* Mgrinż.PrzemysławDanielPastuszak,InstytutKonstrukcjiMaszyn,WydziałMechaniczny,Poli-technikaKrakowska.

PRZEMYSŁAWDANIELPASTUSZAK*

BADANIATERMOGRAFICZNECYLINDRYCZNYCHPANELIKOMPOZYTOWYCH

THERMOGRAPHICTESTINGOFCYLINDRICALCOMPOSITEPANELS

S t r e s z c z e n i e

Artykułpoświęconyjestwykrywaniuioceniedefektówwstrukturachkompozytowych.Wtymceluwykorzystano impulsowąmetodę termografiiwpodczerwieni.Wpracyomówiono za-gadnienia związane z promieniowaniem podczerwonym, technikami termografii i formamizniszczenia struktur kompozytowych. Zaprezentowanowyniki badań cylindrycznych panelizdelaminacjąpoddanychstatycznymobciążeniomściskającym.

Słowa kluczowe: IR NDT, kompozyty, termografia

A b s t r a c t

Thefollowingpaperisdevotedtodetectionandevaluationofdefectsincompositestructures.Themethodofpulsedinfraredthermographywasused.Additionally,thetopicsconnectedwithinfraredradiation,thermalimagingtechniquesandformsoffailureofcompositestructuresarediscussed.The resultsof investigation for cylindricalpanelswithdelamination subjected tostaticloadsarepresented.

Keywords: IR NDT, composites, thermography

214

1. Wstęp

Dążeniedozwiększenia jakościprodukcji towarzyszynamodkilkudekad.Produkcjakomponentów,któreniezawierajądefektów,nietylkozwiększaatrakcyjnośćrynkowąpro-duktu,alepozwalanapoprawęwydajnościipominięcieniepotrzebnychkosztów.Ponadtoczynnikiemwartymuwagijestbezpieczeństwoczłowieka.Wdrożenieideiwytwarzaniaele-mentówwolnychodwadwdużejmierzepoleganaodpowiedniejkontrolinaliniachproduk-cyjnych.Inspekcjadokonywanamanualnieprzezczłowiekazawszewiążesięzniedokładnąoceną.Dlategoteżczynnościzwiązanezautomatyzacjątegoprocesuzwiększająpowtarzal-nośćijednorodnośćewaluacji,dodatkowodająmożliwośćwykonywaniagowśrodowiskupracyszkodliwymdlaczłowieka[1,2].

Wwieluwypadkachparametrem,którypozwalaocenićpoprawnośćprzebieguprocesuprzemysłowego,jesttemperatura.Tutajznakomiciewpisujesiędziedzinawiedzyitechnikinazywanatermografiąwpodczerwieni,gdyżzajejpomocąmożliwyjestszybkiibezkon-taktowyjejpomiarnapowierzchnibadanychobiektów.Dobadańwykorzystywanesąwła-ściwościpromieniowaniapodczerwonego,którejestprzetwarzanezapomocąodpowiednichdetektorównasygnałelektryczny,zamienianykolejnonaobrazytermiczne(termogramy).Zaletąmetodtermografiiwpodczerwienijestto,żenieingerująwbadanymateriał,tymsa-mymniezmieniająjegowłaściwościużytkowych.Zewzględunaomówioneczynnikitech-nikitesązaliczanedogrupybadańnieniszczących.

Rozwójwdziedziniemikroelektronikiwpłynąłnadostępnośćdetektorówpodczerwieniwprzemyśle.Obecnietechnikitermografiiitermowizjinietylkosąwykorzystywanewwoj-sku,ale takżeznalazłyzastosowaniewmedycynie,elektroenergetyce,ciepłownictwie,ra-townictwie,ekologii,hydrometeorologii iwielu innychdziedzinach.Należy tutajzwrócićuwagęnajednobardzoznacząceprzeznaczenieomawianychurządzeńimetoddorejestracjipromieniowaniapodczerwonego,mianowiciebadanianieniszczącemateriałów.Wartykulenatowłaśniezastosowaniepołożonyzostałnacisk.

Rosnącewymaganiadowłaściwościmaszyniurządzeńdeterminująpostępwzakresiestruktury i budowy chemicznejmateriałów z których sąwytwarzane.Optymalne projek-towanie to już nie tylko dobór odpowiedniegomateriału, ale także jego zaprojektowanieostrukturzespełniającejzałożoneparametryobciążenia,warunkóweksploatacjiiznikomejliczbie wad technologicznych. Tworzenie współczesnychmateriałów polega na dobraniuskładników o odmiennych właściwościach fizykochemicznych, które w połączeniu dająnowe,lepszecechy.Sprostaniewymaganiomstawianymwobecnowoczesnychmateriałówjestbardzoskomplikowaneitrudnedoosiągnięciazewzględunazłożonośćzjawiskfizyko-chemicznych,przeprowadzenieskomplikowanychbadańeksperymentalnychiopracowanienowychprocesów technologicznych [3,4].Dlatego teżmetody inspekcji odgrywają tutajbardzoważnąrolęnietylkopodczasweryfikacjiprocesuprodukcji,aletakżeokresowychkontroligotowychjużurządzeń.

Motywacjąprzywyborzekompozytówwłóknistychjakoobiektubadańbyłoichszerokiespektrumzastosowańwnowoczesnychmaszynachiurządzeniach.Należyrównieżzwrócićuwagęnageometriębadanychstrukturzewzględunalicznewystępowaniezakrzywionychiokrągłychkształtówwprzemyśle.

215

2. Promieniowanie podczerwone

Promieniowanie podczerwone (IR) jest promieniowaniem elektromagnetycznym po-wstającymwwynikuoscylacyjnychirotacyjnychdrgańatomówicząsteczek.Jegozakresdługościfalzawartyjestpomiędzyświatłemwidzialnymiradiowym(od780nmdo1mm).Ciałafizyczneo temperaturzewyższejodzerabezwzględnego (tj.0°K,czyli–273,15°C)emitują promieniowanie podczerwone.Wpraktyce oznacza to, że każde ciałow naszymotoczeniujestemiteremIR.

Promieniowaniepodczerwonerozchodzisięwpróżniiwinnychośrodkachfizycznych(np.powietrze,gazy)poliniiprostej.Należypodkreślić,żewykazujeonojednocześniepew-necechywspólnezarównodlaświatławidzialnego,jakidlafalradiowych.Przykładstanowimożliwośćskupieniaoptycznegolubrozszczepieniazapomocąpryzmatów,atakżerozcho-dzeniesięwmateriałach,któreniesąprzezroczystedlaświatławidzialnego.

Poszczególne zakresy widma elektromagnetycznego odpowiadają różnym rodzajompromieniowaniainiesąściśleokreślone(częściowozachodząnawetwzajemnienasiebie).Woparciuowłasnościdetektorówpodczerwonychimateriałówoptycznychwprowadzonoumownypodziałpromieniowaniapodczerwonegonanastępująceobszary: – bliskąpodczerwień(odλ=0,7μmdoλ=5μm), – średniąpodczerwień(odλ=5μmdoλ=30μm), – dalekąpodczerwień(odλ=30μmdoλ=1000μm).Podstawąrozważańnatematpromieniowaniapodczerwonegojesttzw.ciałodoskonale

czarne,którepochłaniacałośćpromieniowaniapadającegonanie,niezależnieodkątapada-nia,długościfaliimocyźródłapromieniowania.

Podczasprowadzeniapomiarówtermowizyjnychistotnajesttzw.emisyjnośćpowierzch-nimierzonegoobiektu.Jesttowielkośćwprowadzonawceluodniesieniapromieniowaniaciałarzeczywistegodowzorca,jakimjestciałodoskonaleczarne.Współczynniktenokreślazdolnośćdanegociaładoemitowaniawłasnejenergiizpominięciemenergiiodbitejiprze-puszczanej.Należyzaznaczyć,żezawierasięonwprzedzialeod0do1.Pomiartemperaturymateriałówposiadającychwspółczynnikemisyjnościbliski1jestprostszyidajedokładniej-szewyniki.Współczynniktenjestzależnyodrodzajumateriału,stanu,barwyoraztempe-ratury jegopowierzchni,a takżedługości fali ikątapadaniapromieniowania.Emisyjnośćmaprostąinterpretacjęfizyczną,natomiastpraktykadowodzi,żejesttoparametrtrudnydookreślenia.

Kamerytermowizyjnedostępnenarynkupracująwdwóchzakresachfalelektromagne-tycznych:od2µmdo5µmorazod8µmdo14µm.Matobezpośrednizwiązekzprzepusz-czalnościądolnejwarstwyatmosferyziemskiej,wktórejwystępujątzw.„oknaatmosferycz-ne”obejmującepowyższezakresy.Pozawyznaczonymigranicamiwystępujebardzosilnepochłanianiepromieniowaniapodczerwonegoprzezparęwodną,dwutlenekwęgla iozon,dlategoteżwykonywaniepomiarówwinnychprzedziałachjestutrudnione.

3. Termografia w podczerwieni

Ogólnierzeczbiorąc,termografiawpodczerwienitodziedzinawiedzyitechnikizajmu-jącasiędetekcją,rejestracjąiprzetwarzaniemfalpromieniowaniapodczerwonego.Dziękiwłaściwościom,któreonoposiada,możliwyjestbezkontaktowypomiartemperaturynapo-

216

wierzchnibadanychobiektów.Kamera termowizyjnawyposażonawodpowiednidetektorprzetwarzaenergiępadającychfotonówpromieniowaniaIRnasygnałelektryczny.Następnieuzyskanysygnałprzetwarzanyjestwizualizowanywpostacitermogramów.

Możnarozróżnićaktywneipasywneprocedurytermografiiwpodczerwieni.Zasadniczaróżnicapoleganatym,żewbadaniachmetodąaktywnąwykorzystujesiędodatkoweźró-dłostymulacjicieplnejobiektu.Natomiasttechnikipasywnewykorzystująciepłopowstałewwynikujegofunkcjonowania.Istniejepodziałmetodaktywnychwedługwzajemnegopo-łożeniaurządzeńbadawczych,rodzajuźródłacieplnejstymulacjiczyteżkształtuiwymia-rówstrefystymulacjiciepła i rejestracji temperatury.Położenieźródłacieplnejstymulacjiiurządzeniarejestrującegotemperaturęmożliwejestwdwóchkonfiguracjach:jednostronnejidwustronnej.Wpierwszymprzypadkuźródłostymulacjicieplnejiurządzenierejestrującetemperaturęznajdująsiępotejsamejstroniebadanegomateriału,natomiastwdrugiejkonfi-guracjisąpoprzeciwnychstronach.Zostałotozobrazowanenarys.1[1,5–9].

Rys.1.Rozmieszczenieurządzeńbadawczychwtermografiiaktywnej

Fig.1.Arrangementoftestequipmentinactivethermography

Termografia aktywna opiera się na tworzeniu fali cieplnej na powierzchni badanegoobiektu.Wzależnościodzastosowanejmetodymożetobyćimpulsprostokątnylubsinu-soidalny.Falacieplnajest różnieabsorbowanaprzezposzczególnemateriały.Zależnejesttoprzedewszystkimodczęstotliwościwzbudzenia,aletakżeodwłaściwościtermofizycz-nych, przewodnictwa cieplnego, pojemności cieplnej i gęstości testowanych materiałów.Zakresgłębokościjestwyraźniewiększywmetalachniżwtworzywachsztucznych.Jeżelifalacieplnadotrzedoobszarów,gdziewłaściwościtermofizyczneróżniąsię(delaminacja,wtrącenia,porowatość),jestczęściowoodbijana,cowidaćnapowierzchnistygnącejprób-kiwpostaci zaburzonego rozkładu temperatur.Oceniając amplitudę lokalnej temperaturypowierzchni,można otrzymać informację owewnętrznej strukturze (głębokości defektu).Zastosowanietomasenswtedy,gdygrubośćmateriałuodpowiadawprzybliżeniudługościfalicieplnejorazwprzypadku,gdywystępująróżnicewewłaściwościachtermofizycznychbadanegomateriału idefektu.Źródłemstymulacjicieplnejbadanychobiektówmogąbyć:promieniowanie optyczne, prądy wirowe, prąd elektryczny, drgania mechaniczne i inne.Niewątpliwązaletąbadańtermograficznychjestmożliwośćbadaniaelementówtermiczniewrażliwych.Abyosiągnąćoptymalnewynikidlaobiektówonieznanychlubnieokreślonychcharakterystykach cieplnych, należy wykonać różne pomiary dla różnych częstotliwości.Falecieplnerozchodzącesięwmaterialesąsilnietłumione,dlategoteżgłębokośćpomiarów

217

jestlimitowana.Zakrestensilniezależyodczęstotliwościwzbudzenia–imniższaczęsto-tliwość,tymwiększagłębokośćpenetracji.Przezzmianęczęstotliwościmożnaanalizowaćstrukturęmateriałunaróżnychgłębokościach[5–9].

Podczasbadańtermograficznychwymaganajestspecjalistycznawiedzauwzględniającacechycharakterystycznebadanychobiektóworazumiejętnościzwiązanezobsługąurządzeńrejestrujących, odczytu i interpretacji termogramów [11, 12].W trakcie przeprowadzaniapomiarównależyuwzględnićkilkaczynnikówzewnętrznych,któremająistotnywpływnawyniki(poziomsygnaługenerowanegoprzezkamerętermowizyjną).Dokamerytermowi-zyjnejdocieranietylkopromieniowaniepodczerwonepochodząceodbadanegoobiektu,aletakżetezotoczeniaiodbiteodpowierzchniobiektu.Ponadtopromieniowaniepodczerwonejest tłumione (pochłaniane)przez atmosferę iwszelkiego rodzaju czynniki znajdujące siępomiędzydetektoremabadanymobiektem(np.gazy,dymy,pyły).

4. Formy zniszczenia struktur kompozytowych

Ogólnącechącharakterystycznądlamateriałówkompozytowych(zarównodlaobciążeństatycznych,jakizmęczeniowych)jeststopniowyrozwójzniszczeniaodlokalnychmikro--defektówdofinalnegoglobalnegozniszczeniakonstrukcji(obiektniespełniaswoichfunk-cjonalnychzadań).Abyopisać lokalne iglobalne formyzniszczeniakonstrukcjiwykona-nychzmateriałówkompozytowych,wprowadzonoróżnewariantypodejść: – modelmikroskopowy–zbrojenieiosnowętraktujesięjakomateriałniezależny, – model pośredni – każdawarstwa indywidualna tworząca laminat traktowana jest jakoośrodekjednorodny,

– modelmakroskopowy–całastrukturatraktowanajestjakoośrodekjednorodny[3].Niejestdokońcaznanakolejnośćwystępowaniaformzniszczeniamikroskopowego.

Możnajednakwprowadzićgeneralnypodziałnazniszczeniawystępującewewnątrzwar-stwy indywidualnej laminatu (pękanie osnowy, włókien, oddzielenie włókien od osno-wy) i zniszczeniawystępujące na granicywarstw (delaminacje).Materiały kompozyto-we,wktórychwystąpiłyprzedstawione formyzniszczenia, charakteryzują sięobniżonąsztywnością iwytrzymałością, zwłaszczawmiejscachkoncentracjinaprężeń.Na rys.2zaprezentowanoprzekrojelaminatów,gdziewystąpiłyomawianerodzajezniszczeniama-teriałówkompozytowych.

Rys.2.Formyzniszczeniamateriałówkompozytowych:a)delaminacje,b)pękaniewłókien, c)pękanieosnowy,d)oddzieleniewłókienodosnowy

Fig.2.Formsoffailureofcompositestructures:a)delaminations,b)fibrebreakage,c)matrixcracking,d)fiberdebonding

218

Proces delaminacji (czyli rozwarstwianie warstw indywidualnych) spowodowany jestprzezpowtarzającesięobciążeniadynamiczne,błędytechnologicznewprocesieprodukcji,brakpreparacjiwłókienszklanychpowodującyzłeprzyleganieżywicy,nieodpowiedniewa-runkitermicznewtrakcieutwardzanialubpowstajewwynikuuderzenia.Należypodkreślić,że delaminacja samodzielnie nie prowadzi dowyczerpania nośności konstrukcji, dopierowpołączeniuzinnymiformamizniszczenia[3].

Rys.3.Rodzajedelaminacji:a)zamkniętawewnątrzlaminatu,b)nabrzeguswobodnym

Fig.3.Typesofdelamination:a)enclosedinsidethelaminate,b)ontheedge

Ogólnypodziałwynikuprocesudelaminacjirozróżniadwatypytegozjawiska:zawartywewnątrz oraz na brzegu swobodnym laminatu (rys. 3). Ponadto każdy zwymienionychprzypadkówwystępowaniadelaminacjimożebyćpojedynczylubwielokrotny,symetrycznybądźniesymetrycznywzględempowierzchniśrodkowejlaminatu[3,10].

5. Badania eksperymentalne

Badania doświadczalne wykonano za pomocą kamery termowizyjnej typu FlirA325zoprogramowaniemIR-NDT.KameratermowizyjnaFlirA325jestwyposażonawpołącze-nieRJ-45GigabitEthernet,dziękiktóremumożliwe jestuzyskanie16-bitowychobrazóworozdzielczości320×240przyczęstotliwości60Hziliniowychdanychotemperaturze.Ponadtowyposażonajestwdwazewnętrzneobiektywy:10mmi18mm,możewykonywaćpomiarywzakresietemperaturod–20°Cdo350°Czdokładnościądo0,07°C.Działawza-kresiespektralnymod7,5do13,5µm.

Rys.4.Stanowiskodobadańtermograficznych

Fig.4.Experimentalset-upforthermographytests

219

Wbadaniachwykorzystanopanelcylindryczny(GFRP)wykonanyzośmiuwarstwtka-ninyszklanejiżywicyepoksydowejowymiarach:długośćL=298mm,promieńR=92mmigrubośćT=1,8mm–rys.5.Wceluwytworzeniesztucznejdelaminacjipomiędzyczwartąipiątąwarstwąwśrodkowejczęściumieszczonokwadratowe(10×10mm)pasekiteflonuoróżnychgrubościach:0,2 mm,0,7 mmi1,2mm.

Rys.5.Obiektbadań:a)schematcylindrycznejpróbkizumiejscowionąsztucznądelaminacją, b)rzeczywistywidokpanelukompozytowego

Fig.5.Investigatedobject:a)schemeofcylindricalspecimenwithartificialdelamination,b)realviewofthecompositepanel

Analizytermograficzneprzeprowadzanowtemperaturzepokojowejiwilgotnościpowie-trzanieprzekraczającej20%.Analizowanapróbkabyłyogrzewanaprzezlampęhalogenowąomocy500W.Budując stanowisko, zastosowanometodędwustronną (transmisyjną), coznaczy,żepróbkaznajdujesiępomiędzykamerąaźródłemciepła(rys.4).

6. Wyniki badań

Pierwszym celem niniejszego artykułu było zaprezentowanie możliwości impulsowejtermografiiwpodczerwieniwwykrywaniu i lokalizacjidefektówwystępującychwmate-riałach kompozytowych.W 80% przypadkówwynik jakościowy pozwala stwierdzić czybadanyobiektzostaniedopuszczonydodalszejeksploatacji lubopuści linięprodukcyjną.Wynikipierwszychtestówjasnopokazują,żeidentyfikacjasztucznejnieciągłościmateriałujestprostaiszybkadowykonania.

Kolejnyetapbadańjestzwiązanyzmożliwościąobserwacjirozwojudefektówpodczaszmieniającychsięwarunkówobciążenia.Narys.6zaprezentowanotermogramyobrazującepropagacjęzniszczeniapoprzeczniedobadanejpróbkipodczaszmieniającychsięwarunkówobciążenia.

220

Rys.6.Termogramyobrazującerozwójzniszczeniacylindrycznejpróbkikompozytowejpodczasstatycznejpróbyściskania

Fig.6.Thermogramspresentingthedevelopmentofthefailurewithinthecylindricalcompositesamplesduringstaticcompressiontests

Sposóbwyboczenia i forma zniszczenia zostały zaprezentowane na rys. 7.Warto za-uważyć,żesztuczniewprowadzonadeleminacjaniewpływanasposóbwyboczenia,jednakoddziałujenaostatecznezniszczeniepróbki.

Rys.7.Sposóbwyboczeniaifinalnegozniszczeniebadanejpróbki

Fig.7.Bucklingmodeandfinalfailureoftestedpanels

221

Ponadtoprzeprowadzonoanalizęzależnościgrubościwprowadzonejsztuczniedelemi-nacji(oznaczonejjakoTi)wstosunkudozmiantemperaturynapowierzchnibadanejpróbki.Wynikizaprezentowanonarys.8.

Rys.8.Różnicezmiantemperaturydlaróżnychpróbek

Fig.8.Differencesoftemperaturemeasuredforvariousspecimens

7. Wnioski

Wartykuleomówionozagadnieniazwiązaneztechnikamitermografiiwpodczerwieni,promieniowaniempodczerwonymiformamizniszczeniastrukturkompozytowych.

Zaprezentowanewynikibadańpotwierdzajątezę,żebadanianieniszczącewykorzystu-jącetermografięwpodczerwienisąbardzoefektywnymiskutecznymnarzędziemwwykry-waniuilokalizacjidefektówpodpowierzchniowychwystępującychwstrukturachkompozy-towych.Testyprzeprowadzononacylindrycznychpanelachkompozytowychze sztuczniewprowadzonądelaminacjąwpostacikwadratowejfoliiTeflonowejoróżnejgrubości.Należyrównieżzauważyć,żenietylkogeometriaposzukiwanychdefektówmożebyćobserwowana,aletakżeichrozwój.Ponadtozaobserwowano,żewprowadzonadelaminacjanierozwijasięażdofinalnegozniszczenia,jednakmawpływnaostateczneuszkodzeniepróbek.Kwestiaocenycharakterunieciągłościmateriałowychpozostajenadalotwartaimożebyćobiektemdalszychbadańwtymkierunku.

222

L i t e r a t u r a

[1] M a l d a g u e X.P.V.,Theory and practise of infrared technology for nondestructive testing,JohnWiley,Interscience,NewYork2001.

[2] K r i s h n a p i l l a i M.,J o n e s R.,M a r s h a l l I.H.,B a n n i s t e r M.,R a j i c N.,Thermography as a tool for damage assessment,CompositeStructures67,2005,149-155.

[3] M u c A.,P a s t u s z a k P.,Zastosowanie materiałów kompozytowych w konstrukcjach i urządzeniach, Konstrukcje maszyn. Historia i perspektywy rozwoju,WydawnictwoPolitechnikiKrakowskiej,Kraków2011.

[4] M u c A.,Mechanika kompozytów włóknistych,KsięgarniaAkademicka,Kraków2003.[5] I b a r r a - C a s t a n e d o C., Quantitative subsurface defect evaluation by Pulsed

Phase Thermography: Depth retrieval with the phase,UniversityLaval,2005.[6] IR-NDT–SoftwareManual–AutomotionTechnologyGmbH.[7] Ś w i d e r s k i W.,Metody i techniki termografii w podczerwieni w badaniach nienisz-

czących materiałów kompozytowych,WojskowyInstytutTechnicznyUzbrojenia,Biu-letynnaukowy112,2009.

[8] B r e i t e n s t e i n O., Wa r t a W., L a n g e n k a m p M., Lock-in Thermography. Basics and use for evaluating electronic devices and materials,Springer-VerlagBerlinHeidelberg2010.

[9] O l i f e r u k W.,Termografia podczerwieni w nieniszczących badaniach materiałów i urządzeń,BiuroGamma,Warszawa2008.

[10]D o l i ń s k i Ł.,Porównanie wybranych modeli delaminacji w kompozytach warstwo-wych,ModelowanieInżynierskie32,Gliwice2006,113-118.

[11] P a s t u s z a k P.D.,M u c A.,Methods of infrared non-destructive techniques: review and experimental studies,KeyEngineeringMaterials,2012(wdruku).

[12]M u c A., P a s t u s z a k P.D., Prediction of subsurface defects through a pulse thermography: experiments vs. numerical modelling, Proceedingsof 15thEuropeanConferenceonCompositeMaterials,Venice–Italy2012.