一種用于有機材料熱氧老化評價的非線性超聲檢測方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種有機材料熱氧老化損傷的非線性超聲檢測方法，該方法可用于有 機材料熱氧老化損傷的無損檢測以及老化程度的評估，屬于無損檢測領域。
【背景技術】
[0002] 有機高分子材料以其重量輕、可塑性強、強度高、耐腐蝕等優點，在各領域均得到 廣泛應用，如市政供水管網、電力系統外絕緣材料、各儀表板/盤的基礎支撐部件等。由于 受到光照、溫度、氧氣等環境因素的影響，有機材料在加工、存儲和使用過程中，其物理、化 學性能會發生不可逆的變化而產生老化損傷。有機材料的老化不僅會引起其外觀質量的變 差，還會大大降低其機械和電氣性能，如力學性能下降、電絕緣性能下降等，為材料的正常 使用埋下很大的安全隱患。因此，對有機高分子材料的老化損傷進行無損檢測并對損傷程 度進行評估具有十分重要的意義。
[0003] 現用的有機高分子材料老化損傷檢測方法主要有目測法、拉伸試驗法、紅外光譜 分析等。目測法主要通過觀察材料表面的銀紋、粉化、起皺等現象來判斷其老化程度，受操 作人員的主觀影響大、測量精度低；拉伸試驗法是一種破壞性的方法，通過試件在疲勞拉力 機上的抗拉強度和斷裂伸長率等參數來表征有機材料的老化；紅外光譜分析利用材料老化 過程中光譜的變化來定性分析其老化狀況，但該方法受外界環境因素的干擾較大。非線性 超聲檢測是利用聲波傳播時與材料微觀結構相互作用而產生的非線性響應進行材料性能 的表征和微小缺陷的檢測，從本質上反映了微觀缺陷對材料非線性的影響，因此可以用于 材料早期性能退化的檢測。基于超聲的非線性效應，現有的非線性超聲無損檢測方法主要 有高次諧波及次諧波法、波束混疊法以及諧振頻率漂移法，其中諧波法是技術最成熟、應用 最廣泛的一種非線性超聲檢測方法。
[0004] 國內外學者采用非線性超聲高次諧波法對金屬材料在高溫蠕變、拉伸疲勞等條件 下的早期材料性能退化進行了大量研宄。在金屬材料熱損傷的非線性超聲評價方面，項延 訓在文章《HP40Nb合金鋼高溫劣化的非線性超聲評價》中研宄了相對諧波非線性系數隨材 料高溫時效時間的變化規律，發現非線性系數的變化與材料高溫損傷后的微觀組織變化 密切相關。稅國雙在文章《列車外圓彈簧疲勞損傷的非線性超聲測試》使用諧波非線性超 聲檢測方法對列車外圓彈簧的疲勞損傷程度進行了表征。
[0005] 本課題組吳斌等在《AZ31鎂合金早期力學性能退化非線性超聲檢測》對AZ31鎂合 金疲勞裂紋試件中材料的力學性能退化進行了非線性超聲檢測的研宄，實驗結果表明，超 聲非線性系數可以表征AZ31鎂合金的疲勞退化過程，所得到的疲勞壽命曲線對材料和結 構的力學性能退化程度進行疲勞壽命預測有潛在的應用價值。然而，已有的研宄成果只考 慮待測試件在單一固定頻率激勵信號下的非線性超聲系數。由于超聲波探頭具有一定的頻 帶寬度，所以本發明提出采用一定頻帶范圍內的累積非線性效應表征有機材料的熱氧老化 程度。
[0006] 針對非線性累積效應的研宄，鄧明晰在《層狀固體結構表面性質的非線性蘭姆波 定征方法》提出應力波損傷因子的概念對層狀固體板結構的疲勞、高溫蠕變和表面性質微 小變化的非線性累積損傷進行了研宄，但其僅僅考慮了基波和二次諧波各自的非線性累積 效應，不是用非線性系數來衡量板結構的損傷，且其應用領域為超聲導波。
[0007] 在有機材料的非線性超聲檢測研宄方面，A.Demcenko在《Noncollinearwave mixingformeasurementofdynamicprocessesinpolymers:Physicalageingin thermoplasticsandepoxycure》采用混頻非線性超聲的方法對熱塑性材料PMMA和環氧 樹脂的物理老化的動態過程進行了研宄，結果表明非線性超聲對高分子材料的老化具有很 高的靈敏度。但是，混頻非線性超聲對激勵信號的波型要求苛刻，且所需檢測裝置與諧波法 相比更加復雜。
[0008] 綜上所述，在前人的研宄基礎上，針對有機高分子材料老化損傷現有檢測方法存 在的不足，本專利提出一種基于非線性超聲技術的有機材料熱氧老化損傷評定方法。本方 法不但可以對有機材料的熱氧老化損傷進行無損檢測，更重要的是可以對熱氧老化損傷的 積累過程進行表征，為有機材料的壽命預測提供可靠的參考信息。

【發明內容】

[0009] 本發明旨在提出一種有機材料熱氧老化損傷檢測方法，特別是基于非線性超聲技 術的有機材料早期熱氧老化損傷無損檢測方法。將壓電超聲波探頭放置在待測試件表面 作為激勵傳感器，利用中心頻率為激勵探頭兩倍的壓電傳感器布置在激勵探頭的對側接收 超聲波信號。改變探頭激勵頻率，通過掃頻的方式獲取不同激勵頻率點下時域信號傅里葉 變換后的基波幅值和二次諧波幅值，并用二次諧波與基波幅值的平方的比值來計算材料損 傷的非線性系數，最后采用改進的應力波因子計算一定頻段內的累積非線性系數來表征有 機材料的熱氧老化損傷的累積過程。
[0010] 本發明提出的基于非線性超聲技術的有機材料熱氧老化損傷評定方法，其基本原 理在于：
[0011] 有機材料在熱氧條件下發生老化損傷時，其微觀組織結構會發生變化，聲波在其 中傳播時質點振動不再滿足線彈性關系，固體介質內的一維縱波非線性波動方程如式（1) 所示：
【主權項】
1. 一種基于非線性超聲的有機材料熱氧老化損傷評定方法搭建檢測系統，其特征在 于：該系統包括計算機（1)、非線性聲學測量系統（2)、信號選擇器（3)、數字示波器（4)、 50 Ω負載阻抗匹配（5)、可調衰減器（6)、低通濾波器（7)、超聲波激勵探頭（8)、超聲波接 收探頭（9)、待測試件（10)、高通濾波器（11)、可調前置放大器（12);計算機（1)與非線性 聲學測量系統（2)之間通過信號線相連，采用軟件設定各種參數控制非線性聲學測量系統 硬件激勵和接收超聲波信號、并對信號進行處理；非線性聲學測量系統（2)的高能脈沖信 號輸出端通過50Ω負載（4)、可調衰減器（5)，然后經低通濾波器（7)濾除激勵信號中的高 頻噪聲后與超聲波激勵探頭（8)相連；超聲波探頭（9)接收透過試件的超聲波信號，一路信 號直接送入非線性聲學測量系統通道1，另一路信號經由高通濾波器（11)和可調前置放大 器（12)之后送入非線性聲學測量系統通道2 ;通過非線性聲學測量系統⑵的射頻信號監 控端與信號選擇器（3)相連，將接收信號分別送入計算機軟件信號采集模塊和數字示波器
2. -種基于非線性超聲的有機材料熱氧老化損傷評定方法，其特征在于：檢測方法步 驟如下， 步驟一：制備不同熱氧老化損傷程度的有機材料試塊；將待測試塊置于高低溫老化試 驗箱中，設定加熱溫度、每小時通風量、加熱時長等參數，按照實驗設計制備不同熱氧老化 時長的待測試塊； 步驟二：檢測系統搭建及參數設置； (1) 以非線性聲學測量系統為基礎，搭建檢測系統； (2) 激勵信號參數設置：包括載波信號幅度、寬度，門控放大器放大等級，調制信號類 型、頻率、幅值、相位、直流偏置等，通過計算機軟件控制SNAP硬件系統將激勵信號送入超 聲波激勵探頭（8); (3) 接收信號參數設置：開啟非線性聲學測量系統多頻率追蹤功能，同時追蹤通道1信 號基次頻率、通道2信號二倍頻率；分別調整接收通道1和通道2接收信號放大增益； (4) 積分門參數設定：設定探頭初始激勵頻率，調整積分門延遲和積分門寬度； (5) 設定掃頻范圍和掃頻間隔：根據超聲波探頭的頻帶范圍，確定掃頻的起始頻率f\、 終止頻率丨2和頻率增加步長Δ f ; 步驟三：設定頻率步進間隔Δ f，采集不同頻率點f；= f Jn · Δ f所對應的基波幅值A1 和二次諧波幅值4信號，其中η為1、2、…、
之間正整數； 步驟四：根據非線性系數的計算公式
，求取各對應頻率點f；下的材料熱氧老化 損傷非線性系數； 步驟五：采用改進的應力波因虧
計算在頻率4和f 2之間的有 機材料熱氧老化損傷累積非線性效應； 式中f\、f2分別為掃頻的下限頻率和上限頻率，確定掃頻間隔Δ?·，定義，L為f JPf2 之間一特定頻率，且滿足 =通過計算4和f 2之間間隔為
Δ?·的所有頻率點對應非線性系數β，然后對掃頻范圍內的非線性系數進行積分，最終用 一定頻段范圍內的累積非線性效應來表征有機材料熱氧老化的損傷程度，此即為改進后的 應力波因子SWF蘊含的物理含義； 步驟六：根據步驟一至步驟五中測量得到的有機材料不同熱氧老化時間長度所對應的 累積非線性值，繪制有機材料熱氧老化損傷曲線；最后，將測得的累積非線性值與材料未受 損傷時的初始非線性值進行比較，對有機材料熱氧老化損傷的有無及損傷程度進行判別。
【專利摘要】一種用于有機材料熱氧老化評價的非線性超聲檢測方法，本方法以非線性聲學測量系統為基礎，搭建有機材料熱氧老化損傷非線性超聲檢測系統；分別設定激勵信號和接收信號相應參數，通過示波器觀察接收到的時域波形信號對相應激勵和接收信號參數進行微調；根據超聲探頭的頻率特性選取探頭的最佳工作頻段，確定掃頻范圍的起始頻率和終止頻率；調整積分門參數，通過掃頻得到超聲波基波幅值和二次諧波幅值隨頻率的變化規律，并存入計算機；計算掃頻范圍內各頻率點對應的非線性系數，根據改進的應力波因子算法計算掃頻范圍內的累積非線性效應；確定累積非線性效應與有機材料熱氧老化時長的對應關系，對有機材料熱氧老化損傷的有無及損傷程度進行評估。
【IPC分類】G01N29-04
【公開號】CN104764805
【申請號】CN201510121294
【發明人】焦敬品, 李亮, 樊仲祥, 何存富, 吳斌
【申請人】北京工業大學
【公開日】2015年7月8日
【申請日】2015年3月19日