陶瓷压坯超声波检测技术

1.声的入射与接收

（1）膜套压贴为避免液体耦合剂对试件的污染及防止由于接触压力而导致试件破断，常将试件隔离在透声的聚酯薄膜套中，通过抽真空使套压贴在试件上，然后浸入水中进行穿透或反射法检测，可采用10MHz的聚焦或非聚焦宽带探头，对于衰减大的试件，可采用2.5MHz的频率。

（2）胶带耦合用胶带覆盖试件可防止超声波耦合剂的污染，此胶（聚丙烯或聚酯）能将超声波很好地耦合进试件，胶带本身厚度为28μm，胶的厚度为22μm，用后可去除而对试样无任何损伤。对于接触法，探头和胶带之间用凝胶作耦合剂，如图12.3-6所示；对于水浸法可采用特殊设计的水袋，如图12.3-7所示。

图12.3-6 未烧结陶瓷超声波胶带耦合法检测示意图

图12.3-7 未烧结陶瓷超声波水浸法检测示意图

（3）激光超声波用高能脉冲激光器产生超声波，通过评估穿过试件的超声波强度进行检测。用脉冲能量为0.28J、脉冲持续时间为100ns、重复率为6pps、光束直径为3mm的CO₂激光器进行检测时，射出的激光直指试件上表面，透射声波用在试件下面的压电换能器探测，换能器与试件间用凝胶耦合，所接收到的信号幅度很小，不过当上表面用与底面相同的胶带覆盖时，信号幅度可提高10dB。为能做完全的非接触检测，曾用激光干涉仪（1W氩激光器）来代替压电换能器，因为未烧结陶瓷的高声衰减，尚不能探得任何信号。

2.致密度的评估

在未烧结陶瓷制件中，超声传播速度可随密度而变，例如，对于含20%（质量分数）聚乙二醇粘合剂的MgO试件，测得的纵波速度和密度的关系如图12.3-8所示，图中绕数据点的矩形表示正常的密度变化，密度变化的原因在于成形时加载压力的不同（即孔隙率的不同）。在冷压未烧结‘KT’碳化硅陶瓷中可得关系式：

ρ=3.54c^1/3

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图12.3-8 20%（质量分数）聚乙二醇粘合剂未烧结MgO陶瓷密度与纵波速度的关系

式中 ρ——密度（g/cm³）；

c——纵波速度（cm/μs）。

为了得到声速c扫查图，可将试样用膜套压贴浸入水槽中，用一弱聚焦换能器对试样作X-Y光栅式扫查，声束的几何形状和频率应选择得能得到可探测的前、后表面回波，并有相当好的侧向分辨力。一斜波发生器在接收到前表面回波后被启动，当接收到后表面（背面）回波时可测出电压（见图12.3-9），通过控制斜波发生器的启动时间和斜率，可使测量的时间分辨力达到0.1%，当然，试件的上、下表面必须平整且平行，这种灰标图像对相对信息的获得来说是十分有用的，如果系统经校准，可测得绝对时间延迟。

致密度的信息也可通过频率域的分析来获得，将前表面回波的频率含量用作参考与背面回波的频率含量相比较，可确定衰减和与频率有关的其他参量。图12.3-10、图12.3-11为衰减与相对密度的关系。可以看出，在较高的密度下，5MHz有较大的衰减，对密度的变化可提供较大的敏感性；相反1MHz的换能器对低密度的压坯的衰减测量来说是需要的。但是，孔隙的不均匀在试样中所产生的速度梯度会产生相位相消，从而会引起严重的回波调制效应，在应用衰减图测孔隙率时，这是需要特别注意的。

图12.3-9 用于声速c扫查的斜波发生器工作原理图

图12.3-10 1MHz和5MHz换能器相对密度与衰减的关系

图12.3-11 相对密度为0.64的试件频率与衰减的关系