CFRP复合材料缺陷的红外雷达热波成像与层析检测研究

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随着航空航天、核工业及医学生物工程等领域的发展,传统材料已无法满足实际应用所需的高比强度、高比模量以及高耐热性要求。近年来,材料科学技术飞速发展,结合两种或两种以上材料优异性能的复合材料与涂层结构大量涌现,如碳纤维增强复合材料(Carbon fiber reinforced polymer,CFRP)、功能涂层结构及仿生涂层结构等。由于CFRP复合材料与涂层结构等材料是通过人工设计能够被赋予优异的性能与功能,因此广泛应用于现代化工业领域。CFRP复合材料及涂层结构与单一成分材料不同,此类材料表现为较强的各向异性且内部存在界面效应,在生产加工或使用过程中,层间易产生气孔、鼓包、脱粘及分层等不同类型缺陷与不可见冲击损伤等,这些缺陷或损伤严重影响材料或结构的使用性能。因此,对于CFRP复合材料与涂层结构而言,如何能够有效、精准地对内部缺陷进行检测与识别已成为该领域研究热点和难点。红外雷达热波成像与层析检测技术具有非接触、探测面积大、直观及高效等优势,为CFRP复合材料及涂层结构的无损检测与层析成像提供了新方法与新思路。因此,本文针对CFRP复合材料及涂层结构分层缺陷的红外雷达热波成像与层析检测技术开展了深入研究。
  首先,建立了连续线性调频/脉冲雷达形式热流作用有限厚度单层介质诱导热波的一维数学模型,分析了单层介质深度梯度对热波时域变化的影响,明确了不同形式热流激励的适用性。建立了连续/脉冲雷达形式热流作用于CFRP复合材料内部缺陷的三维有限元热传导模型,仿真分析了温度场分布与变化历程;提出了基于分数阶傅里叶变换(Fractional Fourier transform,FrFT)与双路正交解调(Dual orthogonal demodulation,DOD)算法的连续/脉冲雷达热波特征提取方法,分析了热流调制参数与内部缺陷尺度对雷达热波特征的影响与规律。
  其次,搭建了红外雷达热波成像检测系统,基于Labview开发了红外雷达热波软件系统,实现了硬件平台的有效控制与数据的高效传输;对CFRP复合材料与热障涂层结构平底孔模拟分层缺陷试件进行了连续线性调频/脉冲雷达形式热流激励的检测实验研究,研究了调制参数与缺陷尺度对连续线性调频/脉冲雷达热波特征的影响及规律,进而验证了理论与仿真分析的正确性。
  再次,研究了基于热波特征图像对比度增强、滤波与图像分割及形态学处理的缺陷识别与尺寸量化表征方法。为了减少横向热扩散效应对缺陷识别与判定的影响,提出了抑制横向热扩散效应的类光流法,并通过仿真与试验对其适用性进行了验证;采用Hit/miss统计方法评估了红外雷达热波成像检测CFRP复合材料分层缺陷的检测能力。
  最后,研究了红外雷达热波层析成像方法,采用快速Fourier变换与时间延迟相关DOD算法提取脉冲雷达热波信号的频域与时域特征序列,建立了基于初始延迟时间DOD幅值特征序列重构的脉冲雷达层析成像方法;采用该方法实现碳纤维/玻璃纤维复合材料C/GFRP缺陷与SiC涂层C/C复合材料内部结构的红外雷达热波层析成像检测。利用超声波脉冲反射板C扫描成像方法与脉冲雷达层析成像方法对CFRP复合材料分层缺陷进行了对比试验分析。
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