紅外熱成像技術在FRP復合材料熱障涂層無損檢測應用中的研究現(xiàn)狀與進展

紅外熱成像是具有非接觸、檢測面積大、檢測結果直觀等突出優(yōu)勢的新興無損檢測技術，近年來被廣泛應用于金屬、非金屬、纖維增強復合材料（FRP）以及熱障涂層等的無損檢測與評價。圖1某航空發(fā)動機及其渦輪葉片熱障涂層結構示意圖紅外熱波成像技術任何高于絕對零度的物體都會向周圍環(huán)境發(fā)出電磁熱輻射，根據(jù)Stefan-Boltzmann定律，其大小除與材料種類、形貌和內部結構等本身特性有關外，還與波長和環(huán)境溫度有關，而紅外熱波成像技術即是利用紅外熱像儀通過遙測材料表面溫度場，從而實現(xiàn)對材料結構特性和物理力學性能的無損檢測與評價。根據(jù)被測對象是否需要施加外部熱激勵，該技術可分為主動式與被動式，其中主動式紅外熱波無損檢測技術由于具有更高的熱對比度與檢測分辨率，近年來受到極大的關注。主動式紅外熱波檢測技術是利用外界熱源對待測試件進行熱激勵，同時利用紅外熱像儀記錄其表面溫度場的演化歷程，并通過對所獲得的熱波信號進行特征提取分析，以達到檢測材料表面損傷和內部缺陷的目的。根據(jù)外激勵熱源的不同，該技術又可被分為光激勵紅外熱成像、超聲紅外熱成像與電渦流紅外熱成像等。圖2總結了目前主動式紅外熱波成像檢測技術中的主要分類依據(jù)及分類結果。圖2主動式紅外熱成像檢測技術的主要分類依據(jù)及結果雖然紅外熱成像無損檢測技術種類眾多，但由于所檢測對象琳瑯滿目，且結構與物理特性比較復雜，因此在實際應用中需結合檢測對象本身特性，選擇一種相對合適且高效的主動式紅外熱波成像無損檢測方法，從而達到對待測對象進行高分辨率、高精度、快速可靠檢測與評價的目的。光激勵紅外熱成像是主動紅外熱成像中一種相對高效的無損檢測方法，由于其非接觸、非破壞、檢測時間短、檢測面積大、易于實施等突出優(yōu)點，在熱障涂層結構、纖維增強復合材料無損檢測與評價中備受關注。在該方法中，當外激勵光源入射到待測試件時，基于光熱轉換效應所產生的熱波擴散并與內部界面或缺陷相互作用，同時，利用紅外熱像儀遠程記錄待測試件表面的瞬態(tài)熱響應，即紅外熱圖像序列。然后，借助先進的后處理算法對所獲取的熱圖像序列進行綜合分析，從而實現(xiàn)待測試件的無損檢測與定量表征。圖3為光激勵熱成像技術原理和目前常用光激勵紅外熱成像檢測系統(tǒng)。圖3光熱無損檢測原理及典型閃光燈激勵熱成像檢測系統(tǒng)此外，根據(jù)熱激勵形式的不同，紅外熱成像技術又可被分為紅外脈沖熱成像、紅外鎖相熱成像與紅外熱波雷達成像，這也是根據(jù)紅外熱成像發(fā)展歷程、目前最為常用的分類方法之一。紅外脈沖熱成像技術檢測效率高，但其探測深度通常較淺，無法滿足對材料深層缺陷高分辨率檢測的要求；且其檢測結果易受表面加熱不均勻、表面反射率及發(fā)射率不均等影響，瞬時高能量脈沖也易使材料表面產生熱損傷。為克服紅外脈沖熱成像技術的局限性，紅外鎖相熱成像技術應運而生，但由于該技術在單一調制頻率熱激勵下僅能探測與其熱擴散長度相對應深度的內部缺陷，因此對FRP復合材料或熱障涂層類結構內不同深度或不同鋪層界面的缺陷，需選擇不同調制頻率對待測試件進行激勵，因此，該方法檢測時間仍相對較長且易出現(xiàn)漏檢。紅外熱波雷達是一種新興的無損檢測技術，具有紅外脈沖熱成像與紅外鎖相熱成像技術所無法比擬的突出優(yōu)勢，如高分辨率、高檢測效率、大探測深度等，近年來備受關注。表1紅外脈沖熱成像、紅外鎖相熱成像以及紅外熱波雷達成像檢測技術的對比FRP復合材料光激勵紅外熱成像無損檢測研究現(xiàn)狀01紅外脈沖熱成像檢測技術紅外脈沖熱成像技術是發(fā)展最早且目前應用最為廣泛的一種紅外熱波無損檢測技術，該技術是使用高能光源（如激光、鹵素燈、閃光燈）對待測試件進行非常短時間（通常幾毫秒）的脈沖激勵加熱，由于內部界面或缺陷的熱阻效應會對待測試件表面溫度場產生差異，然后利用紅外熱像儀同步記錄這種溫度差異，并借助于先進的后處理算法可實現(xiàn)對待測試件內部界面或缺陷的無損檢測與評價。紅外脈沖熱波檢測技術檢測速度快，且對厚度較小的試件具有較好的檢測結果，但其探測深度非常有限，不適用于檢測大厚度構件。此外，該技術還易受表面加熱不均、表面發(fā)射率不均等影響，瞬時高能量脈沖也易使試件表面產生熱損傷。FRP復合材料的強各向異性和顯著內部界面效應，極易使得其產生界面分層等類型缺陷，極大影響FRP復合材料結構或裝備的使用性能。英國巴斯大學Almond等對CFRP復合材料裂紋狀缺陷的邊緣效應進行了研究，并提出了一種瞬態(tài)熱成像法測量缺陷尺寸的方法。加拿大拉瓦爾大學提出了一種將脈沖熱成像與調制熱成像技術相結合的紅外脈沖相位熱成像檢測技術，該技術基于傅里葉變換可獲得能無損表征CFRP復合材料的相位圖像，因此克服了脈沖熱成像技術對表面加熱均勻性的限制。意大利學者Ludwig等研究了紅外脈沖熱成像檢測技術中的熱損失與三維熱擴散對缺陷尺寸測量的影響。為了克服脈沖熱成像技術的局限性，加拿大拉瓦爾大學隨后提出了雙脈沖激勵熱成像檢測技術，并表明該技術可進一步增強熱對比度。加拿大學者利用脈沖熱成像法對GFRP復合材料的低速沖擊損傷進行了無損檢測。英國巴斯大學Almond等又通過解析法研究了脈沖熱成像技術的缺陷檢測極限與缺陷徑深比、激勵能量以及缺陷深度都密切相關。伊朗桂蘭大學還提出了一種使用局部參考像素矢量來處理脈沖熱成像檢測結果的瞬態(tài)響應相位提取方法，實現(xiàn)了CFRP復合材料缺陷檢測和深度預測。此外，為增強FRP復合材料缺陷檢測效果，許多集成先進特征提取方法的脈沖熱成像檢測技術也被提出，例如主成分熱成像、矩陣分解熱成像、正交多項式分解熱成像和低秩稀疏主成分熱成像。國內的哈爾濱工業(yè)大學、電子科技大學、湖南大學、東南大學、火箭軍工程大學、首都師范大學、南京諾威爾光電系統(tǒng)有限公司等科研單位也對FRP復合材料紅外脈沖熱成像無損檢測技術開展了大量研究工作，并取得了豐碩的研究成果。首都師范大學研究了GFRP復合材料脈沖熱成像檢測的熱圖像序列的分割與三維可視化，并提出了一種基于局部極小值的圖像分割算法。北京航空航天大學對FRP復合材料次表面缺陷紅外脈沖熱成像無損檢測的檢測概率進行了深入研究，并分析了閾值、特征信息提取算法等對檢測概率的影響。此外，國內研究學者還提出集成了稀疏主成分分析、矩陣分解基算法、流形學習和快速隨機稀疏主成分分析等算法的紅外脈沖熱成像檢測技術。02紅外鎖相熱成像檢測技術紅外鎖相熱成像技術是20世紀90年代初發(fā)展起來的一種新型數(shù)字化無損檢測技術，該技術是利用單頻正弦調制的熱激勵源對待測試件進行加熱，然后，待測試件內部將也產生一個呈周期性變化的溫度場，由于缺陷區(qū)與無缺陷區(qū)處的表面溫度場存在差異，因此采用鎖相算法可對表面溫度場進行幅值與相位提取，最終實現(xiàn)對材料表面損傷或內部缺陷進行無損檢測與評價。紅外鎖相熱成像檢測技術的探測范圍要大于紅外脈沖熱成像檢測技術，此外，通過降低激勵頻率大小可增大探測深度。英國華威大學和意大利那不勒斯大學等研究學者較早地將紅外鎖相熱成像技術用于CFRP航空件缺陷檢測，并證實了該技術與瞬態(tài)熱成像與超聲C掃描無損檢測技術相比，更適于CFRP航空件表面沖擊損傷的快速無損檢測。研究了同等激發(fā)能量下，紅外脈沖熱成像和紅外鎖相熱成像對CFRP復合材料分層缺陷的檢測能力實了紅外鎖相熱成像技術也可用于厚GFRP復合材料的無損檢測，并深入研究了與缺陷幾何形狀和深度相關的檢測極限問題。隨后，發(fā)現(xiàn)隨著GFRP復合材料缺陷深度增加，利用紅外鎖相熱成像技術所獲得的相位對比度增大，而熱對比度卻減小。提出了一種融合光學鎖相熱成像和光學方脈沖剪切成像的CFRP復合材料沖擊損傷高效表征方法。國內哈爾濱工業(yè)大學、浙江大學和東南大學等科研人員也對FRP復合材料紅外鎖相熱成像檢測開展了較多有價值的研究工作。哈爾濱工業(yè)大學對CFRP復合材料分層缺陷的大小和深度以及熱物性的無損檢測與定量評價，開展了系統(tǒng)的理論與實驗研究，并提出了多種先進特征增強算法來提高其內部分層缺陷的可視性。浙江大學使用紅外鎖相熱成像無損檢測CFRP復合材料分層缺陷，并利用深度學習對測量過程中的傳感器噪聲、背景干擾等進行有效去除，顯著提高了CFRP復合材料次表面缺陷無損檢測與定征的精度。此外，東南大學針對CFRP復合材料分層缺陷紅外鎖相熱成像無損檢測中所存在的熱成像數(shù)據(jù)缺失以及低幀率導致的低分辨率問題，提出了基于低秩張量填充的熱成像檢測技術，不僅可有效解決紅外鎖相熱成像數(shù)據(jù)高度缺失問題，還可顯著提高常用紅外熱像儀的幀頻率。03紅外熱波雷達成像檢測技術近年來，紅外熱波雷達成像技術因檢測效率高和靈敏度高以及不易對材料產生熱損傷而受到越來越多的關注，并開始應用于FRP復合材料的無損檢測與評價。紅外熱波雷達成像技術具有紅外脈沖熱成像技術與紅外鎖相熱成像技術所無法比擬的優(yōu)勢，但由于被用于FRP復合材料無損檢測與評價的時間并不長，尚存在一定的局限性。例如，由于通常采用較低調制頻率激勵源去探測較深范圍的內部缺陷信息，隨之而來的是熱擴散長度的增大，致使檢測分辨率降低；另外，為提高檢測信號的信噪比，通常采用增加熱流激勵強度的方法來解決，但在檢測重要目標構件時，為防止對檢測對象的熱損傷，這種方法并不適合。加拿大多倫多大學教授與印度理工大學教授首先將線性調頻雷達探測技術引入到紅外熱成像檢測技術中，提出了脈沖壓縮熱成像或熱波雷達無損檢測技術。為顯著提高探測熱波信號的信噪比與靈敏度，隨后提出了熱相干層析成像和截斷相關光熱相干層析成像技術，截斷相關光熱相干層析成像技術的具體原理如圖4所示。圖4截斷相關光熱相干層析成像檢測技術原理：(a)截斷相關光熱相干層析成像數(shù)學實施；(b)激光誘導熱成像系統(tǒng)框圖印度理工學院與印度塔帕爾工程技術大學等科研人員還將脈沖壓縮熱成像與紅外脈沖熱成像等其他檢測技術在檢測FRP復合材料次表面缺陷時的檢測性能進行了對比，并分析了各種技術的優(yōu)勢所在。為增強FRP復合材料分層缺陷檢測，比利時根特大學最近也提出了離散頻率相位調制波形的熱波雷達技術，并證明了該技術具有更高的深度分辨率。國內的哈爾濱工業(yè)大學、東南大學、電子科技大學和湖南大學等科研人員也對脈沖壓縮熱成像或熱波雷達開展了較多的研究工作，并取得了重要的創(chuàng)新研究成果。哈爾濱工業(yè)大學較早地將紅外熱波雷達成像技術拓展到CFRP復合材料鋪向和分層缺陷的無損檢測與評價，并對熱波雷達檢測技術的特征提取方法也開展了深入研究。湖南大學和電子科技大學還分別用感應紅外熱成像/熱波雷達檢測技術和參考脈沖壓縮熱成像檢測技術對CFRP復合材料分層缺陷檢測，并取得了較為滿意的檢測效果。最近，東南大學也提出了正交頻率相位調制波形的熱波雷達檢測技術，可有效增強CFRP復合材料分層缺陷的檢測效果。熱障涂層紅外熱波成像無損檢測研究現(xiàn)狀關于熱障涂層紅外熱波檢測技術的研究始于20世紀80年代，伴隨著信息電子與計算機技術的快速發(fā)展，近年來在航空和先進裝備等領域受到極大關注。在目前的熱障涂層紅外熱成像無損檢測中，仍以光激勵紅外熱成像檢測技術為主，這仍然是由于光激勵紅外熱成像技術具有非接觸、快速、檢測面積大、檢測結果直觀等突出優(yōu)點，非常適合于熱障涂層結構性能與健康狀況的在線檢測與表征。根據(jù)激勵熱源生熱機理的不同，除光激勵紅外熱成像檢測技術外，其他無損檢測方法還包括：超聲熱成像、振動熱成像和渦流熱成像。01紅外脈沖熱成像檢測技術針對熱障涂層紅外脈沖熱成像無損檢測，國外專家學者較早地開展了相關研究，并取得了較多的研究成果。利用紅外脈沖熱成像技術無損檢測熱障涂層，研究表明當光學穿透深度遠小于而加熱區(qū)域遠大于涂層實際厚度時，該技術可有效表征熱障涂層熱物性和表面涂層厚度。提出了可無損檢測熱障涂層內部裂紋和厚度不均勻性的穩(wěn)態(tài)熱流激勵熱成像技術，可實現(xiàn)直徑遠小于1mm的裂紋檢測。利用紅外脈沖熱成像技術對熱障涂層厚度和脫粘缺陷進行無損檢測，并結合先進后處理方法提高了時空域分辨率和信噪比。利用紅外脈沖熱成像技術結合機器學習和相位特征提取方法，系統(tǒng)地研究了熱障涂層結構中的表面涂層厚度變化、脫粘缺陷以及涂層過厚與粘附/脫粘缺陷的區(qū)分問題。隨后，為無損評價熱障涂層老化程度以及完整性，利用紅外脈沖熱成像技術檢測了熱障涂層面內與深度方向熱擴散率以及孔隙率。此外，利用紅外脈沖熱成像檢測技術還可監(jiān)測熱障涂層損傷演化歷程以及壽命評估，且熱障涂層粘結界面處粗糙度形貌、深度以及基底強度等對其損傷演化也有重要影響。還研究了熱障涂層表面非均勻及紅外透光性等對其光熱無損檢測的影響。最近，利用激光激勵紅外脈沖熱成像技術無損檢測了表面涂層厚度變化。利用紅外脈沖熱成像技術和太赫茲時域譜技術同時對不均勻涂層厚度進行測量，并獲得了對熱障涂層厚度估計小于10.3%的平均相對誤差。雖然我國關于熱障涂層紅外脈沖熱成像無損檢測的研究起步較晚，但北京航空航天大學、北京理工大學、哈爾濱工業(yè)大學、陸軍裝甲兵學院和北京航空材料研究院等的科研人員仍取得了重要研究成果。北京航空航天大學利用紅外脈沖熱成像技術，通過使用有限元數(shù)值模擬與熱成像檢測實驗方法，對存在脫粘缺陷和厚度不均勻時熱障涂層表面溫度場以及熱障涂層的厚度與疲勞特性進行了較為深入的研究。北京航空材料研究院利用閃光燈激勵紅外脈沖熱成像技術不僅檢測出直徑小于0.5mm的脫粘缺陷，還識別出了肉眼無法觀察到的微裂紋。海軍工程大學利用有限體積法研究了脈沖熱激勵下熱障涂層脫粘缺陷時表面溫度場相位差變化，并利用Levenberg-Marquardt算法對涂層厚度和脫粘缺陷位置進行定量化表征。哈爾濱工業(yè)大學將紅外脈沖熱成像技術與模擬退火和馬爾科夫-主成分分析-神經網(wǎng)絡等方法相結合，實現(xiàn)了熱障涂層不均勻厚度和脫粘缺陷深度與直徑的有效量化確定。最近，哈爾濱商業(yè)大學還提出了一種基于同態(tài)濾波-分水嶺-Canny算子混合算法的長脈沖熱成像檢測技術，不僅可有效識別熱障涂層脫粘缺陷的邊緣，還增強了缺陷特征提取效果。陸軍裝甲兵學院采用脈沖紅外熱成像檢測技術對熱障涂層厚度與脫粘缺陷進行了較為系統(tǒng)的研究，并表明熱圖重構及先進后處理算法可有效提高表面涂層厚度表征的精度和脫粘缺陷的檢測效果。近來，關于熱障涂層激光掃描熱成像技術的無損檢測與評價研究也開始出現(xiàn)，北京理工大學和南京理工大學利用線型激光掃描熱成像技術實現(xiàn)了對熱障涂層脫粘缺陷以及20~150μm厚薄涂層的高精度無損檢測與評價。為了檢測熱障涂層表面微小裂紋，北京理工大學還開發(fā)了一種將線型激光快速掃描模式與點激光精細掃描模式相結合的激光多模式掃描熱成像檢測技術，實現(xiàn)了僅9.5μm寬表面微小裂紋的高效檢測。02紅外鎖相熱成像檢測技術不同于熱障涂層紅外脈沖熱成像無損檢測研究，國內專家學者較早地開展了熱障涂層紅外鎖相熱成像無損檢測的研究，而國外對此的研究還很少。例如，韓國國立公州大學Shrestha和Kim利用紅外脈沖熱成像技術和紅外鎖相熱成像技術對熱障涂層表面不均勻涂層厚度進行了無損檢測與評價，并開展了有限元數(shù)值模擬與熱成像檢測實驗分析了各種技術的優(yōu)勢所在。國內的哈爾濱工業(yè)大學、火箭軍工程大學等為基于紅外鎖相熱成像技術的熱障涂層無損檢測與評價研究做了積極探索?；鸺姽こ檀髮W利用紅外鎖相熱成像技術對涂層厚度進行檢測，并表明該技術可實現(xiàn)對涂層厚度的快速檢測，且檢測精度可達到95%。哈爾濱工業(yè)大學利用紅外鎖相熱成像檢測技術和熱波信號相關提取算法對熱障涂層脫粘缺陷進行檢測，并研究了光源功率、分析周期數(shù)和激勵頻率大小等對檢測結果的影響。隨后，哈爾濱工業(yè)大學利用激光激勵紅外鎖相熱成像技術高精度地量化了SiC涂層碳/碳復合材料的薄涂層厚度分布的均勻性。上海交通大學針對熱障涂層內部裂紋缺陷的快速無損檢測與評價，也提出了一種基于多閾值分割和堆疊受限玻爾茲曼機算法的紅外熱成像無損檢測技術。03紅外熱波雷達熱成像檢測技術紅外熱波雷達成像作為一種新興的無損檢測技術，其高信噪比、大探測范圍等突出優(yōu)勢更利于熱障涂層次表面脫粘缺陷的高精度無損檢測。而目前關于熱障涂層紅外熱波雷達成像無損檢測與評價的研究還鮮有報道，目前僅有國內的哈爾濱工業(yè)大學和東南大學針對熱障涂層紅外熱波雷達成像無損檢測開展了相關的理論與熱成像檢測實驗研究工作。哈爾濱工業(yè)大學利用紅外熱波雷達成像技術對熱障涂層脫粘缺陷進行檢測，該技術利用線性調頻信號調制光源強度，并引入了互相關和線性調頻鎖相提取算法，研究表明該技術可實現(xiàn)熱障涂層脫粘缺陷的有效檢測。東南大學基于Green函數(shù)法，對熱障涂層光熱傳播理論進行了較為深入的研究，并提出了一種先進非線性調頻波形的脈沖壓縮熱成像檢測技術，可實現(xiàn)熱障涂層次表面脫粘缺陷的高信噪比、大探測深度的高分辨率檢測。結束語通過文獻調研和相關研究結果分析發(fā)現(xiàn)，由于FRP復合材料和熱障涂層的復雜結構特性，使得傳統(tǒng)的無損檢測技術無法較好地實現(xiàn)高效可靠的無損檢測與評價。作為新興的無損檢測技術，紅外熱波雷達成像技術由于具有高分辨率、大探測深度、檢測結果直觀等突出優(yōu)點，為FRP復合材料和熱障涂層的高精度無損檢測與評價提供了新契機。此外，在對FRP復合材料和熱障涂層紅外熱成像無損檢測進行研究的過程中也發(fā)現(xiàn)，紅外熱成像無損檢測技術的發(fā)