液晶无损检测技术

　　液晶无损检测是20世纪后期发展起来的一种新技术。它利用液晶附于物体表面,用光照射液晶后在液晶表面显示出的彩色图像来了解物体内部的情况,探测有无缺陷,达到无损检测的目的。

　　液体具有流动性,晶体具有特殊光学性质及一定的熔点。人们把在一定温度范围内,既有流动性又有晶体光学特性的物质称为液态晶体,简称液晶。例如,加热胆甾相液晶时,在较低的相变点处(熔点),晶体结构开始破坏变成粘滞浑浊的塑性物质,能够流动,但仍保持晶体的光学性质。随着温度升高,液晶会散射出红、黄、绿、蓝和紫色,达到高相变点处(澄清点)混沌状态消失,不再具有光学性质(即失去了液晶的各向异性光学性质)而形成一种透明的各向同性的液体(为无色状态)。当冷却时,材料又要经过相变区呈现紫、蓝、绿、黄和红色,而后再冷却,流动性转变为晶体。可见,通常所指的液晶实际上是某些物质具有的一种介晶态。

　　由于液晶双重特性对热、电磁场、应力、超声波和化学气体等非常敏感,所以液晶在不同领域中有许多研究和应用,主要有液晶无损检测、液晶红外检测、大屏幕电视,液晶探癌法(医用)等。另外在飞机、宇航、风洞、高分子和生物学中也有广泛的应用。以下通过两个实例,探讨利用胆甾相液晶的温度效应进行检测,验证液晶检测的准确性和可靠性。

　　1　胆甾相液晶

　　1.1　化学结构

　　胆甾相液晶多数是胆甾醇的衍生物,胆甾醇又名胆固醇,在动物的血液中有一定含量。胆甾醇的羧酸酯具有特殊的液晶性质,液晶探伤多是应用此类化合物。胆甾醇及胆甾醇多酯的分子呈扁平状,有序地排列为层状。层与层按一定方式叠加起来,各层内分子长轴的取向有一个角度的旋转,从而使整体结构呈螺旋形状。当两层分子主方向互相平行时,这两层的间距称为螺距P(如图1中第1层到第6层的距离)。由此可知,螺距类似于弹簧,可以伸缩,即螺距P可周期性地变大或变小(图2)。正由于该螺旋结构,导致液晶具有许多特殊的光学性质,利用此光学性质发展了各种各样的液晶的应用。

　　1.2　光学特性

　　1.2.1　双折射性

　　光线在均匀介质内传播只有一个折射率,光波面是一个球面。光线在非均匀介质中传播的情况很复杂,自然光射入非均匀介质时,原来任意振动的光波被介质分成两束振动方向相互垂直的偏振光,它们以不同的速度传播,产生了两条折射光线,一条叫寻常光,另一条叫非寻常光,这种现象就是双折射现象。若将一方解石晶体放在物体或字迹上,通过方解石可看到两个物体或字迹。胆甾相液晶是棒状或片状分子集团,能形成分子轴相互平行但又独具规则的分子排列,使其在平行和垂直分子长轴方向上的物理常数(如折射率和电导率等)不同,即存在物理性质的各向异性。正是由于折射率各向异性,当自然光射入胆甾相液晶时就会发生双折射现象,其中与螺旋轴垂直的非寻常光折射率n⊥小于与螺旋轴平行的寻常光折射率n∥。