電磁傳播特性在復(fù)合材料中的應(yīng)用分析(08-100)

　　微波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是隨著微波測(cè)量技術(shù)的發(fā)展和對(duì)非金屬?gòu)?fù)合材料的檢測(cè)要求而產(chǎn)生的。自20世紀(jì)60年代以來(lái),隨著非金屬?gòu)?fù)合材料在工程中的廣泛應(yīng)用,利用傳統(tǒng)的超聲波、紅外線、激光和X射線技術(shù)檢測(cè)非金屬?gòu)?fù)合材料中的裂紋、裂縫、氣孔和粘扣等缺陷時(shí)遇到困難。美國(guó)軍方于20世紀(jì)60年代首先將微波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)用于檢測(cè)大型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)固體推進(jìn)劑深處的氣孔缺陷、發(fā)動(dòng)機(jī)燒蝕噴管內(nèi)襯的脫粘和航天飛機(jī)的絕熱陶瓷的質(zhì)量。

　　以后逐步應(yīng)用于檢測(cè)一些非金屬?gòu)?fù)合材料薄片和薄膜的厚度,檢測(cè)塑料、陶瓷、樹(shù)脂、玻璃和橡膠等材料中的缺陷和材料的質(zhì)量。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,頻率為35GHz的微波照射到被測(cè)樣品上,應(yīng)用反射波法測(cè)量塑料薄片的厚度,其精度可達(dá)0.125mm。復(fù)合材料中的缺陷主要分為裂紋、裂縫和氣泡幾大類。裂紋和裂縫有長(zhǎng)短之分,對(duì)長(zhǎng)裂紋裂縫主要用反射波法和透射波法進(jìn)行測(cè)量,對(duì)短裂紋裂縫、氣泡和其它異物主要用散射波法進(jìn)行測(cè)量。復(fù)合材料在工藝過(guò)程中,由于增強(qiáng)纖維的表面狀態(tài)、樹(shù)脂粘度、低分子物含量、線性高聚物向體型高聚物轉(zhuǎn)化的化學(xué)反應(yīng)速度、樹(shù)脂與纖維的浸漬性、組分材料熱膨脹系數(shù)的差異以及工藝參數(shù)控制的影

　　響等,在復(fù)合材料制品中難免會(huì)出現(xiàn)氣孔、疏松、樹(shù)脂開(kāi)裂、分層和脫粘等缺陷。這些缺陷在復(fù)合材料制品中的位置、尺寸以及在溫度和外載荷作用下對(duì)產(chǎn)品性能的影響,可用微波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行評(píng)定。

　　超聲波在復(fù)合材料中衰減很大,這是因?yàn)椋?/p>

　　·超聲波是彈性波,與光波的電磁波性質(zhì)不同。

　　·對(duì)衰減系數(shù)小或厚度較薄的復(fù)合材料,超聲波也能進(jìn)行檢測(cè)(包括不透明的復(fù)合材料)。

　　X射線檢測(cè)平面缺陷時(shí),由于射線的強(qiáng)度變化很小,導(dǎo)致底片對(duì)比度低,這在檢測(cè)分層媒質(zhì)的脫粘,層與層的錯(cuò)動(dòng)時(shí)受到限制。而微波對(duì)非金屬?gòu)?fù)合材料具有較好的穿透性,適合于檢測(cè)復(fù)合材料。另一方面,微波網(wǎng)絡(luò)分析儀的可測(cè)頻率越來(lái)越高,不僅可測(cè)量反射波和散射波的振幅,而且可測(cè)量波的相位變化[4]。這使微波測(cè)量在非金屬?gòu)?fù)合材料的質(zhì)量檢測(cè)中得到廣泛應(yīng)用。并且在其它領(lǐng)域,如壓力容器表面的裂紋和裂縫以及石油管道中的裂紋、裂縫和阻塞的檢測(cè)中得到廣泛應(yīng)用。

　　電磁波入射到不同媒質(zhì)分界面上將發(fā)生反射和透射,一部分電磁波被界面反射回來(lái),另一部分電磁波穿透界面形成第二種媒質(zhì)中的傳播波。如果媒質(zhì)是多層的,電磁波在每層媒質(zhì)的分界面上都將發(fā)生反射和透射,如果媒質(zhì)是有損耗的,則波在有耗媒質(zhì)中傳播時(shí),其振幅將受到衰減。反射波和透射波的振幅和相位變化取決于媒質(zhì)間的電磁參量以及電磁波的頻率和媒質(zhì)的幾何參數(shù)的關(guān)系。電磁波在非光滑表面上和非均勻媒質(zhì)中發(fā)生散射時(shí),其散射程度取決于媒質(zhì)表面的粗糙程度和媒質(zhì)的不均勻程度。

　　微波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是將在330MHz～300GHz中某段頻率的電磁波照射到被測(cè)物體上,通過(guò)分析反射波和透射波的振幅和相位變化、波的模式的變化和對(duì)散射波的分析,從而了解被測(cè)樣品中的裂紋、裂縫和氣孔等缺陷,分層媒質(zhì)的脫粘、夾雜等的位置和尺寸,復(fù)合材料內(nèi)部密度的不均勻程度的技術(shù)。

　　微波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)從檢測(cè)原理可分為反射波法、透射波法和散射波法三大類。以上三類方法又分為連續(xù)波照射、掃頻波照射和脈沖調(diào)制波照射三種。若按被測(cè)對(duì)象和檢測(cè)目的可分為：

　　·對(duì)非金屬?gòu)?fù)合材料薄片厚度和對(duì)非金屬?gòu)?fù)合材料均勻性的檢測(cè)。

　　·對(duì)多層粘合材料的脫粘檢測(cè)。

　　·對(duì)復(fù)合材料中的裂紋、裂縫和氣泡等缺陷的檢測(cè)。

　　·對(duì)金屬表面(包括金屬管道內(nèi)表面)裂紋和裂縫的檢測(cè)。

　　對(duì)金屬?gòu)?fù)合材料薄片厚度和非金屬?gòu)?fù)合材料均勻性的檢測(cè)

　　測(cè)量非金屬?gòu)?fù)合材料介質(zhì)薄片的厚度可采用駐波法及反射波法，如圖1所示。設(shè)材料的介電常數(shù)ε=ε′-jε″,將適當(dāng)波長(zhǎng)的TE10波信號(hào)照射在反射波法測(cè)量介質(zhì)薄片的厚度被測(cè)樣品上,用標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)得其反射系數(shù)R,再由下式可計(jì)算出介質(zhì)薄片的厚度d。

　　圖1 反射波法測(cè)量介質(zhì)薄片的厚度