[发明专利]一种用于纤维增强陶瓷基复合材料加工损伤的激光散射检测装置

说明书

本发明公开了一种用于纤维增强陶瓷基复合材料加工损伤的激光散射检测装置，包括激光器、扩束镜、偏振分光镜、积分球、聚焦透镜组、针孔、信号采集系统和运动控制系统；信号采集系统包括光电探测器组、数据采集卡、计算机；运动控制系统包括运动控制器和样品台。激光检测时，借助样品台的翻转功能，调整激光入射角，获得样品损伤信号的分布特征，识别复合材料内不同类型损伤。借助积分球，可以收集表面散射光信号，并分析获得材料表面的分布特征信息。采用了双探测器探测，表面散射光探测器探测的光信号与亚表面损伤探测器探测的光信号进行归一化和差分，可以尽可能减小表面散射光对亚表面损伤检测的影响。借助XYZ三轴移动，实现样品内部损伤的三维检测。

技术领域

本发明涉及纤维增强陶瓷基复合材料亚表面损伤的无损检测技术，特别是一种采用偏振激光散射检测纤维增强陶瓷基复合材料亚表面损伤的装置。

背景技术

目前针对加工纤维增强陶瓷基复合材料亚表面损伤检测主要分为两类，一类是破坏性检测，另一类是无损检测。破坏性检测方法不需要依靠昂贵的设备，检测工艺成熟，容易操作，但是破坏性检测装置和方法存在如下问题：（1）、零件需要破坏后再检测，造成材料损失和生产成本增加。当检测不同加工工艺（锯切、磨削、研磨等）或加工参数条件下的半导体材料亚表面损伤时，需要将零件破坏并制成检测试样。纤维增强陶瓷基复合材料属高硬脆极难加工材料，加工过程中刀具磨损严重，不同的刀具状态下加工引入的亚表面损伤也不同。为了排除随机误差，提高有损检测精度，需要针对不同刀具状态下加工的材料进行检测，则需要破坏材料进行检测，造成大量的材料浪费，而纤维增强陶瓷基复合材料极其昂贵，因此采用破坏性检测方法检测纤维增强陶瓷基复合材料亚表面损伤成本高。（2）、检测区域小，检测效率低。破坏性检测方法只针对于制备试样局部的截面进行检测，无法一次性评估整个材料的亚表面损伤分布状况。为此，实际检测中选取不同的检测位置，进行多次取样检测。另外，纤维增强陶瓷基复合材料属高硬脆极难加工材料，破坏性检测方法的样品制备需要经过多种工序，制样周期长，大大降低了整体检测效率。（3）、使用腐蚀剂有毒。破坏性检测样品制备完成之后往往需要经过腐蚀再用仪器设备检测，纤维增强陶瓷基复合材料常用的腐蚀剂有毒性，对操作人员身体安全存在一定的威胁。（4）、破坏性检测方法存在随机误差。随机误差来源主要有三方面。其一，破坏性检测方法，不可能将所有位置的损伤都能检出，存在漏检的可能性；其二，纤维增强陶瓷基复合材料属高硬脆材料，检测样品制备过程中，容易引入新的损伤，干扰检测结果，其三，纤维增强陶瓷基复合材料本身存在气孔等缺陷，影响检测判断。

无损检测包括超声检测、X射线检测、CT扫描检测、数字图像相关技术等，能够检测全局损伤，检测效率高，适合集成到生产线上进行在线检测。但大部分无损检测方法可靠性较差，并且容易受到其他因素的干扰。超声检测除了亚表面损伤信号之外，还存在表面粗糙度散射信号、由超声波发生和传输原件中不均匀性引起的散射信号以及材料原有的气孔等缺陷散射信号等，不利于亚表面裂纹信号的分析和检测。纤维增强陶瓷基复合材料亚表面损伤有气孔、裂纹、分层等多种损伤形式。超声检测难以区分检测亚表面损伤形式。X射线检测和CT扫描检测都需要依靠昂贵的设备，检测效率低并且检测样品的大小尺寸受设备限制。另外，操作过程中存在射线辐射，不利于检测人员身体健康。数字图像相关技术只能检测表面裂纹等损伤，无法检测亚表面损伤的分布。

偏振激光散射检测方法在检测中超精密磨削硅片亚表面损伤过程中发现，表面散射光与入射激光的偏振状态基本保持一致，亚表面损伤散射光的偏振状态与入射光明显不同，通过偏振光学元件即可将亚表面损伤散射的光线从检测光线中分离出来，进而排除了表面粗糙度的影响，实现对亚表面损伤的检测。偏振激光散射检测中表面散射光的偏振状态与表面粗糙度大小和入射光的入射角直接相关，当检测激光垂直入射样品表面时，表面散射光对偏振激光散射检测的结果影响最小。因此偏振激光散射检测装置在纤维增强陶瓷基复合材料亚表面损伤检测中具有广阔的应用前景。