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航空泡沫芯材及夹层结构的太赫兹无损检测研究

邢砾云  
【摘要】:先进泡沫芯材,如聚甲基丙烯酰亚胺(Polymethacrylimide,PMI)泡沫、航空级聚氯乙烯(Polymethacrylimide,PVC)泡沫,以其全闭孔、比强度高、高延展性、易设计、稳定、兼容及阻燃性好等在多个高科技领域的重要部件得到应用。然而,在生产、服役过程中,泡沫芯材及夹层结构难免出现各种缺陷,造成安全隐患。因此,发展无损检测探伤技术对确保泡沫芯材及夹层结构的使用安全非常必要。而泡沫材料的一些特有性质使得经典无损检测手段效果不佳。太赫兹辐射对泡沫材料的半透明性,使其在该类材料的无损检测方面潜力巨大,与传统技术形成互补。对于相关技术的研究,在国内外各大研究机构均有开展,尤其是美国宇航局,在航天飞机事故之后高度重视,但研究对象为聚氨酯(Polyurethane,PU)泡沫的报道较多。先进泡沫芯材的制备与运用,给泡沫材料太赫兹波段的无损检测带来了新的研究课题。本文以高性能航空级PMI、PVC泡沫芯材及其夹层结构为研究对象,基于THz-TDS无损检测技术,对其可能出现的四种主要缺陷展开了系统的研究工作,为该项技术在复合材料无损检测及探伤方面的实际应用提供了重要的数据及技术基础。本文主要研究内容及结论如下:(1)航空级先进泡沫芯材的太赫兹光谱实验研究。本文的研究对象选择德固赛PMI泡沫及戴铂高性能PVC泡沫,它们是目前用于航空领域最广泛的泡沫芯材,以其为芯材的夹层结构性能明显优于蜂窝结构。本文首先对样本泡沫的太赫兹脉冲传输率、折射率及吸收系数等参数进行了分析。0.1~1THz频带内10mm厚的51HF/WF,71HF/WF四种型号的PMI泡沫芯材的折射率约为1.0271,1.0379,1.0412和1.0549;戴铂5mm厚的HT61/81/110/131四种型号的PVC泡沫芯材的折射率约为1.0219,1.0255,1.0375和1.0445。且折射率随频率有渐增趋势但不明显。研究发现:泡沫芯材对太赫兹脉冲的吸收系数随频率的变化关系与泡沫内部微结构直径相关,且密度越大折射率越大。(2)泡沫内部微结构直径大小与入射太赫兹脉冲的损耗关系研究。为进一步验证泡沫芯材太赫兹光谱特性实验的研究结果,实验选择相同厚度不同泡沫内部微结构直径的PMI泡沫芯材为样本。基于米氏散射理论,建立散射模型结合泡沫微结构直径分布函数进行数值模拟,并与实测数据对比。结果表明:泡沫对太赫兹波的能量损耗由散射而非吸收引起。且泡沫芯材的内部微结构直径越大散射越强烈,损耗越大。这一结论,为下一步分析研究泡沫复合结构的太赫兹无损检(Terahertz nondestructive testing,THz-NDT)测提供了理论分析基础。(3)泡沫-铝结构的THz-TDS无损检测研究。铝合金蒙皮是航天领域常用的一种蒙皮形式,本文以泡沫-铝结构为样本,基于太赫兹波对极性材料的强反射性,采用THz-TDS反射模式,对预置的脱粘、夹杂、空洞、裂纹四种缺陷进行了无损检测研究。研究结果表明:铝板与泡沫间的脱粘程度与主反射波的波前峰的变化有关。脱粘程度越大,波前和无缺陷反射波的延迟越大,通过曲线拟合给出了波前最大值相位与脱粘程度的函数关系。应用该延时特征进行太赫兹脉冲的反射成像,脱粘程度明显地与此特征相关,脱粘程度的不同在图像中表现出明显的灰度变化,能实现44mm的脱粘程度区分。夹杂和脱粘缺陷的区分主要依赖主反射波的相位变化,具体与泡沫、夹杂物和空气相对折射率有关。空洞缺陷成像特点为中心亮边缘暗。空洞中心的泡沫厚度可通过时延大小来计算。空洞位置对检测结果的影响主要表现在太赫兹波在PMI泡沫表面散射强烈,能量消耗较大,而接近基板的空洞反射更强,成像更清晰,更易被识别。裂纹特征则表现为对反射波振幅的调制。本文通过背景扫描去除噪声,应用吸收系数成像方法提高了检测的分辨能力,该方法比其他方法有更好的成像对比度。实验研究表明:应用THz-TDS反射成像模式对泡沫-铝结构中隐藏在泡沫内部、泡沫芯材与金属蒙皮间的多种缺陷检测有效。(4)玻璃纤维泡沫芯材夹层结构太赫兹无损检测实验研究。本文模拟设计了某型号运载火箭泡沫芯材玻璃纤维夹层结构并预置了脱粘、夹杂、空洞及裂纹四种缺陷。在测试前,对预置所用的共挤改性尼龙、玻璃纤维预浸料(Glass fiber prepreg,GFRP)以及聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene,PTFE)复合材料的太赫兹光谱特性进行了研究。研究结果表明,玻璃纤维预浸料与PTFE复合材料的折射率十分相近约为2.2,远大于PTFE涂层的折射率1.3。据此,分析了太赫兹脉冲在脱粘情况下的传播模式。在对泡沫芯材玻璃纤维夹层结构的预置缺陷无损检测实验中,分别采用透射、反射两种模式,太赫兹波均从无缺陷面入射。研究结果表明:太赫兹脉冲扫描透射成像方式对脱粘、空洞、裂纹三种类型均可检测,但脱粘检测效果一般,夹杂缺陷则基本不能识别。反射模式下,扩展时域窗口的特征谱信息,可明显改善检测效果。灰度值拉伸后效果更佳,能够实现脱粘程度、夹杂厚度的区分,检测结果能够满足量化检测要求。虽然采用吸收系数成像方法,效果较明显,但操作相对复杂。因此,空洞和裂纹的检测更适合THz-TDS透射成像模式。(5)基于小波域隐马尔可夫随机场(Wavelet domain hideden Markov random field model,WDHMM)的超分辨率重建(Super resolution reconstruction,SR)算法设计及在太赫兹脉冲无损检测中的应用。本文研究并设计了WDHMM SR算法。从分析提高分辨率的手段入手,结合THz-TDS成像机理,对低频及高频多幅含有缺陷特征信息的图像建立WDHMM,实现小波系数优化,并结合双二次多项式插值,实现了透射式泡沫玻璃纤维夹层结构的脱粘、夹杂以及直径3mm的空洞缺陷的成像效果改善。分析结果表明:从直观效果及客观评价上看,将WDHMM SR算法应用于THz-TDS的检测结果均优于一般SR重建效果。且该算法省去多次扫描环节,降低了检测时间,增强了时效性。本文创新点:(1)对多种型号PMI、PVC航空级泡沫芯料的太赫兹光谱特性进行系统研究,获得密度与泡沫折射率的关系,以及泡沫内部微结构直径大小对太赫兹波损耗的影响。(2)详细分析了泡沫材料内部微结构直径与太赫兹损耗的关系,并通过米氏散射数值模拟解释了损耗主要由散射而非吸收引起。(3)系统研究了泡沫铝结构的蒙皮脱粘程度与波前变化的关系,得到了脱粘程度与无缺陷处时延的函数关系式。应用该特征成像,检测脱粘区分精度44mm,突破了常用成像方法的局限。(4)将THz-TDS无损检测技术应用于泡沫芯材玻璃纤维夹层结构多种缺陷的系统研究。通过调整延时的方法,克服了只检测主反射波而无法对底层缺陷检测的难题。(5)提出将WDHMM降噪算法与双二次多项式插值相结合应用于THz-NDT成像的超分辨率重建。成像效果改善明显,为提高应用THz-TDS技术对厚泡沫中较小缺陷的检测能力提供了新的解决思路。


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