電磁傳播特性在復合材料中的應用分析(08-100)

　　微波無損檢測技術是隨著微波測量技術的發展和對非金屬復合材料的檢測要求而產生的。自20世紀60年代以來,隨著非金屬復合材料在工程中的廣泛應用,利用傳統的超聲波、紅外線、激光和X射線技術檢測非金屬復合材料中的裂紋、裂縫、氣孔和粘扣等缺陷時遇到困難。美國軍方于20世紀60年代首先將微波無損檢測技術用于檢測大型固體火箭發動機內固體推進劑深處的氣孔缺陷、發動機燒蝕噴管內襯的脫粘和航天飛機的絕熱陶瓷的質量。

　　以后逐步應用于檢測一些非金屬復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量。據文獻報道,頻率為35GHz的微波照射到被測樣品上,應用反射波法測量塑料薄片的厚度,其精度可達0.125mm。復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。復合材料在工藝過程中,由于增強纖維的表面狀態、樹脂粘度、低分子物含量、線性高聚物向體型高聚物轉化的化學反應速度、樹脂與纖維的浸漬性、組分材料熱膨脹系數的差異以及工藝參數控制的影

　　響等,在復合材料制品中難免會出現氣孔、疏松、樹脂開裂、分層和脫粘等缺陷。這些缺陷在復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品性能的影響,可用微波無損檢測技術進行評定。

　　超聲波在復合材料中衰減很大,這是因為：

　　·超聲波是彈性波,與光波的電磁波性質不同。

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

　　X射線檢測平面缺陷時,由于射線的強度變化很小,導致底片對比度低,這在檢測分層媒質的脫粘,層與層的錯動時受到限制。而微波對非金屬復合材料具有較好的穿透性,適合于檢測復合材料。另一方面,微波網絡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合材料的質量檢測中得到廣泛應用。并且在其它領域,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用。

　　電磁波入射到不同媒質分界面上將發生反射和透射,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中的傳播波。如果媒質是多層的,電磁波在每層媒質的分界面上都將發生反射和透射,如果媒質是有損耗的,則波在有耗媒質中傳播時,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間的電磁參量以及電磁波的頻率和媒質的幾何參數的關系。電磁波在非光滑表面上和非均勻媒質中發生散射時,其散射程度取決于媒質表面的粗糙程度和媒質的不均勻程度。

　　微波無損檢測技術是將在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,分層媒質的脫粘、夾雜等的位置和尺寸,復合材料內部密度的不均勻程度的技術。

　　微波無損檢測技術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波照射、掃頻波照射和脈沖調制波照射三種。若按被測對象和檢測目的可分為：

　　·對非金屬復合材料薄片厚度和對非金屬復合材料均勻性的檢測。

　　·對多層粘合材料的脫粘檢測。

　　·對復合材料中的裂紋、裂縫和氣泡等缺陷的檢測。

　　·對金屬表面(包括金屬管道內表面)裂紋和裂縫的檢測。

　　對金屬復合材料薄片厚度和非金屬復合材料均勻性的檢測

　　測量非金屬復合材料介質薄片的厚度可采用駐波法及反射波法，如圖1所示。設材料的介電常數ε=ε′-jε″,將適當波長的TE10波信號照射在反射波法測量介質薄片的厚度被測樣品上,用標量網絡分析儀測得其反射系數R,再由下式可計算出介質薄片的厚度d。

　　圖1 反射波法測量介質薄片的厚度