VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

Приведен краткий теоретический материал по тепловому контролю, описаны результаты экспериментального исследования на образце композиционного материала, подвергнутого оптической стимуляции.

Ключевые слова: композиционные материалы, тепловой контроль, метод тепловых волн.

Материалы, которые человек использовал в своей деятельности, всегда играли важную роль в прогрессе цивилизации. Они даже дали название целым этапам развития человечества: каменный век, бронзовый век, железный век... Современный этап развития можно назвать временем композиционных материалов.

Композиционными называются материалы, обладающие следующей совокупностью признаков:

• не встречаются в природе, поскольку созданы человеком;

• состоят из двух или более компонентов, различающихся по своему химическому составу и разделенных выраженной границей;

• имеют свойства, отличающиеся от свойств, составляющих их компонентов;

• неоднородны в микромасштабе и однородны в макромасштабе;

• состав, форма и распределение компонентов «запроектированы» заранее;

• свойства определяются каждым из компонентов, которые в связи с этим должны быть в материале в достаточно большом количестве (больше некоторого практического содержания).

Один из компонентов композиционного материала, обладающий непрерывностью по всему объему, является матрицей, компонент прерывный, разделенный в объеме композиции, считается усиливающим или армирующим [1]. Матричными материалами могут быть металлы, их сплавы, органические и неорганические полимеры, керамика и другие вещества. Усиливающими или армирующими компонентами чаще всего являются тонкодисперсные порошкообразные частицы или волокнистые материалы различной природы.

Основными дефектами композитов являются следующие технологические и эксплуатационные нарушения в структуре и конструкциях материалов [2]:

• возникновение коррозии под краской и между слоями;

• расслоения и непроклеи;

• ослабление сцепления между слоями;

• наличие воды или масла в сотах;

• пористость;

• ударные повреждения (например, смятие сот) и т.д.

Для обнаружения вышеперечисленных дефектов применяются несколько видов контроля, такие как ультразвуковой, радиографический и тепловой, а также ширография. Применение первых двух методов для мониторинга композитов весьма ограничено из-за низкой производительности. Чаще всего используют ширографию и ТК.

Ширография – метод контроля, основанный на интерферометрии, с помощью которого можно распознавать дефекты и повреждения на деталях под нагрузкой. Интерферометрия – метод визуализации процессов и явлений, а также измерения физических и других величин, основанный на явлении интерференции волн и измерении разности фаз (разности оптических путей) между интерферирующими волнами.

Тепловой неразрушающий контроль – неразрушающий контроль, основанный на регистрации тепловых полей объекта контроля. Наиболее распространенными процедурами активного теплового контроля является импульсный метод и метод тепловых волн. Первый из перечисленных подразумевает нагрев изделия импульсом тепловой энергии и регистрацию температуры на передней, задней или боковой поверхности изделия в течение импульса.

Рис.1. Общая схема активного теплового контроля [3].

Метод тепловых волн, в свою очередь, подразумевает периодический нагрев, в результате которого в объекте контроля возникают тепловые волны. Данный метод, в отличие от импульсного, способен обнаруживать глубинные дефекты.

Для реализации метода тепловых волн в эксперименте использовали:

• 2 галогеновые лампы по 1000 Вт каждая;

• углепластиковый композит с дефектами в виде расслоения;

• тепловизор – NEC 9100 с температурной чувствительностью до 0,03⁰С.

Параметры эксперимента:

• время нагрева – 1с.;

• время охлаждения – 1с.;

• общее время эксперимента – 40с.;

• частота работы лампы – 10 Гц;

• количество периодов нагрева-охлаждения – 20.

В результате эксперимента была получена последовательность термограмм. Термограмма, на которой наиболее явно видны все обнаруженные дефекты, представлена на рис. 2, на котором 1– дефектная зона, 2 – бездефектная зона. На рис. 3 присутствует график средней температуры для дефектной (обозначена 1) и бездефектной зоны (обозначена 2), который показывает динамичность нагрева поверхности образца.

Рис. 2. Исходная последовательность, 53 кадр, размер последовательности 240×320×501

Рис. 3. График средней температуры для дефектной и бездефектной зоны для 53 кадра

Предварительным этапом обработки стало выделение области интереса и удаление из исходной последовательности части кадров так, чтобы присутствовало целое число периодов (в данном случае 18). Целое число периодов необходимо для того, чтобы правильно произвести обработку данных в последующем с помощью преобразования Фурье.

Основное отличие Фурье преобразования, используемого в тепловом контроле, от стандартных процедур обработки двухмерных изображений заключается в его «одномерности», поскольку оно применяется к временнóму развитию сигналов. Таким образом, Фурье-анализ в тепловом контроле используют для исследования температурной динамики в последовательностях инфракрасных изображений. Определенная трудность в интерпретации изображений фазы (фазограммы) и амплитуды (амплиграммы) в Фурье-пространстве состоит в том, что результаты преобразования Фурье зависят как от величины интервала оцифровки температурных данных, так и от числа этих интервалов.

Фазограмма и амплиграмма, полученные в результате применения преобразования Фурье, представлены на рис. 4 и 5, соответственно. Получено, что максимальное отношение сигнал-шум для изображений фаз и амплитуд соответствует 18 изображению, что можно видеть на рис.6.

Рис. 4. Изображение фазы для 18 гармоники

Рис.5. Изображение амплитуды для 18 гармоники

Рис.6. Изменение амплитудного и фазового спектра

Вывод: в результате реализации метода тепловых волн, с последующей обработкой Фурье преобразованием, в пластине из углепластика было выявлено 2 дефекта в виде расслоения. Для обработки и ввода данных использовалась компьютерная программа ThermoLab.

Список используемой литературы:

1. Композиционные материалы: справочник. /В.В. Васильев, В.Д. Протасов, В.В. Болотин и др.; под общ. ред. В.В. Васильева, Ю.М. Таранопольского М.: Машиностроение, 1990 – 512 с.; ил.

2. В. П. Вавилов. Инфракрасная термография и теплой контроль. – М. : Спектр, 2009 – 544с.

3. Д.А. Нестерук, В.П. Вавилов. Тепловой контроль и диагностика. Учебное пособие для подготовки специалистов I, II, III уровня – Томск, 2007 – 104с.

4. Лаборатория тепловых методов контроля. Томск (электронный ресурс). Режим доступа: http://tndtsoft.ru/index.php/ru/, свободный.