[發明專利]一種用于纖維增強陶瓷基復合材料加工損傷的激光散射檢測裝置

有效

• 申請號: 202110631345.7
• 申請日: 2021-06-07
• 公開（公告）號: CN113340852B
• 公開（公告）日: 2022-06-07
• 發明（設計）人: 殷景飛;徐九華;蘇宏華;丁文鋒;傅玉燦;陳燕;楊長勇;張全利;趙正材;趙彪;錢寧
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G01N21/49
• 分類號: G01N21/49;G01N21/01
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 曹翠珍

本發明公開了一種用于纖維增強陶瓷基復合材料加工損傷的激光散射檢測裝置，包括激光器、擴束鏡、偏振分光鏡、積分球、聚焦透鏡組、針孔、信號采集系統和運動控制系統；信號采集系統包括光電探測器組、數據采集卡、計算機；運動控制系統包括運動控制器和樣品臺。激光檢測時，借助樣品臺的翻轉功能，調整激光入射角，獲得樣品損傷信號的分布特征，識別復合材料內不同類型損傷。借助積分球，可以收集表面散射光信號，并分析獲得材料表面的分布特征信息。采用了雙探測器探測，表面散射光探測器探測的光信號與亞表面損傷探測器探測的光信號進行歸一化和差分，可以盡可能減小表面散射光對亞表面損傷檢測的影響。借助XYZ三軸移動，實現樣品內部損傷的三維檢測。

技術領域

本發明涉及纖維增強陶瓷基復合材料亞表面損傷的無損檢測技術，特別是一種采用偏振激光散射檢測纖維增強陶瓷基復合材料亞表面損傷的裝置。

背景技術

目前針對加工纖維增強陶瓷基復合材料亞表面損傷檢測主要分為兩類，一類是破壞性檢測，另一類是無損檢測。破壞性檢測方法不需要依靠昂貴的設備，檢測工藝成熟，容易操作，但是破壞性檢測裝置和方法存在如下問題：（1）、零件需要破壞后再檢測，造成材料損失和生產成本增加。當檢測不同加工工藝（鋸切、磨削、研磨等）或加工參數條件下的半導體材料亞表面損傷時，需要將零件破壞并制成檢測試樣。纖維增強陶瓷基復合材料屬高硬脆極難加工材料，加工過程中刀具磨損嚴重，不同的刀具狀態下加工引入的亞表面損傷也不同。為了排除隨機誤差，提高有損檢測精度，需要針對不同刀具狀態下加工的材料進行檢測，則需要破壞材料進行檢測，造成大量的材料浪費，而纖維增強陶瓷基復合材料極其昂貴，因此采用破壞性檢測方法檢測纖維增強陶瓷基復合材料亞表面損傷成本高。（2）、檢測區域小，檢測效率低。破壞性檢測方法只針對于制備試樣局部的截面進行檢測，無法一次性評估整個材料的亞表面損傷分布狀況。為此，實際檢測中選取不同的檢測位置，進行多次取樣檢測。另外，纖維增強陶瓷基復合材料屬高硬脆極難加工材料，破壞性檢測方法的樣品制備需要經過多種工序，制樣周期長，大大降低了整體檢測效率。（3）、使用腐蝕劑有毒。破壞性檢測樣品制備完成之后往往需要經過腐蝕再用儀器設備檢測，纖維增強陶瓷基復合材料常用的腐蝕劑有毒性，對操作人員身體安全存在一定的威脅。（4）、破壞性檢測方法存在隨機誤差。隨機誤差來源主要有三方面。其一，破壞性檢測方法，不可能將所有位置的損傷都能檢出，存在漏檢的可能性；其二，纖維增強陶瓷基復合材料屬高硬脆材料，檢測樣品制備過程中，容易引入新的損傷，干擾檢測結果，其三，纖維增強陶瓷基復合材料本身存在氣孔等缺陷，影響檢測判斷。

無損檢測包括超聲檢測、X射線檢測、CT掃描檢測、數字圖像相關技術等，能夠檢測全局損傷，檢測效率高，適合集成到生產線上進行在線檢測。但大部分無損檢測方法可靠性較差，并且容易受到其他因素的干擾。超聲檢測除了亞表面損傷信號之外，還存在表面粗糙度散射信號、由超聲波發生和傳輸原件中不均勻性引起的散射信號以及材料原有的氣孔等缺陷散射信號等，不利于亞表面裂紋信號的分析和檢測。纖維增強陶瓷基復合材料亞表面損傷有氣孔、裂紋、分層等多種損傷形式。超聲檢測難以區分檢測亞表面損傷形式。X射線檢測和CT掃描檢測都需要依靠昂貴的設備，檢測效率低并且檢測樣品的大小尺寸受設備限制。另外，操作過程中存在射線輻射，不利于檢測人員身體健康。數字圖像相關技術只能檢測表面裂紋等損傷，無法檢測亞表面損傷的分布。

偏振激光散射檢測方法在檢測中超精密磨削硅片亞表面損傷過程中發現，表面散射光與入射激光的偏振狀態基本保持一致，亞表面損傷散射光的偏振狀態與入射光明顯不同，通過偏振光學元件即可將亞表面損傷散射的光線從檢測光線中分離出來，進而排除了表面粗糙度的影響，實現對亞表面損傷的檢測。偏振激光散射檢測中表面散射光的偏振狀態與表面粗糙度大小和入射光的入射角直接相關，當檢測激光垂直入射樣品表面時，表面散射光對偏振激光散射檢測的結果影響最小。因此偏振激光散射檢測裝置在纖維增強陶瓷基復合材料亞表面損傷檢測中具有廣闊的應用前景。