來自楊百翰大學(xué)的一個研究團(tuán)隊認(rèn)為光譜法（也被稱為二次諧波發(fā)生）可被用于探測金屬或其他材料中存在的內(nèi)部損傷跡象。

    但此項研究目前尚處于初步階段，該研究團(tuán)隊認(rèn)為根據(jù)其研究發(fā)現(xiàn)二次諧波發(fā)生法（通過使用綠色激光來發(fā)現(xiàn)損傷處）較傳統(tǒng)的無損檢測法能更早地檢測到損傷跡象，同時其擁有易于攜帶和價格更廉價的優(yōu)點。根據(jù)不同的表面條件和位錯密度，二次諧波發(fā)生法將部分激光轉(zhuǎn)換為紫外線，同時紫外線能被金屬彈回，該轉(zhuǎn)換能幫助確定受高應(yīng)力影響的表面區(qū)域。

    楊百翰大學(xué)的學(xué)生助理研究員Scott Smith提到“商業(yè)無損檢測法中使用的成像形式通常十分依賴于技術(shù)人員來解釋圖像結(jié)果或?qū)ふ椅⒘芽p。這些縫隙是由于在一段時間內(nèi)受應(yīng)力影響而形成的。這種縫隙也可能以孔洞的形式出現(xiàn)，這些小孔是材質(zhì)發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷失效前的最后預(yù)警。因此目前如x光成像或磁粉探傷等方法只能告訴你材質(zhì)在發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷失效前是否有可能遭受損傷。而通過采用我們的方式，我們能在損傷發(fā)生前很久就注意到這些變化。”

    無損檢測之外的其他方法也一直被用于預(yù)測各種材料的失效情況。但非無損檢測法一般是等材料在某種條件下（如與低溫接觸或遭受反復(fù)彎曲）發(fā)生失效后對材料進(jìn)行檢測。

    Smith還說道“工程師會對建筑材料進(jìn)行測試并確定其預(yù)期壽命。但在確定不同材料的預(yù)期壽命前，他們需要對材料進(jìn)行許多次破壞性試驗。當(dāng)然，我們希望能在不破壞材料的情況下來對其進(jìn)行測試，這樣我們就能繼續(xù)使用這些材料。”

    綠色激光

    二次諧波發(fā)生法的第一步是將綠色激光照射在金屬樣品上，金屬能將部分激光轉(zhuǎn)換為紫外線，紫外線會被金屬所反彈。

    領(lǐng)導(dǎo)該研究的楊百翰大學(xué)教授JamesE. Patterson說“被轉(zhuǎn)換激光的數(shù)量取決于金屬的特性，若這些特性已被某些應(yīng)力所改變，我們能在被轉(zhuǎn)換的紫外線中檢測到。”

    具體來講，被轉(zhuǎn)換為紫外線的綠色激光數(shù)量受金屬表面情況的影響，尤其受位錯密度的影響。由于位錯在應(yīng)力下會進(jìn)行移動，因此該研究團(tuán)隊能夠確定受到高應(yīng)力影響的表面區(qū)域。

    Smith提到“這些微裂縫與位錯密度的增加存在關(guān)聯(lián)，這些位錯在材料晶格中具有不規(guī)則性。在應(yīng)力施加后，它們會朝著表面進(jìn)行移動。該檢測程序中會使用到一根標(biāo)準(zhǔn)的光電倍增管。在光子進(jìn)入后，我們就可以建立起一個反饋環(huán)路，其將通過一部標(biāo)準(zhǔn)示波器來運行。”

    總的來說，該研究團(tuán)隊認(rèn)為該探測系統(tǒng)體積足夠小，能夠被隨身攜帶并在實地中使用。

    另一名參與該研究的楊百翰大學(xué)學(xué)生Alex Farnsworth說“我們需要足夠強(qiáng)的激光，但激光在當(dāng)今具有十足的壓縮性。”

    Farnsworth提到其團(tuán)隊使用的激光高度一般約為508毫米，但這個尺寸仍大于研究人員所需要的尺寸。他解釋說道“但你若想把它變?yōu)榧夹g(shù)人員能夠攜帶的移動設(shè)備，這簡直是輕而易舉。”

    目前為止，已進(jìn)行過的試驗已顯示該檢測方式能成功區(qū)分目前尚為完好無損的金屬部件和已受到不可逆損傷并需要修復(fù)的金屬部件。

    行業(yè)應(yīng)用

    海洋和航天工業(yè)可能成為該檢測方法的直接受益者。該研究團(tuán)隊目前也正在探究該檢測方法在美國海軍中的實際應(yīng)用（美國海軍為其提供部分研究經(jīng)費）。例如，用于美海軍軍艦的鋁鎂合金常常會在其經(jīng)歷從最初α相到β相的過渡期期間遭受腐蝕影響。若材料能快速冷卻（由于美海軍艦船與水接觸），β相的過度就能發(fā)生。

    Farnsworth 解釋道，鎂將會在晶格中移動并聚集在晶界上。此類聚集現(xiàn)象將使鋁的局部類型變?yōu)?beta;相。β相有不同的電化電勢，對于α相作為陽極，使其更容易發(fā)生腐蝕。此外。該β相能使總體結(jié)構(gòu)脆性更強(qiáng)。

    Patterson說“一些故事會這樣講述——有人沿著金屬板行走，踩錯了地方，接著一大塊區(qū)域就發(fā)生了塌陷。孔洞也會在墻上形成，一旦有可見的孔洞形成，想要彌補(bǔ)已發(fā)生的損傷就為時已晚了。”

    而美海軍已發(fā)明了可控制該腐蝕的方法，如可在早期探測腐蝕的激光法之類的方法都可在腐蝕變得無法控制之前對腐蝕進(jìn)行控制。

    Farnsworth說道“我們知道腐蝕會發(fā)生，也知道該如何控制腐蝕，但我們一直缺少一種能在不破壞樣本或不用切除部分樣本的情況下有效探測腐蝕的方法。而綠激光系統(tǒng)則為我們解決了這個問題。”

    Patterson說“原則上，我們可以使用探測棒和其他光纖來探測船體區(qū)域中存在的隱形損傷。”

    此外，由于二次諧波發(fā)生法的探測結(jié)果更為精確，我們可以通過它來確定某一部件是否真的已經(jīng)被完全損耗或其還有額外的使用壽命。這樣一來，我們就避免了不必要替換件的資源浪費。例如說，飛機(jī)部件經(jīng)常性會在被使用一段時間后對其進(jìn)行替換來避免失效情況的發(fā)生。而替換時間頻率取決于同種部件的平均性能而不是單個部件的實際情況。

    后續(xù)工作

    該研究團(tuán)隊表示他們對其研究的初步結(jié)果表示滿意，但他們需要進(jìn)行更多試運行來為該探測法建立統(tǒng)計數(shù)據(jù)。但該激光探測法具有的極強(qiáng)敏感性也為其探測目的造成了麻煩，原因是激光探測法能夠探測到除位錯以外因素引起的表面變化。因此，該研究團(tuán)隊面對的當(dāng)務(wù)之急是提高信號變化和其精確物理成因之間的關(guān)聯(lián)性。

    Smith說“二次諧波發(fā)生產(chǎn)生的信號中包含許多變量，而噪聲因素給我們造成了很大的麻煩。而這背后的原因就是該探測法實在是太敏感了。由于試運行時間太短和噪聲因素，我們無法獲得統(tǒng)計顯著性。”

    基于該設(shè)備具有輕便可攜帶的特點，研究人員相信他們能對大量樣本進(jìn)行檢測以最終對此設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化同時濾除統(tǒng)計噪聲。此外，該系統(tǒng)具有的多功能性能提供多項優(yōu)勢，如其具有的極高敏感性能用于探測包括碳素纖維和工業(yè)鋼在內(nèi)的復(fù)合材料。Smith認(rèn)為該探測法在許多應(yīng)用上都具有巨大的前景。

    該研究目前由楊百翰大學(xué)和美國海軍研究辦公室共同提供資金資助。其最初的研究結(jié)果于本年年初在美國化學(xué)學(xué)會會議上被公布。

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