材料检测和表征的新技术――热波检测及其应用

1  引言

      无损检测是材料检测和表征的重要方法之一。目前新材料尤其是复合材料的无损检测已经应用于材料、结构件和服役检测3个方面。无损检测技术已经成为新材料研究和应用中的一项关键技术，融入新材料从研究到最终装机应用的全过程。红外热波无损检测是一项近来发展很快的无损检测技术，在美国已有了许多成功的应用。最近，在国家863计划（2003AA333090）和211工程重点学科建设等经费支持下，该技术的应用研究在我国也取得了较快的进展。

2　热波检测基本原理[1]-[3]

       红外热波无损检测技术的核心是针对被检物的材质、结构和缺陷类型以及特定的检测条件，设计不同特性的热源（如：高能闪光灯、超声波、电磁、热风等）并用计算机控制进行周期、脉冲等函数形式的加热，同时采用红外热成像技术对时序热波信号进行捕捉和数据采集，采用专用软件进行实时图像信号处理和分析并最终显示检测结果（图1）。

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bsp; 需要指出的是，由于应用热波原理并采用了主动式控制热激励的方法，热波检测技术与传统的被动式红外热成像检测是有本质区别的（见图2）。

       对于不同被检测物、检测环境和条件，需要有针对性地设计采用大功率闪光灯、超声波、激光、THz波、热风、电磁感应、电流、机械振动等方式的热激励手段，相应的机械装置和控制装置及编制控制和图像数据处理软件。

3 设备构成和技术指标[4]

EchoTherm红外探伤仪主要包括红外热像仪、热激励系统和计算机及专用软件控制、图像采集和处理系统，实物照片见图3。

3.1  红外热像仪

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       EchoTherm系统可选配各种热成像仪，包括FLIR公司ThermaCAM SC3000热像仪，法国Jade热像仪等。主要技术指标包括热灵敏度、空间分辨率、帧频、数字输出、接口等。ThermaCAM SC3000热像仪主要指标见表1。

3.2  热激励装置

       两只脉冲宽度为2毫秒氙灯，每个闪光灯最大能量为2.4千焦。

       能量可调谐，两只相同规格的大电容，每只有六个输出端口，包括800焦一个，1600焦一个，2400焦四个。其能量输出可分为九个档位。外接220伏交流电源随时充电。

3.3  探测装置

       探测装置包括热像仪、闪光灯和防光扩散遮罩，质量大约5千克。可手持（见图4），也可以装在三脚架（见图5）、机械手等装置上（见图6）。一次探测最大尺寸为27厘米×37厘米（0.1平方米）。

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3.4   计算机及软件

       PⅢ2.4G双CPU处理器，1G内存，17寸液晶显示器，DVD刻录光驱，1.44软驱。Windows XP系统，专用软件。专用软件可以完成对数据的处理和图像的再现，能够对图像进行伪彩色处理、微分处理、滤波处理、可调节图像对比度。能够保存多种文件格式的文件，包括数据包文件、动态AVI影片和静态BMP图片等。

3.5   其他

       10米同轴电缆连接探测装置与主体装置（能源提供装置及计算机）；主体装置带有四个橡胶轮，可在现场移动。系统主体装置为52.9厘米×52.9厘米×108.6厘米，总质量约230千克。

4 技术特点

       热波检测具有如下技术特点：
――适用面广：可用于所有金属和非金属材料。

――速度快：每个测量一般只需几十秒钟。

――观测面积大：根据被测对象和光学系统，一次测量可覆盖0.1平方米。对大型检测对象还可对结果进行自动拼图处理。

――直观：测量结果用图像显示、直观易懂。

――定量：可以直接测量到深度、厚度，并能作表面下的识别。

――单向、非接触：加热和探测在被检试件同侧，且通常情况下不污染也不需接触试件。

――设备可移动、探头轻便：十分适合外场、现场应用和在线、在役检测。

       该技术是新材料研究的一项通用技术，可应用于多种材料、结构和检测环境；特别适用于复合材料、复合材料结构件及其服役期的在线在役无损检测。

       除了理论和基础研究外，每一种成功的应用都会形成一系列标准，包括方法、检测规程、标定物、缺陷判据、数据和图像等；每一种成功的应用都有机会申请专利；可拓展性很强。

5　研究及应用进展

       首都师范大学、北京维泰凯信新技术有限公司、北京航空材料院在首都师范大学物理系建立了一个联合红外热波无损检测实验室，现在初步实验条件已经具备，并且已经开展实验，获得了一些有实际意义的结果。

――由北京航空航天大学提供试件，检测固体燃料发动机筒外壳与壳内绝热层第一界面粘接状况模拟实验，获得初步结果。

――由北京航空材料研究院设计、制作预埋缺陷的碳纤维层压板、铝合金、铝合金蜂窝夹心板、玻璃纤维层压板、玻璃钢层压板、玻璃钢蜂窝夹心板以及钢、塑料、铝等

材料的平底洞实验试件20余件，绝大部分实验取得了良好的实验结果。部分实验，尤其是与超声、射线检测方法的比对实验正在设计和进行中。

――对西飞集团公司无损检测中心提供的若干预埋缺陷铝多层夹芯粘接试件、铝蒙皮铝蜂窝板检测，实验检出全部缺陷，进一步的实验和分析正在进行中。

――由北京玻璃钢研究院提供铝蜂窝材料试件，实验结果清晰，已提供给该单位作进一步研究。此外，还为该单位正在承担的一项国家863项目破坏性样件进行了检测，提供了可供分析的热图序列。通过研究材料热均匀性的破坏信息（如所在位置、层厚、破坏程度等）分析试件损伤状况，其结果对该项目具有很好的参考价值。

――对航天材料及工艺研究所无损检测中心提供试件和实际型号样件进行检测，其结果与超声、射线检测比对，取得比较满意的结果。能够起到相互映证、补充作用。

――与成飞集团无损检测中心就合作实验，由该中心提供试件进行检测实验探讨，近期内具体落实实施。

――与西安翔宇飞机维修有限公司正在探讨合作将该技术实际应用于民航系统的实施方案。

6 结语

       北京聚集了该技术研究和应用涉及的许多单位，包括：航天、航空、船舶、铁路桥梁、核工业、新材料等研究、设计、开发单位；北京航天航空大学、北方交通大学、北京理工大学、北京科技大学等大专院校；中科院的许多相关院所；及国家级部属院所等。非常利于该技术的研究、发展、应用和推广。此外，随着技术的发展和推广对于提高北京相关企业、大专院校、研究院所在该领域的技术水平和综合市场化能力具有积极作用。

参考文献
[1] L.D. Favro, T. Ahmed, D. Crowther, H. Jin, X. Wang, P.K. Kuo and R.L.  Thomas, Infrared thermal wave studies of coatings and composites, Thermonsense XIII, SPIE, Vol.1467, p.290 (1991).
[2] T. Ahmed, H.J. Jin, X. Wang, L.D. Favro, P.K. Kuo and R.L. Thomas, Infrared Thermal Wave Studies of Composites, Rev. Prog. Quant. Nondestr. Eval., Vol.10B, Eds. D.O. Thompson and D.E. Chimenti, p.2173 (Plenum, New York, 1991).
[3] G. Sun, Xun Wang, Z.J. Feng, Huijia Jin, Hua Sui, Zhong Ouyang, Xiaoyan Han, L.D. Favro, R.L. Thomas, and J. L. Bomback, IMAGING AND QUANTITATIVE MEASUREMENT OF CORROSION IN PAINTED AUTOMOTIVE AND AIRCRAFT STRUCTURES [M], Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation, edited by D. O. Thompson and D. E. Chimenti, 603-607 (2000).
[4] XUN WANG, Pulse-ec

ho Thermal Wave Imaging of Metals and Composite[D], Master Thesis, Wayne State Univ. (Applied Physics, 2001)
[5] TWI公司、FLIR公司设备资料及网站等公开资料。