CN109975408A - 基于返回式飞船层合防热材料的无损检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明基于返回式飞船层合防热材料的无损检测方法，利用空气耦合超声检测方法取得穿透返回式飞船层合防热材料的透射波，通过检测的超声波透射波波峰值表征返回式飞船层合防热材料的密度；本发明解决了普通超声检测过程中耦合剂对材料的污染问题；通过对返回式飞船层合防热材料无损检测的研究，确定适合于疏松防热材料的测试参数，实现对返回式飞船层合防热材料的无损检测；通过研究超声波在防热材料中的衰减与材料密度之间的关联，实现对返回式飞船层合防热材料密度的无损检测，可以在不损伤材料试样的前提下，大范围直观的检测返回式飞船层合防热材料的密度。

Description

基于返回式飞船层合防热材料的无损检测方法
技术领域
本发明提出了基于返回式飞船层合防热材料的无损检测方法，属于复合材料领域。
背景技术
目前航天领域对材料减重的需求越来越高，而防热材料的重量在返回式飞船占了相当大的一部分比例，因此，对防热材料的质量或密度控制是防热材料研究的一个重要方面。而目前尚未有太好的无损手段解决防热材料的密度控制问题，普通的超声检测手段无法穿透防热材料；另外针对于航空航天用的层合防热材料等特殊材料，水或者其他液体的耦合剂会使材料受潮或变污，并且有可能渗入到损伤处，从而影响构件的力学强度和尺寸的稳定，材料评价后耦合剂的清理也很费时；现有的空气耦合技术虽然通过新型超声换能器和信号处理技术解决了耦合剂问题，但因研究并不深入，多用于金属或碳纤维层合材料等密实材料，尚未应用于防热材料这类疏松材料上，更没有通过该技术检测防热材料的密度的相关尝试。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：克服现有手段的不足，提供基于返回式飞船层合防热材料的无损检测方法，解决返回式飞船层合防热材料密度控制问题。
本发明的技术方案是：基于返回式飞船层合防热材料的无损检测方法，利用空气耦合超声检测方法取得穿透返回式飞船层合防热材料的透射波，通过检测的超声波透射波波峰值表征返回式飞船层合防热材料的密度，具体步骤如下：
1)将待测试试样与两个标准密度试样制成相同厚度试样，清除试样表面的污垢、毛刺；
2)将密度为ρA的标准密度试样A放入空气耦合超声检测仪的两个超声波探头之间，设置空气耦合超声检测仪参数，包括扫描频率、试样与探头之间的距离、采集延迟及增益；在空气耦合超声检测仪的显示屏幕上观察并记录标准密度试样A对应的峰值高度hA；
3)将密度为ρB的标准密度试样B放入空气耦合超声检测仪的两个超声波探头之间，且放置位置与标准密度试样A的位置相同；在空气耦合超声检测仪的显示屏幕上观察并记录标准密度试样B对应的峰值高度hB；
4)将待测试的试样放入空气耦合超声检测仪的两个超声波探头之间，且放置位置与标准密度试样A的位置相同，在空气耦合超声检测仪的显示屏幕上观察并记录待测试样的波形峰值高度h；
5)根据标准密度试样A对应的峰值高度hA、标准密度试样B对应的峰值高度hB以及待测试样的波形峰值高度h，计算获得待测试样的密度值ρ。
所述超声波探头的扫描频率选用50KHz或120KHz或250KHz或400KHz。
所述超声波探头的扫描频率选择50KHz，试样与两个超声波探头之间的距离均为9cm。
所述超声波探头的扫描频率选择120KHz，试样与两个超声波探头之间的距离均为2.7cm。
调整空气耦合超声检测仪的采集延迟及增益，调整原则为待测波形显示清晰稳定，波形曲线位于屏幕正中，波峰高度为显示的测试最高值的2/3至1之间。
所述步骤5)中计算获得待测试样的密度值ρ具体公式为：
所有试验的厚度为5mm-30mm。
所述的待测试试样材料为轻质防热材料。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1)本发明采用空气耦合超声检测技术，解决了普通超声检测过程中耦合剂对材料的污染问题；通过对返回式飞船层合防热材料无损检测的研究，确定适合于疏松防热材料的测试参数，实现对返回式飞船层合防热材料的无损检测；通过研究超声波在防热材料中的衰减与材料密度之间的关联，实现对返回式飞船层合防热材料密度的无损检测，可以在不损伤材料试样的前提下，大范围直观的检测返回式飞船层合防热材料的密度。
2)本发明提供了一种采用空气耦合超声检测方法实现对返回式飞船层合防热材料密度控制的无损检测方法，解决了普通超声检测在检测返回式飞船层合防热材料时衰减过大无法得到信号的问题，通过使用发射增益及接收增益的空气耦合超声检测，使超声无损检测在疏松的防热材料上的使用成为可能。
3)相较于射线、CT等其它检测手段，超声波信号在返回式飞船层合防热材料中衰减的程度与材料的密实程度直接相关，通过观测接收波的波形与波峰值即可直观有效的计算返回式飞船层合防热材料的密度值。。
附图说明
图1为密度为4*103kg/m3的NF3牌号防热材料标准试样超声波形图。
图2为密度为3*103kg/m3的NF3牌号防热材料标准试样超声波形图。
图3为待测NF3牌号防热材料试样超声波形图。
图4为密度为5*103kg/m3的NF5牌号防热材料标准试样超声波形图。
图5为密度为3*103kg/m3的NF5牌号防热材料标准试样超声波形图。
图6为待测NF5牌号防热材料试样超声波形图。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
本发明基于返回式飞船层合防热材料的无损检测方法，利用空气耦合超声检测方法取得穿透返回式飞船层合防热材料的透射波，通过检测的超声波透射波波峰值表征返回式飞船层合防热材料的密度，具体步骤如下：
1)将待测试试样与标准密度试样制成相同厚度试样，清除试样表面的污垢、毛刺；
2)将密度为ρA的标准密度试样A放入超声波探头之间，设置空气耦合超声检测仪参数，包括扫描频率、试样与探头之间的距离、采集延迟及增益：
所述扫描频率包括50KHz,120KHz,250KHz和400KHz，根据声能量衰减公式可知：α＝Kf4，其中：α为超声波在材料中的衰减系数，K为材料的衰减系数，与材料本身的特性如密度有关，f为超声波的频率；当频率升高，超声波在材料中的衰减急剧增加，因此考虑返回式飞船层合防热材料的厚度、吸收率等特点，选择50KHz或120KHz为扫描频率；探头激发出的超声波呈收拢状，在距探头一定距离时收拢为信号焦点，该焦点距离于频率相关，对于50KHz探头，该距离为9cm；对于120KHz探头，该距离为2.7cm(该距离可根据仪器型号不同有所区别)；根据材料特性调整探头角度、采集延迟及增益，调整原则为待测波形清晰、稳定，波形曲线位于屏幕正中，波峰高度约为测试最高值的2/3至1之间。记录标准密度试样A对应的峰值高度为hA。将密度为ρB的标准密度试样B放入同样位置，记录标准密度试样B对应的峰值高度为hB；
3)将待测试的试样放入超声波探头之间的同样位置，记录此时对应待测试样的波形峰值高度为h，待测试样的密度值ρ则可通过以下方程求得:
所述的密度测量法的具体过程为：
根据超声波在材料中的衰减机制，材料的衰减系数与材料的密度呈反比，可记为α＝k/ρ，对于同种返回式飞船层合防热材料和相同测试参数来说，k可视为常数，α为超声波在材料中的衰减系数，ρ为材料的密度。而测试得到的波峰值与衰减系数α及密度ρ有如下关系：
其中hA,hB为步骤2中得到的标准密度试样对应的波形峰值高度，ρA，ρB为标准密度试样的密度，h为步骤中得到的待测试试样对应的波形峰值高度，h0为当试样内部无衰减时的理论峰值高度。上述方程组成一个三元一次方程组，未知值为ρ,k和h0.对此方程组进行求解即可解得：
所述的空气耦合超声检测方法的具体过程为：在传统的超声检测技术的基础上，采用空气做为耦合剂，不污染试样，适合于特殊材料和结构的检测。
通过不同密度的防热材料对空气耦合超声波的不同衰减来无损检测防热材料的密度。
所述的防热材料厚度为5mm-30mm。
所述的超声波探头频率为50k-120k。
所述的可检测材料为轻质防热材料，密度在5*103kg/m3以下
实施例1
本实施例检测试样为北京卫星制造厂生产NF3号防热材料，密度范围为3-4*103kg/m3。
本实施例标准试样为3*103kg/m3和4*103kg/m3，尺寸为100mm*100mm*30mm(长*宽*厚)。
本实施例待测试样尺寸为300mm*300mm*30mm(长*宽*厚)。
本实施例检测参数为：频率为120kHz；探头与试样表面距离为2.7cm；采集深度为10000μs；采集延迟为0μs；增益为50.4dB。
具体的实施步骤如下：
1)将待测试试样与标准密度试样制成30mm厚度试样，标准试样为100mm*100mm，待测试试样为300mm*300mm，清除试样表面的污垢、毛刺；
2)将密度为4*103kg/m3的标准密度试样A放入超声波探头之间，设置空气耦合超声检测仪参数：扫描频率为120kHz、试样与探头之间的距离为2.7cm，采集深度设为10000μs，采集延迟设为0μs，增益设为50.4dB；调整探头角度直至待测波形清晰、稳定，如图1所示。记录标准密度试样A对应的峰值高度为0.96。将密度为3*103kg/m3的标准密度试样B放入同样位置，波形如图2所示，记录标准密度试样B对应的峰值高度为0.63。
3)将待测试的试样放入超声波探头之间的同样位置，记录此时对应待测试样的波形峰值高度为1.03，如图3所示：待测试样的密度值ρ则可通过以下方程求得:
实施例2
本实施例检测试样为北京卫星制造厂生产NF5号防热材料，密度范围为3-5*103kg/m3。
本实施例标准试样为3*103kg/m3和5*103kg/m3，尺寸为100mm*100mm*50mm(长*宽*厚)。
本实施例待测试样尺寸为300mm*300mm*50mm(长*宽*厚)。
本实施例检测参数为：频率为50kHz；探头与试样表面距离为9cm；采集深度为15000μs；采集延迟为5000μs；增益为45.7dB。
具体的实施步骤如下：
1)将待测试试样与标准密度试样制成50mm厚度试样，标准试样为100mm*100mm，待测试试样为300mm*300mm，清除试样表面的污垢、毛刺；
2)将密度为5*103kg/m3的标准密度试样A放入超声波探头之间，设置空气耦合超声检测仪参数：扫描频率为50kHz、试样与探头之间的距离为9cm，采集深度设为10000μs，采集延迟设为5000μs，增益设为45.7dB；调整探头角度直至待测波形清晰、稳定，如图4所示。记录标准密度试样A对应的峰值高度为0.98。将密度为3*103kg/m3的标准密度试样B放入同样位置，波形如图5所示，记录标准密度试样B对应的峰值高度为0.24。
3)将待测试的试样放入超声波探头之间的同样位置，记录此时对应待测试样的波形峰值高度为0.46，如图6所示：待测试样的密度值ρ则可通过以下方程求得:
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.基于返回式飞船层合防热材料的无损检测方法，利用空气耦合超声检测方法取得穿透返回式飞船层合防热材料的透射波，通过检测的超声波透射波波峰值表征返回式飞船层合防热材料的密度，其特征在于具体步骤如下：
1)将待测试试样与两个标准密度试样制成相同厚度试样，清除试样表面的污垢、毛刺；
2)将密度为ρA的标准密度试样A放入空气耦合超声检测仪的两个超声波探头之间，设置空气耦合超声检测仪参数，包括扫描频率、试样与探头之间的距离、采集延迟及增益；在空气耦合超声检测仪的显示屏幕上观察并记录标准密度试样A对应的峰值高度hA；
3)将密度为ρB的标准密度试样B放入空气耦合超声检测仪的两个超声波探头之间，且放置位置与标准密度试样A的位置相同；在空气耦合超声检测仪的显示屏幕上观察并记录标准密度试样B对应的峰值高度hB；
4)将待测试的试样放入空气耦合超声检测仪的两个超声波探头之间，且放置位置与标准密度试样A的位置相同，在空气耦合超声检测仪的显示屏幕上观察并记录待测试样的波形峰值高度h；
5)根据标准密度试样A对应的峰值高度hA、标准密度试样B对应的峰值高度hB以及待测试样的波形峰值高度h，计算获得待测试样的密度值ρ。
2.根据权利要求1所述的基于返回式飞船层合防热材料的密度无损检测方法，其特征在于：所述超声波探头的扫描频率选用50KHz或120KHz或250KHz或400KHz。
3.根据权利要求2所述的基于返回式飞船层合防热材料的密度无损检测方法，其特征在于：所述超声波探头的扫描频率选择50KHz，试样与两个超声波探头之间的距离均为9cm。
4.根据权利要求2所述的基于返回式飞船层合防热材料的密度无损检测方法，其特征在于：所述超声波探头的扫描频率选择120KHz，试样与两个超声波探头之间的距离均为2.7cm。
5.根据权利要求1所述的基于返回式飞船层合防热材料的密度无损检测方法，其特征在于：调整空气耦合超声检测仪的采集延迟及增益，调整原则为待测波形显示清晰稳定，波形曲线位于屏幕正中，波峰高度为显示的测试最高值的2/3至1之间。
6.根据权利要求1所述的基于返回式飞船层合防热材料的密度无损检测方法，其特征在于：所述步骤5)中计算获得待测试样的密度值ρ具体公式为：
7.根据权利要求1-6任一所述的基于返回式飞船层合防热材料的无损检测方法，其特征在于：所有试验的厚度为5mm-30mm。
8.根据权利要求1-6任一所述的基于返回式飞船层合防热材料的无损检测方法，其特征在于：所述的待测试试样材料为轻质防热材料。
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