红外热波无损检测

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，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，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

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。

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：

4T W εσ=

式中：ε-- 灰体发射系数，σ-- 斯蒂芬-玻尔兹曼常数（5.66x10-8 Wm -2 K – 4）

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。

图2 复合结构件缺陷一维热传导模型

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：

缺陷

胶层

T k t

T c 2∇=∂∂=ρ 式中：ρ— 密度，c — 比热，k — 热传导系数，

∇— laplace 算子，T — 温度，t — 时间

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GE 、GM 、 波音、福特、洛克西德、西屋、NASA 及海军等已广泛应用,美国、俄罗斯、法国、加拿大等国己把红外热波检测技术广泛应用于飞机复合材料构件内部缺陷及胶接质量检测、蒙皮铆接质量检测。美国空间动力系统 GDSS 从 1992 年起就用该技术对 Atlas 空间发射舱复合材料的脱粘缺陷和A3火箭进行检测，目前红外无损检测已经正式应用于生产检测。美国的无损检测协会负责编写、2001年出版的无损检测手册中，红外热像无损检测分册里有大量的篇幅论述红外热波无损检测技术在航空航天领域的应用。美国韦恩州立大学的工业制造研究所在该技术领域的研究上一直得到美国政府机构和许多大公司科研基金的支持，处在该领域研究的最前沿，取得了很多实际的研究成果。在FAA 1998， 1999和2000年飞机机身无损探伤技术竞标中，此技术击败包括X 射线、超声波、暗电流检测等多项技术而唯一胜出。并逐渐被NASA 、美国空军和海军、波音、洛克希德.各大汽车公司及各大航空公司等许多知名大公司所采用。自20世纪90年代中期以来.这些政府机构和大公司纷纷设立了红外热波无损检测实验室，用于研究解决各自独特的无损检测问题。

目前国内红外热波无损检测技术尚处于试验研究阶段，国内科研单位在金属、金属与非金属复合结构中缺陷的红外无损检测与评价方面也进行了卓有成效的研究工作，如西安交大、北方交大、东南、天大、清华、621所、205所等，应用领域涉及电力、机车、医学、集成电路等热

故障缺陷的检测和航空航天领域铝蜂窝结构、多层材料复合结构的分层、脱粘、裂缝等缺陷检测。如火箭发动机的机体、火箭壳体、航空发动机喷管、涡轮叶片以及飞机蜂窝状结构等部件。2003年该项技术的应用研究列入国家863计划，同时得到211工程支持，北京首都师范大学、北京航空航天大学、北京航空材料研究院等单位进行了一些典型试件的应用试验，并获得了一些初步的实验结果。但由于是试验研究项目，专用检测设备的开发应用尚处于实验室阶段，目前国内还无红外热相仪的专业生产厂家，主要依靠引进红外热相仪进行相关技术研究工作。

4应用实例

4.1 红外热波无损检测系统

FLIR ThermaCAM P30便携式非制本次红外热波检测试验使用的红外检测仪器为美国TM

冷型红外热像仪，采用热加载方式为：（1）远红外均匀加热，冷却过程中检测；（2）大风口、小温度梯度热气流局部瞬态加热，在加热、冷却过程中检测；（3）小风口、大温度梯度局部瞬态加热，在加热、冷却过程中检测。在以上加热方式中均采用同侧加热、反射红外热波检测和异侧加热、透射红外热波检测，从而对加热方式和检测效果进行评价。

4.2 检测试件（3mm高硅氧板+3mm碳纤维板），如图3所示。

图 3 检测试件实物照片

4.3 检测结果

通过对检测试件进行不同加载方式、不同加载温度梯度和不同加热源加热等大量实验研究，并对实验结果进行总结分析，得到如图4的检测结果。