碳素材料内部缺陷的检测方法的研究

摘 要：碳素材料是当前比较常见的一种无机非金属材料，由于其特殊的性质和性能，因而在很多领域中都逐渐得到广泛的应用。不过，也正是因为碳素材料本身的原因，导致其无损检测面临着很大的难度。无损检测是检测和发现碳素材料内部缺陷的重要方法，主要包括超声波检测、X射线检测、声发射检测等。应结合碳素材料自身特点，对各种检测方法加以分析，进而找出最适合碳素材料内部缺陷检测的方法，为碳素材料质量提供更大的保障。

关键词：碳素材料;内部缺陷;检测方法

0 引言

近年来，随着科技水平和工业水平的不断提升，碳素材料作为一种重要的无机非金属材料，在很多领域中都得到了广泛的应用，也发挥了越来越重要的作用。碳素材料具有化学稳定性良好、弹性模量较低、耐高温耐腐蚀性能强、自润滑强、导电性能好等诸多优势，在航天、竣工、国防等诸多领域，都能发挥重要作用。但是，由于燃素材料自身性质和工艺，在制造中容易出现内部缺陷，从而导致性能降低和寿命缩短。必须采取有效方法，将碳素材料内部缺陷准确检出，以保证其良好的应用效果。

1 碳素材料结构特性及对检测的影响

在碳素材料制品中，主要包括了两个部分，分别是粘结剂和骨料。其中，常见的骨料类型包括炭黑、无烟煤、天然石墨、冶金焦、针状焦、沥青焦、石油焦等。而粘结剂的主要作用，是将骨料粘合形成整体，从而能够加工成不同形状的高强度制品[1]。粘结剂常用类型主要有合成树脂、煤焦油、煤沥青等。在碳素材料制品的生产过程中，采用不同的生产工艺，对于料粉粒度也有着不同的选择要求。所以，不同的碳素材料制品，在结构方面也是不容的。在结构当中，由于原子排列方式有所差异，因此不同种类的碳素材料制品，在实际用途、化学性质、物理性能等方面，也都有所差异。另外，碳素材料的原材料种类、生产工艺等因素，也会对碳素材料制品的理化性能、均质结构产生直接的影响。蔡素材料制品结构均质问题，将会造成其耐腐蚀性能、抗压强度、体积密度等技术指标降低，对于内部质量检测也将造成一定的干扰[2]。基于碳素材料自身特性，其在石墨化、焙烧、压型等生产工艺当中，都有可能会出现夹渣、结构疏松、气孔、裂纹都能够内部缺陷，进而影響碳素材料制品的质量。近年来，随着人们对碳素材料制品认识的不断提升，逐渐积累了更多的丰富的实践经验。对于碳素材料制品不均质结构的产生原因，以及不均质结构对碳素材料制品质量造成的影响，已经可以从不同方面加以探索。由于碳素材料制品往往存在内部缺陷，因此其实际强度仍然无法完全达到理论强度的水平。因此，对于燃素材料的生产工艺、内部缺陷问题等，都要进行深入细致的研究，并将二者之间的关系理清，才能够更好的开展碳素材料无损检测技术的研究。

2 碳素材料内部缺陷的无损检测

无损检测技术是碳素材料内部缺陷检测的一个重要方法，主要是通过电、磁、光、声等特性，在不影响和不损害碳素材料制品的基础上，对碳素材料中是否存在不均匀性、缺陷问题等加以检出。同时需要确定内部缺陷的数量、性质、位置、大小等信息[3]。根据这些信息，判断碳素材料的剩余寿命、是否合格等技术状态加以判断。目前，常用的内部缺陷无损检测技术，主要包括了声发射检测技术、涡流检测技术、液态渗透检测技术、磁粉检测技术、超声检测技术、射线照相检测技术等。在实际应用中，还需要根据碳素材料的具体特点与性质，做出合理选择。

3 碳素材料内部缺陷检出的难点

碳素材料作为当前常用的一种材料，其本身性质特点及制造工艺比较特殊，因而很多内部夹渣、气孔、裂纹等缺陷问题是难以避免的。这些内部缺陷的存在，将造成碳素材料制品使用寿命明显缩短，导致碳素材料的实际应用和推广受到阻碍[4]。因此，采用有效的技术准确检出碳素材料内部缺陷，是至关重要的。但是，在碳素材料无损检测中，面临着很大的难点。相比于其他粗晶材料，碳素材料内部结构特点主要是特异性强、密度不均、空隙较多、晶体粗大、结构疏松，存在比较多的强噪声干扰。因此，其本质特征确定性信息容易被湮没，检测信号信噪比很低，因而无法将碳素材料制品的内部缺陷有效检出。

4 碳素材料内部缺陷无损检测的现状

目前，很多国家对碳素材料无损检测技术已经开始了深入的研究，也取得了一定的成果。当前主要的研究方向集中在超声波、X射线、声发射等领域。对超声波检测技术的研究中，碳素材料制品弹性模量、体积密度、气孔大小等，都会对碳素材料中超声波传播速度造成影响。通过不断的研究和实践，也得出了一定的技术参数，对于碳素材料超声波检测提供了较大的支持[5]。不过，在碳素材料当中，超声波会发生比较多、比较复杂的衰减，因而对碳素材料进行超声波检测，仍需要更加深入的研究理论和实践经验，才能提高结论的可靠性。关于X射线在碳素材料中的检测研究，主要是对内部孔隙、裂纹的检测。例如，通过X射线对石墨块探伤检测，在300mm的石墨块中，可探测出尺寸为3mm的内部缺陷。声发射检测研究当中，需要对碳素材料施加外界激励，如果碳素材料制品不在工作状态，该方法将无法发挥作用。尽管当前对于碳素材料制品无损检测技术，已经给开展了较多的研究，但是对于一些大规格碳素材料制品，内部隐藏缺陷仍然难以有效探测，因而导致碳素材料无损检测研究受到阻碍[6]。所以，对于碳素材料内部规律及缺陷特征，都要更加深入的了解和认识，对各种无损检测技术准确把握及合理应用，进而为碳素材料质量提供更好的保障。

5 碳素材料内部缺陷的检测方法分析

5.1 超声波检测

超声波检测是材料内部缺陷检测中的一项重要技术，主要是利用了被检测对象中超声波的传播及反射原理，对内部缺陷位置、性质、大小，以及材料某些物理性能等加以分析。由于碳素材料制品存在较多内部缺陷，会引起严重的超声波衰减，因而在碳素材料内部缺陷检测中，面临着较大的难度。在相关研究中，使用超声波探伤仪检测阴极碳块、石墨的内部人工缺陷。探头对不同频率超声波进行发射，接收端对超声波信号加以接收，经过A/D转换器量化，然后想计算机输入。根据研究结果显示，接收的超声波存在严重衰减，无法体现出有价值的波形，也无法实现有效缺陷回波提取和噪声消除[7]。所以，对于碳素材料内部缺陷来说，超声波回波法显然并不合适。超声波的波长比较短，衍射能力不足，因而穿过孔隙障碍继续传播的性能也相对较低。所以，在超声波传播路径上，如果有孔隙障碍存在，对于其传播速度会造成影响。

基于此，可以根据这一特性，使用超声波检测碳块孔洞裂纹等缺陷。如果发现超声波在碳块中速度改变，就可以初步判定碳块有结构缺陷存在超声波速度大小，通常会受到材料密度、弹性模量的影响，因此可利用泊松比、体积密度、弹性模量等参数，计算出纵波声速。在碳素材料中，不同位置密度及弹性模量也有所差异，所以在不同的点，超声波速度也有所不同。可以利用这一特点对碳素材料内部之来那个加以判断，不过对于内部缺陷仍难以实现定量分析。目前，在碳素材料制品检测中，这种方法也得到了一定的应用，利用超声波检测被检测物体，得到一定的声速值，如果比这个值低，就说明材料内部疏松程度过大。在我国，也有一些军工企业，使用超声波声速对碳素材料制品均质质量加以控制。由此可见，利用超声波检测技术，能够对碳素材料制品均质结构加以检测，在实际应用当中也能够取得理想的效果。不过由于碳素材料制品中，超声波衰减较多，也比较复杂，因此在实际检测中，仍难以实现对内部缺陷的准确分析。

5.2 X射线检测

对于碳素材料制品内部缺陷，单纯采用超声波检测技术，难以准确有效的判断，所以，要探索出更加适合的无损检测技术。通过研究发现，X射线可以对大规格阴极碳块内部缺陷进行检出，对于25mm2以上的夹渣、5mm以上的气孔、0.5mm以上宽度及15mm以上长度的裂纹，均可有效检出，同时能对缺陷的位置、性状、尺寸等加以体现。基于此，设计和应用X射线成像系统，运用X射线机，利用X射线底片、数码相机等，代替图像采集卡、CCD摄像机、图像增强器等设备。在胶片上获取图像，在冷光源强光观片灯下用数码相机摄像。然后在计算机中输入得出的内容，通过图像格式转换、MATLAB图像处理工具，进一步处理和分析獲取的图像。根据研究显示，在实际检测中，针对不同的材料厚度、材料密度等，合理设定相关技术参数，能够保证图像效果理想，准确检测碳素材料的内部缺陷。在不同位置、不同角度拍照分析，可以对缺陷位置准确判定，从而实现对内部缺陷的定量分析。不过，基于X射线机自身灵敏度的限制，对于尺寸较小的缺陷可能无法准确检出。当前使用的X射线机，能够达到500mm的最大探测厚度，以及2%左右的探伤灵敏度，与机械自动传动机构配合，可以对一定范围内的内部缺陷连续批量检测。相比于超声波检测，X射线检测在碳素材料制品内部缺陷检测中，可以达到更高的准确率，不过费用相对较高，并且对场地也有一定的要求。

5.3 声发射检测

声发射检测技术中，材料或构件由于受力产生断裂或变形，其应变能通常以弹性波的方式释放出来，称之为声发射。通过对声发射信号的接收，开展材料研究及结构完整性动态评价，就是声发射检测技术。该项技术对于材料内部变化过程可以连续监视，是一种动态化的无损检测技术。另外，声发射技术能够有效减少材料本身的限制。基于此，在碳素材料制品的内部缺陷检测中，可利用声发射检测技术开展动态检测。不过，需要注意的是，对于非加载状态下的碳素材料制品，声发射检测技术就难以发挥出理想的作用。

6 结论

碳素材料是当前应用比较广泛的一种无机非金属材料，原材料一般以石油焦及沥青为主。由于碳素材料自身的性质结构特点、生产工艺条件等因素，使其比较容易出现内部缺陷。这种情况将会对碳素材料制品的性能与质量造成很大的影响，因此需要对其内部缺陷进行有效检测。不过碳素材料内部缺陷检测面临着较大的难度，需要考虑其各方面特点，选择合适的检测方法，提高检测结果的可靠性。

参考文献：

[1]庄宿国，宋春，李志宇，等.液体火箭发动机端面密封用石墨材料内部缺陷检测工艺方法[J].宇航材料工艺，2017， 47（5）：75-80.

[2]黄远民，易铭，杨曼，等.基于机器视觉的板材表面缺陷自动检测方法研究[J].人工智能与机器人研究，2019，8 （3）：9-9.

[3]雷汉坤，贾志杰.检测GIS固体绝缘内部放电缺陷的特高频和X射线数字成像联合方法研究[J].高压电器，2017， 53（12）：253-257.

[4]王永红，钟诗民，陈维杰，等.马赫曾德双成像的镜面材料内部缺陷检测系统[J].光子学报，2019，48（8）：182-185.

[5]肖志涛，郭永敏，耿磊，等.基于超声相控阵的机织层合复合薄板试件内部缺陷检测方法[J].纺织学报，2019，40 （11）：171-172.

[6]董方旭，王从科，凡丽梅，等.X射线CT成像检测方法对复合材料内部分层缺陷检测结果的影响研究[J].玻璃钢/复合材料，2019，14（3）：86-91.

[7]刘杰，贾伯岩，张志猛，等.基于紧凑型光电传感器的复合绝缘子内部缺陷检测方法研究[J].水电能源科学，2020， 25（14）：166-167.

作者简介：

马兵（1987- ），男，籍贯：湖南常德，土家族，学历：本科，职务：生产部副主任，研究方向：碳素类。