主动红外热波技术在复合材料检测中的应用研究

于海滨，柳迎春

（海军航空工程学院青岛校区，山东 青岛 266041）

主动红外热波技术在复合材料检测中的应用研究

于海滨，柳迎春

（海军航空工程学院青岛校区，山东 青岛 266041）

复合材料由于其制造工艺和材料特性的独特性，不可避免的会存在缺陷。适合金属材料的常规检测技术对复合材料缺陷（损伤）的检测精度、准确度、敏感度都存在不同程度的差距，甚至有的不适合用来检测复合材料。对无损检测技术进行梳理，侧重研究了主动红外热波关键技术，并对复合材料试件进行了温度场分析。

复合材料；红外热波；无损检测

复合材料具有高的比强度、比刚度及良好的抗疲劳性、耐腐蚀性，为此获得了广泛应用。复合材料一般是由纤维、基体和填料组成，是一种多种物质混合物形成的复杂的多相体系。常见的复合材料的缺陷可能包括一种，也可能是几种。孔隙、裂纹、夹杂等常见缺陷都需要在生产中尽量避免。复合材料的缺陷对材料的性能影响非常大。因此，对复合材料在使用过程中的有效检测，显得极为重要。

红外热波检测技术基于被检材料的热辐射特性，从理论来说，只要材料的温度在绝对零度，就可以采用红外热波检测技术。这些材料包括金属材料，也包括非金属材料。主动红外热波技术基于主动加热技术，只要能够使被检测对象中的缺陷或损伤与基体材料的温度差值达到了仪器的捕捉范围，该缺陷或损伤就可以被检测。

1 复合材料的检测技术

1.1 无损检测技术对比

无损检测技术作为一种实用性很强的技术，发展经过了三个阶段：第一，无损探伤(NDI)阶段；第二，无损检测(NDT)阶段；第三，无损评价(NDE)阶段。据美国国家宇航局调研分析结果，无损检测可分六大类约70多种。在国内实际应用中比较常见和成熟的常规检测方法有5种，它包括超声检测、射线检测、磁粉检测、渗透检验、涡流检测；此外，还有非常规无损检测技术有声发射、泄漏检测、光全息照相、红外热成像、微波检测。通过五种常规无损检测方法和红外热波无损检测技术特点进行分析对比可以发现：红外热波无损检测可以测量损伤深度；快速，一般只需数秒钟；观测面积大，可覆盖面积达到平方米量级；显示直观易懂深度；非接触等，因此在复合材料外场在线、在役检测方面具有明显优势。

1.2 复合材料检测技术及现状

在复合材料结构的生产过程环节多。工艺比较复杂，为确保产品的最终质量达到设计要求，在生产的各个环节中，都会采用相应的无损检测手段来检验产品质量。这些方法包括目视法、敲击法、声阻法、声谐振法、超声检测技术、射线检测技术等。

目视检查法是使用最广泛、最直接的无损检测方法。主要借助放大镜和内窥镜观测结构表面和内部可达区域的表面，观察明显的结构变形、变色、断裂、螺钉松动等结构异常。它可以检查表面划伤、裂纹、起泡、起皱、凹痕等缺陷。

敲击检测是胶接结构的最快捷和有效的检测方法之一，检测速度快，准确性高，因此被广泛地应用于外场检测，目前蜂窝夹芯结构、板板胶接结构主要采用敲击法检测。“啄木鸟”敲击检测仪就是采用敲击检测方法的典型设备。

超声检测技术，特别是超声C扫描技术，由于显示直观、检测速度快，已成为大型复合材料构件普遍采用的检测技术，例如复合材料飞行器零件的检测。由于大型超声C扫描系统需要喷水耦合，目前只能在大的检测实验室进行，复合材料的外场超声检测多数采用传统的人工超声波A扫描。人工超声波A扫描检测可以逐点覆盖检测结构件的所有检测面，设备简单，实施方便，适合外场。但其检测效率比较低，且检测可靠性不高，检测者的技术水平对检测结果可信度具有较大影响。

2 主动红外热波技术

新的检测技术的产生使得复合材料的外场无损检测成为可能。目前，适合外场检测的技术和方法主要有便携式超声C扫描系统、X射线非胶片成像技术、红外热成像技术等。主动红外热波检测技术利用红外热成像仪的成像技术，以热图的方式非接触地测定被检工件表面的温度分布及等温线轮廓，通过图像识别获得工件的检测信息。由于其非接触、成像快、检测效率高、可原位检测等优点，主动红外热波检测技术收到广泛关注。

2.1 主动红外热波检测理论

红外热成像技术是把物体反射或自身辐射的红外辐射图样转换成可观测图象的技术。从理论上来说，任何物体，只要它的温度高于绝对零度，就会向外发出红外热波，其辐射强度W（W/m2）可由斯蒂芬—玻尔兹曼定律表示。

式中：e——灰体发射系数（发射率）；

T——绝对温度(K)。

图1 主动式热波检测技术理论模型

建立如图1所示的热播检测模型。依据斯蒂芬—玻尔兹曼定律可知，如果给工件施加均匀的热流，当工件材料的热性质均匀时，则工件的表面温度场处处一致，红外辐射强度相同。如果工件中存在与基体材料热性质(尤其是热导率)不同的缺陷，将导致缺陷处相应表面的温度异常，从而导致红外辐射强度异常。只要工件表面具有一定温度，就产生热辐射，利用热像仪便可测出该表面温度，温度不同在红外热像上表现为颜色不同，因此通过分析工件表面的红外热像图就可以推知材料内部有无缺陷情况，从而对工件进行缺陷检测和质量评估。

2.2 主动红外热波关键技术分析及应用

由于热成像技术的逐渐成熟和推广，主动红外热波技术在复合材料的检测方面的应用得到快速发展。下面主要分析除热成像技术外的关键技术。

（1）红外图像信息处理技术。热成像获得大量的图像信息，要对图像进行处理分析，从而获得有效的检测结果，需要好的算法实现图像有效处理。

热传导是一个扩散过程，有些时候裂纹损伤信号与环境噪声信号（如热像仪的红外摄像头噪声）之间的区别可能会微乎其微，因此它们的分离工作将会变得相当困难。

经研究发现，一般材料表面每个像元受热激发后温度变化遵循方程：

式中，ΔT——温度变化；

Q——输入能量；

e——导热系数；

t——时间。

对公式（1）两边取对数可得：

作出ln(T)-ln(t)坐标图，可得图2。

图2 ln(T)-ln(t)曲线图

正常构件的方程是一条斜率为-1/2的直线。如果构件存在裂纹缺陷，构件温度梯度变化会出现异常，在缺陷的地方方程的斜率会发生改变。但是斜率发生变化，并不意味着一定存在缺陷。因为诸如红外热像仪的噪声信号等也会对这条曲线产生影响。

继续对方程（2）两边分别取一阶和二阶微分，获得处理后的图像信息，见图3中（b）、（c）的情况。

图3 ln(T)-ln(t)及其一阶和二阶微分图像

预先设置的缺陷在原函数下的相应十分微弱，如图3（a）中白框部分所示。取一阶微分获得新的图像信息，缺陷响应开始显现，但不够明显。继续取二阶微分，此时缺陷响应会到达峰值，缺陷显现。这系列变化是缺陷处红外辐射特有的变化规律。据此，通过对图像信息元方程取微分的方法可以使缺陷显现出来。由此可知，采用合理的算法，可以有效完成对每个像元的处理并获得有效检测信息。

（2）热激励方法。根据热激励方式的不同，复合材料加热方法有脉冲加热法、调制加热法和超声波激励加热法。不同的热激励方法直接决定主动红外检测的技术途径。

复合材料因其组元材料性质各异、组元组合方法各异等，导致其对热激励响应复杂多样。经试验验证，在主动红外检测中，要很好的提取被检测试件的缺陷，除了检测方法、处理算法正确外，热激励源对检测结果的影响很大。无论采用何种热激励方法，其中可以肯定的就是热分布均匀、热激励能量足够的热激励源一定有利于主动红外无损检测。

3 结语

（1）主动红外热波检测技术，在复合材料检测应用中具有先天的优势，检测效率极高、适合外场工作等。

（2）材料的导热特性直接影响红外热波的检测结果。复合材料是一种多元材料，材料各项异性表现突出，材料的多元和缺陷信号容易混淆，热源的非均匀性等其它偶然噪声也会影响检测结果。提高缺陷类型识别的准确性，需要进一步优化数据和图像处理来提高检测准确度。

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O434.3

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1671-0711（2017）05（上）-0094-03