使用扫描源光学相干断层扫描技术检测旋转的玻璃纤维增强聚合物圆盘中的损伤

《Polymer Testing》：Detection of damage in a rotating glass fibre-reinforced polymer disc using swept-source optical coherence tomography

高速旋转复合材料转子的损伤行为研究及OCT技术验证。实验采用swept-source OCT系统在165转/秒（线速度259.2 m/s）下实现了转子全周向扫描，深度达2.5 mm。揭示了径向纤维层（2R区域）裂纹随转速增加的演化规律，证实OCT在高速动态检测中的可行性，其空间分辨率（5-7.5 μm）虽低于CT（24 μm），但能清晰分辨单根断裂纤维（CT无法检测），并有效捕捉表面形变和径向膨胀（最大达220 μm）。对比发现OCT对裂纹敏感度更高，且无需降低转速即可完成损伤评估

　　玻璃纤维增强聚合物复合材料因其高强度、轻质以及良好的化学和热稳定性，在众多工程领域中具有广泛的应用价值。这些材料被广泛用于风力涡轮叶片、航空发动机部件以及压缩机、泵和涡轮的叶轮等高速旋转和高应力环境中。然而，为了确保这些材料在实际应用中的可靠性，必须在真实条件下对其损伤行为进行深入研究。为此，研究人员采用了一种扫频源光学相干断层扫描（OCT）系统，对一种极向正交增强的多层复合材料叶轮在旋转载荷条件下的损伤行为进行原位分析。

这项研究的核心在于通过OCT技术捕捉旋转过程中复合材料内部的微小变化，包括纤维断裂、树脂空洞和层间剥离等。OCT是一种基于光学干涉原理的三维成像技术，其轴向分辨率通常在几微米范围内，能够清晰地显示透光材料中的微结构。在传统上，OCT主要用于医疗和生物医学领域，但近年来，其应用范围逐渐扩展到非生物材料，包括玻璃纤维增强复合材料。OCT能够提供实时、高分辨率的图像，使得研究人员能够直接观察材料内部的损伤发展过程，而无需破坏材料本身。

研究中使用的叶轮具有特定的层结构，由两个外层（2R）和一个内层（2T）组成。外层由径向排列的玻璃纤维预成型件构成，内层则由环向排列的纤维层组成。这种结构赋予了叶轮在平面内表现出极向正交各向异性特性。由于叶轮在高速旋转过程中，其直径逐渐缩小，研究人员在制造过程中对纤维数量进行了调整，使得外层的纤维密度高于内层，从而形成多个纤维圈。这种设计不仅优化了叶轮的力学性能，还为研究其在旋转载荷下的损伤行为提供了基础。

为了确保OCT系统能够有效捕捉旋转过程中的图像，研究人员采用了一种特殊的扫频源（SS）OCT系统。该系统使用了一种26毫瓦的MEMS垂直腔面发射激光器，具有400千赫兹的扫描速率和1304.1纳米的中心波长。激光器的输出功率被分为两部分，分别送入参考臂和样品臂。参考臂的光信号被聚焦到可移动的银镜上，而样品臂的光信号则通过光纤和透镜被引导至叶轮表面，并反射回检测器。为了提高系统的成像范围，研究人员通过采用双边采样技术，将系统最大理论成像深度从4毫米扩展至8毫米。在空气中的深度分辨率达到7.4微米，而在玻璃纤维增强复合材料中的深度分辨率为4.8微米。这种高分辨率使得研究人员能够在叶轮表面以下约2.5毫米的深度范围内清晰地观察到其内部结构的变化。

实验过程中，叶轮在不同的旋转频率下进行测试，最高达到165转每秒，对应于叶轮外边缘的线速度为259.2米每秒。为了获取叶轮的三维图像，研究人员采用了不同的扫描策略。例如，在旋转频率为10转每秒时，扫描范围覆盖了叶轮表面以下的72%区域，而在更高的旋转频率下，扫描范围则覆盖了几乎整个叶轮的圆周。这种扫描方式确保了研究人员能够全面地观察叶轮在不同旋转条件下的损伤行为。

为了确保不同扫描数据之间的对齐，研究人员在叶轮表面粘贴了两条透明胶带，作为参考标记。通过MATLAB中的交叉相关函数，研究人员能够对不同扫描位置的数据进行对齐处理，从而消除由于旋转频率波动引起的图像畸变。此外，OCT数据的采集过程中，还使用了波形数字化仪，以确保信号的高精度记录。研究人员还设计了一套专用的LabVIEW程序，用于控制OCT系统、扫描臂的移动以及光障传感器的信号触发。

在数据处理方面，研究人员通过快速傅里叶变换（FFT）将OCT信号转换为深度剖面图（A-scan），并结合两个极化方向的信号计算出总强度。通过这种方式，研究人员能够生成高质量的三维OCT图像，从而对叶轮的内部结构和损伤行为进行分析。OCT的高分辨率使其能够检测到常规计算机断层扫描（CT）技术难以分辨的细小纤维断裂和聚酯线。相比之下，CT虽然能够提供高分辨率的图像，但由于其成像原理依赖于X射线吸收率，因此在分辨纤维和树脂之间的细微差异方面存在局限性。

实验结果显示，在旋转频率增加的情况下，叶轮的损伤行为发生了显著变化。例如，当旋转频率达到120转每秒时，开始出现少量的纤维间裂纹，而当频率进一步增加至165转每秒时，裂纹数量和长度均显著增加。这些裂纹主要集中在叶轮的内侧区域，而外侧区域的裂纹密度较低。此外，OCT系统还能够检测到叶轮在旋转过程中的表面变形和径向扩展。研究发现，随着旋转频率的增加，叶轮的变形幅度有所减小，但在降低旋转频率后，由于裂纹的发展，变形幅度又有所增加。

OCT技术在研究高速旋转复合材料的损伤行为方面展现出了独特的优势。首先，它能够在不破坏材料的情况下，实时捕捉叶轮在旋转过程中的内部变化。其次，其高分辨率使其能够检测到微小的裂纹和纤维断裂，这是其他传统方法难以实现的。此外，OCT还能够提供关于叶轮表面变形和径向扩展的详细信息，从而帮助研究人员更好地理解材料在动态载荷下的响应特性。

然而，OCT技术在实际应用中也面临一些挑战。例如，当旋转频率较高时，OCT的横向分辨率会有所下降，这可能影响对裂纹宽度变化的准确判断。因此，为了进一步提高OCT在高旋转频率下的分辨率，可能需要采用更高扫频速率的激光器。此外，由于OCT成像过程中存在信号衰减和运动模糊的问题，研究人员在数据分析时需要特别注意这些因素对图像质量的影响。

总体而言，这项研究证明了扫频源OCT系统在高速旋转复合材料损伤行为研究中的可行性。通过OCT技术，研究人员不仅能够观察到叶轮在旋转过程中的表面变形和内部裂纹发展，还能够验证和改进现有的数值模型，从而更准确地预测复合材料在实际应用中的性能。未来，随着OCT技术的不断发展和优化，其在动态材料测试和工程应用中的潜力将进一步被挖掘。同时，结合人工智能技术对OCT数据进行分析，也有助于提高对复合材料性能的理解和研究的深度。