无损检测技术在陶瓷材料检测中的应用

邹斌 帅心容 李超

（1南昌市建筑科学研究所，江西 南昌 330063；2景德镇东升建设质量检测科技有限公司，江西 景德镇 333000）

1 引言

随着当前时代的发展，陶瓷材料的运用已经不局限于摆设品、食器和装饰材料。由于其具备耐高温、耐磨损、耐腐蚀等特殊物理化学性能，故在现代化工、航空航天等领域均运用广泛，常用以制备各种精密零部件用以替代传统材料。陶瓷材料制备工艺复杂、流程多，同批次材料的质量差异较大，故对陶瓷材料的质量把控尤为重要。陶瓷材料本身的高脆性、低韧性的特点，微小缺陷的存在也容易在缺陷处造成应力集中，迅速破坏。从而陶瓷材料的缺陷要求要远高于金属或复合材料1～2个数量级，对于精密的零部件需检出的缺陷大小为1～30μm。整个生产过程中容易产生的缺陷有：表面、内部裂纹；表面、内部气孔；表面落渣及缩釉；内部夹层等。由于表面缺陷危害性较大并且影响到制品的外观质量，因此对表面缺陷的质量把控更加重要。

传统的陶瓷工业中，多采用敲击法、目视法来判断陶瓷制品中缺陷的存在及缺陷的大致位置，该种方法显然不能满足现代陶瓷工业的要求，因此研究一种适合现代陶瓷工业的无损检测方法尤为重要。无损检测技术（nondestructive testing，NDT），意义在不会对检测对象的有效性及可靠性产生破坏的前提下，对被检对象的整体质量（缺陷、损伤）进行定位及定量。无损检测的常规五大检测方法分别是：超声法、射线法、磁粉法、渗透法、涡流法。随着工业技术的发展，新型的无损检测技术也不断涌现，例如：超声TOFD检测技术，数字射线技术、巴克豪森噪声无损检测技术、红外热成像检测技术。

2 超声检测在陶瓷材料检测中的应用

超声检测是通过超声换能器发射超声脉冲波通过耦合介质传输到被检对象内部，观察被检对象内部的缺陷回波或底面反射波来判断缺陷的存在及位置。超声法在探测被检对象的内部缺陷具有一定的优势，例如陶瓷材料的内部裂纹、气孔、夹渣分层等。同时，超声检测可以检测陶瓷材料厚度、密度的均匀性。

超声C扫描技术与常规超声相比较能够提取更为完整的声波传播特征信息，对陶瓷材料的内部缺陷有较高的分辨力，对于陶瓷材料的多层层叠整个深度内的裂纹和不连续性具有显著优势。水浸超声法将被检对象置于水中，超声换能器不与被检对象表面直接接触，用水作为耦合介质（检测原理图略）。该检测具有以下优点：1）由于耦合介质水层的存在，探头不需要和工件直接接触，因此检测过程基本不会受陶瓷材料表面粗糙度的影响，并且可使得检测“盲区”只在耦合介质水层，不影响实际检测过程；；2）水浸扫描可实现自动化检测，为检测提供方便；3）水浸聚焦探头由于声束的汇聚，能使得超声波主要能量集中在被检测工件需要检测部位，可满足检测达到较高的分辨率和灵敏度。

超声波换能器频率的选取尤为关键，频率的选取影响缺陷检出的灵敏度及分辨率。对于厚度较小、声衰减较小的检测对象一般选择高频探头，而厚度较大、声衰减较大的检测对象则选择高频探头。研究表明：当换能器频率选为25Mhz时，可检出陶瓷材料表面以下2mm深处长度约为10～75μm的条形缺陷；当换能器频率选为15Mhz时，可检出30μm左右的点状缺陷；当换能器频率选为30Mhz时，可检出20μm左右的点状缺陷。

超声显微镜（ultrasonic microscope）是利用缺陷的声阻抗率、声衰减与陶瓷材料本身的差异来判断缺陷的存在，工作频率一般在100Mhz以上。由于高频超声波波长较短，能量较低，衰减迅速。陶瓷材料声衰减系数较大，因此难以发现深度较大的缺陷。当使用10-100Mhz的低频SAM技术时，可发现距离陶瓷材料表面500μm深处，直径为130μm的体积型缺陷和10～15μm宽的表面裂纹以及400μm的分层缺陷。

3 红外成像检测技术在陶瓷制品中的应用

红外热成像检测技术是通过不同的可控热激励源对被检对象进行加热，若被检对象存在缺陷，瞬态的热能量传导可使得被检对象表面的温度场与内部温度场产生差异，用红外热像仪连续采集被检对象温度场变化的热谱图并进行图像处理，即可对被检对象的缺陷进行定位及定量。红外热成像检测技术具有非接触、速度快、面积大、操作简单、适用面广、可在线检测等优点。

根据激励形式的不同可分为光脉冲热成像、超声激励红外热成像、电磁激励红外热成像。光脉冲热成像较为传统，热激励源为高能脉冲闪关灯，激励源在被检对象表面形成热能量波并向被检对象内部传播，当遇到内部缺陷时，热能波传播形式发生改变。该现象可被热像仪捕捉，经过信号处理及图像识别等技术可较为准确的判断缺陷的大小及位置。其他的红外成像技术还有：锁相红外热成像、脉冲相位热成像、泰赫兹激励的红外热成像。

红外热成像技术在薄壁陶瓷材料缺陷检测中有所优势，能检出的缺陷有：空洞、脱粘层、裂纹及杂质等。红外无损检测方法较其他检测方法有以下优点：1）反应迅速，显示直观。适合大批量、大面积检测；2）空间分辨力高；3）可完全实现自动化检测。

4 结论与展望

适合陶瓷制品检测的超声法有：超声C扫描检测技术、超声显微镜技术。超声法对于缺陷的分辨力、检出率较高，可用于生产工艺研究时产品质量的把控。红外热成像技术检测速度快，缺陷显示直观，可用于批量生产时产品质量的把控。随着当代陶瓷材料在工业中的广泛运用，对于陶瓷材料的制作工艺、产品质量的要求越来越高。因此，实现超声C扫描自动化检测是今后的研究重点。