【摘 要】
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新型陶瓷纤维复合材料以其耐高温、低密度、高比强和抗烧蚀等优点在超高声速飞行器外层隔热得到应用。该类材料可能因为生产与装配的工艺水平等因素导致出现夹杂、孔洞甚至大面积脱粘等缺陷。由于陶瓷纤维复合材料结构与应用场景的特殊性使得常规无损检测手段效果不佳,而太赫兹(Terahertz,THz)技术作为一种新兴的无损检测技术,在该类复合材料的无损检测领域具有很大的潜力,可与常规检测技术形成互补。本文以陶瓷纤
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新型陶瓷纤维复合材料以其耐高温、低密度、高比强和抗烧蚀等优点在超高声速飞行器外层隔热得到应用。该类材料可能因为生产与装配的工艺水平等因素导致出现夹杂、孔洞甚至大面积脱粘等缺陷。由于陶瓷纤维复合材料结构与应用场景的特殊性使得常规无损检测手段效果不佳,而太赫兹(Terahertz,THz)技术作为一种新兴的无损检测技术,在该类复合材料的无损检测领域具有很大的潜力,可与常规检测技术形成互补。本文以陶瓷纤维复合材料构件为研究对象,基于太赫兹时域光谱(Terahertz time-domain spectroscopy,THz-TDS)从材料对THz波传输特性的影响、缺陷定位以及缺陷区域量化表征等方面开展无损检测技术研究工作:(1)针对陶瓷纤维复合材料特性对太赫兹波传输过程能量衰减的影响以及THz-TDS技术对该类材料检测厚度的能力的问题,本文研究太赫兹波在陶瓷纤维复合材料中的传输模型,讨论米氏散射理论对太赫兹波检测微粒时的影响,对THz-TDS检测技术在该类材料穿透能力进行探讨,分析陶瓷纤维复合材料的密度和微观孔径对太赫兹波辐射能量衰减的原因,建立材料特性与能量积分值之间的数学模型。(2)针对陶瓷纤维复合材料存在的粘接层缺陷检测问题,本文基于THz-TDS检测技术获取和对比试样中有脱粘缺陷和粘接完好位置的时域波形,定性分析缺陷存在,测定平均折射率,判定脱粘深度和厚度。针对平均折射率所造成缺陷位置分析的误差,以太赫兹层析成像方式进一步分析缺陷位置,建立缺陷位置评估模型,对陶瓷纤维复合材料构件的粘接层缺陷实现高精度定位。(3)针对THz波源抖动、材料各项异性等因素对THz反射成像质量和缺陷区域表征精度所造成较大影响的问题,研究采用模糊C均值(Fuzzy C-means,FCM)算法对经过自适应滤波预处理的图像进行分割,实现缺陷区域可视化和量化表征。在此基础上针对上述算法对较小缺陷区域量化表征精度低问题,研究基于能量积分值的改进的区域图像分割算法提高小区域表征精度,建立相应图像分割评价指标,并通过试验证明以上述两种算法相互补充实现陶瓷纤维复合材料缺陷区域表征的可行性和准确性。
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