[发明专利]一种用于有机材料热氧老化评价的非线性超声检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种有机材料热氧老化损伤的非线性超声检测方法，该方法可用于有机材料热氧老化损伤的无损检测以及老化程度的评估，属于无损检测领域。

背景技术

有机高分子材料以其重量轻、可塑性强、强度高、耐腐蚀等优点，在各领域均得到广泛应用，如市政供水管网、电力系统外绝缘材料、各仪表板/盘的基础支撑部件等。由于受到光照、温度、氧气等环境因素的影响，有机材料在加工、存储和使用过程中，其物理、化学性能会发生不可逆的变化而产生老化损伤。有机材料的老化不仅会引起其外观质量的变差，还会大大降低其机械和电气性能，如力学性能下降、电绝缘性能下降等，为材料的正常使用埋下很大的安全隐患。因此，对有机高分子材料的老化损伤进行无损检测并对损伤程度进行评估具有十分重要的意义。

现用的有机高分子材料老化损伤检测方法主要有目测法、拉伸试验法、红外光谱分析等。目测法主要通过观察材料表面的银纹、粉化、起皱等现象来判断其老化程度，受操作人员的主观影响大、测量精度低；拉伸试验法是一种破坏性的方法，通过试件在疲劳拉力机上的抗拉强度和断裂伸长率等参数来表征有机材料的老化；红外光谱分析利用材料老化过程中光谱的变化来定性分析其老化状况，但该方法受外界环境因素的干扰较大。非线性超声检测是利用声波传播时与材料微观结构相互作用而产生的非线性响应进行材料性能的表征和微小缺陷的检测，从本质上反映了微观缺陷对材料非线性的影响，因此可以用于材料早期性能退化的检测。基于超声的非线性效应，现有的非线性超声无损检测方法主要有高次谐波及次谐波法、波束混叠法以及谐振频率漂移法，其中谐波法是技术最成熟、应用最广泛的一种非线性超声检测方法。

国内外学者采用非线性超声高次谐波法对金属材料在高温蠕变、拉伸疲劳等条件下的早期材料性能退化进行了大量研究。在金属材料热损伤的非线性超声评价方面，项延训在文章《HP40Nb合金钢高温劣化的非线性超声评价》中研究了相对谐波非线性系数随材料高温时效时间的变化规律，发现非线性系数的变化与 材料高温损伤后的微观组织变化密切相关。税国双在文章《列车外圆弹簧疲劳损伤的非线性超声测试》使用谐波非线性超声检测方法对列车外圆弹簧的疲劳损伤程度进行了表征。

本课题组吴斌等在《AZ31镁合金早期力学性能退化非线性超声检测》对AZ31镁合金疲劳裂纹试件中材料的力学性能退化进行了非线性超声检测的研究，实验结果表明，超声非线性系数可以表征AZ31镁合金的疲劳退化过程，所得到的疲劳寿命曲线对材料和结构的力学性能退化程度进行疲劳寿命预测有潜在的应用价值。然而，已有的研究成果只考虑待测试件在单一固定频率激励信号下的非线性超声系数。由于超声波探头具有一定的频带宽度，所以本发明提出采用一定频带范围内的累积非线性效应表征有机材料的热氧老化程度。

针对非线性累积效应的研究，邓明晰在《层状固体结构表面性质的非线性兰姆波定征方法》提出应力波损伤因子的概念对层状固体板结构的疲劳、高温蠕变和表面性质微小变化的非线性累积损伤进行了研究，但其仅仅考虑了基波和二次谐波各自的非线性累积效应，不是用非线性系数来衡量板结构的损伤，且其应用领域为超声导波。

在有机材料的非线性超声检测研究方面，A.Demcenko在《Noncollinear wave mixing for measurement of dynamic processes in polymers:Physical ageing in thermoplastics and epoxy cure》采用混频非线性超声的方法对热塑性材料PMMA和环氧树脂的物理老化的动态过程进行了研究，结果表明非线性超声对高分子材料的老化具有很高的灵敏度。但是，混频非线性超声对激励信号的波型要求苛刻，且所需检测装置与谐波法相比更加复杂。

综上所述，在前人的研究基础上，针对有机高分子材料老化损伤现有检测方法存在的不足，本专利提出一种基于非线性超声技术的有机材料热氧老化损伤评定方法。本方法不但可以对有机材料的热氧老化损伤进行无损检测，更重要的是可以对热氧老化损伤的积累过程进行表征，为有机材料的寿命预测提供可靠的参考信息。

发明内容