《NDT & E International》：Monitoring Tensile-Induced Subsurface Damages of Woven Glass Fiber Reinforced Polymer Using Terahertz Time-of-Flight Tomography
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基于太赫兹时间飞行断层扫描技术研究GFRP复合材料动态损伤演化规律，揭示超过60MPa应力时表面及内部层间损伤起始与扩展特征，验证太赫兹技术对复合材料三维动态监测的有效性。
作者：翟敏、潘浩月、肖斌、史海莲、曲张、何文龙、翟聪、唐毅
中国广东省深圳市南山区南海大道3688号，深圳大学电子与信息工程学院，射频异构集成国家重点实验室，邮编518060
摘要
本研究采用太赫兹飞行时间断层扫描技术，对编织玻璃纤维增强聚合物（GFRP）复合材料在原位拉伸测试过程中的失效模式进行了无损、非接触式的表征。通过对比太赫兹C扫描和B扫描图像，分析了不同应力作用下GFRP复合材料的断裂形态，以评估拉伸引起的微观结构的动态演变。结果表明，在应力超过60 MPa时，可检测到明显的损伤起始。此外，拉伸引起的损伤不仅发生在表面，也存在于GFRP复合材料内部。最后，我们的工作验证了基于太赫兹技术对GFRP复合材料质量进行三维动态监测的有效性，以及不同加载条件对其力学性能和失效模式的影响。
引言
玻璃纤维增强聚合物（GFRP）复合材料是由高强度玻璃纤维嵌入聚合物基体中制成的复合材料，由于其优异的力学性能、较高的强度重量比、耐腐蚀性和电绝缘性能，在交通运输、航空航天、建筑、海洋和能源等多个领域被广泛用作先进的结构部件[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。层压复合材料容易受到损伤，在服役和维护过程中，由于疲劳、外部应力及恶劣环境条件的影响，可能会产生不同的失效模式，包括层内损伤（如基体开裂、纤维/基体脱粘和纤维断裂）和层间损伤，从而导致机械性能和结构完整性的显著下降[6]、[7]。
迄今为止，已经提出了多种传统的无损检测（NDT）技术，包括X射线计算机断层扫描[8]、超声成像[9]、红外热成像[10]和涡流检测[11]，以了解GFRP复合材料在动态载荷下的应力-应变响应。尽管这些NDT方法在表征复合材料损伤方面具有显著优势，但仍存在一些亟待解决的问题。基于X射线的方法主要适用于实验室环境，因为X射线具有电离作用；红外热成像由于GFRP复合材料的热导率较低，难以量化缺陷深度和尺寸，且其性能受表面条件影响较大；涡流测量仅适用于点测量，而不适合大面积扫描；虽然超声检测对分层损伤敏感，但由于其工作频率（约5 MHz）较低，似乎无法识别小规模的层内裂纹损伤，尽管一些先进的超声技术（如相控阵或高频浸入式检测）可以实现更好的分辨率[12]、[13]。因此，亟需高分辨率、适用于大面积检测且适合原位应用的NDT技术，以实现GFRP复合材料内部损伤的三维定位，并监测其在机械载荷作用下的起始和传播过程。
太赫兹（THz）波的频率范围为0.1至10 THz，对应的波长范围从3毫米到约30微米，位于微波和红外线之间。THz波能够穿透许多介电和非极性材料，而这些材料对可见光和近红外波可能是不透明的，但对X射线可能是透明的[14]。此外，由于太赫兹波的光子能量较低，不会对生物组织造成电离危害，因此在测量过程中不会造成任何损伤[15]。凭借这些优势，太赫兹技术作为一种有前景的NDT技术，已被应用于多种工程应用，例如体内区分乳腺癌[16]、[17]、识别爆炸物[18]、[19]、研究古代艺术品的层结构[20]、[21]以及监测微电子产品的金属腐蚀[22]、[23]。与最先进的超声方法（如相控阵、高频浸入式检测）相比，太赫兹断层扫描在某些应用中具有明显优势。对于厚层或碳纤维复合材料，尤其是检测封闭裂纹和深层内部缺陷时，超声成像仍然是无与伦比的选择。相比之下，太赫兹断层扫描在以下场景中对非导电复合材料具有独特优势：（1）高分辨率的近表面和层间检测（超声的死区限制了这一能力）；（2）快速、非接触式的单侧扫描，适用于在线过程控制；（3）对充满空气的孔隙和分层现象的敏感检测与映射；（4）定量提取介电特性，以评估树脂固化、水分侵入或孔隙分布。因此，这两种技术是互补的，太赫兹技术为薄型聚合物基组件提供了独特的电磁视角，尤其是在需要非接触操作和基体表征的情况下。
在我们之前的研究[24]中，我们探讨了随着拉伸载荷增加，经纬纱方向的演变以及编织周期的变化。经纬纱倾向于与载荷方向重新对齐，且随着施加应力的增加，编织周期缩短与表面和内部层的变形有关。在本研究中，我们使用了商用太赫兹时域光谱（THz-TDS）成像系统，对动态拉伸载荷下的GFRP复合材料进行了原位变形和损伤可视化分析，以揭示不同应力作用下GFRP复合材料的拉伸行为。我们的工作证明了基于太赫兹技术评估GFRP复合材料动态失效演变的可行性。
本文的结构如下：第2节描述了所研究的GFRP复合材料以及太赫兹反射测量和拉伸测试的实验设置。第3节讨论了不同拉伸载荷条件下GFRP复合材料的动态响应。通过比较不同应力作用下表面和内部层的状态，分析了GFRP复合材料损伤退化的演变过程。第4节总结了研究结果。
测试材料
图1所示的矩形复合材料样品由50%体积的聚酰胺6制成，其中加入了4层2/2斜纹编织的玻璃纤维（制造商：BüFA，德国奥尔登堡）。经纱和纬纱的方向为约45°。样品尺寸为117.5 × 30 × 2 mm3。首先使用Zwick Roell集团（德国乌尔姆）的AZ50拉伸试验机对其力学性能进行了测试，该试验机的杨氏模量为7.7 GPa，断裂应力为180 MPa。
结果与讨论
图5(a)展示了基于原始太赫兹信号的太赫兹C扫描结果（以平面视图显示），该信号是根据施加力之前的时间反射信号的最大幅度进行对比分析得出的，用于确定初始结构。太赫兹C扫描结果提供了关于GFRP层压样品表面特征（如反射率和粗糙度）的信息。接下来采用了线性最近邻插值技术来增强图像质量。
结论
本研究通过反射太赫兹成像技术，对拉伸应力作用下的编织纤维聚酰胺6基体GFRP复合材料进行了表征。定量和定性地分析了不同应力作用下GFRP复合材料的表面断裂形态，以评估拉伸测试过程中的损伤退化动态。当施加应力小于60 MPa时，C扫描未发现明显的表面损伤；而随着应力的增加，损伤的起始和扩展现象逐渐明显。
CRediT作者贡献声明
翟敏：撰写——原始草稿、可视化处理、数据验证、软件开发、方法论设计、资金申请、数据分析、概念构思。
潘浩月：撰写——审稿与编辑、可视化处理、软件开发、方法论设计、数据管理。
肖斌：可视化处理、软件开发、方法论设计、数据管理。
史海莲：撰写——审稿与编辑、数据分析、研究工作。
曲张：撰写——审稿与编辑、数据分析。
何文龙：撰写——审稿与编辑。
资助
广东省青年创新人才计划（编号：2024KQNCX041）；
广东省基础与应用研究基金（编号：2024A1515012376）；
广东省高校重点领域专项（编号：2025ZDZX3030）；
深圳市基础研究一般项目（自然科学基金）（编号：JCYJ20240813141427036和JCYJ20250604181425032）；
深圳大学青年学者科学基金；
深圳市科技创新计划（编号：KQTD20200820113046084）；
国家重点...
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
M.Z.感谢Conseil Régional Grand Est和CPER SusChemProc的支持。
