太赫兹光谱和民用飞机复合材料缺陷的成像检测

摘要

复合材料越来越多地成为飞机结构重量的比例很高，由于其优异的性能。在飞机服役期，这将带来潜在的安全风险，飞机可能会出现不同类型的损害。为了研究该缺陷损坏的检测和其光谱特性和碳纤维增强的聚合物复合材料层压板进行成像，从在复合材料中的低速冲击损坏的缺陷是由太赫兹时域反射成像系统测量。结果表明，存在着冲击而损坏缺陷和nondefect之间明显的THz光谱差异。The effective detection frequency band for the low-speed impact damaged defect is 0.12–2.0 THz. In the time domain, there are attenuations and delays in the spectra of defects relative to those of nondefects. In the frequency domain, with the increase of frequency, the power spectral density of the defect first increases and then decreases, and the absorption coefficient increases slowly. In general, the imaging results in time-domain imaging are better than those from the frequency-domain imaging, which not only is suitable for the qualitative detection of defects but also has great potential and application prospects in quantitative detection. This work shows an important guide for the application of THz technology to detect the composite material defects in civil aircraft.

1.简介

复合材料已经广泛应用于航空领域，因为它们高的比强度，刚度和良好的抗疲劳性和耐腐蚀性，以及他们在飞机的结构重量比例显著增加[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]。与金属相比，复合材料的损坏和失效模式是更复杂的[4]。在役飞机的复合材料部件容易受到鸟击、冰雹冲击、维修工具冲击等低速冲击损伤。这类损伤的存在是导致飞机安全隐患的重要因素[五]。此外，这些类型的损伤是难以观察到表面上。与其他检测设备的帮助下，这是很有意义的使用准确，高效的无损检测技术来检测复合材料的低速冲击损伤，以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]，红外热成像方法[10-12]，和电子散斑干涉（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，研究人员已经在使用太赫兹技术的复合材料检测领域开展了一些研究。Hsu等人。使用太赫波来非破坏性检测中的玻璃纤维增​​强塑料层压材料的缺陷，其结果表明，太赫兹脉冲可以检测这样的材料的微裂纹[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等通过分析聚合物泡沫增强塑料的太赫兹光谱研究了微封装相变材料的相变过程，通过太赫兹振幅成像可以清楚地检测到泡沫结构内部的缺陷[19]。Xing等通过分析两种PMI泡沫复合材料的太赫兹光谱特征，得出0.05-0.6 THz波段是聚甲基丙烯酰胺(PMI)泡沫复合材料的有效检测频带[20]。Wang等研究了三种航空玻璃纤维复合材料及其基体树脂在0.2-1.0 THz波段范围内的光谱特征和规律，为太赫兹无损检测在航空复合材料中的应用提供了指导[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.实验细节

2.1。实验标本

试件为铺设模式为[0/45/90/-45]的T300/ cycom970复合材料层板。₁₂和dimensions of 210 mm × 70 mm × 2.6 mm, which was provided by Xi’an Aircraft Industry (Group) Company. The fiber was a cross-braided fabric, and the thickness of a single prepreg was 0.216 mm. The material was adopted for Boeing 747-8 inner flaps and passenger aircraft girders. According to the ASTMD7136/D7136M-07 specification, the impact test was carried out with a drop hammer low-speed impact test device. The impact hammer was a steel hemisphere with a diameter of 12.7 mm and a mass of 1 kg. The impact energy of the specimen was 3.67 J, which simulates the free-fall impact phenomena occurring during actual maintenance processes due to impacts on the aircraft composite structure knives, wrenches, and other maintenance tools.

2.2。实验装置

甲CCT-1800系列的太赫兹时域光谱（太赫兹TDS）成像系统（中国通信技术（CCT）有限公司，中国）被用来，除了太赫兹时域谱分析仪，反射成像模块和数据采集系统和分析软件。在反射模式中的THz-TDS的成像系统的示意图显示于图1。A 780 nm fiber femtosecond laser (Menlo Systems, Germany) was used as excitation source in the system. Via the beam splitting mirror, the system was divided into pump and probe beams, which were transformed to terahertz waves with a stable excitation and reception spectrum ranging from 0.06 to 4 THz, respectively. The optical delay was 54 ps, and the spectral resolution and dynamic range were up to 20 GHz and 80 dB, respectively. The THz-TDS reflection imaging mode was used to scan the specimens on a two-dimensional platform. The sampling rate of waveforms was 15 Hz, the minimum scanning step was 0.08 mm, and the maximum scanning range was 50 mm × 50 mm.

2.3。实验过程

During the experiment, the ambient temperature and humidity were controlled at 23 ± 1°C and below 40%, respectively. Nitrogen was continuously injected into the reflecting module to eliminate the interference of water vapor in the environment during tests. The incident THz wave emitted by the transmitter entered the test piece, which was placed at the sample table, i.e., the focal plane of the imaging system, returned with testing information, and was finally received by the receiver, as shown in Figure1。氮净化后，金镜作为参考信号进行了测试。二维扫描后，得到各扫描点对应的THz时域脉冲波形和三维矩阵数据。对时域波形进行傅里叶变换，得到相应的频域数据。数据分析和处理后在时间和频率域,最大峰值成像,最小峰值成像,最大飞行时间成像,最低飞行时间成像,peak-of-peak成像和光谱幅度区别缺陷和nondefect测试进行数据显示的太赫兹光谱的特征。在频域，对功率谱密度和吸收系数的特征频率进行分析并进行成像，从而实现试件的无损检测[22]。

3。结果与讨论

3.1。时域波形和成像

数字2示出了缺陷和nondefect试样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图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。

数字3显示了试样缺陷的时域信号成像结果。数据图3（a）-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，前者的成像仅显示了少量严重受损的结构区域，而没有充分显示标本的冲击损伤缺陷。此外，它还存在分辨率低、边缘模糊等缺点。振幅差成像的结果是由于振幅差的影响Ť= 6.85 ps andŤ = 11.89 ps being small, the contrast between the defect and nondefect in corresponding images being weak, and the edge being blurred, which makes it difficult to completely distinguish the impact damage defect. However, the image contrast between the defect and the nondefect is obvious, and the edge is clear atŤ = 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.

因为幅度差是最大的当Ť = 9.52 ps, the image was used to segment and extract the defect, as shown in Figures4(一)和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。它可以发现，太赫兹成像的分辨率比红外成像的明显更高，且边缘不模糊，这是缺陷的提取有益的。通过比较这两种技术的结果，相对误差为3.6％，这是满意的在役飞机的CFRP复合材料的损伤检测的要求。结果表明，太赫兹时域光谱和成像技术具有在检测到这样的缺陷的更高的精度。

3.2。功率谱密度波形与成像

数字五显示了试样中缺陷处与非缺陷处的功率谱密度波形及其幅值差。从图中可以清楚地看到图5（a）在频域内，反射信号在缺陷和非缺陷处的一般趋势是随频率的增加先增大后减小。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]。The frequency-domain signal at the defect reaches its peak at 0.31 THz, and the frequency-domain signal at the nondefect reaches its peak at 0.39 THz, and the amplitude at the defect is relative to that at the nondefect. The attenuation of the defect contributes to the different absorption spectra of the interlayer resin and air in the terahertz frequency range, as well as to the light dispersion and absorption of the specimen structure itself and the defect. When the frequency is less than 0.12 THz, the frequency-domain signals are basically the same, and the two signals attenuate seriously after becoming larger than 2.0 THz, which contains a significant amount of interference noise. Therefore, the effective detection band for this defect is 0.12–2.0 THz. It can be seen in Figure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选取振幅差峰值处= 0.25、0.81、1.08 THz进行成像，检测结果如图所示6。

3.3。吸收系数与成像

数字7示出了吸收系数的波形和样品中的缺陷和nondefect之间的其振幅差。数字图7（a）清楚地表明，nondefect部位的吸收系数保持相对稳定。的随着频率的增加慢慢缺损部位增加的吸收系数的总体趋势，其值比nondefect站点的显著更高。吸收系数的增加主要是在CFRP的缺陷，这是关系到复合材料的复数折射率，以太赫兹光所造成的结构破坏。In addition, it is clearly found that the difference of absorption coefficient is small when the frequency is less than 0.12 THz, and the noise region appears at 2.0 THz. Comparing Figure图7（a）与图图5（a）中，缺陷的吸收系数是负相关的其功率谱密度。在图图7（b），obvious characteristic peaks exist at 0.22, 0.81, and 1.08 THz that correspond to the characteristic points of the power spectral density amplitude difference in Figure图5（b）。上述特征峰被认为是由纤维结构，环氧树脂，和缺陷在标本[引起16，23]。对应的频率分F = 0.22, 0.81, and 1.08 THz corresponding to the peak value difference of the absorption coefficient between the defect and nondefect are selected for imaging, and the corresponding detection results are shown in Figure8。

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 atF = 0.22 (orF = 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

采用太赫兹时域光谱和成像技术对碳纤维布复合材料层合板的冲击损伤缺陷进行了研究。给出了频域信号的最大峰、最小峰、最大飞行时间、最小飞行时间以及峰幅差、功率谱密度与频域吸收系数差的特征点。对时域和频域测量数据进行对比分析，根据缺陷的光谱特征分别进行时域、功率谱密度和吸收系数数据的成像分析。结果表明，在0.12-2.0 THz波段范围内，采用太赫兹反射成像技术可以有效区分碳纤维增强复合材料层合板低速冲击损伤缺陷;此外，缺陷区域的时域信号与非缺陷区域的时域信号具有相当的衰减和延迟。在频域内，缺陷的功率谱密度低于无缺陷的功率谱密度。缺陷和非缺陷的功率谱密度分别在0.31 THz和0.39 THz达到峰值后，随频率的增加而减小。此外，非缺陷处的吸收系数保持稳定，缺陷处的吸收系数随波动缓慢增加，一般高于非缺陷处的吸收系数。通过分析太赫兹时、频域信号和幅值差异，并根据其局部特征值进行成像分析，可以对实验样品的低速冲击损伤缺陷进行定性检测。然而，不同成像方式的成像结果是相当一致的。 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。

利益冲突

作者宣称，有感兴趣的关于这篇文章的发表任何冲突。

致谢

该项目由国家重点研发项目(编号:2018YFC0809500、2017YFF0106303)、四川省科技厅重点项目(编号:2018GZ0497、2019YFG003)、中国民用航空飞行大学项目(编号:BJ2016-04、J2018-56、CJ2019-01)资助。作者也非常感谢李鹏的帮助。

参考文献

1. K. B. Katnam, L. F. M. Da Silva, T. M. Young，“复合材料飞机结构的粘合修复:科学挑战和机遇的回顾”，在航空航天科学进展卷。61，第26-42，2013。查看在：出版商网站|谷歌学术
2. N.Keršienė，L.Raslavičius，A.Keršys，R.Kažys和E.Žukaus，“损害生长和断裂初始在航空复合材料结构的ENERGO机械的评价，”聚合物塑料技术及工程卷。55，没有。11，第1137-1144页，2016。查看在：出版商网站|谷歌学术
3. A.贝克，A. J. Gunnion和J.王，“保税维修初级复合飞机部件的认证，”该杂志的附着力卷。91，没有。1-2，第4-38，2015。查看在：出版商网站|谷歌学术
4. S. Sfarra，C.伊瓦拉-Castanedo，C.桑图里等人，“落锤冲击玻璃和玄武岩纤维机织复合材料使用非破坏性技术检查，”复合材料B部分:工程卷。45，没有。1，第601-608，2013。查看在：出版商网站|谷歌学术
5. 李玉华，张文伟，张志伟。杨,J.-Y。张,S.-J。Tao，“碳纤维增强聚合物(CFRP)低速冲击损伤的红外热成像表征”，红外物理与技术卷。76，第91-102，2016。查看在：出版商网站|谷歌学术
6. A.卡图宁，K.德拉甘和M. Dziendzikowski，“在飞机的复合材料结构损伤识别：使用各种非破坏性检测技术的情况下研究，”复合材料结构，第127卷，2015年第1-9页。查看在：出版商网站|谷歌学术
7. I. Taraghi和A. Fereidoon“的进行低速冲击在纳米复合材料泡沫夹芯板损伤模式非破坏性评价，”复合材料B部分:工程卷。103，第51-59，2016。查看在：出版商网站|谷歌学术
8. r.quintero, F. Simonetti, P. Howard, J. Friedl, A. Sellinger，“陶瓷基复合材料的非接触激光超声检测”，NDT＆E国际卷。88，第8-16，2017。查看在：出版商网站|谷歌学术
9. I. Pelivanov，T.咘马，夏J.，C.-W.韦，和M. O'Donnell的“一个新的光纤的非接触紧凑激光超声扫描仪的快速无损检测和飞机的复合材料的评价，”应用物理学杂志卷。115，没有。11，文章编号113105，2014年查看在：出版商网站|谷歌学术
10. V. P.瓦维洛夫，“动态热断层扫描：最近的改进和应用，”NDT＆E国际卷。71，第23-32，2015年。查看在：出版商网站|谷歌学术
11. U. Polimeno，D. P.杏仁，B.威克斯和E. J. W.陈“为复合材料的检验的紧凑热超声检查系统，”复合材料B部分:工程卷。59，第67-73，2014。查看在：出版商网站|谷歌学术
12. A. Poudel，K. R.米切尔，T. P.楚，S. Neidigk，和C.雅克，“通过使用红外热成像复合维修的非破坏性评价，”杂志复合材料卷。50，第1-13，2015。查看在：出版商网站|谷歌学术
13. D. Findeis，J. Gryzagoridis，和C.隆贝，“比较用于飞机的复合材料NDE红外热和ESPI，”洞察力无损检测和状态监测卷。52，没有。5，第244-247，2010。查看在：出版商网站|谷歌学术
14. A. M. Amaro, P. N. B. Reis, M. F. S. F. De Moura，和J. B. Santos，“使用几种无损检测技术对层压复合材料的损伤检测，”洞察力无损检测和状态监测第54卷，no。1，第14-20页，2012。查看在：出版商网站|谷歌学术
15. M. E.易卜拉欣，“厚截面复合材料和夹层结构的无损评价：回顾”复合材料A：应用科学与制造卷。64，第36-48，2014。查看在：出版商网站|谷歌学术
16. J.章，C. C.施，Y. T. Ma等人，“碳纤维增强塑料复合材料的太赫兹反射和透射特性的光谱研究，”光学工程第54卷，no。5，文章ID 054106，2015年。查看在：出版商网站|谷歌学术
17. D. K.许，K. S.李，J.W。Park等人，“在风力涡轮机复合材料的太赫兹波的NDE检查”，国际杂志精密工程与制造的卷。13，没有。5，第1183至1189年，2012。查看在：出版商网站|谷歌学术
18. C. Jordens, M. Scheller, S. Wietzke等，“太赫兹光谱学研究增强塑料中玻璃纤维的取向”，复合材料科学与技术卷。70，没有。3，第472-477，2010。查看在：出版商网站|谷歌学术
19. A. Abina，U.市局，A.Jeglič，和A.Zidanšek，“使用太赫兹光谱和太赫兹脉冲成像热建筑保温材料的结构表征，”NDT＆E国际卷。77，第11-18，2016。查看在：出版商网站|谷歌学术
20. 邢丽云，崔宏利，石正昌等，"太赫兹下PMI泡沫复合材料性能的实验研究"，光谱学与光谱分析第35卷，no。12, 2015年3319-3324页。查看在：谷歌学术
21. 王，李祥云，张泰义等，“太赫兹时域光谱法研究飞机复合材料及其基体树脂”，光谱学与光谱分析卷。38，没有。9，第2706至2712年，2018。查看在：谷歌学术
22. N. Palka，R. Panowicz，和F. Ospald，“3D由太赫兹时域谱分析在聚乙烯的复合装甲穿刺非破坏性成像，”[红外，毫米波，以及太赫兹波卷。36，没有。9，第770-788，2015。查看在：出版商网站|谷歌学术
23. J.张，李W.，H.-L.Cui等人，“碳纤维的无损评估增强的使用反射太赫兹成像聚合物复合材料，”传感器卷。16，没有。6，第875-886，2016。查看在：出版商网站|谷歌学术

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