玻璃纤维增强复合材料作为新型的先进复合材料, 具有质量轻、 耐高温、 耐冲击等特有的优点被广泛地应用在航空**等领域。 然而, 在其生产过程中由于制作工艺的影响, 使其内部容易产生分层和夹杂等微小缺陷； 另一方面, 此类复合材料在其生命周期内, 由于外界因素如冲击力、 高温等干扰, 使得材料表面和内部发生灼痕和脱粘等缺陷。 缺陷的存在使得作为结构件的玻璃纤维增强复合材料的安全系数降低, 因此有必要对材料内部的缺陷进行检测。 太赫兹时域光谱技术得益于太赫兹波段的独有优势, 作为传统无损检测方式的有效补充, 以其瞬态性、 低能性以及指纹谱性近年来被广泛地应用在复合材料无损检测领域, 可以有效地对缺陷进行无损检测。 通过检测结果对玻璃纤维增强复合材料的性能进行评估, 然而利用太赫兹时域光谱技术对缺陷检测分析时, 发现对缺陷进行层析成像过程有一些随时间扩散的条纹, 条纹的存在掩盖了缺陷的形状, 对缺陷的清晰识别产生影响, 进一步导致对缺陷的漏判和误判。 现阶段, 对于缺陷层析成像时条纹出现的原因在理论上的分析鲜有研究, 该研究提出了应用时域有限差分技术建模分析太赫兹波与玻璃纤维增强复合材料的相互作用机理。 建立在0.2～1.5 THz频段范围内的反射式数值模型, 通过数值模拟实现了对玻璃纤维增强复合材料内部1、 3以及5 mm深度处的缺陷成像, 并且发现, 当太赫兹波垂直入射到玻璃纤维复合材料表面时, 每一深度处的缺陷均可清晰成像, 当太赫兹波以1°倾斜角入射到玻璃纤维增强复合材料表面以及玻璃纤维增强复合材料上下表面存在2°倾斜时, 材料内部每一深度处的缺陷成像中均出现了交替变化的条纹, 验证了出现条纹的原因是由干涉现象引起的。

利用时域有限差分法和太赫兹时域光谱技术对玻纤复合材料分层缺陷进行研究。首先,基于透射式太赫兹时域光谱系统获得玻纤复合材料在太赫兹波段的光学参数,并用时域有限差分法对缺陷进行数值仿真;其次,利用太赫兹时域光谱系统对提前预制的缺陷样件进行实际检测;最后,对比理论和实际检测获得的时域波形数据,对缺陷进行成像分析,发现两种方法均实现了在距离材料上表面3 mm和5 mm处对0.3 mm厚度分层缺陷的检测。结果表明:时域有限差分法可为利用太赫兹时域光谱系统检测复合材料缺陷提供理论支撑,减小对标准件的依赖性;太赫兹时域光谱系统可有效检测材料内部缺陷,可通过检测结果判断材料整体性能。

玻璃纤维增强复合材料具有耐腐蚀性强、介电性能良好和热性能良好等优良性能,被广泛应用于航空航天、铁道铁路等相关行业。以脉宽调制后的太赫兹脉冲激励源作为输入光源,采用徳拜模型对材料实测太赫兹波段光学参数进行拟合优化,并将其作为材料输入参数应用于时域有限差分方法中。建立了玻璃纤维增强复合材料胶接缺陷的太赫兹脉冲检测模型。基于时域有限差分法,对太赫兹波在玻璃纤维增强复合材料胶接缺陷结构中的传播特性进行了数值仿真分析,重点从时域波形及B-Scan成像两方面分析了太赫兹波在胶接缺陷结构中的传播过程以及高次回波的成因。针对玻璃纤维增强复合材料中存在的脱粘缺陷、分层缺陷进行了诊断分析, 1 mm厚玻璃纤维增强复合材料中的脱粘缺陷检测厚度达到20 μm;玻璃纤维增强复合材料中厚度为80 μm的分层缺陷的检测层数达到两层。所提方法可为基于太赫兹脉冲成像的玻璃纤维增强复合材料胶接缺陷的无损检测和评估提供理论支撑。