JSPEC 《光谱学 2314-4939 2314-4920 Hindawi 10.1155 /二百三十一万二千九百三十六分之二千〇二十〇 2312936 研究文章 太赫兹光谱和民用飞机复合材料缺陷的成像检测 钟 面 1 刘 兵围 1 https://orcid.org/0000-0002-7342-0677 里 陈 2 王 Zhiqi 2 https://orcid.org/0000-0003-3999-3911 魏 东山 3 https://orcid.org/0000-0002-0403-4182 周 箱子 4 戴 兴ydF4y2Ba 1 https://orcid.org/0000-0001-8080-7880 徐 王亚军 1 汗 Rizwan哈桑 1 航空工程学院 中国民航飞行大学 广汉618307 中国 cafuc.edu.cn 2 深圳太赫兹技术与创新学院 深圳518110 中国 3 电气工程与智能化学院 东莞理工大学 东莞市523808 粤 中国 dgut.edu.cn 4 无损检测和校准中心 北京飞机维修工程有限公司成都分公司 成都610202 中国 2020 20 2 2020 2020 18 09 2019 11 12 2019 04 01 2020 20 2 2020 2020 版权所有©2020 这是知识共享署名许可，允许在任何媒体不受限制地使用，分发和复制下发布的开放式访问文章，提供原工作正确引用。

复合材料以其优异的性能，日益成为飞机结构重量的重要组成部分。飞机在使用期间可能会发生不同类型的损坏，给飞机带来潜在的安全风险。摘要为了研究碳纤维增强聚合物复合材料层合板的缺陷损伤检测及其光谱特征和成像，采用THz时域反射成像系统对复合材料低速冲击损伤缺陷进行了检测。结果表明，冲击损伤缺陷与非缺陷存在明显的THz光谱差异。低速冲击损伤缺陷的有效检测频带为0.12-2.0 THz。在时域中，缺陷的频谱相对于非缺陷的频谱存在衰减和延迟。在频域内，随着频率的增加，缺陷的功率谱密度先增大后减小，吸收系数缓慢增大。总的来说，时域成像的成像效果优于频域成像，不仅适用于缺陷的定性检测，而且在定量检测方面也有很大的潜力和应用前景。该工作对应用太氢技术检测民用飞机复合材料缺陷具有重要的指导意义。

 国家重点R＆中国的d计划 2018年yfc0809500 2017年yff0106303 四川省科学技术厅 2018GZ0497 2019YFG003 中国民航飞行大学项目 BJ2016-04 J2018-56 CJ2019-01 1.介绍

复合材料以其高比强度、高刚度、良好的抗疲劳和耐腐蚀性能在航空领域得到广泛应用，在飞机结构重量中所占比例显著增加[ 1， 2]。由于复合材料的特殊性，可能会发生在它们的生产和服务过程中不同类型的损伤，例如孔隙，分层，表面划痕和裂纹，脱粘和脱胶[ 3]。与金属材料相比，复合材料的损伤和破坏模式更为复杂[ 4]。在职飞机的复合材料组件很容易受到低速而造成的损害,影响鸟类罢工,冰雹冲击,维护工具的影响。这类损伤的存在是导致飞机安全隐患的重要因素[ 五]。此外，在表面上很难观察到这些类型的损伤。其他检测设备的帮助下,它具有重要意义使用准确、有效的无损检测技术来检测复合材料的低速冲击损伤,确保飞机的安全运行 6， 7]。

最近，许多无损检测技术用于民用航空器存在，包括激光超声方法[ 8， 9，红外线热成像法[ 10- 12，以及电子散斑干涉术(ESPI) [ 13， 14]。然而，这些方法各有其优缺点。例如，在超声波检测，偶联剂是必要的，所接收的信号的信噪比是将超声波衰减差，由于，对应的检测探针必须针对不同的缺陷相匹配。红外热像仪的成像检测分辨率严重由检测器本身的性能的限制，高性能的检测设备的成本是非常高的，并且缺陷的定量分析往往表现出由热扩散的影响的错误。激光散斑技术在材料缺陷灵敏度差的问题，定量困难。

A terahertz wave is an electromagnetic wave with frequency between 0.1 and 10 THz. With the development and application of terahertz sources and advanced terahertz testing equipment, the potential of terahertz technology in fabricating nonconductive material detection has been exploited, and it also has unique advantages in nondestructive testing of composites [ 15， 16]。近年来，研究人员在太赫兹技术的复合材料检测领域进行了一些研究。Hsu等利用太赫兹波对玻璃纤维增强塑料层合板进行无损检测，结果表明太赫兹脉冲可以检测玻璃纤维增强塑料层合板中的微裂纹[ 17]。Jordens等利用太赫兹时域光谱研究了玻璃纤维增强复合材料的纤维取向和纤维含量，并对其折射率特性进行了测量和分析，验证了太赫兹时域光谱和成像技术用于玻璃纤维增强复合材料无损检测的可行性[ 18]。Abina等。通过分析的聚合物泡沫增强塑料太赫兹光谱研究了微胶囊化相变材料的相变过程中，和在泡沫结构内的缺陷通过太赫兹成像振幅被清楚地检测到[ 19]。兴等人。reported that the 0.05–0.6 THz band is the effective detection frequency band of polymethacrylimide (PMI) foam composites by analyzing the terahertz spectral characteristics of two kinds of PMI foam composites [ 20]。王等人。studied the spectral characteristics and regularity of three kinds of aviation glass-fiber composites and their matrix resins in the range of 0.2–1.0 THz band and provided a guide for the application of terahertz nondestructive testing in aviation composites [ 21]。然而，据我们所知，存在通过太赫兹光​​谱和成像技术没有检测和碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料的低速冲击损伤缺陷分析的报告。

在这项工作中，太赫时域光谱和成像技术被用于无损检测CFRP复合材料层压板低速冲击损坏的缺陷。缺陷的太赫兹光谱萃取，并系统地分析其特性。得到的缺陷的时域和频域成像显示器，以及这些缺陷的检测，鉴别和分析。

 2.实验的细节 2.1。实验标本

所研究的样品T300 /商品名Cycom 970与一个铺设模式复合材料层压板[0/45/90 / -45]12尺寸210 mm×70 mm×2.6 mm，由西安飞机工业(集团)公司提供。该纤维为交叉编织织物，单预浸料厚度为0.216 mm。该材料被用于波音747-8飞机的内襟翼和客机梁。根据ASTMD7136/D7136M-07规范，采用落锤低速冲击试验装置进行冲击试验。撞击锤是一个直径为12.7毫米、质量为1公斤的钢制半球。试件的冲击能为3.67 J，模拟了实际维修过程中由于飞机复合结构刀、扳手等维修工具的冲击而产生的自由落体冲击现象。

 2.2。实验仪器

使用的是一台CCT-1800系列太赫兹时域光谱(THz-TDS)成像系统(中国通信技术有限公司，中国)，此外还有一台太赫兹时域光谱分析仪、反射成像模块和数据采集系统以及分析软件。反射模式下的THz-TDS成像系统原理图如图所示 1。780纳米纤维飞秒激光(Menlo系统、德国)系统中作为激励源。系统通过分束镜分为泵浦光束和探测光束，分别转换成激发光谱稳定的太赫兹波和接收光谱稳定的太赫兹波，分别为0.06 ~ 4thz。光延迟为54 ps，光谱分辨率达20 GHz，动态范围达80 dB。采用THz-TDS反射成像模式在二维平台上对标本进行扫描。波形采样率为15 Hz，最小扫描步长为0.08 mm，最大扫描范围为50 mm×50 mm。

反射模式下的THz-TDS成像系统原理图。

 2.3。实验过程

实验过程中，环境温度控制在23±1℃，湿度控制在40%以下。氮气不断注入反射模块，以消除测试过程中水蒸气对环境的干扰。发射机发射的入射THz波进入试样，并将试样放置在成像系统的焦平面上，带着检测信息返回，最终被接收机接收，如图所示 1。金反射镜组试验作为氮置换后的参考信号。二维扫描后，获得的太赫兹时域脉冲波形和对应于各扫描点的三维矩阵的数据。通过傅立叶获得相应的频域数据变换为时域波形。之后的数据的分析和在时域和频域中，最大峰值成像，最小峰值成像，时间飞行最大成像，时间飞行最小成像，峰的峰成像，和缺陷之间的频谱振幅差分处理nondefect试验根据太赫兹光谱的数据特征进行。在频域中，功率谱密度和吸收系数的特征频率进行了分析和用于成像，从而实现标本无损检测[ 22]。

 3。结果与讨论 3.1。时域波形和成像

数字 2给出了缺陷和非缺陷样本的太赫兹时域信号波形。从图中可以看出 图2（a）该样品信号呈现的幅度衰减和相对于所述参考信号的时间延迟。此外，在缺损部位的振幅信号强度也具有比在nondefect位点更大的衰减和时间延迟。The maximum amplitude of the defect site is approximately 32% of the nondefect sites, and the time delay is 1.19 ps. Because of the different reflection, transmission, and loss of the signal in the discontinuous interface composed of air or resin between composite layers, the amplitudes of the reflected signal that was detected are therefore different. The time delay in the reflection signals of the defective and nondefective parts is due to the different refractive indexes of air and resin. Figure 2 (b)示出了在时域中的缺陷和nondefect位点之间的信号幅度的差。在时间轴上，缺陷和在不同的时间点nondefect之间的差异是完全不同的，并且可以根据当地的特征值来执行成像。

实验样品的太赫兹波形：（a）中的时域波形;（b）该缺陷和nondefect位点之间的时域信号的振幅差。

数字 3显示时域信号成像结果的缺陷检测标本。数据 3(一个)- 图3（e）提出了基于最大峰值，最小峰值，最大飞行时间，最小飞行时间，和峰值在时域中的成像结果，分别。清楚的是，这些成像效果明显比通过选择缺陷和nondefect位点的幅度之间的差异的特征时间获得的那些弱。如从图看到的 图3（f）- 3（j）的，前者成像只显示一小部分严重受损结构区域，但并不能完全显示样品中的冲击损伤的缺陷。此外，它还具有较低的分辨率和边缘模糊的缺点。振幅差成像的结果是由于之间的振幅差 Ť = 6.85 ps and Ť= 11.89 ps较小，对应图像中缺陷与非缺陷的对比度较弱，边缘模糊，难以完全区分冲击损伤缺陷。但缺陷图像与无缺陷图像的对比度明显，边缘清晰 Ť = 8.58, 9.52, and 10.68 ps, where the defect expands from the impact center to an approximately circular area. It is helpful to distinguish the impact damage in the specimen completely, so the defect can be detected quantitatively.

试件缺陷处时域信号成像:(a)时域最大峰值;(b)时域最小峰值;(c)最长飞行时间;(d)最低飞行时间;(e)峰;(f) Ť= 6.85 ps;(g) Ť = 8.58 ps; (h) Ť = 9.52 ps; (i) Ť= 10.68 ps;(j) Ť= 11.89 ps。

因为振幅差异最大的时候 Ť = 9.52 ps, the image was used to segment and extract the defect, as shown in Figures 图4（a）和 图4（b），和Ťhe defect area was 210.125 mm2。We have used thermal imaging technology to detect the defect and obtained that the defect area is 202.742 mm2，这在图中示出 图4（c）和 图4（d）,分别。结果表明，太赫兹成像的分辨率明显高于红外成像，且边缘不模糊，有利于缺陷的提取。比较两种技术的检测结果，相对误差为3.6%，可以满足在用飞机CFRP复合材料的损伤检测要求。结果表明，太赫兹时域光谱和成像技术对此类缺陷的检测具有较高的精度。

检测图像和提取结果在试样的缺陷：（a）中的时域信号成像;（b）中的时域信号的成像缺陷提取结果;（c）中红外成像;（d）缺陷提取红外成像的结果。

 3.2。功率谱密度波形与成像

数字 五示出了功率谱密度波形和缺陷和在试样中nondefect位点之间的幅度差。可以清楚地从图中可以看出 图5（a）在缺陷反射信号的一般趋势和nondefect在频域是先增加然后减少越来越频繁。据报道，聚合物树脂在太赫兹波段的吸收和耗散较低，主要是由于偶极极化和弛豫耗散[ 21]。缺陷处的频域信号在0.31太赫兹处达到峰值，非缺陷处的频域信号在0.39太赫兹处达到峰值，且缺陷处的幅值与非缺陷处的幅值相对。缺陷的衰减主要是由于夹层树脂和空气在太赫兹范围内的吸收光谱不同，以及试样结构本身和缺陷的光分散和吸收。当频率小于0.12 THz时，频域信号基本相同，当频率大于2.0 THz时，两个信号衰减严重，其中含有大量的干扰噪声。因此，该缺陷的有效检测频带为0.12-2.0 THz。从图中可以看出 图5（b）该缺陷与nondefect之间的振幅差波形不是均匀的，并且有局部特征值。的相应的频率点 F = 0.25, 0.81, and 1.08 THz at the peak of the amplitude difference are selected for imaging, and the corresponding detection results are illustrated in Figure 6。

(a)功率谱密度波形。(b)功率谱密度振幅差。

试件缺陷处功率谱密度成像:(a) F = 0.25 THz; (b) F= 0.81太赫兹;(c) F= 1.08太赫兹。

 3.3。吸收系数和影像

数字 7显示了试样中缺陷和无缺陷吸收系数的波形及其幅值差。数字 7(一)可见，无缺陷部位的吸收系数保持相对稳定。缺陷部位的吸收系数总体趋势随频率的增加而缓慢增加，其值明显高于无缺陷部位。吸收系数的增加主要是由于碳纤维布缺陷处的结构破坏造成的，这与复合材料对太赫兹光的复折射率有关。此外，可以清楚地发现，当频率小于0.12 THz时，吸收系数的差异很小，在2.0 THz时出现噪声区。比较图 7(一)与图 图5（a）时，缺陷的吸收系数与其功率谱密度成反比。在图 7 (b)，在0.22、0.81和1.08 THz处存在明显的特征峰，对应于图中功率谱密度幅值差的特征点 图5（b）。上述特征峰被认为是由纤维结构、环氧树脂和试样缺陷引起的[ 16， 23]。对应的频率点 F选择缺陷与非缺陷吸收系数峰值差对应的= 0.22、0.81、1.08 THz进行成像，检测结果如图所示 8。

(a)吸收系数波形。(b)吸收系数振幅差。

试件缺陷处吸收系数成像:(a) F = 0.22 THz; (b) F= 0.81太赫兹;(c) F= 1.08太赫兹。

比较数字的结果 6和 8，it is concluded that the image with a larger amplitude difference between 0.81 and 1.08 THz is better than that with a smaller amplitude difference at F = 0.22 (or F = 0.25 THz). Moreover, the aforementioned images only show a small number of severely damaged areas in the impact center, and the delamination damage around the specimen is not considered. Therefore, the contrast of the images is relatively small, and the imaging effect is correspondingly low. Comparing the imaging results in the time domain and frequency domains, the imaging results in the time domain are better than those in the frequency domain.

 4。结论

在本文中，在CFRP层合板的冲击损害的缺陷是由太赫兹时域光谱和成像技术的影响。最大峰，最小峰值，最大飞行时间，最小飞行时间，和峰和振幅和功率谱密度和频域信号的吸收系数之间的差异的特征点被应用。在时域和频域测量数据进行比较和分析，以及时域，功率谱密度和吸收系数数据的成像分析根据缺陷的光谱特性分别进行。Results show that reflective terahertz imaging technology can be used to effectively distinguish low-velocity impact damage defects in carbon-fiber-reinforced composite laminates in the range of 0.12–2.0 THz band; furthermore, the time-domain signals of the defect area have an attenuation and delay comparable with those of the nondefect area. In the frequency domain, the power spectral density of defects is lower than that of nondefects. The power spectral densities of defects and nondefects decrease with increasing frequency after reaching peaks at 0.31 and 0.39 THz, respectively. In addition, the absorption coefficient at the nondefect sites remains stable, and the absorption coefficient at the defect sites increases slowly with fluctuation, which is generally higher than that of the nondefect sites. By analyzing terahertz time- and frequency-domain signals and amplitude differences and performing imaging analysis according to its local eigenvalues, the qualitative detection of low-velocity impact damage defect in experimental specimens can be measured. However, the imaging results are quite consistent from various imaging modes. Comparing the time- and frequency-domain imaging results, the imaging results of the time-domain detection are obviously better than those of frequency-domain detection. Thus, terahertz time-domain spectroscopy and imaging technology has great potential in the quantitative detection of low-velocity impact defects, and it is worthy of further study.

 数据可用性

用来支持这项研究的结果的数据是可用的，请相应的作者。

 的利益冲突

作者声明，本文的发表不存在任何利益冲突。

 致谢

该工作得到中国国家重点R＆d项目（编号2018YFC0809500和2017YFF0106303），科学技术（第2018GZ0497和2019YFG003）四川厅重点项目，以及中国民用航空飞行学院（NOS的项目支持。BJ2016-04，J2018-56和CJ2019-01）。作者也非常感谢李鹏的帮助。

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