Badania nieniszczące wielowarstwowych kompozytów z włókna węglowego metodą termografii impulsowej w podczerwieni

摘要

W artykule przedstawiono problematykę związaną z wykrywaniem bardzo cienkich defektów w postaci wtrąceń obcych materiałów, delaminacji i ubytków materiałowych w wielowarstwowych materiałach kompozytowych na bazie bardzo wytrzymałych włókien węglowych stosowanych w lekkich osłonach balistycznych. Zainteresowanie badaniami nieniszczącymi tego typu materiałów spowodowane jest powszechnym ich stosowaniem w aplikacjach militarnych chroniących załogi przed odłamkami oraz ostrzałem pociskami małokalibrowymi. Identyfikacja wielkości wewnętrznej strefy zniszczenia kompozytu wymaga zastosowania nieniszczących metod diagnostycznych. Biorąc pod uwagę, że lekkie osłony balistyczne mają najczęściej grubość od kilku do kilkunastu milimetrów oraz są wykonane z materiałów, których parametry termofizyczne różnią się zdecydowanie od parametrów, jakie mają potencjalne defekty, które mogą występować w tych materiałach, do wykrywania defektów zastosowano metodę termografii impulsowej w podczerwieni. W artykule przedstawiono zarówno wyniki modelowania wykrywania defektów jak i wyniki badań eksperymentalnych. Do przetwarzania sekwencji źródłowej w badaniach eksperymentalnych zastosowano kilka algorytmów stosowanych w impulsowych termograficznych badaniach nieniszczących takich jak: normalizacja, dopasowanie wielomianu, impulsowo fazowa termogra-fia, analiza głównych składowych i analiza korelacji. Dokonano również oceny ich skuteczności.%Presently a lot of designs of light armours are based mainly on the multilayer composite materials. Thanks to these materials it was possible to achieve the highest levels of ballistic resistance of specific armour at limited weight. The weight (area density) and the efficacy have direct influence on the value of combat ability of equipment and soldiers [1]. One of the basic types of reinforcement materials in composites are carbon fibres. They have many technical applications including light ballistic covers where they are most often used as multi-layer composite materials constituting a structure made of several interconnected layers or many layers of carbon fibres, or in combination with other materials. This work presents modern approach to detection of defects in composite structures of military applications. In these structures different failure modes can occur during the service life. Failure modes are connected with the cycling fatigue loads, impact damage and environmental conditions. Moreover, during the manufacturing process different defects occur, affecting the material strength. There are following typical failure modes and defects: delaminations, disbands, foreign object inclusions, porosity. To get information about the occurrence of discontinuity in objects (defects) without disarranging their macro and microstructure and causing changes of their functional proprieties, the nondestructive testing methods are used. IR thermography is one of many techniques used to "see the unseen" and IR thermography methods are positively verified for detecting these types of defects [2]. Recently these methods have benefited from the development of computer image processing and imager systems having higher temperature resolution, which makes these methods appear much more effective for non-destructive testing. The experimental results obtained at testing samples of composite material were processed by applying the algorithms of Normalization, Pulse Phase Thermography, Polynomial Fitting, Principal Component Analysis (PCA) and Correlation Analysis. In this paper both modelling (Figs. 1 and 2, Table 1) and experimental (Figs. 3-6) results illustrating advantages and limitations of IR thermography for inspecting composite materials arepresented. It is shown in the paper that pulsed thermography is an interesting method for detection of destruction area in composite armours made of a multi-layer carbon-fibre laminate. In the case of the pulsed method it is necessary to use algorithm analysis of thermograms to detect defects. It allows precise analysis of the tested structure of composites, but is usually time-consuming.