鄒斌 帥心容 李超

（1南昌市建筑科學(xué)研究所，江西 南昌 330063；2景德鎮(zhèn)東升建設(shè)質(zhì)量檢測科技有限公司，江西 景德鎮(zhèn) 333000）

1 引言

隨著當(dāng)前時代的發(fā)展，陶瓷材料的運(yùn)用已經(jīng)不局限于擺設(shè)品、食器和裝飾材料。由于其具備耐高溫、耐磨損、耐腐蝕等特殊物理化學(xué)性能，故在現(xiàn)代化工、航空航天等領(lǐng)域均運(yùn)用廣泛，常用以制備各種精密零部件用以替代傳統(tǒng)材料。陶瓷材料制備工藝復(fù)雜、流程多，同批次材料的質(zhì)量差異較大，故對陶瓷材料的質(zhì)量把控尤為重要。陶瓷材料本身的高脆性、低韌性的特點(diǎn)，微小缺陷的存在也容易在缺陷處造成應(yīng)力集中，迅速破壞。從而陶瓷材料的缺陷要求要遠(yuǎn)高于金屬或復(fù)合材料1～2個數(shù)量級，對于精密的零部件需檢出的缺陷大小為1～30μm。整個生產(chǎn)過程中容易產(chǎn)生的缺陷有：表面、內(nèi)部裂紋；表面、內(nèi)部氣孔；表面落渣及縮釉；內(nèi)部夾層等。由于表面缺陷危害性較大并且影響到制品的外觀質(zhì)量，因此對表面缺陷的質(zhì)量把控更加重要。

傳統(tǒng)的陶瓷工業(yè)中，多采用敲擊法、目視法來判斷陶瓷制品中缺陷的存在及缺陷的大致位置，該種方法顯然不能滿足現(xiàn)代陶瓷工業(yè)的要求，因此研究一種適合現(xiàn)代陶瓷工業(yè)的無損檢測方法尤為重要。無損檢測技術(shù)（nondestructive testing，NDT），意義在不會對檢測對象的有效性及可靠性產(chǎn)生破壞的前提下，對被檢對象的整體質(zhì)量（缺陷、損傷）進(jìn)行定位及定量。無損檢測的常規(guī)五大檢測方法分別是：超聲法、射線法、磁粉法、滲透法、渦流法。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，新型的無損檢測技術(shù)也不斷涌現(xiàn)，例如：超聲TOFD檢測技術(shù)，數(shù)字射線技術(shù)、巴克豪森噪聲無損檢測技術(shù)、紅外熱成像檢測技術(shù)。

2 超聲檢測在陶瓷材料檢測中的應(yīng)用

超聲檢測是通過超聲換能器發(fā)射超聲脈沖波通過耦合介質(zhì)傳輸?shù)奖粰z對象內(nèi)部，觀察被檢對象內(nèi)部的缺陷回波或底面反射波來判斷缺陷的存在及位置。超聲法在探測被檢對象的內(nèi)部缺陷具有一定的優(yōu)勢，例如陶瓷材料的內(nèi)部裂紋、氣孔、夾渣分層等。同時，超聲檢測可以檢測陶瓷材料厚度、密度的均勻性。

超聲C掃描技術(shù)與常規(guī)超聲相比較能夠提取更為完整的聲波傳播特征信息，對陶瓷材料的內(nèi)部缺陷有較高的分辨力，對于陶瓷材料的多層層疊整個深度內(nèi)的裂紋和不連續(xù)性具有顯著優(yōu)勢。水浸超聲法將被檢對象置于水中，超聲換能器不與被檢對象表面直接接觸，用水作為耦合介質(zhì)（檢測原理圖略）。該檢測具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）由于耦合介質(zhì)水層的存在，探頭不需要和工件直接接觸，因此檢測過程基本不會受陶瓷材料表面粗糙度的影響，并且可使得檢測“盲區(qū)”只在耦合介質(zhì)水層，不影響實(shí)際檢測過程；；2）水浸掃描可實(shí)現(xiàn)自動化檢測，為檢測提供方便；3）水浸聚焦探頭由于聲束的匯聚，能使得超聲波主要能量集中在被檢測工件需要檢測部位，可滿足檢測達(dá)到較高的分辨率和靈敏度。

超聲波換能器頻率的選取尤為關(guān)鍵，頻率的選取影響缺陷檢出的靈敏度及分辨率。對于厚度較小、聲衰減較小的檢測對象一般選擇高頻探頭，而厚度較大、聲衰減較大的檢測對象則選擇高頻探頭。研究表明：當(dāng)換能器頻率選為25Mhz時，可檢出陶瓷材料表面以下2mm深處長度約為10～75μm的條形缺陷；當(dāng)換能器頻率選為15Mhz時，可檢出30μm左右的點(diǎn)狀缺陷；當(dāng)換能器頻率選為30Mhz時，可檢出20μm左右的點(diǎn)狀缺陷。

超聲顯微鏡（ultrasonic microscope）是利用缺陷的聲阻抗率、聲衰減與陶瓷材料本身的差異來判斷缺陷的存在，工作頻率一般在100Mhz以上。由于高頻超聲波波長較短，能量較低，衰減迅速。陶瓷材料聲衰減系數(shù)較大，因此難以發(fā)現(xiàn)深度較大的缺陷。當(dāng)使用10-100Mhz的低頻SAM技術(shù)時，可發(fā)現(xiàn)距離陶瓷材料表面500μm深處，直徑為130μm的體積型缺陷和10～15μm寬的表面裂紋以及400μm的分層缺陷。

3 紅外成像檢測技術(shù)在陶瓷制品中的應(yīng)用

紅外熱成像檢測技術(shù)是通過不同的可控?zé)峒钤磳Ρ粰z對象進(jìn)行加熱，若被檢對象存在缺陷，瞬態(tài)的熱能量傳導(dǎo)可使得被檢對象表面的溫度場與內(nèi)部溫度場產(chǎn)生差異，用紅外熱像儀連續(xù)采集被檢對象溫度場變化的熱譜圖并進(jìn)行圖像處理，即可對被檢對象的缺陷進(jìn)行定位及定量。紅外熱成像檢測技術(shù)具有非接觸、速度快、面積大、操作簡單、適用面廣、可在線檢測等優(yōu)點(diǎn)。

根據(jù)激勵形式的不同可分為光脈沖熱成像、超聲激勵紅外熱成像、電磁激勵紅外熱成像。光脈沖熱成像較為傳統(tǒng)，熱激勵源為高能脈沖閃關(guān)燈，激勵源在被檢對象表面形成熱能量波并向被檢對象內(nèi)部傳播，當(dāng)遇到內(nèi)部缺陷時，熱能波傳播形式發(fā)生改變。該現(xiàn)象可被熱像儀捕捉，經(jīng)過信號處理及圖像識別等技術(shù)可較為準(zhǔn)確的判斷缺陷的大小及位置。其他的紅外成像技術(shù)還有：鎖相紅外熱成像、脈沖相位熱成像、泰赫茲激勵的紅外熱成像。

紅外熱成像技術(shù)在薄壁陶瓷材料缺陷檢測中有所優(yōu)勢，能檢出的缺陷有：空洞、脫粘層、裂紋及雜質(zhì)等。紅外無損檢測方法較其他檢測方法有以下優(yōu)點(diǎn)：1）反應(yīng)迅速，顯示直觀。適合大批量、大面積檢測；2）空間分辨力高；3）可完全實(shí)現(xiàn)自動化檢測。

4 結(jié)論與展望

適合陶瓷制品檢測的超聲法有：超聲C掃描檢測技術(shù)、超聲顯微鏡技術(shù)。超聲法對于缺陷的分辨力、檢出率較高，可用于生產(chǎn)工藝研究時產(chǎn)品質(zhì)量的把控。紅外熱成像技術(shù)檢測速度快，缺陷顯示直觀，可用于批量生產(chǎn)時產(chǎn)品質(zhì)量的把控。隨著當(dāng)代陶瓷材料在工業(yè)中的廣泛運(yùn)用，對于陶瓷材料的制作工藝、產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來越高。因此，實(shí)現(xiàn)超聲C掃描自動化檢測是今后的研究重點(diǎn)。