碳纖維混凝土復(fù)合材料缺陷的紅外熱像檢測

[摘要] 利用碳纖維混凝土的良好導(dǎo)電性, 首先通過對存在缺陷的復(fù)合材料———碳纖維混凝土試件施加較低的電壓, 使其產(chǎn)生焦耳熱效應(yīng), 在表面產(chǎn)生溫差, 再利用紅外熱像方法對其缺陷進(jìn)行了無損檢測, 并根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行了理論分析。實驗結(jié)果表明: 對電阻不同、裂紋缺陷深度相同的材料, 小電阻材料所得的紅外熱像明顯, 溫差大于大電阻材料且變化趨勢比大電阻的明顯; 對電阻相同的大電阻材料, 裂紋深度對溫差有影響, 但變化趨勢不如電阻對溫差的影響明顯。實驗結(jié)果為進(jìn)一步研究紅外檢測復(fù)合材料缺陷提供了理論與實驗依據(jù)。

[關(guān)鍵詞] 紅外熱像; 無損檢測; 復(fù)合材料; 碳纖維混凝土; 裂紋

[中圖分類號] TN219 [文獻(xiàn)標(biāo)識號] A [文章編號] 1000- 7857( 2006) 12- 0034- 03

1 引言

紅外熱像無損檢測是一種建立在溫度場基礎(chǔ)上的檢測物體溫度、質(zhì)量、內(nèi)部狀態(tài)、結(jié)構(gòu)及缺陷的一種方法。與常規(guī)檢測方法相比, 它具有非接觸測量、靈敏度高、反應(yīng)速度快、使用安全、信號處理速度快、可建立自動檢測系統(tǒng)等優(yōu)點。目前我國廣泛開展的紅外熱像無損檢測技術(shù)的研究主要用于各種不同環(huán)境條件下的溫度檢測、固體火箭發(fā)動機整機及外殼、復(fù)合材料及其制品的力學(xué)特性研究, 以及輸變電線路絕緣材料、高壓瓷瓶等的檢測方面。此外, 在紅外測溫、森林防火、醫(yī)學(xué)診斷、半導(dǎo)體元件集成電路、工業(yè)質(zhì)量檢測等方面的應(yīng)用也有很大進(jìn)展[1]。

2 紅外熱成像檢測常用的兩種方法

由于紅外光是肉眼所不能看到的, 因此不能采用普通照相機原理來攝取紅外圖像。紅外熱成像( infrared thermal imaging) 技術(shù)即是將紅外輻射轉(zhuǎn)換成可見光進(jìn)行顯示的技術(shù)。

紅外熱成像分主動式和被動式兩種。主動式紅外熱成像采用一紅外輻射源照射被測物, 然后接受被物體反射的紅外輻射圖像。被動式紅外成像則是利用物體自身的紅外輻射來攝取物體的熱輻射圖像, 通常稱為熱像( thermal image) , 獲取熱像的裝置稱熱像儀。熱像儀無需外部紅外光源, 使用方便, 能精確地攝取反映被測物溫差的熱圖像, 因而已成為紅外技術(shù)的一個重要發(fā)展方向。熱像技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于無損缺陷的探察。對不同的材料如金屬、陶瓷、塑料、多層纖維板等的裂痕、氣孔、異質(zhì)、截面變異等缺陷均可方便地探查。紅外檢測法常用兩種方法。① 有源紅外檢測法, 又稱主動紅外檢測法。其特征是利用外部熱源向被測工件注入熱量, 再借助檢測設(shè)備測得工件表面各處熱輻射分布來判斷缺陷的方法。②無源紅外檢測法, 又稱被動紅外檢測法。在工程應(yīng)用中, 有源紅外檢測法使用較廣泛。當(dāng)均勻熱流加到平板表面時,基于平板內(nèi)的熱流各向同性, 三維的熱傳導(dǎo)問題可以簡化成二維問題, 二維的傅里葉熱傳導(dǎo)定律為[2- 5]:

式中: Kz, Ky 分別為熱流方向和其垂直平面的導(dǎo)熱系數(shù); ρ為材料密度; Cp 為材料比熱。

由于邊界面積相對于上下表面要小得多, 因此, 可以假設(shè)y坐標(biāo)為0 和D 處的邊界條件為:

輸入熱流為:

上邊界可以以牛頓冷卻公式為基礎(chǔ)的第三類邊界條件描述:

式中: α為工件與周圍環(huán)境的換熱系數(shù); Th 為工件上表面的溫度; Ta 為周圍環(huán)境空氣的溫度。

當(dāng)有一個均勻的熱流從復(fù)合材料的內(nèi)部向外流動時, 有缺陷區(qū)域處的表面比正常區(qū)域表面的溫度低( 熱傳導(dǎo)示意如圖1) , 所以采用紅外成像技術(shù), 從存在缺陷的區(qū)域可獲得較低溫度的熱像圖。根據(jù)公式( 1) 和上述邊界條件就可以解出工件表面各點的溫度值[5]。

3 紅外熱像無損檢測的技術(shù)關(guān)鍵

紅外熱像無損檢測的使用關(guān)鍵是要建立一個缺陷的判斷。對于各種典型的缺陷類型, 如層與層之間的空隙結(jié)合不良、薄層表面的雜質(zhì)以及幾何核心上較大的不規(guī)則性損傷等, 要想建立合格的判斷, 則必須搜集合格的和已知缺陷部分的樣品。不合格樣品中應(yīng)包含每一種類型的缺陷, 且這些缺陷符合探測和鑒別的最小尺寸, 否則要人為制造有關(guān)缺陷, 進(jìn)行模擬研究。如我們可以人為地在某種復(fù)合材料中制造幾個空洞缺陷, 空洞分別填充不同的雜質(zhì), 通過熱脈沖后用紅外成像檢測, 可以看到清晰的缺陷圖像。影響紅外成像檢測精度的因素與被測樣品表面特性有關(guān)。對于表面不光潔的或者經(jīng)過拋光處理的金屬零件來說, 其表面發(fā)射率是一個主要系數(shù)。發(fā)射率降低, 反射率增加, 掃描儀會探測到環(huán)境的背景反射和其他無關(guān)熱源的反射[4- 5]。

如果每種材料、每種缺陷形式都要人為地制造, 再進(jìn)行實驗,毫無疑問這將是影響紅外成像技術(shù)推廣應(yīng)用的瓶頸。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展, 計算機模擬和計算機仿真技術(shù)為缺陷類型的模擬創(chuàng)造了有利條件。目前武漢等大學(xué)提出一種有源紅外檢測的新方法———內(nèi)熱源紅外熱成像無損檢測。

4 內(nèi)熱源紅外熱成像檢測復(fù)合材料———碳纖維混凝土的缺陷

4.1 碳纖維混凝土簡介

機敏混凝土是一種將極少量具有某種特殊功能的材料復(fù)合于傳統(tǒng)混凝土中的機敏材料。碳纖維混凝土是機敏混凝土的一種, 是以短切或連續(xù)的碳纖維作為填充相, 以水泥漿、沙漿或混凝土為基體復(fù)合而成的纖維增強水泥基復(fù)合材料。其具有比普通混凝土更高的抗彎、抗拉強度及延性和更強的抗沖擊性能、抗凍融性能、抗腐蝕性能、低干縮性能, 同時具有感知應(yīng)變( 應(yīng)力) 、損傷、溫度以及電場等性能, 碳纖維混凝土被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域, 然而隨著機敏混凝土越來越廣泛的應(yīng)用, 對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康檢測就具有越來越明顯的實踐意義, 成為一個重要的研究課題。

碳纖維混凝土(CFRC) 外加電壓的內(nèi)熱源紅外檢測是一種新的檢測方法, 它利用碳纖維混凝土良好的導(dǎo)電性, 通過對碳纖維混凝土試件施加一較低的外加電壓, 由焦耳熱效應(yīng)生熱對機敏混凝土內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測[6]。

4.2 預(yù)制碳纖維混凝土裂紋

預(yù)制裂紋碳纖維混凝土(CFRC) 通常按圖2 的工藝流程制備。

4.3 裂紋深度相同電阻值不同的試樣

裂紋深度相同, 但碳纖維含量與組分的不同會導(dǎo)致試樣的電阻不同, 產(chǎn)生的熱效應(yīng)不同, 最終引起紅外熱像的不同。考慮阻值不同的影響, 采用裂紋深度相同( 20mm) 的兩類試樣進(jìn)行比較, 一類碳纖維含量較低, 裂縫預(yù)制為沿深度方向整齊的切口, 由于切口處無碳纖維搭接, 因此制得的試樣電阻值較大( 幾千歐姆) , 直流通電時需采用相對較高的電壓。二類碳纖維含量較高, 且加入了增加導(dǎo)電性的硅灰成分, 裂縫的預(yù)制更接近自然情況。先在試樣表面切出淺槽, 再采用彎折的方法萌生裂紋, 由于裂紋尖端破碎區(qū)內(nèi)碳纖維并未完全斷開, 因此盡管裂紋較深, 但試樣電阻仍然較小( 幾十歐姆) 。通電時需采用較低的電壓( 低于36 伏) 就可以在紅外熱像圖上明顯地看到裂紋所在, 并可以通過調(diào)節(jié)電壓的高低來改變溫升值。實驗表明: 板表面溫度在中心線附近明顯高于其他區(qū)域, 裂紋即位于中心線上, 對大小電阻兩類試樣, 表面最高溫差隨時間的變化為圖3、圖4。

結(jié)果可知, 小電阻試樣對裂紋的響應(yīng)更快, 通電很短時間內(nèi)即可通過紅外圖像觀察到裂紋所在, 而且溫差上升很快。

4.4 電阻相同裂紋深度不同的試樣

筆者對電阻率較高, 但裂紋深度不同的碳纖維混凝土試樣進(jìn)行了紅外檢測。對于碳纖維含量占水泥重量的0.5%, 配比為水泥: 沙: 水=1: 25: 0.6 碳纖維水泥膠沙試樣, 裂紋深度分別為20mm、10mm, 切口寬度均為0.1mm 的大電阻試樣, 不同裂紋深度情況下, 板中心線與邊緣間表面最高溫差隨通電時間的變化見圖5。從圖中可見即使對大電阻試樣, 其裂紋深度的影響也是可見的, 同時也進(jìn)一步為用紅外熱像檢測提供了實驗依據(jù)。

結(jié)論: 利用碳纖維機敏混凝土的導(dǎo)電性和電熱效應(yīng), 可對其中裂紋進(jìn)行紅外檢測, 利用紅外熱像儀測得的熱像圖和表面溫度可對材料的內(nèi)部缺陷進(jìn)行反演分析。

5 結(jié)束語

目前, 紅外無損檢測技術(shù)的發(fā)展主要集中在提高檢測系統(tǒng)的性能和自動化程度等方面, 利用計算機對檢測結(jié)果進(jìn)行處理, 實現(xiàn)自動檢測與評價[7]。

1) 紅外熱像檢測法檢測速度快, 造成溫差的方式簡單, 缺陷位置和大小顯示直觀, 可以方便快捷地發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料內(nèi)部的缺陷, 同時檢測結(jié)果易保存至計算機上, 以備進(jìn)一步數(shù)據(jù)處理。

2) 可根據(jù)紅外熱像動態(tài)檢測復(fù)合絕緣材料的結(jié)果, 對復(fù)合材料進(jìn)行定性、定量和定位分析, 并評估內(nèi)部缺陷的危害性; 也可用于評價材料質(zhì)量和評價電老化狀態(tài)。

3) 在紅外熱像檢測中, 實現(xiàn)被檢工件快捷、方便、自動化的加熱方式, 加熱源和熱像頭的自動掃描以及智能化地識別各種缺陷是今后發(fā)展的重要方向。

參考文獻(xiàn)(References )

[1] 曾令可,吳衛(wèi)生. 復(fù)合材料的紅外無損檢測[J ]. 紅外與激光, 1996,26( 2) :81- 84.

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[3] 陳鈺. 利用紅外熱像儀測量材料的缺陷[J ]. 紅外與激光, 2000,30( 1) :39- 41

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[5] 李志君. 先進(jìn)復(fù)合材料的無損檢測[J ]. 宇航材料工藝, 2000,5:28- 29.

[6] 黃莉. 碳纖維增強混凝土中裂紋的紅外熱像檢測方法與機理研究[J ].實驗力學(xué),2003,18( 3) :405- 407

[7] 李國華,吳立新,吳淼,曲敬信. 紅外熱像技術(shù)及其應(yīng)用的研究進(jìn)展[J ].紅外與激光工程, 2004,33( 3) :266- 268