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澳门新濠新天地3559射线检测技术对平行于材料表

2019-09-06 12:07

澳门新濠新天地3559射线检测技术对平行于材料表面的裂纹也不敏感,太赫兹技术在文物保护领域开展无损害检测。检查航空航天材料的内部是否有缺陷,现在的技术手段需要将材料一层层切开逐步检查,程序繁琐且不精准。未来有望利用一种被称为“太赫兹波”的电磁波,在不损伤材料的情况下,通过透射成像检测到材料内部微小的缺陷。近日,中国科学院重庆绿色智能技术研究院太赫兹技术研究中心(下称太赫兹研究中心)在太赫兹无损检测技术的研究已取得成果,有望改善航空航天材料的检测技术。 不损伤材料洞察内部毫米级缺陷 太赫兹波是一种不可见的电磁波,具有穿透性强、成像光谱特征明显、脉冲短且不容易破坏被检测物质的独特优势,因此受到国际广泛关注和研究。2013年,太赫兹研究中心成功向重庆市科委申请科研立项,对太赫兹在复合材料无损检测方面展开相关研究。

贤集网材料技术频道讯:随着复合材料在结构件上应用比例的不断提高,为保障安全,监控复合材料结构的内部质量受到越来越广泛的关注。因此,复合材料无损检测技术也越来越多地应用于复合材料结构成型、装配、试验、维护和使用的全过程中。无损检测即采用非破坏性手段,利用声、光、电、热、磁和射线等技术探测材料、构件内部的孔隙、夹杂、裂纹、分层等影响其使用的缺陷及其位置。

太赫兹技术:又一项“硬科技”用于文物保护2019年3月6日10:03:00621 浏览/0 评论新闻来源:中国文化报 分享

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1、射线检测技术

记者 李佳霖

2月28日,据陕西省文物保护研究院消息,日前陕西省文物保护研究院召开“太赫兹技术在文物保护领域应用研究”研讨会,邀请中国工程物理研究院激光聚变研究中心太赫兹技术专家周逊博士作文物科技尖端技术专题讲座,并与陕西省考古研究院、陕西历史博物馆、西安碑林博物馆、西北工业大学等相关文博单位、高校专业人员对文物保护理念、理论、课题、研发、实践、应用等方面引进科技尖端技术进行全方位研讨。

射线检测技术( Radiographic Testing,即RT)是利用射线( X 射线、γ 射线、中子射线等)穿过物体时的吸收和散射的特性,检测其内部结构不连续性的技术。

2月26日,陕西省文物保护研究院召开了"太赫兹技术在文物保护领域应用研究"研讨会。在研讨会上,中国工程物理研究院激光聚变研究中心博士周逊进行关于文物科技尖端技术的专题讲座,并与来自陕西省考古研究院、陕西历史博物馆、西安碑林博物馆、西北工业大学等单位的专家,就文物保护中科学技术的运用进行了讨论。

周逊首先对目前在全国乃至全球文物保护领域的科技尖端技术太赫兹的特点、优势和运用进行讲授,重点分析该技术在我国文物保护实践中的材料成分、文物隐藏层和内部结构成像、文物内部缺陷和裂纹检测、文物含水量实时监测等领域的应用实例和潜力。周逊介绍,中国工程物理研究院激光聚变研究中心太赫兹技术在我国现代科技领域具有引领作用,从技术理念、科研水平、成果应用、开发前景等方面在我国乃至世界处于领先地位,已在国防、军工、医疗、制造、航空等高技术领域得到广泛的推广应用。

适合于:孔隙、夹杂等体积型缺陷检测,对平行于射线穿透方向的裂纹有比较好的检测效果,对复合材料中特有的树脂聚集与纤维聚集等缺陷也有一定的检测能力,在铺层数量较少时,还可发现铺层内纤维弯曲等缺陷。由于分层缺陷对射线穿透方向上介质并无明显影响,因此分层缺陷在成像上并不明显。同样的原因,射线检测技术对平行于材料表面的裂纹也不敏感。

周逊介绍,太赫兹技术对现代科技领域具有引领作用,在成果应用、开发前景等方面潜力无限,并已在国防、军工、医疗、制造、航空等高技术领域得到广泛的推广应用。太赫兹是指频率在0.1THz至10THz、波长在3mm至0.03mm之间的电磁波,与X射线、超声波等相比,在电磁波谱中处于特殊位置。该技术对于助力文物的材料成分分析、隐藏层和内部结构成像、内部缺陷和裂纹检测、含水量实时监测等方面成效显着、潜力很大。

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射线检测技术又分为如下三个类别:

与会专家在座谈交流后认为,在文物保护领域,太赫兹技术与X射线、拉曼光谱、超声波、微波、红外光谱等技术可以相互配合、取长补短。比如,运用拉曼光谱、红外光谱方法能够分析文物表面物质成分,但穿透性差。X射线和微波能够穿透表面,但X射线纵向分辨率差,且光子能量高,具有电离特性,会对文物造成一定损害;微波横向分辨率较低。太赫兹技术不仅对很多介电材料和非极性物质具有良好穿透性,而且相对于X射线上千电子伏的光子能量,太赫兹辐射光子能量只有毫电子伏数量级,不会引起有害电离反应,破坏被检测物质。正是由于太赫兹在穿透性、非电离性、高分辨率以及深度探测等方面具有明显优势,为文化遗产的非破坏性检测和分析提供了高分辨率成像手段。通过太赫兹光谱及二维成像技术,可对文物表面物质以及次表面结构进行探测,而利用太赫兹层析成像技术可对文物多层结构、横截面以及三维内部状态进行无损探测。

与会专家在听了讲座和情况介绍后进行座谈交流,普遍认为太赫兹技术在文物保护领域具有广阔的应用前景和深远意义,与X射线、拉曼光谱、超声波、微波、红外等技术相配合可以取长补短。专家特别强调,文物属于珍贵不可再生资源,文物的收藏、保护、修复工作应该不断创新理念、更新方式、引进技术,确保文物在保护修复过程中不改变原样、不损伤机体、不破坏品相,应积极引进尖端科技全面提升文物保护的无损害检测技术水平。经过大家充分讨论,已经就纸质、纺织品、古建油饰彩画等材质文物的共同研究、保护方面达成初步合作计划。

●射线照相

事实上,太赫兹技术在文物保护领域开展无损害检测,在国际上早有研究和运用。日本专家依据太赫兹时域光谱分析技术,对13世纪羊皮纸手稿上红色墨水进行分析,其光谱特征显示为朱砂。美国密歇根大学专家利用太赫兹技术,让艺术史学家们"看穿"年代久远的古建筑泥灰墙,从而发现其内部的壁画作品。山西大同大学物理与电子科学学院院长杨成全团队首次将太赫兹技术应用于我国文化遗产物质分析,对云冈石窟岩石样品进行透射光谱测试。测试依据太赫兹吸收谱特征对石柱、降尘和新鲜岩石3种样品进行区分,并通过比较石窟内外风化石雕样品光谱吸收谱线和折射率,鉴别不同石雕风化物,其研究结果证明了太赫兹技术在我国文物考古领域的巨大应用潜力。

早在2013年~2016年,陕西省文物保护研究院就率先承担了国家文物局科研课题“太赫兹成像技术对壁画结构探查应用研究”。该课题构建太赫兹时域光谱检测系统,对壁画样本不同层次的材料进行光谱检测,观察到不同材料其各自的太赫兹光谱特征,构建基于太赫兹时域光谱和连续太赫兹波的共焦成像系统。该研究成果经过国家文物局的结项评估和验收,为太赫兹技术在我国文物保护领域的实践应用提供了技术支撑。该院此次召开“太赫兹技术在文物保护领域应用研究”研讨会,意在继续深化对太赫兹技术的升级研究,与全国科研领军团队广泛开展课题合作和技术攻关,为陕西乃至全国文物科技保护工作在技术层面寻找新的更大突破。

在所有的射线检测技术中,胶片射线照相技术发展最早,而数字式射线实时成像检测技术则发展最快。与胶片照相技术相比,数字式射线成像技术的成像质量与胶片照相技术相当,在检测的实时性、效率、经济性和易用性等方面则有着无可比拟的优越性,因而得到了快速的发展。目前,具备一定智能识别能力的实时成像检测技术已经应用于复合材料产品的在线检测,可对装配线上的工件进行实时快速检测,成为确保产品合格率的重要检测手段。

2013年至2016年,陕西省文物保护研究院承担了国家文物局科研课题"太赫兹成像技术对壁画结构探查应用研究"。该课题针对壁画等文物样品开展太赫兹无损检测及成像研究,探讨了对壁画等文物的检测及成像的可行性,为太赫兹技术在我国文物科学领域的应用提供技术参考。陕西省文物保护研究院副院长周萍介绍,课题组对壁画样本不同层次的材料进行了光谱检测,观察不同材料的太赫兹光谱特征,构建了太赫兹时域光谱检测系统以及基于太赫兹时域光谱以及连续太赫兹波的共焦成像系统。比如,对壁画样品残片进行太赫兹光谱检测,使不同区域颜料材质以及用量差异在太赫兹光谱中得到体现;对于壁画上所绘花瓣的检测,可以明显分辨出花瓣的轮廓以及结构;根据太赫兹成像结果,还可以检测到壁画表面无法用肉眼识别的横向条纹。这些检测结果可以为重层壁画的探测奠定技术基础。该研究成果经过国家文物局的结项评估和验收,为太赫兹技术在我国文物保护领域的实践应用提供了技术支撑。

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●工业CT

文物属于珍贵的不可再生资源,文物的鉴定、保存、修复都需要科学检查和认定。专家表示,文物的收藏、保护、修复工作应该不断创新理念、更新方式、引进技术,特别是积极引进尖端科技全面提升文物保护的无损害检测技术水平,确保文物在保护修复过程中不改变原貌、不损伤机体、不破坏品相。"目前,太赫兹技术在我国文物科学领域的应用尚处于起步阶段,在应用方向及检测技术上均有待探索和发展。陕西省文物保护研究院在前期开展的壁画太赫兹检测工作基础上,将继续优化检测方法,提升检测设备性能,推动太赫兹技术在我国文物保护领域的应用研究。"周萍说。

陕西是文物资源大省,馆藏文物多达774万余件组,总数位居全国第二,以珍贵稀有的青铜、陶瓷器、金银器、壁画等为主,众多珍贵文物的鉴定、保存、修复都需要科学检查和认定。这是一项覆盖考古、历史、物理、化学、材料等多学科交叉应用领域的工作,利用无损害检测科学手段一直是文物保护工作者探索和发展的方向。目前在文物无损检测方面,通常采用X射线、拉曼光谱、超声波、微波、红外技术对文物进行真伪鉴定、内部结构分析、材料成分分析和表面分析等。紫外、拉曼、红外光谱方法能够分析表面物质成分,但穿透性较差;X射线和微波能够穿透表面,但X射线纵向分辨率差,且光子能量高,具有电离特性;微波横向分辨率较低,均只能满足部分要求。

层析摄影也叫计算机断层扫描成像( ComputedTomography,即CT) ,该技术是利用X 射线探测物体的内部,通过测定射线的衰减系数,采用数学方法,经计算机处理,求解出衰减系数值在某剖面上的二维分布矩阵,转变为图像画面上的灰度分布,从而实现建立断面图像的成像技术。通过分析断层面内密度的分布,就可以获得复合材料内部密度均匀性、微孔隙体积含量与分布等方面的信息。一般来说,CT 照片的对比度比X 射线照片的对比度要低,但因消除了不同层面图像叠加重影问题,实际可读性强于X 射线照片。不过CT 成像原理决定了密度高的物质会在一定程度上被放大,这也就导致了分层、孔隙、裂纹等损伤图像的尺寸比实际尺寸略小而纤维堆积等密度高的缺陷图像比实际尺寸略大的特有现象。

太赫兹波是指频率在0.1~10THz、波长在3~0.03mm之间的电磁波,与X射线、超声波、微波、红外相比因其在电磁波谱中所处的特殊位置,在文物保护领域无损害检测方面具有多种优势。对很多介电材料和非极性物质具有良好的穿透性;很多大分子转振动能力处于太赫兹波段,其太赫兹光谱包含着丰富的分子结构信息,也被称为“太赫兹指纹谱”;相对于X射线上千电子伏的光子能量,太赫兹辐射光子能量只有毫电子伏数量级,不会引起有害电离反应和破坏被检测物质。太赫兹技术应用在文物保存和分析领域后,证实太赫兹成像作为分析树木年代的有效技术途径,太赫兹光谱、太赫兹成像技术逐渐在文物材料分析、无损害检测方面均得到广泛应用。

总的来说,CT 扫描成像的技术具有以下特点:

●高空间分辨率和密度分辨率( 通常<0. 5%)

●高动态检测范围( 从空气到复合材料再到金属材料) ;

●成像尺寸精度高;

●在穿透能量足够的情况下,不受试件几何结构限制。

局限性表现为: 检测效率低、检测成本高、双侧透射成像、不适合于平面薄板构件的检测以及大型构件的现场检测。利用CT 成像技术可以有效检测先进复合材料中的孔隙、夹杂、裂纹等缺陷,也可以测量材料内部的密度分布情况,如材料均匀性、微孔隙含量等。在工业应用上,美国在上世纪八十年代就研制出了用于检测大型固体火箭发动机复合材料壳体的工业CT 设备,并逐渐将该技术应用于其它复合材料结构的无损检测中,我国也于上世纪90 年代后期成功地将工业CT 技术应用于C /C 复合材料、碳/酚醛复合材料等的检测,解决了一些关键性的无损检测技术难题,取得了较好的经济效益与社会效益。

●康普顿背散射成像检测技术

康普顿背散射成像 技术是一种新的射线检测技术,它具有单侧非接触、检测灵敏度高、快速三维成像的特点,对低密度材料的检测可获得比透射成像更高的图像对比度,非常适合于复合材料等原子序数较低材料的物体。当被检物体结构复杂,或无法进行双侧成像检测时,CST 技术就显示出了独特的优势。目前,CST 技术在国外航空航天领域已经得到了广泛的应用,在国内,尚处于探索性研究阶段。

2、超声检测技术

超声波是指频率20kHz 的声波, 其波长与材料内部缺陷的尺寸相匹配。根据超声波在材料内部缺陷区域和正常区域的反射、衰减与共振的差异来确定缺陷的位置与大小。超声波检测主要分为脉冲反射法、穿透法和反射板法, 根据不同的缺陷来选择合适的检测方法。

适用于:超声波不仅能检测复合材料构件中的分层、孔隙、裂纹和夹杂物等, 而且在判断材料的疏密、密度、纤维取向、曲屈、弹性模量、厚度等特性和几何形状等方面的变化也有一定作用。

对于一般小而薄、结构简单的平面层压板及曲率不大的构件, 宜采用水浸式反射板法;

对于小或稍厚的复杂结构件, 无法采用水浸式反射板法时, 可采用水浸或喷水脉冲反射法和接触延迟块脉冲反射法;

对于大型结构和生产型的复合材料构件的检测宜采用喷水穿透法或喷水脉冲反射法。由于复合材料组织结构具有明显的各向异性, 而且性能的离散性较大, 因而, 产生缺陷的机理复杂且变化多样, 再加上复合材料构件的声衰减大, 由此引起的噪声与缺陷反射信号的信噪比低,不易分辨,检测时应选合适的方法。

具体应用:

●飞行器零件等大型复合材料构件,蜂窝泡沫夹心等复杂结构件,曲面构件,波音飞机复合材料机身层合板结构的无损检测。

●超声检测方法分为传统的超声波检测方法,超声导波检测方法,空气耦合超声检测技术,

●激光超声检测技术,相控阵超声检测技术。

3、红外热波检测技术

红外热波无损检测 ( Thermal Wave Testing)利用主动加热技术,通过红外热成像系统自动记录试件表面缺陷和基体材料由于不同热特性引起的温度差异,进而判定被测物表面及内部的损伤。

适用于:该检测方法特别适合于检测复合材料薄板与金属粘接结构中的脱粘、分层类面积型缺陷,尤其是当零件或组件不能浸入水中进行超声C-扫描检测以及零件表面形状使得超声检测实施比较困难时也可使用红外热波检测方法,红外热波方法能够准确确定复合材料中分层的深度,而且该方法具有非接触、实时、高效、直观的特点。

4、声-超声检测技术

声-超声( Acoustic-Ultrasonic)技术又称应力波因子 技术。

适用于:AU 技术主要用于检测和研究材料中分布的细微缺陷群及其对结构力学性能 的整体影响,属于材料的完整性评估技术。采用声-超声振幅C 扫描技术也能够对复合材料与金属材料间的粘接界面进行有效检测,而且克服了超声反射技术信号清晰度不高、超声透射技术传感器可达性差的缺点。

5、声发射检测技术

声发射检测技术( Acoustic Emission) 是通过对复合材料或结构在加载过程中产生的声发射信号进行检测和分析,对复合材料构件的整体质量水平进行评价的一种检测技术。

适用于:反映复合材料中损伤的发展与破坏模式,预测构件的最终承载强度,并能够确定出构件质量的薄弱区域。声发射技术是检测复合材料结构整体质量水平的非常实用的技术手段,使用简单方便,可以在测试材料力学性能的同时获取材料动态变形损伤过程中的宝贵信息。

6、涡流检测技术

涡流检测技术( Eddy Current Testing) 是利用导电材料的电磁感应现象,通过测量感应量的变化进行无损检测的方法。

适用于:用于导电材料,可以用于碳-碳复合材料与金属基复合材料的检测。由于端头效应的存在,该方法在边界处的检测效果不好,同时该技术需要用标准试样进行对比,因此其应用受到了限制。

7、微波检测技术

微波是指频率为300MHz ~3000GHz 的电磁波,是无线电波中一个有限频带的简称,是分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波的统称。微波频率比一般的无线电波频率高,通常也称为“超高频电磁波”。

适用于:微波指向性高,在复合材料中穿透能力强、衰减小,适合于检测厚度较大的材料。对结构中的孔隙、疏松、基体开裂、分层和脱粘等缺陷具有较高的灵敏性。上世纪60 年代,微波检测技术就已经用于大型导弹固体发动机玻璃钢壳体中的缺陷和内部质量的检测。实践证明,利用反射法测量的厚度误差小于0. 125mm,利用穿透法可测定0. 02mg /cm3 的密度变化。由于微波探伤技术不能穿透导体,因此这种检测方法很难应用于整机检测。

8、流体渗透法

流体渗透检测法仅仅适用于具有开放性伤口的缺陷或损伤,这种方法是采用特制的渗透剂对缺陷和损伤进行染色,但是染色过程中会污染材料,在一定程度上会增加修补难度,目前使用较少。

9、激光全息法

激光全息检验法( Laser Holography) 是激光全息照相和干涉计量技术的综合运用。这种技术的依据是物体内部缺陷在外力作用下,使它所对应的物体表面产生与其周围不相同的微量位移差。然后用激光全息照相的方法进行比较,从而检验出物体内部的缺陷。这种检验方法由于设备昂贵、需要冲洗显影、对环境振动敏感和需要对被测物加载,因此限制了推广能力,目前主要在实验室使用。

10、目测法

就是人眼观察复合材料表面的肉眼可见的缺陷,主要是表面的裂纹和损伤,优势在于成本低,效率高,但是具有较大人为因素。

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