摘要：碳素材料由于具有化学稳定性好、耐高温、耐腐蚀及自润滑性、弹性模量低、导电良好等特性，广泛应用于国防科技、军工产品、航空航天、有色冶金等领域。碳素材料广泛的应用及前景向保证产品质量的无损检测技术提出了严峻的挑战，使无损检测技术成为碳素材料能否有效和扩大应用的关键。
关键词：碳素材料；内部缺陷；检测方法
据文献报道，美国开始使用X射线对军用石墨块和碳/碳复合材料检验其内部裂纹和孔洞，经试验得，X射线技术探伤对厚度为300mm的石墨块可探测出的缺陷尺寸大约为3mm。我国碳石墨制品生产厂对产品的X射线检测工作开展较少，电碳行业也只有哈尔滨研究所和东新电碳厂做过这方面的探讨。
到目前为止，对于大规格的碳素制品内部深层隐含缺陷的探测与辨识的研究文献尚未见报道，这是制约碳制品内部缺陷检测的瓶颈，是目前碳制品无损检测必须首先解决的问题。因此，如何加深对碳素材料内部规律和缺陷特征的认识，合理采用现代化的检测技术，稳定和提高碳制品质量，是一个重要的研究课题。
本文在了解碳素材料组织结构特性及实验的基础上，以阴极碳块、石墨这些典型的大规格碳制品为试验对象，探索适合碳素材料均质结构和内部结构缺陷的现代无损检测方法，最终达到合理检测与评定碳素材料内部质量的目的。
一、碳素材料的结构特性及其影响因素
碳素制品一般是由骨料和黏结剂组成。骨料包括石油焦、沥青焦、冶金焦、无烟煤和炭黑等，黏结剂主要是煤沥青。经过焙烧和石墨化的碳制品的组成成分，骨料与黏结剂的比例大致在（70：30）～（85：15）。由于碳制品生产工艺不同，对料粉粒度的选择各异，碳制品结构也各有差异。碳素材料属非金属材料，是电和热的良导体，还具有耐热性、耐腐蚀性和润滑性等许多独特的性质，这些均取决于它的成分、晶体结构及电子排布。原材料种类和生产工艺则进一步影响着它的均质结构及理化性能，碳素制品结构的均质问题可导致其体积密度、抗压强度和耐腐蚀性等技术指标的下降，也直接影响到其内部质量的检测。一般地，碳素制品的压型、焙烧和石墨化等生产工艺易产生气孔、裂纹、局部疏松、夹杂等缺陷类型。经过多年的生产实践，人们已从更多的方面认识到了碳素制品不均质结构的产生及对其质量的影响。碳制品内部缺陷的存在使得它的实际强度大大低于其理论强度，是影响碳素材料断裂特性的本质因素。因此，分析碳制品的缺陷类型和生产工艺的关系，讨论其结构缺陷的检测方法，对正确开展碳素制品的无损检测是很有必要的。
二、碳素材料的检测
1.碳素材料均质结构的超声检测
超声波是振动频率在20kHz以上的机械振动波，它借助于介质质点弹性振动传递能量。利用超声波能在固体介质中传播、衰减、散射和指向性好、界面反射、缺陷反射、声速、阻抗等特性，可对工件进行内部缺陷检查。超声检测在金属材料检测中已得到广泛应用，常用的频率为1～5MHz，较低频率用于粗晶材料和衰减较大材料的检测，较高频率用于细晶材料和高灵敏度检测。碳素制品受原材料和生产工艺的影响，其制品晶粒粗大，内部易产生局部疏松、裂纹、孔洞等缺陷，超声波衰减相当严重，特别是同一尺寸同一制品的不同部位，超声波衰减亦不相同，这给超声波检测带来很大困难。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆我们曾利用美国泛美公司和武汉岩海公司的超声波探伤仪分别对40mm×40mm×40mm的石墨和125mm×150mm×250mm的阴极碳块进行内部人工缺陷（缺陷为φ1、φ2、φ5等尺寸的横通孔、盲孔）的检测，探头发射频率有40kHz、100kHz、0.5MHz和1MHz等，测试时分别采用了自发自收和一发一收两种方式，接收到的超声波信号经A/D转换器量化后送入计算机，但由于衰减严重，均得不到任何有意义的返回波形，也就谈不上在此基础上利用信号处理技术进行消噪、提取缺陷回波等。因此，我们可以初步认为，碳制品内部缺陷不宜采用超声波脉冲回波法进行检测。
超声波脉冲不能穿过裂纹和孔洞传播，在脉冲传播的路径上存在的这些缺陷将降低脉冲传播速度，在同种碳块中检测到波速的变化就表明存在着结构缺陷（当然引起声速变化的主要原因是碳素制品成份的组成变化和压制、焙烧、石墨化等生产工艺的变化）。声速大小与材料体积密度和弹性模量密切相关。由于材料密度的局部变化和晶体不同方向上的弹性模量数值不一样，超声波在每个测点上的声速值是变化的，据此可评价碳素制品内部质量，显然该法无法定量评定缺陷。
例如，独联体国家检测石墨电极时，采用声速控制方法，多采用YK-14型仪器，依据石墨电极的特性和经验，取声速值1550m/s以下为报废标准，凡声速低于此值的，说明材料内部过于疏松。
2.碳素材料内部缺陷的X射线检测
由于碳素材料属于大分散体系（非均匀）的多孔隙物质，超声波的衰减特别严重，对材料内部缺陷无法准确检测，因此，探索适合检测碳素材料内部缺陷的方法显得尤为重要。依托青海铝厂要求在3250mm×515mm×450mm的大规格阴极碳块内部检测出缺陷（裂纹：长度≥15mm，宽 度 ≥ 0 . 5 m m；气 孔：直 径 ≥ 5 m m；夹 渣：面 积≥25mm2），并反映出缺陷的尺寸、形状及位置的研究项目，通过大量实验，我们发现X射线检测能够达到该项要求。
目前射线检测方法有射线照相法、荧光屏显示法、实时成像法等，其中应用最广泛的是射线照相法。射线照相法利用射线胶片获得材料内部状况的二维图像，根据图像可直观地分析物体内部的缺陷和平面结构，但射线照相法无法将获得的胶片图像输入计算机，以进行进一步的处理。运用丹东XK-3型X射线机，并采用数码相机与X射线底片代替图像增强器、CCD摄像机和图像采集卡，将获得的胶片图像在QGD-4-3型冷光源强光观片灯下经数码相机摄像后输入计算机，通过图像格式转换，利用MATLAB中的图像处理工具对图像进行进一步处理，获得了比原始图片更好的效果。
根据不同材料密度和厚度，选择留有能量余地的X射线机，通过计算机图像处理，可得到较好的检测效果。显然，从不同部位拍照，便可准确确定缺陷在材料的位置，通过模式识别等后续处理手段，能够实现缺陷的定量评价。需要指出的是：试验中，对尺寸过小的缺陷，检测效果不好，这是由X射线机本身的灵敏度决定的。目前X射线机的最大探测厚度可达500mm左右，探伤灵敏度在2%左右，配合机械自动传动机构还可实现连续批量检测，但尺寸再大，则不宜采用X射线检测。与超声波检测法相比，X射线检测法费用高，需要专用场地。
四、总结
碳素材料内部缺陷的声发射检测声发射技术是物体在外力或内应力作用下，根据结构内部（缺陷）发出的应力波判断结构内部损伤程度的一种无损检测方法，它与超声、X射线方法的主要区别在于声发射技术是一种动态无损检测方法，它能连续监视结构内部损伤的全过程。声发射检测几乎不受材料的限制，但不能检测静止的碳素制品缺陷。
参考文献：
[1]李平，陈锐，等.石墨制品的超声波无损检测技术[J].炭素，1997，（4）：32-36.
[2]FoosnaesT，JarekS.用超声波控制阴极碳块的质量[J].炭素技术，1992，（2）：39-41.
论文作者:罗高强
论文发表刊物:《基层建设》2018年第7期
论文发表时间:2018/6/19
标签：碳素论文; 缺陷论文; 射线论文; 材料论文; 制品论文; 超声波论文; 声速论文; 《基层建设》2018年第7期论文;