯的熱差異了。還需說(shuō)明的是：不論涂層的顏色如何，油性涂料（和大多數(shù)其他涂料）的紅外譜帶熱輻射率均約為0.9。

    相比金屬而言，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和碳基復(fù)合材料也非常適合利用紅外熱成像技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)。但在檢測(cè)中也存在一定的限制，如缺陷相比基材往往具有較低的熱導(dǎo)率，因此需要產(chǎn)生一個(gè)明顯的渦流熱傳遞過(guò)程。此外，缺陷往往需要達(dá)到一定的尺寸且當(dāng)其垂直于熱流方向時(shí)更容易被測(cè)出。實(shí)際上，紅外熱成像技術(shù)最適合檢測(cè)的樣品就是大尺寸的薄樣品，即使是脫膠現(xiàn)象也能被有效地檢測(cè)到。

    紅外熱成像技術(shù)的顯著特點(diǎn)就是不用接觸到樣品本身，完全不會(huì)破壞樣品，測(cè)試速度非常快，檢測(cè)區(qū)域往往是平方米級(jí)別的，而且是非常安全的，因此它廣泛適用于制造工廠、實(shí)驗(yàn)室、機(jī)場(chǎng)以及大型建筑等各種檢測(cè)場(chǎng)合。

    紅外熱成像檢測(cè)和樣品表面的光學(xué)性能相關(guān)，樣品表面的光學(xué)性能直接影響到材料的能量吸收。這一不足也可以通過(guò)引入其他手段，如機(jī)械刺激、微波等手段加熱樣品來(lái)解決。

    3.多種方法聯(lián)用

    （1）紅外熱成像+地質(zhì)雷達(dá)

    地質(zhì)雷達(dá)（Ground Penetrating Radar，GFR）可以通過(guò)發(fā)射中心頻率為12.5~1200MHz的電磁波信號(hào)到檢測(cè)物上，根據(jù)接收到的反射信號(hào)的時(shí)間間隔來(lái)計(jì)算出與檢測(cè)物之間的距離。

    Swiderski, W.等利用地質(zhì)雷達(dá)和紅外熱成像技術(shù)模擬雜亂環(huán)境中地下地雷的位置，通過(guò)兩種技術(shù)的結(jié)合，精準(zhǔn)完成了對(duì)地雷的檢測(cè)。

    在模擬實(shí)驗(yàn)中，研究人員在模擬區(qū)域上方放置一個(gè)金屬罐來(lái)模擬雜亂環(huán)境下對(duì)地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)的干擾源。圖2（a）為普通視圖下檢測(cè)區(qū)域的直觀呈現(xiàn)。圖2（b）為地質(zhì)雷達(dá)的檢測(cè)結(jié)果，可以看出地雷上部存在的雜亂環(huán)境顯然已經(jīng)影響到地雷具體方位的檢測(cè)了。圖2（c）為紅外熱成像結(jié)果，可以看出由于金屬罐本身對(duì)紅外輻射的反射作用造成其很難被觀測(cè)到，而地雷卻被精準(zhǔn)的檢測(cè)到了。圖2（d）則是將地質(zhì)雷達(dá)圖像和熱紅外圖像的數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加的結(jié)果，最終雜亂的環(huán)境狀況和地雷的位置都被清晰地體現(xiàn)出來(lái)了。

    圖2.地雷位置模擬檢測(cè)的直觀視圖（a）、地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)圖（b）、紅外熱成像檢測(cè)圖（c）和疊加圖像（d）；

    （2）紅外熱成像+X射線+超聲

    當(dāng)玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料中的缺陷深度不超過(guò)幾毫米且內(nèi)部缺陷在微米級(jí)別的時(shí)候，可以利用紅外熱成像技術(shù)來(lái)完成檢測(cè)。X射線斷層掃描技術(shù)可以檢測(cè)截面區(qū)域存在的細(xì)小缺陷（X射線的能量為120 KeV，最小的檢測(cè)深度為100微米）。但是該技術(shù)檢測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)，也僅適用于小尺寸樣品。而紅外熱成像技術(shù)可以掃描檢測(cè)的范圍達(dá)到平方米級(jí)別。這兩種技術(shù)碰撞在一起會(huì)產(chǎn)生什么樣的火花呢？

    對(duì)于航天飛機(jī)蜂窩結(jié)構(gòu)平板上的水分含量檢測(cè)，通常會(huì)采用標(biāo)準(zhǔn)的X射線掃描成像技術(shù)來(lái)完成，這是一種非常有效的檢測(cè)方法，也是目前最為廣泛采用的方法之一。然而針對(duì)蜂窩結(jié)構(gòu)的平板往往需要對(duì)材料的兩側(cè)進(jìn)行檢測(cè)，而X射線斷層掃描技術(shù)所需檢測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)，且往往是對(duì)單一面進(jìn)行檢測(cè)，無(wú)法滿足同時(shí)對(duì)兩側(cè)進(jìn)行檢測(cè)的要求。另外，X射線檢測(cè)技術(shù)有一個(gè)十分明顯的不足，就是檢測(cè)過(guò)程需要進(jìn)行防護(hù)，避免對(duì)檢測(cè)人員帶來(lái)傷害。

    然而，紅外熱成像技術(shù)是一種面掃描模式，其形成的圖像結(jié)果與X射線斷層掃描形成的圖像相結(jié)合，能有效地反映出單一蜂窩結(jié)構(gòu)的水分含量，如圖3所示。

    圖3.利用X射線斷層掃描（左）和紅外熱成像（右）檢測(cè)蜂窩結(jié)構(gòu)的水分含量；

    最后，精準(zhǔn)測(cè)定水分含量往往要通過(guò)超聲檢測(cè)來(lái)完成，超聲檢測(cè)技術(shù)可以有效地檢測(cè)水分存在的深度，但檢測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)，如圖4所示。

    圖4.利用超聲檢測(cè)（左）和紅外熱成像（右）檢測(cè)副翼蜂窩結(jié)構(gòu)的水分含量；

    （3）紅外熱成像+聲發(fā)射

    當(dāng)復(fù)合材料承受機(jī)械載荷時(shí)，如出現(xiàn)細(xì)微損傷會(huì)產(chǎn)生聲信號(hào)，聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)可以有效檢測(cè)整個(gè)工作過(guò)程的聲信號(hào)變化情況。利用檢測(cè)信號(hào)可以計(jì)算損傷的深度，并得到機(jī)械載荷和工件形變位移之間的關(guān)系。這時(shí)候如果再加上紅外熱成像檢測(cè)，那就更是如虎添翼了！

    當(dāng)紅外熱成像和聲發(fā)射結(jié)果都能同時(shí)檢測(cè)到損傷，即熱信號(hào)和聲發(fā)射信號(hào)同時(shí)產(chǎn)生，這表明損傷發(fā)生在表層的部分；而當(dāng)只有紅外熱成像檢測(cè)到損傷，即熱信號(hào)落后于聲發(fā)射信號(hào)，這表明損傷發(fā)生在材料的內(nèi)部。如圖5、圖6所示。

    圖5.聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)與紅外熱成像技術(shù)并用檢測(cè)復(fù)合懸架臂承受機(jī)械負(fù)荷期間發(fā)生損傷的檢測(cè)結(jié)果

    圖6.聲發(fā)射檢測(cè)結(jié)果與紅外熱成像數(shù)據(jù)結(jié)合得出的歸一化數(shù)據(jù)分析結(jié)果：損傷發(fā)生在表層（左）和內(nèi)部（右）

    4.紅外熱成像vs超聲

    超聲檢測(cè)技術(shù)屬于五大常規(guī)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)內(nèi)的一大類，通常也作為一個(gè)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)來(lái)和其他無(wú)損檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行對(duì)比。因此這里也將紅外熱成像技術(shù)與超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比。選用140 Kevlar厚度為5mm的片材，利用壓頭施加載荷來(lái)模擬不同能級(jí)的沖擊損傷，然后利用這兩種檢測(cè)方式對(duì)材料進(jìn)行檢測(cè)，如圖7所示。

    圖7.紅外熱成像（上圖右）和超聲檢測(cè)（下圖中）的測(cè)試結(jié)果

    （1）測(cè)試時(shí)間

    超聲檢測(cè)需要1個(gè)小時(shí)才能完成，而紅外熱成像技術(shù)在短短的5秒內(nèi)就可以完成。

    （2）測(cè)試結(jié)果的檢測(cè)置信分析

    利用HIT-MISS方法對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得出紅外熱成像技術(shù)的a90為7.81mm，而超聲檢測(cè)技術(shù)的a90為12.75mm，a90表示測(cè)定損傷的尺寸大小有90%以上的可能性為相應(yīng)的檢測(cè)數(shù)據(jù)。這一置信分析的結(jié)果雖然只能對(duì)應(yīng)此次測(cè)試條件下獲取的數(shù)據(jù)結(jié)果分析，但也確實(shí)可以看出紅外熱成像技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)快速檢測(cè)，在無(wú)損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用上具有很大的潛力。

更多關(guān)于材料方面、材料腐蝕控制、材料科普等等方面的國(guó)內(nèi)外最新動(dòng)態(tài)，我們網(wǎng)站會(huì)不斷更新。希望大家一直關(guān)注中國(guó)腐蝕與防護(hù)網(wǎng)http://www.ecorr.org 

責(zé)任編輯：王元

《中國(guó)腐蝕與防護(hù)網(wǎng)電子期刊》征訂啟事
投稿聯(lián)系：編輯部
電話：010-62313558-806
郵箱：ecorr_org@163.com