碳纖維混凝土復(fù)合材料缺陷的紅外熱像檢測(cè)

[摘要] 利用碳纖維混凝土的良好導(dǎo)電性, 首先通過對(duì)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(duì)其缺陷進(jìn)行了無損檢測(cè), 并根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行了理論分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明: 對(duì)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(shì)比大電阻的明顯; 對(duì)電阻相同的大電阻材料, 裂紋深度對(duì)溫差有影響, 但變化趨勢(shì)不如電阻對(duì)溫差的影響明顯。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為進(jìn)一步研究紅外檢測(cè)復(fù)合材料缺陷提供了理論與實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

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

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

1 引言

　　紅外熱像無損檢測(cè)是一種建立在溫度場基礎(chǔ)上的檢測(cè)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(cè)方法相比, 它具有非接觸測(cè)量、靈敏度高、反應(yīng)速度快、使用安全、信號(hào)處理速度快、可建立自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)。目前我國廣泛開展的紅外熱像無損檢測(cè)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(cè)、固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)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(cè)方面。此外, 在紅外測(cè)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(cè)等方面的應(yīng)用也有很大進(jìn)展[1]。

2 紅外熱成像檢測(cè)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(jī)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(dòng)式和被動(dòng)式兩種。主動(dòng)式紅外熱成像采用一紅外輻射源照射被測(cè)物, 然后接受被物體反射的紅外輻射圖像。被動(dòng)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?cái)z取反映被測(cè)物溫差的熱圖像, 因而已成為紅外技術(shù)的一個(gè)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(duì)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(cè)法常用兩種方法。① 有源紅外檢測(cè)法, 又稱主動(dòng)紅外檢測(cè)法。其特征是利用外部熱源向被測(cè)工件注入熱量, 再借助檢測(cè)設(shè)備測(cè)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(cè)法, 又稱被動(dòng)紅外檢測(cè)法。在工程應(yīng)用中, 有源紅外檢測(cè)法使用較廣泛。當(dāng)均勻熱流加到平板表面時(shí),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(duì)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(gè)均勻的熱流從復(fù)合材料的內(nèi)部向外流動(dòng)時(shí), 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(diǎn)的溫度值[5]。

3 紅外熱像無損檢測(cè)的技術(shù)關(guān)鍵

　　紅外熱像無損檢測(cè)的使用關(guān)鍵是要建立一個(gè)缺陷的判斷。對(duì)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(cè)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(gè)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(cè), 可以看到清晰的缺陷圖像。影響紅外成像檢測(cè)精度的因素與被測(cè)樣品表面特性有關(guān)。對(duì)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(gè)主要系數(shù)。發(fā)射率降低, 反射率增加, 掃描儀會(huì)探測(cè)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(shí)驗(yàn),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(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展, 計(jì)算機(jī)模擬和計(jì)算機(jī)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(cè)的新方法———內(nèi)熱源紅外熱成像無損檢測(cè)。

4 內(nèi)熱源紅外熱成像檢測(cè)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(jī)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(jī)敏材料。碳纖維混凝土是機(jī)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(qiáng)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(qiáng)度及延性和更強(qiáng)的抗沖擊性能、抗凍融性能、抗腐蝕性能、低干縮性能, 同時(shí)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(gè)領(lǐng)域, 然而隨著機(jī)敏混凝土越來越廣泛的應(yīng)用, 對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康檢測(cè)就具有越來越明顯的實(shí)踐意義, 成為一個(gè)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(cè)是一種新的檢測(cè)方法, 它利用碳纖維混凝土良好的導(dǎo)電性, 通過對(duì)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(duì)機(jī)敏混凝土內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測(cè)[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(huì)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(shí)需采用相對(duì)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(duì)大小電阻兩類試樣, 表面最高溫差隨時(shí)間的變化為圖3、圖4。

　　結(jié)果可知, 小電阻試樣對(duì)裂紋的響應(yīng)更快, 通電很短時(shí)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(duì)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(cè)。對(duì)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(shí)間的變化見圖5。從圖中可見即使對(duì)大電阻試樣, 其裂紋深度的影響也是可見的, 同時(shí)也進(jìn)一步為用紅外熱像檢測(cè)提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

　　結(jié)論: 利用碳纖維機(jī)敏混凝土的導(dǎo)電性和電熱效應(yīng), 可對(duì)其中裂紋進(jìn)行紅外檢測(cè), 利用紅外熱像儀測(cè)得的熱像圖和表面溫度可對(duì)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(cè)技術(shù)的發(fā)展主要集中在提高檢測(cè)系統(tǒng)的性能和自動(dòng)化程度等方面, 利用計(jì)算機(jī)對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行處理, 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)與評(píng)價(jià)[7]。

　　1) 紅外熱像檢測(cè)法檢測(cè)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(shí)檢測(cè)結(jié)果易保存至計(jì)算機(jī)上, 以備進(jìn)一步數(shù)據(jù)處理。

　　2) 可根據(jù)紅外熱像動(dòng)態(tài)檢測(cè)復(fù)合絕緣材料的結(jié)果, 對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行定性、定量和定位分析, 并評(píng)估內(nèi)部缺陷的危害性; 也可用于評(píng)價(jià)材料質(zhì)量和評(píng)價(jià)電老化狀態(tài)。

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

參考文獻(xiàn)(References )

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

　　[6] 黃莉. 碳纖維增強(qiáng)混凝土中裂紋的紅外熱像檢測(cè)方法與機(jī)理研究[J ].實(shí)驗(yàn)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