红外热波无损检测技术在复合材料检测方面的应用

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1、中国工业检验检测网www.industryinspection.comQQ:596705349服务邮箱:596705349@qq.com!红外热波无损检测技术在复合材料检测方面的应用邓淑萍郑海平姜照汉西安非金属材料材料研究所杨玉孝西安交通大学摘要：本文阐述了红外热波无损检测技术的基本原理和特点，介绍了国内外相关技术研究的发展现状，以及在非金属复合材料上检测应用的实例。关键词：红外热波；复合材料1引言由于复合材料具有高强度、高弹性模量、低热膨胀系数和高导热性等优良性能，现已在航天航空领域获得了广泛的应用，但是，由于复合材料制造过程复杂，在制作成型过程中受设备、环境、人员及原材料等因

2、素的影响，在产品内部易产生空穴、裂纹、分层、多孔等缺陷，对产品的质量和安全性能影响极大，因此，对产品的检测尤为重要。用于复合材料无损检测的方法主要有射线、超声、磁粉、渗透、涡流、激光全息及红外无损检测技术等，超声、射线检测技术应用最多，但受检测原理影响，射线检测成本高、周期长，中国工业检验检测网不适于现场在线检测，对小分层、脱粘紧贴型缺陷无法检测；超声检测需要逐点扫描、检测效率www.industryinspection.com低，对小、薄及结构复杂的工件检测困难，对复合构件中的脱粘紧贴型缺陷也无法检测；磁粉法只限于铁磁性材料，定量检测缺陷深度较为困难；渗透法检测程序复杂，只能检

3、测表面开口缺陷，不能检测表面多孔性材料；涡流法对工件边缘效应敏感，易给出虚假显示；激光全息检测需暗室防震操作，检测效率低；红外无损检测技术作为复合材料结构件的一种无损检测新方法，具有快速、直观、准确、非接触的特点，对于提高复合材料构件的研制与防护质量，减少或避免重大事故的发生，具有重要的科学意义和应用价值。2红外热波无损检测原理及特点红外热波无损检测技术是近年来复合材料无损检测领域发展迅速的一种新方法，与常规的超声、射线等检测技术相比，该项检测技术具有非接触、全场、大面积、快速、直观、易实现检测自动化等优点，采用专用软件对获得的红外图像信息处理后，可直接识别缺陷位置坐标，除此之外

4、，检测时对周围环境没有特殊要求，设备轻便、可移动，特别适合现场应用和在线、在役检测，国外已经用于金属和非金属材料及其复合结构件的无损检测。红外热成像技术理论及应用的研究重点是研究热源，产品被加热后，材料内部的缺陷改变复合材料局部的热性能，导致材料表面温度场的变化，通过材料表面的温度图谱即可判定缺陷，采1中国工业检验检测网www.industryinspection.comQQ:596705349服务邮箱:596705349@qq.com!用专用软件进行实时图像信号处理，显示出检测结果，从而达到检测目的。如图1所示。中国工业检验检测网www.industryinspection.c

5、om图1红外热波无损检测原理图红外热成像技术就是把物体辐射或反射的红外波段图像转换成可见光波段人眼可观察图象的技术。根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律，红外辐射的强度（单位面积向半球方向发射的全波长辐射功率）可表示为：4W=εσT-8-2–4式中：ε--灰体发射系数，σ--斯蒂芬-玻尔兹曼常数（5.66x10WmK）T--绝对温度在复合材料制造过程中，因制造工艺不合理使固体复合材料中产生缺陷时，缺陷尺寸相对于物体整个表面而言所占比例很小，所以，均匀加热缺陷部位时，为了使问题简化，缺陷附近区域的热传导可以用固体一维热传导（沿板厚方向）模型代替，如图2所示。缺陷胶层图2复合结构件缺陷一维热传导

6、模型根据固体热传导方程，简化后缺陷部位的一维热传导方程为：2中国工业检验检测网www.industryinspection.comQQ:596705349服务邮箱:596705349@qq.com!∂T2ρc==k∇T∂t式中：ρ—密度，c—比热，k—热传导系数，中国工业检验检测网∇—laplace算子，T—温度，t—时间www.industryinspection.com如果复合结构件内存在缺陷，采用适当的热加载方式加热构件表面时，热波在构件内部传播，并在其内部扩散，由于试件内部存在着裂纹、气孔、分层等缺陷，这将引起试件的热传导、热容量等性能的改变，经过一定的时间，由于热流被缺

7、陷阻挡，就会在缺陷附近发生热量堆积，而这些热量的堆积必定会以不同的温度分部反映出来，使得有缺陷区域的表面温度不同于没有缺陷区域对应的表面的温度，当用红外探测器扫描或观察试件表面时，红外热像仪就可以测定工件表面的温度分布状况，在试件加热或冷却过程中探测出物体表面温度变化的差异，进而判明缺陷的存在及其大小。3国内外发展概况目前国外红外热波无损检测技术的应用研究以美国较为领先，其次是瑞典、加拿大、英国和日本，主要应用于航空航天领域金属、陶瓷、橡胶等和发动机金属喷管胶接质量的检验。美国G