太赫兹光谱技术在复合材料无损检测中的应用研究

摘要

太赫兹（THz）辐射是指频率在0.1~10THz的电磁波（1THz=1012Hz），THz能级低（4.1MeV），且具有高信噪比、高分辨率等特征，被用于无损检测领域。复合材料是承压特种设备常用的非金属材料，其有效克服原材料不足的同时表面硬度及强度被降低，出现了多种金属材料中不常见的缺陷，且很难通过传统检测技术解决。THz光谱技术对复合材料分层、夹杂、机械损伤等都能有清晰表达。近年来，THz技术的研究逐渐增多，从更多方面尝试对太赫兹光谱进行分析，对成像技术进行应用是THz光谱技术未来的发展方向。
　　本文针对目前在承压特种设备中常用的复合材料，结合检验检测标准和工程应用需求，基于太赫兹时域光谱系统、BWO连续太赫兹成像系统和调频连续太赫兹成像系统对聚乙烯管道材料、碳纤维缠绕复合材料、玻璃纤维缠绕复合材料进行研究，完成了18种不同材料及缺陷的测试，主要工作和研究点总结如下：
　　（1）通过透射式THz-TDS获得聚乙烯管道样品中不同缺陷点的折射率和吸收系数。在有效波段内，不同测试点在折射率的变化规律，吸收峰的位置都存在差异；通过时域波形，无折射率计算样品中分层缺陷的厚度。实验结果可用于聚乙烯管道样品的缺陷检测并为太赫兹仪器校准提供参考。
　　（2）应用太赫兹调频连续层析成像对Zmax=21mm厚的聚乙烯管道样品进行层析成像并将成像结果进行梯度增强处理以便人眼识别，结果表明不同纵深（2mm-7mm）的成像对不同缺陷的表达重点不同。其中Φ=1mm的金属夹杂、管道内壁机械损伤及表面损伤宽度，内部深度Zmax=3.2mm的埋藏缺陷都可清晰检测。最大强度成像和样品侧视图互为佐证，进一步确定样品中各类缺陷的形状、方位、连续情况等。
　　（3）BWO连续成像技术被用于玻璃纤维复合材料，成像结果表明，透射式连续成像可以从背面对5mm厚的玻璃纤维表面300℃及以上的热损伤、冲击损伤、划伤缺陷、Φ=1mm孔洞缺陷等有完整成像，且排除玻璃纤维缠绕材料中环氧树脂的影响对缺陷的形状、位置、大小进行判断。
　　（4）反射式THz-TDS成像被用于2mm厚的碳纤维复合材料，结果表明，碳纤维复合材料中孔洞缺陷的直径大小，划伤缺陷的深度分布，磨损缺陷的面积区域，热损伤的程度等都可直观体现，且成像数据结合图像可对样品的损伤史做出判断。
　　文章最后对太赫兹光谱技术在复合材料无损检测方面的应用及有待进一步开展的工作进行了探讨。

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1绪论

1.1课题研究的背景、目的和意义

1.2太赫兹波简介

1.3实验复合材料介绍

1.4传统复合材料检测研究进展

1.5论文研究内容及章节安排

1.6本章小结

2太赫兹波检测原理分析

2.1太赫兹波的特性

2.2太赫兹时域光谱技术

2.3连续太赫兹波成像技术

2.4本章小结

3不同THz波段与复合材料的检测分析

3.1不同THz波段及应用

3.2不同波段THz检测能力及精度分析

3.3实验用不同波段仪器简介

3.4本章小结

4太赫兹时域光谱检测及数据分析

4.1THz-TDS系统实验方案及过程

4.2数据处理模型

4.3 PE管道样品不同缺陷点的THz光谱测定

4.4不同缺陷THz光谱特性比对

4.5 PE管道电熔接头分层缺陷测定

4.6 PE材料吸收谱分析

4.7本章小结

5三种太赫兹成像检测分析

5.1实验样品的制备

5.2图像处理模型

5.3 FMCW层析成像检测

5.4 BWO连续太赫兹波成像检测

5.5反射式THz-TDS成像检测

5.6三种成像结果比对

5.7本章小结

6总结和展望

参考文献

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