刘汉玥
青海桥头铝电股份有限公司 青海西宁 810100
摘要：碳素材料制品已经在各个领域得到应用，但由于碳素材料本身的原因，让无损检测面临着严峻的挑战。阐述了目前国内外对碳素材料制品进行无损检测的研究和应用，然后分析了碳素材料的结构特性及其对检测的影响，最后分别就碳素材料的超声波检测、X射线检测和声发射检测提出了自己的看法。
关键词：碳素材料；超声波检测；X射线检测；声发射检测
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。与金属材料相比，碳素制品内部结构具有疏松、孔隙较多、晶粒粗大、密度不均、各向异性强等特点，使得反映其本质特征的确定性信息湮没在强动力学噪声中，检测信号的信噪比一般都较低，因而很难有效地将其内部缺陷检测出来。
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超声波检测
碳素制品晶粒粗大，内部易产生局部疏松、裂纹和孔洞等缺陷，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，给检测带来很大困难。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(?<1，2和5mm的横通孔和盲孔)检测，探头发射频率为40和100kHz，0.5和1MHz等，测试时分别采用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转换后送入计算机。由于衰减严重，均未得到有意义的返回波形。因此，初步认为碳制品内部缺陷不宜采用超声脉冲回波法进行检测。
由于超声波声速大小与材料体积密度和弹性模量有关，存在纵波声速C为
.png)
式中E为弹性模量
Ρ为体积密度
σ为泊松比
据此可由声速评价碳素制品内部质量，如独联体国家检测石墨电极时，采用声速控制方法(YK-14型仪器)，取声速<1550m/s为报废标准。凡声速低于此值的，说明材料内部过于疏松。我国哈尔滨电碳研究所和部分军工单位开展过这方面的研究实验，吉林碳素厂已在石墨电极接头的加工生产线上使用超声波声速控制其均质质量。因此笔者认为，可利用超声波声速检测碳素制品的均质性，效果良好。但利用超声波定量评价碳素制品的内部缺陷还没有取得较好的结果，有待进一步研究。
2X射线检测
由于超声波检测无法准确的对碳素材料制品内部缺陷进行准确判断，因此，我们需要探索更加合适的无损检测方法。根据目前的研究和试验，我们发现用X射线能够检测到大规格阴极碳块内部缺陷（裂纹长度大于15mm，宽度大于0.5mm，气孔直径大于5mm，夹渣面积大于25mm2），并且能够正确反映缺陷的尺寸、形状和位置。
我们可以自行设计一个X射线成像系统。首先我们需要得到一台X射线机，然后图像增强器、CCD摄像机和图像采集卡可以用数码相机和X射线底片来取代，当在胶片上获得图像之后，用数码相机在冷光源强光观片灯下进行摄像，再将所得到的内容输入计算机中，之后通过图像格式转换和MATLAB图像处理工具对图像进行进一步的处理。
通过试验我们可以看出，根据不同材料的密度和厚度，选择适当的技术参数，我们就能够获得良好的图像效果，也能够对材料内部缺陷进行检测。同时，通过不同角度不同部位进行拍照，我们就能够更加准确的确定缺陷所在位置，更好地实现缺陷的定量评价。我们在试验中也发现，由于X射线机本身的灵敏度问题，对于尺寸过小的缺陷，检测效果并不好。目前X射线机最大的探测厚度可以达到500mm，探伤灵敏度在2%左右，配合机械自动传动机构还可以实现连续批量检测。对碳素材料制品进行检测时，X射线检测与超声波检测相比，能够更加准确的确定材料内部的缺陷，但是，其缺点是费用高，同时还需要专门的场地。
3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损伤程度的一种动态无损检测方法，能连续监测结构内部损伤的全过程，几乎不受材料的限制，但不能检测静止缺陷。因此，声发射检测可以用来对碳素制品内部缺陷进行实时动态检测，但对非加载状态的碳素制品内部缺陷的检测无能为力。
三、结论
(1)超声波声速检测法适用于检测碳素制品的均质结构，但不能定量评定缺陷。(2)提出了X射线法适合定量评价碳素制品的内部缺陷，尤其适合大规格碳素制品内部深层隐含缺陷的探测与辨识。对获得的图像利用计算机图像处理技术，可获得较好识别效果。(3)经X射线检测处理后的图像，为缺陷位置的确定、种类的识别提供了坚实的基础，能够实现缺陷的定量评价。(4)超声波和X射线在碳素制品检测中各有优缺点，可根据产品结构特性和质量要求进行选择。
参考文献：
[1]周贤，刘义伦，龚海飞，赵先琼. 碳素材料内部缺陷检测方法的探讨[J]. 无损检测，2005(03):132-134.
[2]韩立新.碳素材料内部缺陷的检测方法探讨[J]. 湖南农机，2013，40(05):58-59.
[3]邹国秀.碳素材料内部缺陷检测方法的探讨[J]. 职业，2011(14):174-175.
论文作者:刘汉玥
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第22期
论文发表时间:2018/12/14
标签：碳素论文; 缺陷论文; 制品论文; 材料论文; 超声波论文; 射线论文; 声速论文; 《建筑学研究前沿》2018年第22期论文;