电磁传播特性在复合材料中的应用分析

层复合材料的脱粘检测

多层复合材料在中间某层粘合面上部分脱粘问题,笔者认为在研究时可引入脱粘处空气层的概念。空气层的引入将会增大对波的反射,于是可以通过测量其反射系数的变化来测量材料的层间脱粘,即多层复合材料可视为多层介质,其反射系数R为：

式中　d1,…,dn———各介质层的厚度;R01,…,R(n-1)n,Rnt———各层介质间的菲涅耳反射系数;k1,…,kn———波在各介质层中传播的波数。

若在第i层与第i+1层间存在厚度为d的粘脱缺陷,这实际上等效于在第i层与i+1层间增加一层空气介质,如图3所示,此时第i层介质与空气层的分界面处的总反射系数为：

式中　k0—波在空气中传播时的波数;R′,R″—第i层和i+1层介质与空气层分界面上的反射系数;R′=ki-k0ki+k0;R″=k0-ki+1k0+ki+1。

显然,由于粘脱缺陷的出现,将会改变反射系数,采用矢量网络分析仪可测量出反射系数模和相位的改变。一般说来,由于层间脱粘而引入的空气层厚度约在0.1 ～ 0.01mm,所以波在空气中的行程对反射系数相位的影响可忽略不计。

　　讨论

微波用于检测多层媒质间的脱粘时,目前所用的反射波法和透射波法能有效检测是否存在层间脱粘,而且能检测出脱粘的程度,但精确测量其脱粘的面积较为困难。多层复合材料的层间脱粘也可用透射波法来测量。但由于脱粘引入的空气层,一方面要增大波的反射,减小透射波振幅;另一方面要引入额外的相位延迟。因此,层间的脱粘将会改变总的传输系数T。微波无损检测的实验研究方向、微波的传播、反射和散射理论,目前只能对一些边界条件较为规则者进行求解。在实际问题中,大多数缺陷的形状是不规则的,不可能求出其解析表达式,只能通过实验的方法来求出其关系。对媒质的非均匀性检测,无论是用反射波法还是散射波法测量,波的反射和散射与其本身的形状、尺寸、取向和波的频率有关。在实际工程中,材料的性质主要取决于材料不均匀的程度,因此,可通过检测散射波的功率量级来实现。在实测中,应采集从不同入射角度、不同频率下的反射波功率和散射波功率。一般说来,频率越高,检测的精度也越高。但对脱粘检测来说,该结论是不成立的。由于散射波相位与频率具有周期关系,当检测频率太高时,其散射波的相移反而较小,所以,用相敏法测量脱粘时,建议首先用扫频源寻找一最佳频点。

　　　对于确定的被测材料,可先用敏感微波频段扫频,再用选定测试频率进行测量。当小气泡产生明显散射时,最小气泡半径a与波长λ的关系为k≈1,其波数表达为k=2π/λ。

·在26.5～40GHz波段,考虑到远距离传播的衰减,在36GHz区域电磁波衰减较小,故“点频”

微波源在波段工作频率多为36GHz左右,且此源现成、廉价,应用较多。

·同样的被测试样,选用更高的工作频率检测,可有更高的灵敏度(相敏法除外)。

·当微波工作频率f=36.5GHz(λ=8mm时),应用散射波法可探测到1.02～5.8mm的空气气泡。

·利用微波穿透法通过对微波能量变化的检测,能够测得0.02mg/cm3的变化。

·对于材料中的小气泡缺陷,一般将其视为球形缺陷,通过检测小气泡或气孔的场来确定缺陷的位置,通过检测小气泡对微波的散射波功率来确定缺陷尺寸的大小。

·试验结果表明,微波在复合材料中的衰减与缺陷的孔径之间存在一定的关系,即当缺陷的孔径小于检测微波的波长时,微波的功率衰减随孔径的增大而减小;当孔径大于波长时,则随着孔径的增大而增大。而且,不同复合材料对微波的吸收也是参差不齐的。

尽管微波无损检测在工程中已得到广泛应用,但还是有其局限性。微波不能穿透金属及良导电媒质,只能用于电磁波能穿透的媒质。若能将微波检测与其它检测手段很好地配合使用相互取长补短,特别是与复合材料破坏机理研究等结合起来后,可为复合材料无损检测探索出一套简便可行的方法。