王智勇， 劉穎韜， 王小虎， 張 桐， 李艷紅， 霍 雁

（北京航空材料研究院，北京 100095）

雷達(dá)吸波涂層是武器裝備實(shí)現(xiàn)隱身采取的最簡(jiǎn)單、有效的方式。美國(guó)SR-71隱身高空偵察機(jī)、B-1B隱身轟炸機(jī)、F-117隱身戰(zhàn)斗機(jī)（2008年4月已正式退役）、B-2隱身轟炸機(jī)、F-22隱身戰(zhàn)斗機(jī)與F-35隱身聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)等幾代隱身飛機(jī)都采用了吸波涂層這項(xiàng)技術(shù)。相對(duì)于其他武器裝備，飛機(jī)對(duì)吸波涂層的要求最高，除隱身性能要求外，吸波涂層還必須有優(yōu)秀的物理機(jī)械性能和使用可靠性。因此，在研制高性能吸波涂層的同時(shí)，還必具關(guān)注吸波涂層施工和使用過程中可能產(chǎn)生的缺陷，其中脫粘就是一種典型的缺陷。吸波涂層厚度約為普通飛機(jī)蒙皮漆厚度的10到20倍，主要填料為鐵磁性粉末，關(guān)鍵部位涂層的脫落將有可能威脅到飛機(jī)的安全［1～6］。吸波涂層質(zhì)量與可靠性控制技術(shù)已成為隱身材料工程化研究中必須考慮的問題。

國(guó)內(nèi)外技術(shù)上比較成熟的五種常規(guī)無(wú)損檢測(cè)（non-destructive testing，NDT）方法為:射線，超聲，磁粉，滲透，渦流。非常規(guī)技術(shù)包括聲發(fā)射、激光散斑、紅外熱像、磁記憶、超聲全息等。每種檢測(cè)方法都有各自的適用范圍、局限性和優(yōu)缺點(diǎn)。超聲、激光散斑和紅外熱像技術(shù)是目前國(guó)內(nèi)外用于復(fù)合材料與涂層質(zhì)量檢測(cè)的主要手段。紅外熱像技術(shù)具備以下特點(diǎn):（1）測(cè)量非接觸性，無(wú)需耦合劑，無(wú)污染;（2）測(cè)量設(shè)備可便攜，方便現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè);（3）檢測(cè)時(shí)間短;（4）測(cè)量面積大［7～10］。這些特點(diǎn)使得紅外熱像技術(shù)更適合用于吸波涂層外場(chǎng)的缺陷檢測(cè)。

據(jù)報(bào)道紅外熱像檢測(cè)技術(shù)已在美軍裝備維修中廣泛應(yīng)用，其中就包括隱身戰(zhàn)機(jī)F-22的維修使用。美國(guó)TWI公司是從事紅外熱像無(wú)損檢測(cè)設(shè)備的主要廠商之一［11］，所使用的紅外熱像檢測(cè)方法已寫入ASTM標(biāo)準(zhǔn)［12］。國(guó)內(nèi)近年來(lái)紅外熱像無(wú)損檢測(cè)技術(shù)也已得到發(fā)展。結(jié)合國(guó)家863項(xiàng)目，首都師范大學(xué)、北京維泰凱信新技術(shù)有限公司、北京航空材料研究院等三家單位在首都師范大學(xué)建立起聯(lián)合紅外熱波實(shí)驗(yàn)室，紅外熱像試驗(yàn)條件已基本具備。但目前國(guó)內(nèi)還沒有此項(xiàng)技術(shù)在吸波涂層方面的應(yīng)用案例。

1 紅外熱像無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)

1.1 工作原理

紅外檢測(cè)，又稱紅外熱像檢測(cè)，是基于紅外輻射原理，通過掃描、記錄或觀察被檢測(cè)工件表面上由于缺陷所引起的溫度變化來(lái)檢測(cè)表面及近表面缺陷的無(wú)損檢測(cè)方法。被測(cè)物體內(nèi)部的不連續(xù)，如缺陷或結(jié)構(gòu)的差異，會(huì)影響物體的熱擴(kuò)散過程。當(dāng)外界施加熱激勵(lì)，或物體工作時(shí)自身產(chǎn)生熱，從而在物體內(nèi)部形成熱流時(shí)，物體內(nèi)部的不連續(xù)會(huì)影響熱傳導(dǎo)，使物體表面溫度分布產(chǎn)生異常。紅外檢測(cè)方法利用紅外熱像儀等設(shè)備監(jiān)測(cè)物體表面的溫度變化，通過對(duì)熱圖像或溫度數(shù)據(jù)的分析，獲得物體表面或近表面缺陷的特征。對(duì)于隔熱性缺陷，缺陷的熱擴(kuò)散系數(shù)要小于本體材料的熱擴(kuò)散系數(shù)，熱量將會(huì)在缺陷上方發(fā)生積聚，使該處表面溫度高于周圍區(qū)域。通過獲取材料表面的溫場(chǎng)變化信息，從而判斷被測(cè)試樣表層下面是否存在缺陷以及缺陷存在的情況。

1.2 紅外熱像檢測(cè)系統(tǒng)組成

閃光燈激勵(lì)紅外熱像無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)由高能閃光燈，紅外熱像儀，計(jì)算機(jī)軟，硬件以及電源箱等組成。高能閃光燈是熱激勵(lì)裝置，通過計(jì)算機(jī)控制進(jìn)行脈沖加熱;紅外熱像儀高速記錄被測(cè)物體表面溫度場(chǎng)變化，并將信號(hào)傳送給計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集控制和圖像處理，給出檢測(cè)結(jié)果。圖1是系統(tǒng)組成和原理示意圖。

圖1 紅外熱像檢測(cè)系統(tǒng)組成和原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of infrared thermograph testing system and its principle

2 試驗(yàn)與結(jié)果

2.1 系統(tǒng)

本研究采用紅外熱像檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)。紅外熱像儀的工作波段8～9μm，圖像分辨率320×240，采集頻率60Hz，采集時(shí)間15s左右;選用兩氙燈為脈沖熱源，光脈沖寬度為2ms，脈沖能量為9.6kJ。

2.2 可行性試驗(yàn)

2.2.1 缺陷材料試樣制備 預(yù)制吸波涂層膠膜:采用羰基鐵粉作為吸收劑、氯磺化聚乙烯類橡膠為粘結(jié)劑，膠膜中吸收劑體積比為39%，膠膜平均厚度0.97mm，尺寸為80mm×80mm。

本研究設(shè)計(jì)了三種不同的涂層脫粘缺陷狀態(tài)，1#樣品選擇涂層中間脫粘狀態(tài);2#樣品為涂層有兩條長(zhǎng)方形脫粘缺陷設(shè)計(jì);3#樣品為涂層邊緣脫粘。按缺陷設(shè)計(jì)將膠膜非缺陷部位均勻涂上914環(huán)氧膠，將其貼在同樣尺寸的鋁合金金屬基底上，施加壓力，放置24h，制成帶脫粘缺陷的材料試樣。圖2、圖3分別為材料脫粘缺陷設(shè)計(jì)示意圖和帶缺陷材料試樣截面示意圖，圖4是帶缺陷材料試樣實(shí)物照片，虛線標(biāo)注區(qū)域?yàn)樗O(shè)計(jì)缺陷部位。

2.2.2 涂層缺陷檢測(cè)試驗(yàn)與結(jié)果 圖5給出三個(gè)帶缺陷的吸波涂層膠膜試樣熱像照片。熱像照片非常清楚地顯示出與本設(shè)計(jì)的涂層缺陷情況（見圖2）相吻合的灰度變化。這正是由于缺陷導(dǎo)致了涂層受熱激勵(lì)后熱量在內(nèi)部傳導(dǎo)出現(xiàn)的不一致，因而導(dǎo)致涂層表面溫度的差異。由于脫粘缺陷為隔熱性缺陷，因此，缺陷部位涂層表面的溫度要高于正常涂層表面的溫度。

在圖5照片中我們發(fā)現(xiàn)缺陷區(qū)域邊界不規(guī)則，主要原因來(lái)自于粘結(jié)預(yù)制涂層膠膜的914環(huán)氧膠在制樣過程中受壓后面積的擴(kuò)延。同時(shí)照片中也出現(xiàn)了非缺陷部位的亮區(qū)，這些亮區(qū)是涂膠時(shí)膠層厚度不均勻帶來(lái)的。另外，在1#樣品的熱像照片中缺陷部位中間顯示為暗區(qū)，這一試驗(yàn)現(xiàn)象的出現(xiàn)是因?yàn)檫@一區(qū)域沒有涂膠，在制樣施壓過程中這一區(qū)域吸波涂層膠膜與金屬基底處于緊密接觸狀態(tài)，脫粘層空氣層厚度可近似為0，而無(wú)缺陷涂層通過一定厚度的914膠層與金屬基底接觸。由于吸波涂層中鐵粉的高熱傳導(dǎo)性，所以使得缺陷中間區(qū)域的表面溫度低于缺陷邊緣的表面溫度，甚至低于無(wú)缺陷區(qū)域的表面溫度。

圖5 三種帶缺陷試樣的熱像照片F(xiàn)ig.5 IR Photos of the samples with the bonding defects

以上試驗(yàn)結(jié)果表明紅外熱像技術(shù)可檢測(cè)出吸波涂層脫粘缺陷。

2.3 驗(yàn)證試驗(yàn)

2.3.1 缺陷涂層試樣制備 直接在鋁合金金屬基底（尺寸為80mm×80mm）上涂刷吸波涂料。吸波涂料采用羰基鐵粉作為吸收劑、環(huán)氧/聚酰胺樹脂體系為粘結(jié)劑，涂層中吸收劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)，涂層設(shè)計(jì)厚度為1.00mm或1.50mm。

設(shè)計(jì)了三種不同的涂層脫粘缺陷狀態(tài)，5#樣品選擇涂層中間脫粘狀態(tài);6#樣品為涂層有一條長(zhǎng)方形脫粘缺陷設(shè)計(jì);7#樣品為涂層兩端邊緣脫粘。涂刷吸波涂層前，在金屬基底缺陷設(shè)計(jì)部位粘貼紙質(zhì)薄膠帶（厚度約0.1mm），模擬脫粘空氣層。材料脫粘缺陷設(shè)計(jì)參見圖6，虛線標(biāo)注區(qū)域?yàn)樗O(shè)計(jì)缺陷部位。試樣樣品共4塊，其中5#樣品為兩塊（取不同涂層厚度）。

圖6 吸波涂層脫粘缺陷設(shè)計(jì)示意圖Fig.6 Design drawing of RAC bonding defects location

打磨刷涂完的吸波涂層至設(shè)計(jì)厚度，5#-樣品、5#-2樣品、6#樣品與7#樣品的涂層平均厚度分別為0.97mm，1.46mm，1.45mm 與1.49mm。

2.3.2 涂層缺陷檢測(cè)試驗(yàn)與結(jié)果 圖7給出5#-1樣品、6#樣品與7#吸波涂層試樣熱像照片。除5#-1樣品由于涂層縮邊帶來(lái)邊緣亮區(qū)外，三張吸波涂層熱像照片中給出灰度亮區(qū)與圖4設(shè)計(jì)的不同涂層脫粘缺陷完全對(duì)應(yīng)吻合。

在5#-2樣品上選取缺陷區(qū)域（圓形圖示）和非缺陷區(qū)域（三角圖示）進(jìn)行分析，作出時(shí)間值（熱像圖幀數(shù)）與熱像儀采集涂層紅外發(fā)射能量信號(hào)的logT（輻射能量的對(duì)數(shù)值）圖像見圖8。帶圓形圖示的曲線代表了缺陷區(qū)域降溫曲線，帶三角圖示的曲線作為參考曲線為選取的非缺陷區(qū)域降溫曲線。通過該降溫曲線圖，可以清楚地看出在箭頭所指時(shí)間點(diǎn)兩條曲線開始出現(xiàn)分離，說明在該時(shí)間點(diǎn)后試驗(yàn)區(qū)域里圓形圖示部位的溫度要高于三角圖示部位的溫度，驗(yàn)證了圓形圖示區(qū)域?yàn)楦魺嵝悦撜橙毕莸倪@一結(jié)果。

3 結(jié)論

（1）試驗(yàn)結(jié)果表明紅外熱像技術(shù)是檢測(cè)吸波涂層脫粘缺陷的一種可行方法。

（2）紅外熱像檢測(cè)系統(tǒng)可便攜，測(cè)量時(shí)間短，測(cè)量面積大，進(jìn)行外場(chǎng)RAC檢測(cè)具有可行性。

（3）國(guó)內(nèi)目前尚未有用于吸波涂層缺陷無(wú)損檢測(cè)的手段，這一NDT技術(shù)在吸波材料研究中的應(yīng)用，將解決RAC施工質(zhì)量和可靠性控制問題。

［1］王智勇，熊克敏，等.單層薄型雙波段雷達(dá)波吸收涂層研究［J］.航空材料學(xué)報(bào)，1998，18（1）:51-55.

（WANG Z Y，XIONG K M，et al.The development of a thin one layer radar absorbing coating for X band and Ku bands［J］.Journal of Aeronautical Materials，1998，18（1）:51-55.）

［2］胡秉科，周訓(xùn)波.美軍用飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)上隱身技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用［J］.國(guó)際航空，2001，6:54-56.

（HU B K，ZHOU X B.Application of stealth design technologies in propulsion system of USA's military aircraft［J］.International Aviation，2001，6:54-56.）

［3］胡傳炘.隱身涂層技術(shù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004:183-218.

（HU C X.Stealth coatings technology［M］.Beijing:Chemical Industry Press，2004:183-218.）

［4］王智勇，劉俊能，熊克敏.兼具紅外隱身的八毫米雷達(dá)波吸收材料的研究［J］.材料工程，1998（11）:11-13.

（WANG Z Y，LIU J N，XIONG K M.Study of Ka-band radar absorbing materials with infra-red camouflage［J］.材料工程，1998（11）:11-13.）

［5］赫麗華，劉平桂，王曉紅.雷達(dá)吸波涂層的失效行為［J］.失效分析與預(yù)防，2009，4（3）:183-187.

（HE L H，LIU P G，WANG X H.Degeneration behavior of radar absorbing coatings［J］.Failure Analysis and Prevention.2009，4（3）:183-187.）

［6］黃大慶，王智勇，劉俊能.偶聯(lián)劑對(duì)吸波涂層力學(xué)性能的影響及其作用機(jī)理的研究［J］.材料工程，1999，9:28-31.

（HUANG D Q，WANG Z Y，LIU J N.Effects of coupling agents on mechanical properties of radar absorbing coating and its mechanism［J］.Journal of Materials Engineering，1999，9:28-31.）

［7］吳時(shí)紅，陳穎，何雙起.超聲顯微檢測(cè)系統(tǒng)在涂層檢測(cè)中的應(yīng)用研究［J］.宇航材料工藝，2005，35（4）:55-57.

（WU S H，CHEN Y，HE S Q.Application of scanning acoustic microscope for coat testing［J］.Aerospace Materials＆ Technology.2005，35（4）:55-57.）

［8］鮑凱，王俊濤，吳東流.新興的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)—紅外熱波成像檢測(cè)［J］.無(wú)損檢測(cè)，2006，28（8）:393-398，408.

（BAO K，WANG J T，WU D L.New nondestructive testing technology:infrared thermography testing［J］.Nondestructive Testing，2006，28（8）:393-398，408.）

［9］王迅，金萬(wàn)平，張存林，等.紅外熱波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)及其進(jìn)展［J］.無(wú)損檢測(cè)，2004，26（10）:497-501.

（WANG X，JIN W P，ZHANG C L，et al.Actuality＆evolvement of infrared thermal wave nondestructive imaging technology［J］.Nondestructive Testing，2004，26（10）:497-501.）

［10］COX R L，ALMOND D P，REITER H.Ultrasonic testing of plasma sprayed coatings［J］.NDT International，1980，13（6）:291-295.

［11］張曉燕，金萬(wàn)平.紅外熱波檢測(cè)技術(shù)在美軍裝備維修中的應(yīng)用［J］.航空維修與工程，2006，5:41-43.

（Zhang X Y，Jin W P.The Application of thermal wave detection in American equip maintenance［J］.Aviation Maintenance＆ Engineering，2006，5:41-43.）

［12］ASTM E 2582-07 Infrared Flash Thermography of Composite Panels and Repair Patches Used in Aerospace Applications.