一、引言
纤维增强复合材料作为高性能新型材料， zui初主要被用于航天、航空和国防等领域， 随着制作成本的下降，目前已经广泛应用于人们的日常生活。纤维增强复合材料 在生产或服役过程中，不可避免地会出现损伤和破坏。人们期望借助于无损检测技术对纤维增强复合材料的损伤类型和程度进行检测和分析。由于太赫兹无损检测技术对非金属材料的穿透能力强、可进行非接触检测以及不必使用耦合剂等优点，已经日益成为一种新型的无损检测手段。
二、太赫兹技术概况
太赫兹波是频率在 0.1-10 THz（波长为 0.03-3 mm）之间的电磁波，在电磁 波谱中位于微波和红外辐射之间，因此低频太赫兹波被称作亚毫米波，而高频则被称为远红外线。太赫兹时域光谱技术是太赫兹技术的典型代表，是一种有效的新兴相干探测技术。它具有皮秒量级的时间分辨率，几十太赫兹的频带宽度，测量的是太赫兹电磁场随时间的变化，而不单单是强度或者相位，因此太赫兹时域光谱中包含丰富的光谱信息，可用来进行材料的光学参数提取以识别其物理特性。此外，太赫兹时域光谱技术可用于进行成像，与传统的强度成像不同，它信息量大，并且同时含有振幅和位相信息。根据不同的样本检测需求, 可以选取不同的信息来进行成像,以获得更为有效的样品成像信息。
太赫兹波在电磁波谱中的位置示意图
太赫兹技术之所以引起人们的广泛关注，主要是因为太赫兹波与其他波段的 电磁波相比具有以下独特的性能：
（1）瞬态性
典型的太赫兹脉宽在皮秒量级，可以方便地对各种材料进行时间分辨瞬时光 谱研究，通过太赫兹取样测量技术， 能够明显抑制周围环境的噪声干扰。
（2）低能性
与其他频段的电磁波相比，太赫兹光子能量较低（毫电子伏特），与 X 射线 相比，太赫兹辐射不会因为电离而破坏被检测物质，因此太赫兹波可用于材料的 无损检测。
（3）宽带性
太赫兹脉冲源只包含几个周期的电磁振荡，单个脉冲的频带范围可以覆盖从 GHz 到 THz ，有利于在较大的范围内分析材料的光谱性质。
（4）相干性
太赫兹波的产生机制有两种，一种是在相干电流的驱动下，偶极子发生振荡， 进而产生太赫兹波，另一种是由相干的激光脉冲通过非线性光学差频效应产生， 因此太赫兹波同时具有强空间相干性和强时间相干性。太赫兹波相干检测技术可 以直接测量样本的电场振幅和相位，获得样本介电常数的实部和虚部，提取样本 的折射率和吸收系数。
（5）吸收性
大多数的极性分子对太赫兹波有着强烈的吸收，如氨分子和水分子等，可以 通过分析特征谱来研究物质的成分和进行产品质量控制。此外，许多极性大分子 的能带间距和转动能级正好位于太赫兹频带范围内，使太赫兹光谱技术在大分子 分析和研究领域有着广阔的应用前景。
（6）穿透性
太赫兹波对于很多非极性物质和电介质材料，如纸箱、陶瓷、布料和塑料等， 具有很强的穿透力，可用来检测不透明物体，是超声波成像和 X 射线成像技术 的有效补充手段，可用于质检或安检过程中的无损检测。
太赫兹时域光谱与傅立叶变换红外光谱的比较
三、碳纤维增强复合材料的太赫兹无损检测研究
碳纤维增强复合材料是以碳纤维为增强体，以树脂等为基体形成的复合材 料。它具有优异的力学性能，是目前现有结构材料中比强度和比模量zui高的，在 20000摄氏度以上的高温环境中，它是唯yi强度不会下降的材料。除了优异的力学性 能，它还具有抗疲劳、低密度、 耐腐蚀、震动衰减性高、热膨胀系数低和热传导 性高等优良特性，既有碳材料的固有性能，又有纤维材料的柔软可加工性，在航 空、航天、汽车、机械、电子和化工等领域都取得了广泛的应用。但在碳纤维增 强复合材料的制备和使用过程中，会出现各种各样的损伤，因此采用无损探伤技术对其进行检测是十分必要的。太赫兹时域光谱技术已成为纤维增强复合材料无 损检测的有力补充手段。
太赫兹时域光谱探测系统原理示意图
由于碳纤维薄片具有较强的导电性，因此其对太赫兹波的反射性特别强。单向碳纤维薄片对太赫兹波的反射和透射都具有很强的偏振依赖性。当太赫兹电场的偏振方向和纤维方向平行时，单向碳纤维薄 片对太赫兹波的反射zui强，接近于铝板对太赫兹波的反射，单向碳纤维薄片对太 赫兹波的透射zui弱，基本接近于 0。当太赫兹电场的偏振方向和纤维方向垂直时，单向碳纤维薄片对太赫兹波的反射zui弱，大约为铝板对太赫兹波反射能量的一半，单向碳纤维薄片对太赫兹波的透射zui强，大约为空气参考的 20%。单向碳纤维薄片的折射率在4-5之间，并且与太赫兹电场偏振方向和纤维方向的夹角无关， 即与单向碳纤维薄片的导电性没有关系。单向碳纤维薄片的吸收系数与太赫兹电场偏振方向和纤维方向的夹角有关，随着角度的增大而下降，即随着单向碳纤维 薄片的导电性下降而下降。
涂层厚度和太赫兹波传播时间的线性关系
研究表明，在垂直模式下能够清晰地检测碳纤维 增强复合材料样本中的内含聚四氟乙烯缺陷。由于环氧树脂和聚四氟乙烯的折射 率在 0.075 THz 差别zui大，因此该缺陷样本的zui佳成像频率为 0.075 THz。太赫 兹时域光谱技术可以检测防火涂层的厚度，检测精度可达 10 µm 。此外，利用紧密粘接和脱粘区域太赫兹反射时域波形的差异可以成功检测防火涂层的脱粘程度。由于碳纤维增强复合材料对太赫兹波的反射性较强，太赫兹时域光谱系统产生的太赫兹波能量较低，因此，太赫兹时域光谱成像技术只适合在垂直模式下对 较薄的碳纤维增强复合材料进行缺陷检测。此外，正由于碳纤维增强复合材料对 太赫兹波的强反射性，使得太赫兹技术非常适合于对碳纤维增强复合材料表面的涂层进行检测，包括涂层厚度和涂层脱粘检测。
引用文献：《纤维增强复合材料的太赫兹无损检测研究》张瑾等
