T_CSTM 00433-2023 无损检测莫来石纤维复合材料胶接界面 太赫兹时域谱检测方法.docx

学兔兔标准下载ICS 19.100CCS V 04团 体 标 准T/CSTM 004332023无损检测 莫来石纤维复合材料胶接界面太赫兹时域光谱检测方法Nondestructive testing- Bonding interface of mullite fiber composites- Terahertztime-Domain spectroscopy detection method2023-09-21 发布2023-12-21 实施中关村材料试验技术联盟发布学兔兔标准下载T/CSTM 00433-2023前言本文件参照 GB/T 1.12020 标准化工作导则 第 1 部分：标准化文件的结构和起草规则的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布单位不承担识别专利的责任。本文件由中国材料与试验标准化委员会无损检测技术及设备标准化领域委员会（CSTM/FC94）提出。本文件由中国材料与试验标准化委员会无损检测技术及设备标准化领域委员会（CSTM/FC94）归口。I兔兔学hh2h1标准下载T/CSTM 00433-2023无损检测 莫来石纤维复合材料胶接界面 太赫兹时域光谱检测方法重要提示： 使用本文件的人员应有正规实验室工作的实践经验。本文件并未指出所有可能的安全问题。使用者有责任采取适当的安全和健康措施，并保证符合国家有关法规规定的条件。1范围本文件规定了莫来石纤维复合材料胶接界面太赫兹无损检测的术语和定义、方法原理、一般要求、检测设备、检测步骤、数据处理、检测结果及评价、检测记录和检测报告。本文件适用于莫来石纤维复合材料胶接界面太赫兹无损检测，其他非金属材料的多胶接结构胶接界面的太赫兹时域光谱检测也可参照使用。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GJB 5304 军用复合材料术语GB/T 9445 无损检测人员资格鉴定与认证GB/T 20737 无损检测通用术语和定义3术语和定义GJB 5304 和 GB/T 20737 界定的以及下列术语和定义适用于本文件。3.1莫来石纤维复合材料胶接界面 bonding interface of mullite fiber composite单件莫来石纤维复合材料胶接组件胶接界面包含莫来石纤维复合材料-缓冲垫或缓冲垫-基体间互相独立的两个胶接界面（胶接界面 I 和胶接界面），如图 1 所示。莫来石纤维复合材料莫来石纤维复合材料内表面胶接界面I缓冲垫基体外表面胶接界面   基体标引序号说明：2学兔兔标准下载T/CSTM 00433-2023胶接界面莫来石纤维复合材料内表面与缓冲垫上表面之间的胶接界面；胶接界面基体外表面与缓冲垫下表面之间的胶接界面。图 1 莫来石纤维复合材料胶接组件示意图3.2抽膜法 film extraction method制作脱粘试块时，在胶接界面 I、胶接界面中夹杂一定厚度及一定尺寸的聚四氟乙烯布，胶接界面 I 和胶接界面的定义见图 1，在有机硅胶固化完成后，将其抽出用以模拟脱粘缺陷，该方法称为抽膜法。3.3太赫兹时域波形 terahertz time domain waveform时域是描述数学函数或物理信号对时间的关系。太赫兹时域波形，指脉冲太赫兹波通过空气或者样品测量得到的太赫兹电场强度随时间的变化信息。3.4飞行时间 time of flight指脉冲太赫兹波通过一定厚度的样品所经过的时间延迟。3.5折射率 refractive index光在空气中的速度与光在该材料中的速度之比。3.6吸收系数 absorption coefficient吸收系数在本文件中指的是太赫兹波在材料中传播的指数衰减率，一般用a 表示，其量纲为 cm-1 ，表示光在材料中传播距离 d = 1/ a 时，太赫兹信号光强衰减到初始太赫兹信号光强的1/e 。3.7胶接缺陷面积和 sum of bonding defect areas胶接界面 I 或胶接界面内所有类型缺陷面积的总和。3.8缺陷面积占比 percentage of defect area胶接界面 I 或胶接界面 II 内所有类型缺陷面积之和与对应胶接界面面积之比。3.93兔Amplitude/a.u.兔学标准下载T/CSTM 00433-2023厚度均匀性检测 thickness uniformity test对莫来石纤维复合材料胶接组件胶接界面 I、胶接界面和综合厚度进行均匀性测量分析，即如图 1所示，对莫来石纤维复合材料内表面与缓冲垫上表面之间为胶接界面厚度 h1 、基体外表面与缓冲垫下表面之间为胶接界面厚度 h2 和莫来石纤维复合材料内表面与基体外表面间厚度 h 进行均匀性分析。4方法原理莫来石纤维复合材料胶接组件太赫兹时域光谱无损检测原理如图 2 所示，其主要由光电导太赫兹发射器、探测器、飞秒激光器及时间延迟装置组成，飞秒激光入射到光电导天线激发太赫兹波，通过时间延迟装置采样探测器接收的太赫兹信号，获得太赫兹脉冲电场的波形。分束器飞秒激光器时间延迟装置斩波器光纤太赫兹探测器太赫兹共线适配器太赫兹发射器高密度聚乙烯透镜图 2 太赫兹无损检测原理图当采用太赫兹时域光谱方法对莫来石纤维复合材料胶接组件进行检测时，当两种介质的光学参数（一般指折射率）有差异时，太赫兹波在介质的交界面会发生反射及透射，反射部分被探测器接收，透射部分继续向下传播，如图 3 所示为莫来石纤维复合材料胶接组件标准粘接区域太赫兹时域波形。当存在脱粘、夹杂缺陷时，在对应位置产生对应反射回波，通过分析反射回波可对材料缺陷进行定量分析。0.120.080.060.040.02014-0.023-0.04150170190210230250Time/ps图 3 莫来石纤维复合材料胶接组件标准粘接区域太赫兹时域波形4学兔兔标准下载T/CSTM 00433-20235一般要求5.1检测人员5.1.1 按本文件实施检测的人员，应按照 GB/T 9445 或合同各方同意的体系进行资格认定，进行岗位培训和操作授权。5.1.2 按本文件实施检测的人员，应熟悉所使用的机器人、太赫兹时域光谱无损检测设备器材。5.1.3 按本文件实施检测的人员，应熟悉被检工件的相关制造工艺过程和工作条件。5.2通用检测工艺规程从事太赫兹时域光谱无损检测的单位应按本文件的要求指定通用检测工艺规程，其内容至少应包括如下要素：a）适用范围；b）依据的标准、法规或其他技术文件；c）检测人员资格要求；d）检测设备和器材；e）被检工件信息及检测前的准备要求；f）检测时机；g）检测方法和检测步骤；h）检测过程和数据分析解释；i）检测结果的评定；j）检测记录、报告和资料存档；k）编制、审核和批准人员；l）编制日期。6检测设备6.1系统组成检测系统应能满足太赫兹时域光谱检测的基本要求，通常包括飞秒激光器、太赫兹发射器、太赫兹接收器、时间延迟模块、高密度聚乙烯（HDPE）透镜、扫查模块及数据处理软件等。检测系统推荐光纤集成式太赫兹时域光谱系统，建议时间分辨率0.1ps，探测范围100ps，光谱范围 0.1THz2THz。6.2飞秒激光器飞秒激光器主要用于泵浦和探测太赫兹波，是系统的核心组成部分，一般建议使用光纤飞秒激光器，中心波长 1550nm，脉冲宽度<100fs，重复频率>50MHz。6.3太赫兹发射器太赫兹发射器主要用于产生太赫兹辐射，一般光纤式太赫兹时域光谱系统的太赫兹发射器为光电导天线，飞秒激光入射至光电导天线产生电子-空穴对。在外部电场作用下，光生载流子加速运动，进而向外辐射太赫兹波。6.4太赫兹接收器5标学兔兔准下载T/CSTM 00433-2023太赫兹接收器主要用于探测太赫兹波，它的原理相当于光电导天线向外辐射太赫兹波的逆过程。太赫兹波与探测飞秒激光同时作用于光电导天线上，使得光生载流子发生定向运动，使得天线电极之间产生电势差，从而产生电流。通过调节探测激光与泵浦激光脉冲的时间延迟，获取太赫兹时域波形。6.5时间延迟模块时间延迟模块主要用于改变被测太赫兹脉冲与探测飞秒激光脉冲的相对时间延迟，通过控制精密位移平台或旋转平台的运动改变泵浦飞秒激光脉冲光程，从而控制太赫兹脉冲到达太赫兹接收器所需时间。6.6扫查模块扫查模块主要用于被检工件的太赫兹时域光谱成像，一般为二维移动平台式扫查装置或机器人仿形自动化扫查装置。二维移动平台测量系统适用于平面或曲率小于 0.01mm-1 时的被检工件成像检测。机器人仿形自动化扫查装置适用于曲率大于 0.01mm-1 的被检工件成像检测，扫查模块的重复定位精度应小于 0.1mm。测量传感器工作站二维移动平台太赫兹控制器被测组件图 4 太赫兹时域光谱二维成像无损检测系统6.7HDPE 透镜检测设备中采用的 HDPE 透镜焦距应根据被检工作的厚度选定，不同厚度范围适用的 HDPE 透镜焦距如下：被检工件厚度 10mmd60mm，适用于 75mm 焦距的 HDPE 透镜；被检工件厚度 30mmd90mm，适用于 115mm 焦距的 HDPE 透镜；被检工件厚度 90mmd110mm，适用于 150mm 焦距的 HDPE 透镜。6.8标准试块按照实际粘接工艺流程分别制作莫来石纤维复合材料胶接组件标准试块，包括莫来石纤维复合材料胶接组件无缺陷标准试块、莫来石纤维复合材料胶接组件脱粘缺陷标准试块和莫来石纤维复合材料胶接组件夹杂缺陷标准试块。其中，莫来石纤维复合材料胶接组件脱粘缺陷标准试块制作应采用抽膜法制作；莫来石纤维复合材料胶接组件夹杂缺陷标准试块在胶接界面中夹杂金属刀片等。6.9定期校准或核查检测设备应进行定期校准或核查，一年不少于一次，确认设备是否满足检测要求。7检测步骤6学兔兔标准下载T/CSTM 00433-20237.1采集参考与噪声信号将在时间轴上接近 1/2 时间窗口位置处出现波峰的时域回波信号保存为参考信号，遮挡太赫兹测量传感器，分别保存背景信号和噪声信号。参考信号、噪声信号应与前期参考信号、噪声信号一致，若有异常，应及时查明原因并处理。7.2反卷积信号处理太赫兹信号时域波形波峰的位置移回时间轴上 1/2 时间窗口处，如图 5 所示，太赫兹波峰位置在时间轴的 160ps 处，保证被测信号能够完整的记录试件信息，利用参考信号和噪声信号对信号进行反卷积处理，准备信号采集。图 5 无组件太赫兹信号时域波形7.3准备信号采集当太赫兹镜头移动至被测组件上方，在时间窗口内测量信号位于中间位置，保证可以提取到信号全部信息，如图 6 所示。图 6 太赫兹测量信号时域波形7.4设置扫描参数控制二维移动平台 X 轴运动和 Y 轴运动，保证扫描范围能够完全覆盖被测莫来石纤维复合材料组7兔兔学标准下载T/CSTM 00433-2023件，确定并输入扫描起始点和终止点位置。7.5设置检测步距实际检测时，将检测行列步距设置为 1mm，如果在检测数据中发现问题，则将检测行列步距改为0.5mm 复检此区域，保证测量的准确和检测精度。7.6太赫兹扫描信号采集将莫来石纤维复合材料胶接组件放置在二维扫描测量区域内，莫来石纤维复合材料涂层面朝上放置，开始测量，采集数据。7.7数据保存根据莫来石纤维复合材料胶接组件编号建立无损检测数据库系统，保存每一件莫来石纤维复合材料胶接组件的太赫兹无损检测数据、检测结果等相关文件及文档目录清单。8数据处理8.1波形数据分析8.1.1 胶接界面 I 脱粘缺陷波形如图 7 所示为胶接界面 I 中脱粘缺陷波形。当胶接界面 I 中出现脱粘情况时，太赫兹波依次通过莫来石纤维复合材料-胶接界面 I-脱粘缺陷-胶接界面 I-缓冲垫-胶接界面-基体，胶接界面 I 中脱粘缺陷特征信号介于莫来石纤维复合材料内表面的反射信号及胶接界面 I-缓冲垫反射信号之间，如图 7 中椭圆圈出区域。图 7 胶接界面 I 脱粘缺陷波形8.1.2 胶接界面脱粘缺陷波形如图 8 所示为胶接界面中脱粘缺陷波形。当胶接界面中出现脱粘情况时，太赫兹波传播依次通过莫来石纤维复合材料-胶接界面 I-缓冲垫-胶接界面-脱粘缺陷-胶接界面 II-基体，胶接界面中脱粘缺陷特征信号介于缓冲垫-胶接界面 II 反射信号及莫来石纤维复合材料外表面的反射信号之间，如图 8 中椭圆圈出区域。831Amplitude/V学兔兔标准下载T/CSTM 00433-2023图 8 胶接界面脱粘缺陷波形8.1.3 夹杂缺陷波形在胶接界面 I 中夹杂金属缺陷标准试块中，夹杂缺陷区域太赫兹时域波形如图 9 所示，太赫兹波遇到金属片后会发生全反射如图 9 中波峰 2，太赫兹波将无法继续向缓冲垫及基体方向传播。图 9 金属夹杂缺陷区域波形8.2缺陷成像分析通过分析采集到的太赫兹时域波形特征，分别对其进行胶接界面 I 成像、胶接界面成像，结合太赫兹时域波形、太赫兹缺陷成像综合判定胶接界面中存在的缺陷，保存成像结果，用于数据追溯和评价。莫来石纤维复合材料胶接组件胶接界面包含莫来石纤维复合材料-缓冲垫或缓冲垫-基体间互相独立的两个胶接界面（胶接界面 I 和胶接界面），对莫来石纤维复合材料胶接组件胶接界面 I 和胶接界面的胶接缺陷进行检测，分别计算所在胶接界面检出缺陷的缺陷面积，记录所有缺陷面积之和与所在胶接界面粘接面积之比。在分别对胶接界面 I 和胶接界面进行脱粘缺陷识别成像后，为了计算脱粘缺陷区域的面积，需要对脱粘缺陷区域进行缺陷识别。如图 10 所示为脱粘缺陷面积测量示意图，图中矩形框内数值为该区域脱粘面积，单位 mm²。9兔学兔标准下载T/CSTM 00433-2023图 10 脱粘缺陷面积测量示意图8.3厚度均匀性检测分别对莫来石纤维复合材料胶接组件胶接界面 I、胶接界面和综合厚度进行均匀性测量分析，采用均匀性分布云图和均匀性量化曲线分别表示胶接界面均匀性情况，如图 11、图 12 所示。图 11 胶接界面均匀性分布云图图 12 胶接界面均匀性量化曲线图提取出胶接界面均匀性量化指标，如图 11 均匀性分布云图中，包括最大值、最小值、均值、标准10检测等级边缘缺陷（距边界 20mm 以内）内部缺陷（其他区域）一级缺陷面积占比小于 15%二级缺陷面积占比在 15%40%范围内三级边缘处存在缺陷缺陷面积占比大于 40%学兔兔标准下载T/CSTM 00433-2023偏差，用以表示胶接界面的均匀性分布。在图 12 均匀性量化曲线图中点划线、实线分别为选取点所在行列对应飞行时间的归一化结果，虚线曲线为图像中的均值，可以直观观察到某一行、列的厚度分布偏离均值的大小。9检测结果及评价针对莫来石纤维复合材料胶接组件胶接缺陷等级的划分，缺陷分级应符合表 1 的规定。表 1  粘接质量缺陷分级10检测记录和检测报告10.1检测记录应按本文件要求记录检测数据及信息，除此之外，还应至少包括检测报告中的内容，并按照相关标准或合同要求保存所有记录。检测前检查莫来石纤维复合材料胶接组件表面是否有损伤，检测时如发现波形或检测图像出现异常，应如实记录，并在检测结果中注明。10.2检测报告检测报告应包括以下内容：a)莫来石纤维复合材料零件编码；b)莫来石纤维复合材料零件名称；c)检测方法标准；d)检测设备名称和型号；e)检测的胶接界面（如胶接界面 I、胶接界面）；f)记录检测结果：胶层厚度均匀性检测结果；均匀性分布云图；胶接界面 I、胶接界面缺陷面积及总缺陷面积比等；g)绘制缺陷图，包含所检缺陷的胶接界面、计算缺陷面积等；h)结论；i)检测单位、人员、检测日期；j)检测人员签字。11学兔兔标准下载T/CSTM 00433-2023附录 A（资料性）起草单位和主要起草人本文件起草单位：长春理工大学、长春理工大学中山研究院、成都神龙爵光电科技有限公司、中航工业成都飞机设计研究所、航空工业成都飞机工业（集团）有限责任公司、中国航天科技集团有限公司第一研究院、中国航天科工集团第三研究院。本文件主要起草人：任姣姣、李丽娟、张丹丹、顾健、张霁旸、梁嵬、张庆茂、王悦、屈强、马寅魏、张祥林。12