НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ УДАРНЫХ ПОВРЕЖДЕНИЙ В УГЛЕРОД-УГЛЕРОДНОМ КОМПОЗИТЕ МЕТОДОМ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ИК ТЕРМОГРАФИИ

Дерусова Д.А., Чулков А.О.

Аспирант,

Аспирант,

Национальный исследовательский Томский политехнический университет

НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ УДАРНЫХ ПОВРЕЖДЕНИЙ В УГЛЕРОД-УГЛЕРОДНОМ КОМПОЗИТЕ МЕТОДОМ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ИК ТЕРМОГРАФИИ

Аннотация

В статье описаны результаты неразрушающего контроля углерод-углеродного композита с использованием ультразвуковой стимуляции и регистрации температурного поля методом ИК термографии. Приведены зависимости температурных сигналов в дефектных зонах от ориентации волокон композита, расстояния до индентора и вида подложки между объектом контроля и основанием.

Ключевые слова: термография, ультразвуковая стимуляция, углерод-углеродный композит.

Derusova D.A., Chulkov A.O.

Postgraduate student,

Postgraduate student,

National research Tomsk polytechnic university

NONDESTRUCTIVE TESTING OF IMPACT DAMAGE IN CARBON-CARBON COMPOSITE BY USING ULTRASONIC IR THERMOGRAPHY

Abstract

The paper describes the results of the evaluation of multiple impact damage defects in carbon-carbon composite by applying ultrasonic stimulation and temperature recording by means of infrared thermography. The dependencies between temperature signals and composite fiber orientation, as well as distance between the indentor and defects and type of sample support are reported.

Keywords: Infrared thermography, ultrasonic stimulation, carbon-carbon composite.

Ультразвуковой инфракрасный (УЗ ИК) метод перспективен для испытаний композиционных материалов, в которых под воздействием вибраций возникают специфические температурные сигналы, обусловленные рассеянием энергии механических колебаний на дефектах и превращением её в тепловую энергию [1, 2]. Инфракрасные термограммы испытуемых материалов отчетливо обнаруживают трещины, расслоения и другие виды дефектов, в которых возникает явление внутреннего трения.

В Национальном исследовательском Томском политехническом университете разработана экспериментальная установка (Рис. 1), включающая массивное основание и устройство ввода ультразвука, причем индентор прижимается к образцу за счет собственной массы УЗ головки. Параметры устройства УЗ стимуляции:  электрическая мощность на инденторе до 2,5 кВт, частота УЗ колебаний 22 кГц с девиацией ±150 Гц, амплитуда колебаний индентора ±7 мкм. Использован тепловизор NEC ТН-9100, обеспечивающий формат изображения 320x240 в спектральном диапазоне 7-13 мкм при частоте цифровой записи до 60 Гц и температурной чувствительности 0,03 ^оС.

Рис. 1 - Схема УЗ ИК установки (1-объект контроля; 2- УЗ излучатель; 3- УЗ генератор; 4- компьютер; 5- тепловизор; 6- оснастка для крепления излучателя)

Объектом контроля был выбран образец углерод-углеродного композита размерами 450х350х10 мм, в который с помощью свободно падающего стального шарика были внесены 12 ударных повреждений с энергией 5 Дж (дефекты отмечены крестиками на Рис. 2). Указанная энергия повреждения в большинстве случаев не привела к заметным проявлениям разрушения композита на обеих поверхностях образца.

Рис. 2 - Углерод-углеродная панель толщиной 10 мм, содержащая 12 ударных повреждений

Анализировали влияние расстояния от индентора до дефектов L (2, 4, 6 и 8 см) и ориентации дефектов относительно направления углеродных волокон на регистрируемые температурные сигналы.  Длительность стимуляции составляла 5 секунд при электрической мощности на катушке магнитостриктора 2,5 кВт, причем одинаковое усилие прижима индентора к поверхности создавалось массой УЗ головки. В Табл. 1 приведены значения максимальных дифференциальных температурных сигналов   и максимальной температуры образца в конце стимуляции  для различных значений L. Соответствующие графики для дефектов 1 и 12 приведены на Рис. 3. Наилучшей аппроксимацией полученных зависимостей оказались линейные функции (приведены на Рис. 3), хотя интуитивно ожидался спад сигнала обратно пропорционально квадрату расстояния (этот факт можно объяснить конечными размерами образца и, соответственно, отражением ультразвука от краев образца).

Таблица 1- Зависимость  от 

№ дефекта	L = 4 см		L = 6 см		L = 8 см		L = 10 см
	, оС	, оС	, оС	, оС	, оС	, оС	, оС	, оС
1	11,82	34,80	8,44	32,72	7,78	30,63	4,47	26,50
2	9,22	33,89	8,41	31,90	7,05	30,62	4,91	28,33
3	6,99	29,65	5,85	28,36	5,46	28,46	4,42	26,49
12	6,98	29,40	5,98	28,95	3,82	25,28	2,36	26,31

Рис. 3 - Зависимость ΔТ от L (см. Табл. 1)

Установлено, что величина  заметно зависит от ориентации волокон относительно направления преимущественного распространения ультразвука, причем изменения сигнала могут достигать 20-30%. Например, температурный сигнал в зоне дефекта 1, стимулируемого вдоль волокон, составил 4,91^оС, тогда как расположенные под углом дефекты 2 и 3 создавали сигналы 3,85^оС и 3,67^оС соответственно (Рис. 4).

Рис. 4 - ИК термограмма ударных повреждений в углерод-углеродном композите

Исследовали выявляемость дефектов при использовании двух типов прокладок между объектом контроля и основанием УЗ установки и постоянном усилии прижима индентора. В качестве первой прокладки использовали лист вспененного полиэтилена толщиной 5 мм, во втором случае применили две опоры из алюминиевого углового профиля (см. схему на Рис. 5). Результаты сведены в Табл. 2 в сравнении со случаем жесткого основания.

На Рис. 6а показана ИК термограмма объекта исследований при отсутствии прокладки (изделие на жестком основании), а на Рис. 6б,в  - для различных расстояний между профилями. Видно, что меньшая площадь опоры приводит к снижению температурных сигналов из-за бóльшей жесткости структуры, но, в целом, наилучшие результаты получены при использовании в качестве подложки вспененного полиэтилена (Рис. 6г).

Рис. 5 - Схема эксперимента с использованием угловых профилей из алюминия в качестве прокладки

Рис. 6 - ИК термограммы образца из углерод-углеродного композита:

а – прокладка отсутствует (жесткое основание); б – расстояние между профилями из алюминия 13 см; в  – расстояние между профилями из алюминия 28 см; г –  прокладка из 5 мм вспененного полиэтилена

Таблица 2 - Влияние типа опоры на дифференциальные температурные сигналы  при УЗ ИК контроле углерод-углеродного композита

№ дефекта	Без прокладки	Вспененный полиэтилен	Алюминиевые угловые профили на расстоянии 28 см	Алюминиевые угловые профили на расстоянии 13 см
	ΔТ, оС
1	1,69	3,34	2,86	1,35
4	1,59	3,36	1,38	1,63
9	1,97	3,99	1,87	1,48
12	3,37	5,61	3.46	1,77

Заключение

Метод УЗ ИК термографии доказал свою высокую эффективность при обнаружении низкоэнергетических ударных повреждений в углерод-углеродном композите. При электрической мощности на инденторе до 2,5кВт, частоте УЗ волн 22кГц и длительности стимуляции до 5 секунд температурные сигналы в дефектных зонах достигают 4-12^оС на расстояниях до 30см. Амплитуда этих сигналов максимальна при УЗ стимуляции отдельных волокон композита, проходящих через дефектные зоны (улучшение сигнала может достигать 30%), а также при размещении объекта контроля на эластичной подложке, например, из вспененного полиэтилена.

Литература

1. Вавилов В.П., Нестерук Д.А., Хорев В.С. Ультразвуковой инфракрасный метод выявления ударных повреждений и усталостных трещин в металлах и композитах. – В мире НК, март 2010, 1(47). – с. 36-58.
2. Ширяев В.В., Хорев В.С. Тепловой контроль ударных повреждений в углепластике с применением ультразвуковой стимуляции. - Контроль. Диагностика.-2011 (спецвыпуск). – с. 112-114.