潘绍祥，刘 春

（广西壮族自治区特种设备检验研究院钦州分院，广西 钦州535000）

钦州坭兴陶是钦州最名著名的特产之一，也被认定为目前广西最具民族特色的二宝之一。坭兴陶是硬脆材料，具备优良的耐热性能、耐磨性能和抗腐蚀性能等物理机械性能。坭兴陶制品加工工序复杂，在制作或者后处理的工序中都可能会产生影响性能的缺陷，当表面存在10μm至60μm数量级的缺陷或者气孔，就可能导致坭兴陶制品在工作时发生破坏。例如，碳化硅材料在承受的负荷应力为686 N/mm~980 N/mm时，若表面存在30μm至50μm数量级的缺陷，材料就会遭受破坏[1]。因此，采用灵敏度较高的检测技术对坭兴陶材料缺陷进行全面检测十分重要。

超声检测技术具有不改变陶瓷制品使用性能的前提下评价材料连续性和完整性，并且根据其特性可以较为全面地检测坭兴陶材料中存在的裂纹、夹杂、气孔、凹坑等微观缺陷及其形状、大小和位置等信息。因此，超声检测技术适用于坭兴陶材料检测加工效率低而成本较高的缺陷情况。

1 超声检测的发展简史和现状

无损检测技术经历一个世纪，尽管无损检测技术本身并非一种生产技术，但其技术水平却能反映该部门、该行业、该地区甚至该国的工业技术水平。超声检测技术作为五大常规检测技术之一，由于其与其他常规无损技术相比，具有：被测对象范围广，检测深度大；缺陷定位准确，检测灵敏度高；成本低，使用方便，速度快，对人体无害以及便于现场使用等特点，因此世界各国都对超声无损检测给予高度的重视。目前，国外工业发达的国家的无损检测技术已逐步从NDI和 NDT向NDE过渡。无损探伤（NDI）、无损检测（NDT）和无损评价（NDE）是无损检测发展的三个阶段[2]。超声波无损探伤是阶级阶段，他的作用仅仅是在不损零部件的前提下，发展其人眼不可见的内部缺陷，以满足工业设计中的强度要求。超声波无损检测是近20年来应用最广泛的术语，它不仅是检测最终产品，而且还要对生产过程的有关参数进行检测。超声无损评价是超声波检测发展的最高界，不但要求探测缺陷的有无，还要给出材质的定量评价，也包括对陶瓷材料和缺陷的物理和力学性能的检测及其评价。

2 超声检测的工作原理

超声波是频率高于（20×103）Hz的机械波。在超声探伤中常用的频率为（0.5×106~25×106）Hz.这种机械波在材料中能以一定的速度和方向传播，遇到声阻抗不同的异质界面（如缺陷或被测物件的底面等）就会产生反射，这种反射现象可被用来进行超声检测[3]。超声检测就是先用发射探头向被检物内部发射超声波，再用接收探头接受从缺陷处发射回来或穿过被检工件后的超声波，并将其在显示仪表上显示出来，通过观察与分析发射波或透射波的时延与衰减情况，即获得物体内部有无缺陷以及缺陷的位置、大小和性质等方面的信息。

以脉冲反射法为例。当采用脉冲反射法进行探伤时，脉冲振荡器发出的电压加在探头上，探头发出的超声波脉冲通过声耦合介质进入材料并在其中传播，遇到缺陷后，部分反射能量沿原途径返回探头，探头又将其转变为电脉冲，经仪器放大而显示在示波管的荧光屏上。根据缺陷反射波在荧光屏上的位置和幅度，即可测定缺陷的位置和大致尺寸（其工作原理见图1）[3]。除脉冲反射法外，还有用另一探头在工件另一侧接受信号的衍射时差法（TOFD）和穿透法。利用超声法检测材料的物理特性时，还经常利用超声波在工件中的声速、衰减和共振等特性。

图1 脉冲反射法工作原理示意图

3 坭兴陶材料缺陷的检测

由于超声检测技术具有不改变坭兴陶材料使用性能的前提下，判别出材料的弹性模量、密度差异、厚度等特性，并且根据其特性可以较为全面地检测坭兴陶材料中存在的裂纹、夹杂、气孔、分层和凹坑等微观缺陷及其形状、大小和位置等信息。因此，超声检测是应用在坭兴陶材料检测的无损检测方法中最广泛的技术。

超声C扫描利用超声波在材料内部的传播特性，通过脉冲扫描采样方法获取不同层深位置的超声特征信号，能较好地再现坭兴陶材料或结构内部的缺陷（气孔、裂纹、夹杂和孔隙率等）分布或结构变化，从而为陶瓷材料应用和产品设计提供比常规超声C扫描检测更详细的信息，深度方向超声C扫描检测技术具有明显优越的分辨力和小缺陷检测能力[4]。由于该检测技术能检测陶瓷制品多层层叠整个深度内的裂纹和不连续性，目前已在坭兴陶材料工艺研究中得到广泛应用，发挥了较好的作用。

扫描声学显微镜（SAM）是提供坭兴陶材料信息的一种非常有用的检测工具，它无需复杂的样品制备，就可无损地对材料表面及表层内部成像而进行显微分析，它能独具特色地提供材料内部结构及材料力学参数等重要材料性能参数[5]。具体地说，声学扫描显微镜是一种多功能、高分辨率的显微成像仪器，兼具电子显微术高分辨率和声学显微术非破坏性内部成像的特点，被广泛的应用在物料检测（IQC）、失效分析（FA）、质量控制（QC）、质量保证及可靠性（QA/REL）、研发（R&D）等领域，可以检测陶瓷材料内部的晶格结构、杂质颗粒、内部裂纹、分层缺陷、气孔、空隙等，为陶瓷制品质量鉴定提供客观公正的微观依据[6]。声学显微镜的出现，弥补了其他现有微观测试手段（如光学显微镜，扫描电子显微镜）的不足，从而使人们获得了研究认识坭兴陶材料结构的有力工具。

激光超声陶瓷无损评价，克服了传统耦合法难以适应在线检测及高温、高湿条件下的坭兴陶检测的缺点，具有非接触性、定量、宽带、多波型（能同时激发表面波、横波、纵波）、时空分辨率高等优点，使其既适于坭兴陶制作过程监测，又能对其成品进行质量评价[7-8]。

4 结束语

综上所述，无损检测技术与人工智能、激光等技术有机结合以实现了对复杂形面复合构件的超声扫描成像检测，将现代数字信号处理与人工神经网络技术用于超声检测可以较为全面地检测坭兴陶材料中存在的裂纹、夹杂、气孔、凹坑等微观缺陷及其形状、大小和位置等信息。近年来，随着人们对工业生产中陶瓷制品质量意识和陶瓷材料寿命预测技术的不断提高，超声与断裂力学知识相结合，对陶瓷材料的强度与剩余寿命进行评估等方面很有发展前景。

[1]田欣利，于爱兵.工程陶瓷加工的理论与技术[M].北京:国防工业出版社，2006.

[2]陈建忠，史耀武，常保华.陶瓷材料超声无损检测进展[J].宇航材料工艺，1998，（2）:5-10．

[3]罗登林，丘泰球，卢 群.超声波技术及应用[J].日用化学工业.2005，2006（5）:323-326．

[4]梁宏宝，朱安庆，赵 玲.超声检测技术的最新研究与应用[J].无损检测，2008，（03）:174-177.

[5]燕战秋，彭光俊，王春麟，等.精细陶瓷的超声波探伤法[J].无损检测，1994，（7）:181-195.

[6]彭光俊，赵 志.现代陶瓷超生检测技术[J].无损探伤，2003，27（2）:1-4．

[7] 岸辉雄.陶瓷材料的无损评价[J].无损检测，1987（7）:201-206．

[8]王洪博.复合材料构件的超声无损检测关键技术研究[D].北京：北京理工大学，2014.