電磁傳播特性在復(fù)合材料中的應(yīng)用分析(08-100)

　　微波無損檢測技術(shù)是隨著微波測量技術(shù)的發(fā)展和對非金屬復(fù)合材料的檢測要求而產(chǎn)生的。自20世紀(jì)60年代以來,隨著非金屬復(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)檢測非金屬復(fù)合材料中的裂紋、裂縫、氣孔和粘扣等缺陷時遇到困難。美國軍方于20世紀(jì)60年代首先將微波無損檢測技術(shù)用于檢測大型固體火箭發(fā)動機內(nèi)固體推進劑深處的氣孔缺陷、發(fā)動機燒蝕噴管內(nèi)襯的脫粘和航天飛機的絕熱陶瓷的質(zhì)量。

　　以后逐步應(yīng)用于檢測一些非金屬復(fù)合材料薄片和薄膜的厚度,檢測塑料、陶瓷、樹脂、玻璃和橡膠等材料中的缺陷和材料的質(zhì)量。據(jù)文獻報道,頻率為35GHz的微波照射到被測樣品上,應(yīng)用反射波法測量塑料薄片的厚度,其精度可達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。裂紋和裂縫有長短之分,對長裂紋裂縫主要用反射波法和透射波法進行測量,對短裂紋裂縫、氣泡和其它異物主要用散射波法進行測量。復(fù)合材料在工藝過程中,由于增強纖維的表面狀態(tài)、樹脂粘度、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出現(xiàn)氣孔、疏松、樹脂開裂、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產(chǎn)品性能的影響,可用微波無損檢測技術(shù)進行評定。

　　超聲波在復(fù)合材料中衰減很大,這是因為：

　　·超聲波是彈性波,與光波的電磁波性質(zhì)不同。

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

　　X射線檢測平面缺陷時,由于射線的強度變化很小,導(dǎo)致底片對比度低,這在檢測分層媒質(zhì)的脫粘,層與層的錯動時受到限制。而微波對非金屬復(fù)合材料具有較好的穿透性,適合于檢測復(fù)合材料。另一方面,微波網(wǎng)絡(luò)分析儀的可測頻率越來越高,不僅可測量反射波和散射波的振幅,而且可測量波的相位變化[4]。這使微波測量在非金屬復(fù)合材料的質(zhì)量檢測中得到廣泛應(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,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,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,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。

　　微波無損檢測技術(shù)是將在330MHz～300GHz中某段頻率的電磁波照射到被測物體上,通過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散射波的分析,從而了解被測樣品中的裂紋、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)。

　　微波無損檢測技術(shù)從檢測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。若按被測對象和檢測目的可分為：

　　·對非金屬復(fù)合材料薄片厚度和對非金屬復(fù)合材料均勻性的檢測。

　　·對多層粘合材料的脫粘檢測。

　　·對復(fù)合材料中的裂紋、裂縫和氣泡等缺陷的檢測。

　　·對金屬表面(包括金屬管道內(nèi)表面)裂紋和裂縫的檢測。

　　對金屬復(fù)合材料薄片厚度和非金屬復(fù)合材料均勻性的檢測

　　測量非金屬復(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)波長的TE10波信號照射在反射波法測量介質(zhì)薄片的厚度被測樣品上,用標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀測得其反射系數(shù)R,再由下式可計算出介質(zhì)薄片的厚度d。

　　圖1 反射波法測量介質(zhì)薄片的厚度