热敏材料涂覆法：一种直观的无损检测技术

在无损检测领域，如何让不可见的温度场“现形”，从而揭示材料内部的缺陷或异常？热敏材料涂覆法提供了一种颇具巧思且成本低廉的解决方案。其核心思想是利用一类特殊材料——它们的外观，尤其是颜色，会随着温度变化而发生可预见的改变。将这些材料作为“探针”涂覆在被测件表面，通过观察其响应，便能直观地捕获表面温度的分布图，进而推断内部结构是否完好。

这种方法属于接触式热学检测，以其简单、便捷和实用的特性，在复合材料缺陷检测、热点定位及温度分布记录等场景中占据了一席之地。它无需复杂昂贵的设备，所形成的热图像往往可以直接用肉眼判读。当然，其局限性也同样明显：主要提供定性或半定量的结果，温度分辨率相对较低，且涂层本身有时会对被测件表面的热流特性造成轻微干扰。

常用热敏材料及其特性

实践中，可供选择的热敏材料种类繁多，包括热敏漆、热敏纸、热致猝熄磷光体以及备受关注的液晶材料等。

热敏漆 (Thermochromic Paint)

热敏漆是最直接的一类应用。当温度上升时，这类漆会经历一系列的颜色变化。在40~160°C的范围内使用，通常可以获得±5%的温度指示准确度。

其中一类含有光致变色化合物的漆颇具代表性。通过喷涂、刷涂或浸渍的方式将其覆盖在试样表面，待干燥30至60分钟后即可投入使用，涂层厚度一般不低于75μm。检测前，需先用紫外线照射激活漆中的光致化合物，使涂层呈现深紫红色。当被测区域的温度达到约52°C时，该处涂层会从深紫红色脱色变为白色。这种变色反应是可逆的，冷却后可用紫外线再次激活，灵敏度不会出现明显衰减。

这一特性使其在检测蜂窝芯复合材料缺陷时非常有效。例如，从涂有该漆的一面加热，未粘接区域由于导热性差而升温更快，会率先脱色变白，与周围的深紫色背景形成鲜明对比。反之，若从背面加热，未粘接区则会因热量难以穿透而成为一个相对于正常区域的低温暗斑。

热敏纸 (Thermal Paper)

热敏纸以其便捷性，可直接粘贴或通过真空压聚法固定在试样表面。根据其构造和原理，可分为几类：

1. 有机化合物涂布纸：这类纸的表面涂有多孔有机物，用于指示是否达到某个特定的阈值温度，其反应温度的准确度约为±1%。
2. 微气泡塑料薄膜纸：在一张黑纸上覆盖一层含有大量微小气泡的塑料薄膜。正常状态下，光线在气泡间的衍射使纸面看起来是白色的。一旦加热，塑料薄膜软化，气泡结构被破坏，衍射效应消失，从而暴露出下方的黑色基底。
3. 红外复制纸：其涂层含有染料的初级粒子。当温度升高至熔点时，这些粒子发生反应，形成有色的产物。与前两者不同，它不是在单一温度点瞬间变色，而是在一个温度范围内逐渐变黑。大约5%的温差就足以触发反应，这使得它在某些应用中比前两种更为灵敏。

热致猝熄磷光体 (Thermoquenchable Phosphors)

这是一类在紫外线照射下能受激发出可见光的有机化合物，其发光亮度（辉度）对温度极为敏感。随着自身温度的升高，其发光亮度会显著下降，即所谓的“热猝熄效应”。这种材料可以制成涂料、胶带或粉末，推荐的涂层厚度为0.12mm。

磷光体响应的温度范围相当宽，可用于室温至400°C的环境，因此特别适用于热容量差异大、结构复杂的试样。不同化学组成的磷光体具有各自独特的温度-亮度特性曲线（如图1所示）。

图1 四种热致猝熄磷光体的温度-亮度特性曲线

其灵敏度与可分辨的温度差受紫外线照射强度和环境条件影响。在理想条件下，亮度变化率可达每摄氏度25%，能够分辨约0.2°C的温差。需要注意的是，在紫外线下长期暴露，磷光体材料会发生性能退化。

其他热敏化合物

• 碘化银汞 (Ag₂HgI₄) 与 碘化铜汞 (Cu₂HgI₄)：这两种无机化合物在特定温度点会发生晶格结构相变，从而引起颜色突变。碘化银汞在50.5°C时，晶格中的银离子和汞离子从有序排列转为无序，颜色随之改变。碘化铜汞则在69°C时发生类似反应。这类材料的响应速度极快（毫秒级），且性能稳定，只要不长期置于相变温度以上，便可循环使用。它们通常以薄塑料夹芯涂层或胶带的形式提供。
• 表面张力可变材料：以专利材料BondCheck为例，其粘度和表面张力随温度变化。这类材料并非对绝对温度敏感，而是对温差敏感。将其涂覆在试样表面，受热后，热点区域的涂层会因表面张力降低而被排斥，向周围的冷区聚集。这种效应使其在检测金属蜂窝芯材料的脱粘等缺陷时非常适宜。

液晶检测技术深度解析

液晶（Liquid Crystal）自1888年被发现以来，其应用已从实验室走向工业化的广阔天地。1963年，利用液晶测量热图样的专利正式发布，开启了其在无损检测领域的新篇章。

液晶的独特物相：介晶态

与大多数物质只有固相和液相不同，液晶拥有一种介于两者之间的第三相——介晶态（Mesophase）。在此状态下，材料既像液体一样具有流动性，又保留了晶体固有的某些长程有序性。

液晶依据分子排列方式可分为近晶相、向列相和胆甾相。其中，向列相液晶广泛用于电子显示领域，而胆甾相液晶因其独特的光学特性，成为热成像无损检测的核心材料。

胆甾相液晶的工作机理

胆甾相液晶的分子排列呈现一种精巧的层状螺旋结构（如图2所示）。在每一层内，分子长轴的取向基本一致，但相邻两层分子的取向会有一个微小的旋转角（约10角分）。层层累积，整体便形成一个螺旋结构。这个螺旋完整旋转360°的距离，被称为螺距（P），其尺度通常在500nm左右，与可见光波长在同一量级。

图2 胆甾相螺旋结构示意图

这个螺距P对温度的变化异常敏感。温度的微小波动会引起螺距的伸缩，而螺距的大小直接决定了液晶层选择性反射的光的波长。当反射光的波长恰好落在可见光范围内时，液晶便会呈现出绚丽的色彩。随着温度连续变化，螺距也随之连续改变，我们便能观察到液晶从红到紫（或反之）的连续色谱。这就是液晶测温的根本原理。一旦温度超出其介晶态范围，它便会变为普通的透明液体（高温）或不透明晶体（低温），失去这种光学特性。

液晶检测的实施步骤与关键考量

实施液晶无损检测，需要严谨的操作流程：

1. 表面准备：使用汽油或石油醚等溶剂彻底清洁试件表面。若试件表面颜色较浅，需先喷涂一层均匀的黑色底漆（如聚乙烯醇水溶性黑漆），以增强后续颜色显示的对比度。
2. 涂覆液晶：通过刷涂、喷涂或浸渍法将溶解在三氯甲烷或石油醚等溶剂中的液晶均匀地涂覆在底漆上。涂层的均匀性至关重要，不均匀的膜厚会导致颜色显示异常。膜厚通常控制在0.25 ~ 0.5mm之间。
3. 加热与观察：使用碘钨灯等热源对试件进行加热。由于材料内部缺陷（如分层、夹杂、空洞）的存在，会导致热传导不均匀，从而在试件表面形成相应的温度梯度。当缺陷区域与周围正常区域的表面温差恰好落在液晶的显色温区内时，便能观察到一幅二维的彩色图像，清晰地标示出缺陷的位置、形状和大小。一旦图像出现，应立即停止加热，防止过热导致图像消失。

在实际应用中，选择和配制合适的液晶是成功的关键。通常使用的是两种以上胆甾相液晶的混合物，以精确调控其工作温度范围和灵敏度。尽管液晶材料的显色范围可从-40°C覆盖到+280°C，但无损检测常用的有效范围是0 ~ 75°C。一个重要的经验法则是，所选液晶配方的工作温度应比环境温度高出15°C左右。通过精心配比，特殊混合物的显色温区宽度（即灵敏度）可窄至0.1°C，响应时间快至0.1 ~ 0.2秒。

要获得稳定可靠的检测结果，不仅需要精确的温度控制，还需要对液晶材料的配比、涂覆工艺的均匀性、加热方式的合理性进行综合把控。这正是专业检测实验室的核心价值所在。

精工博研测试技术（河南）有限公司（原郑州三磨所国家磨料磨具质量检验检测中心），央企，国字头检测机构，专业的权威第三方检测机构，专业检测复合材料无损检测，可靠准确。欢迎沟通交流，电话19939716636

液晶法的应用、优势与局限

液晶法凭借其高灵敏度、高分辨率、低成本、快速直观等优点，在多个领域展现了其价值。

• 典型应用：检测蜂窝板和胶接件的脱粘、分层、芯子压碎；定位热交换器管道的堵塞；检查电路板的层间短路等。它还能用于研究金属材料的疲劳损伤、范性流变和断裂过程。
• 检测能力：对于铝、钢试件，液晶法能够显示宽度约1μm的表面开口裂纹，对微细针孔等点状表面缺陷也能清晰成像。下表（表1）展示了其在检测铝和钛蜂窝板中缺陷的能力。
• 主要局限：液晶法对表面及近表面缺陷的探测能力极强，但对于深埋于材料内部的缺陷则难以发现。

表1 在铝和钛蜂窝板中用液晶法能检出的最小缺陷尺寸

此外，机械应力、电场、化学气氛等也会对液晶的螺距产生影响，尽管其效应不如温度显著。液晶暴露在空气中会受到化学污染（如丙酮、苯等溶剂蒸汽），数小时内就可能导致显色温度发生漂移。为提高稳定性和延长使用寿命，可将液晶微胶囊化，或夹在0.025 ~ 0.05mm的塑料薄膜中密封，制成胶带或乳胶。这种封装后的液晶产品性能稳定，储存期可长达两年。