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太赫兹波+CT:防弹复合材料无损检测黄金搭档
发布:kittyll   时间:2016/7/8 16:57:48   阅读:842 
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你知道防弹头盔、防弹背心和防弹车靠什么材料来阻挡子弹吗?答案就是纤维增强复合材料,进一步细说就是由超强芳纶纤维、碳纤维、玻璃纤维和超高分子量聚乙烯纤维制备的复合材料,这么多种纤维“复合”在一起,使其具有了轻质、耐用且耐候性好等特点。
 
虽然这种复合材料这么强大,但在子弹高速袭击的作用下还是免不了产生缺陷,如脱层等,对脱层的区域和尺寸进行相应的研究有利于了解整个防护过程,以及对于开发更高级别的防护材料具有指导意义。要在不破坏材料的前提下进行研究,无损检测就可以大显身手了。
 
 
对于复合材料常用的无损检测方法有以下几种:X射线断层扫描技术(X-ray CT)、微波法、超声法、声学以及热成像技术,另外还有其他一些新技术对于新型材料的检测也正在研究中。至今为止,用来检测超高分子量聚乙烯纤维复合材料穿刺区域的测试方法主要是X射线断层扫描技术,也就是我们通常所说的X射线CT技术。这种方法可以清晰地反映材料的内部结构。但是该方法采用高能粒子激发X射线,所以设备价格十分昂贵,只有少数研究机构才配备有该设备用于材料的检测。
 
太赫兹(THZ)光谱技术是当前十分热门的研究领域,在无损检测领域也开始发挥重要的作用,该技术目前也被用于复合材料的检测,它是一种全面有效检测复合材料的缺陷及性能的无损检测方法。
 
太赫兹辐射是对一个特定波段的电磁辐射的统称,是一种快速发展的新型光谱技术。在电磁波谱中位于微波和红外之间,其典型的频率为10^12Hz左右,一个频率为1THz的光子的能量约为4.1MeV,远远低于X射线的能量,不会引起生物体的有害电离反应,对人体损害小,安全性良好。
 
太赫兹波的透视性高、能级低、频带宽且携带丰富的光谱信息等特性,相比其他的光谱具有更大的优势,应用前景广阔。太赫兹波的典型波长(300μm)远大于尘埃等微小结构的尺寸,因此在大多数物体中的散射远小于可见光和近中红外光,同时太赫兹波的光子能力低于多数化学键的键能,所以对大多数非极性材料具有较好的穿透性,在穿透成像方面具有良好的应用前景。
 
另外太赫兹波的频率比一般无损检测波的频率要高,因此其在空间的分辨率会高于一般的检测技术,具有代替射线和微波检测应用于非金属材料缺陷检测的潜力。
 
 
来自波兰的Norbert Palka小组通过X射线CT技术和太赫兹检测技术,对超高分子量聚乙烯复合材料的样品进行了无损检测。该样品用来阻挡5.56 mm的子弹穿透射击,在该过程中造成复合材料脱层且产生相应的凸起及形成一个相应的空间。尽管CT技术可靠和真实的展现了材料内部的特征区域,但是其轴向分辨率属于中等水平,由于人为的因素和形状变化都会影响其测试的精度。
 
于是研究小组采用透射和反射光模式,利用太赫兹波对材料进行扫描,根据样品的太赫兹脉冲的传递和理论模型进行比较。透视模式可以大致确定材料脱层的区域以及破坏形成空腔的尺寸。反射光扫描通过飞行时间分析和对信号进行处理可以获取样品详尽的三维成像图。在该研究中太赫兹光谱检测结果与X射线断层扫描的结果相吻合。
 
1 样品和子弹
 
实验样品选定为Dyneema的HB26 tape超高分子量聚乙烯纤维增强复合材料板,每层选定6μm合并4层最终组装为270μm厚度的薄板,每层含有直径为17μm的SK 76纤维,纤维与纤维直接通过聚氨酯进行粘接,然后将该材料进行热压形成250 mm边长的方块,厚度为16 mm,见图1。
 

图1.样品不同角度的视图(a-c)及尺寸图(d)
 
样品制备完成后,进行子弹射击穿透实验,参考NATO SS109标准,子弹的质量为4g,速度为948 m/s。
 
2 X射线断层扫描检测
 
检测的参数设定为加速电压为110kV,电流强度为140 μA,时间设定为500 ms。样品放置于放射源距离为150 mm,样品由一个夹具固定,测试示意图见图2,通过缓慢的调整角度来保证相对均一的X射线的辐射。
 

图2.CT检测过程中样品的摆放位置
 
收集的数据通过Phoenix Datosx 2 Programme处理,且对图1中的P-O-R和G-O-F方向的断面进行了相应的B面和C面扫描,相应的测试结果见图3,图中黄色区域为超高分子量聚乙烯纤维,绿色部分为金属碎片,材料的脱层现象以及穿透形成的空腔及其内部结构得到了直观的呈现。
 

图3.P-O-R和G-O-F方向的断面进行了相应的B面(a)和C面(b)扫描
 
但是材料边缘区域的尺寸发生了一定的变化,这是由于样品与放射源之间的距离造成了分辨率的恶化。且测试中选定的能量对于测试过程也有显著的影响,因为对于软硬材料的穿透能力是不一样的,因此,是否能获取清晰的图像还取决于测试者的经验或者多次重复选定合适的参数。
 
3 太赫兹光谱检测
 
选定的发射器为光电导天线,主脉冲为0.5皮秒,光谱的频率范围为0.1-3.5 THz。采取的测试模式为反射式THz-TDS成像检测,对探测点的时域波形进行实践窗口截取,根据样品的不同特性选择成像类型。因为太赫兹波在样品表面采集信号成像,时间窗口的截取与样品的厚度没有关系,因此实验值选定一个厚度进行测试即可,截取时需要保证截取的窗口含有的脉冲的个数为主脉冲的整数倍(图4),根据不同的测试模式,采集相应的信号,通过信号处理获得不同区域的深度,最终获取三维成像(图5)。
 

图4.不同点位的时域波形
 

图5.THz-TDS反射模式下成像,该图像调整了饱和度来直观体现复合材料的脱层现象
 
4 综合比较
 
◎为了获得精准的成像图,太赫兹波检测往往需要对不同的面进行扫描,所以太赫兹波相比CT的测量时间往往会更长。
 
◎CT检测中,样品尺寸往往受到CT仪器本身的样品放置区域的限制,而太赫兹波测试理论上来讲是没有尺寸限制的。
 
◎由于太赫兹波测试原理多为反射模式成像,所以大多倾向于片层材料的测试,当材料具有独特的形状时往往会产生散射的线性,而复合材料本身由于基材与填充物的反射率存在差异,因此可以直观的体现材料内部反射率差异较大的填充物。因此太赫兹波测试技术也可以作为新型方法,或者作为CT检测的辅助方法来进行材料的无损检测。
 
 
本文部分图片来源于网络
 
编译:德意
原文出处:《Composites Part B》92(2016) 315-325
来源:材料与测试
 
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