电磁传播特性在复合材料中的应用分析

微波无损检测技术是随着微波测量技术的发展和对非金属复合材料的检测要求而产生的。自20世纪60年代以来,随着非金属复合材料在工程中的广泛应用,利用传统的超声波、红外线、激光和X射线技术检测非金属复合材料中的裂纹、裂缝、气孔和粘扣等缺陷时遇到困难。美国军方于20世纪60年代首先将微波无损检测技术用于检测大型固体火箭发动机内固体推进剂深处的气孔缺陷、发动机烧蚀喷管内衬的脱粘和航天飞机的绝热陶瓷的质量。

以后逐步应用于检测一些非金属复合材料薄片和薄膜的厚度,检测塑料、陶瓷、树脂、玻璃和橡胶等材料中的缺陷和材料的质量。据文献报道,频率为35GHz的微波照射到被测样品上,应用反射波法测量塑料薄片的厚度,其精度可达0.125mm。复合材料中的缺陷主要分为裂纹、裂缝和气泡几大类。裂纹和裂缝有长短之分,对长裂纹裂缝主要用反射波法和透射波法进行测量,对短裂纹裂缝、气泡和其它异物主要用散射波法进行测量。复合材料在工艺过程中,由于增强纤维的表面状态、树脂粘度、低分子物含量、线性高聚物向体型高聚物转化的化学反应速度、树脂与纤维的浸渍性、组分材料热膨胀系数的差异以及工艺参数控制的影

响等,在复合材料制品中难免会出现气孔、疏松、树脂开裂、分层和脱粘等缺陷。这些缺陷在复合材料制品中的位置、尺寸以及在温度和外载荷作用下对产品性能的影响,可用微波无损检测技术进行评定。

超声波在复合材料中衰减很大,这是因为：

·超声波是弹性波,与光波的电磁波性质不同。

·对衰减系数小或厚度较薄的复合材料,超声波也能进行检测(包括不透明的复合材料)。

X射线检测平面缺陷时,由于射线的强度变化很小,导致底片对比度低,这在检测分层媒质的脱粘,层与层的错动时受到限制。而微波对非金属复合材料具有较好的穿透性,适合于检测复合材料。另一方面,微波网络分析仪的可测频率越来越高,不仅可测量反射波和散射波的振幅,而且可测量波的相位变化[4]。这使微波测量在非金属复合材料的质量检测中得到广泛应用。并且在其它领域,如压力容器表面的裂纹和裂缝以及石油管道中的裂纹、裂缝和阻塞的检测中得到广泛应用。

电磁波入射到不同媒质分界面上将发生反射和透射,一部分电磁波被界面反射回来,另一部分电磁波穿透界面形成第二种媒质中的传播波。如果媒质是多层的,电磁波在每层媒质的分界面上都将发生反射和透射,如果媒质是有损耗的,则波在有耗媒质中传播时,其振幅将受到衰减。反射波和透射波的振幅和相位变化取决于媒质间的电磁参量以及电磁波的频率和媒质的几何参数的关系。电磁波在非光滑表面上和非均匀媒质中发生散射时,其散射程度取决于媒质表面的粗糙程度和媒质的不均匀程度。

微波无损检测技术是将在330MHz～300GHz中某段频率的电磁波照射到被测物体上,通过分析反射波和透射波的振幅和相位变化、波的模式的变化和对散射波的分析,从而了解被测样品中的裂纹、裂缝和气孔等缺陷,分层媒质的脱粘、夹杂等的位置和尺寸,复合材料内部密度的不均匀程度的技术。

微波无损检测技术从检测原理可分为反射波法、透射波法和散射波法三大类。以上三类方法又分为连续波照射、扫频波照射和脉冲调制波照射三种。若按被测对象和检测目的可分为：

·对非金属复合材料薄片厚度和对非金属复合材料均匀性的检测。

·对多层粘合材料的脱粘检测。

·对复合材料中的裂纹、裂缝和气泡等缺陷的检测。

·对金属表面(包括金属管道内表面)裂纹和裂缝的检测。

对金属复合材料薄片厚度和非金属复合材料均匀性的检测

　　测量非金属复合材料介质薄片的厚度可采用驻波法及反射波法，如图1所示。设材料的介电常数ε=ε′-jε″,将适当波长的TE10波信号照射在反射波法测量介质薄片的厚度被测样品上,用标量网络分析仪测得其反射系数R,再由下式可计算出介质薄片的厚度d。

　　图1 反射波法测量介质薄片的厚度

式a,b—矩形波导的宽边和窄边尺寸该方法还可用于已知介质片厚度的条件下,测量介质的电磁参数μ和ε值。复合材料特性的不均匀性体现为材料电磁参量的均匀性,如材料分子结构或材料密度的不均匀最终都将表现为材料电磁参数的不均匀性。在非均匀材料中传播时,其传播常数的变化取决于μ、ε和δ的不均匀程度。如果材料的非均匀性很集中,其非均匀性还会引起电磁波的散射。在非均匀材料中,波的传播方程为：

用透射波法测量非均匀材料的不均匀性已广泛用于橡胶、塑料和树脂等材料的质量检测。

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