C/SiC復(fù)合材料的紅外熱像無損檢測(cè)研究

高曉進(jìn),周金帥,江柏紅,李友臣

(航天特種材料及工藝技術(shù)研究所,北京 100074)

1 引 言

C/SiC連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料是一種性能優(yōu)異的航天用新型熱防護(hù)材料,具有耐高溫、低密度、高比強(qiáng)、抗氧化和抗燒蝕等優(yōu)異性能[1-4],該材料的制備工藝復(fù)雜,在制備工藝過程中易產(chǎn)生分層、孔洞等缺陷[5],這些缺陷會(huì)嚴(yán)重影響材料的力學(xué)性能、耐熱性能和產(chǎn)品使用安全。發(fā)展合適的無損檢測(cè)技術(shù),對(duì)該復(fù)合材料內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測(cè)勢(shì)在必行。

射線、超聲、磁粉、渦流和滲透檢測(cè)為五大常規(guī)無損檢測(cè)方法。射線檢測(cè)方法對(duì)復(fù)合材料中的分層缺陷不敏感,不易發(fā)現(xiàn)與射線垂直方向上的缺陷；C/SiC復(fù)合材料屬于多孔材料,對(duì)超聲波信號(hào)衰減很大,超聲檢測(cè)方法也難以檢測(cè)；磁粉、渦流和滲透檢測(cè)也不能對(duì)該材料進(jìn)檢測(cè)。紅外熱像無損檢測(cè)技術(shù)是無損檢測(cè)中的一門新技術(shù),具有非接觸、可大面積掃描等優(yōu)點(diǎn)[6-8]。國(guó)內(nèi)外在纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料,如CRFP、GFRP中的分層和脫粘等缺陷的紅外熱像檢測(cè)方面開展了一些探索,然而,目前針對(duì)C/SiC復(fù)合材料的紅外熱像檢測(cè)研究較少。

紅外熱像無損檢測(cè)技術(shù)主要包含紅外脈沖熱像檢測(cè)技術(shù)和紅外鎖相熱像檢測(cè)技術(shù),其中紅外脈沖熱像檢測(cè)技術(shù)是目前研究最多和最成熟的,也是目前使用最廣泛的紅外熱像檢測(cè)方法,本文開展C/SiC復(fù)合材料的紅外脈沖熱像檢測(cè)研究,獲得該種材料的紅外脈沖熱像檢測(cè)方法的檢測(cè)能力和成像規(guī)律,為C/SiC構(gòu)件的紅外熱像無損檢測(cè)提供理論依據(jù)。

2 檢測(cè)原理

紅外脈沖熱像檢測(cè)采用外部熱源對(duì)試樣進(jìn)行脈沖激勵(lì),瞬時(shí)高能量脈沖熱流在帶有缺陷或損傷的材料內(nèi)部傳導(dǎo),脈沖熱流激勵(lì)過程的仿真圖見圖1。

圖1 脈沖熱流激勵(lì)過程

由于試樣內(nèi)部熱特性不均勻(或結(jié)構(gòu)不連續(xù))而導(dǎo)致試樣表面存在溫度差異,采用紅外熱像儀記錄試樣表面溫度的變化過程,利用有缺陷與無缺陷區(qū)域?qū)?yīng)表面溫度的差異實(shí)現(xiàn)對(duì)材料內(nèi)部缺陷的檢測(cè)。

由紅外熱像檢測(cè)理論可知[9],有限厚度介質(zhì),受脈沖加熱后,僅考慮表面上某點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化為:

(1)

其中,C是單位面積所加熱能與體熱容的比值;α為材料熱擴(kuò)散系數(shù);d為材料厚度(或缺陷的深度);t為時(shí)間。上式兩邊取自然對(duì)數(shù),整理后得:

(2)

實(shí)際檢測(cè)時(shí),紅外熱像檢測(cè)主要應(yīng)用于近表面缺陷的檢測(cè),所以缺陷深度d一般較小,為毫米級(jí)；而一般材料熱擴(kuò)散系數(shù)α也是一個(gè)很小的值,檢測(cè)時(shí)間t一般取幾秒到幾十秒；因而d2/αt可視為一個(gè)無窮小量,所以,exp(-d2/αt)可近似為l,式(2)可簡(jiǎn)化為:

(3)

其中,b為與材料熱擴(kuò)散系數(shù)α及C相關(guān)的常數(shù)。式(3)的典型曲線如圖2中的曲線1所示。

圖2 溫度-時(shí)間曲線

由式(3)及圖2可知,理想情況下,材料內(nèi)部無缺陷時(shí),其熱像圖上相應(yīng)像素點(diǎn)的溫度-時(shí)間曲線為一條近似指數(shù)函數(shù)的曲線。而材料內(nèi)部有缺陷時(shí),缺陷處的熱擴(kuò)散系數(shù)α與基體材料不同,C值也發(fā)生了變化,其溫度隨時(shí)間變化率將不再滿足式(1),此時(shí),缺陷處材料表面的溫度為無缺陷處材料表面的溫度與缺陷反射到材料表面的溫度的和,其中缺陷反射到材料表面的溫度為:

所以熱波在傳播過程中遇到缺陷界面后,缺陷處的溫度-時(shí)間曲線會(huì)偏離無缺陷處的參考曲線,且偏離處對(duì)應(yīng)時(shí)刻就是熱波到達(dá)缺陷界面的時(shí)刻,如圖2中的曲線2所示。用紅外熱像儀探測(cè)材料表面的溫度分布,得到每個(gè)時(shí)刻的熱像圖就可判斷內(nèi)部缺陷情況。

3 實(shí) 驗(yàn)

3.1 平底孔試樣的制備

為獲得C/SiC材料紅外脈沖熱像檢測(cè)方法的檢測(cè)能力,制作了含有不同直徑、不同深度的平底孔模擬缺陷試樣,如圖3所示。

圖3 平底孔試樣

3.2 設(shè)備及檢測(cè)參數(shù)

設(shè)備:FLIR SC7000制冷型高性能紅外熱像儀。

檢測(cè)參數(shù):激勵(lì)脈沖能量為5 kJ,加熱時(shí)間為2 ms,加載面為試樣無缺陷的一面,圖像采集頻率為75～100 Hz。

4 結(jié)果分析

4.1 原始熱像結(jié)果

4.1.1 試樣1的原始熱像結(jié)果

圖4為選取在不同時(shí)刻采集(采樣頻率100 Hz)的試樣1表面的紅外熱像圖。初始采集時(shí),t=0.01 s、0.04 s時(shí),從圖像中可清晰地看出C/SiC的編織紋路,無法觀察到預(yù)置的缺陷,原因?yàn)榇藭r(shí)加載的熱脈沖還在試樣表面?zhèn)鞑?未傳播至缺陷處,內(nèi)部缺陷處試樣表面溫度與基體正常區(qū)域的溫度相同。t=0.07 s時(shí),圖中開始出現(xiàn)像素值較大的圓孔形狀區(qū)域,根據(jù)該圓孔的位置判斷該圓孔為Φ5 mm/h1 mm的缺陷,說明t=0.07 s時(shí)缺陷對(duì)熱傳播產(chǎn)生較大的影響,且熱像儀能夠區(qū)分缺陷處試樣表面溫度與基體正常區(qū)域的溫度差異。t=0.16 s時(shí),Φ5 mm/h1 mm的缺陷像素值最大,從圖中發(fā)現(xiàn)其最清晰,且在其下方出現(xiàn)1個(gè)尺寸更小的像素值較高的區(qū)域,根據(jù)位置判斷為Φ4 mm/h1 mm的缺陷,說明在此時(shí)缺陷對(duì)試樣表面溫度變化產(chǎn)生了較大的影響。T=0.4 s時(shí),Φ4 mm/h1mm的缺陷在圖中消失,Φ5 mm/h1mm的缺陷已難以分辨。t=0.5 s時(shí),圖像中無法分辨缺陷,原因是熱脈沖傳播到了試樣較大的深度,信號(hào)衰減大,有缺陷和無缺陷處溫度差小,熱像儀無法分辨。

圖4 試樣1紅外熱像原始圖

為得到人工缺陷對(duì)紅外信號(hào)的影響規(guī)律,選取Φ5 mm/h1mm的缺陷不同時(shí)刻的紅外熱像圖進(jìn)行分析,為準(zhǔn)確測(cè)量紅外熱像圖中的缺陷尺寸,對(duì)該缺陷紅外熱像圖進(jìn)行二值化處理,二值化的閾值定為RGB=140,高于閾值的區(qū)域?yàn)榛疑?低于閾值的區(qū)域?yàn)楹谏?Φ5 mm/h1mm的缺陷不同時(shí)刻的二值化后的紅外熱像圖如圖5所示。

圖5 Φ5mm/h1mm的人工缺陷二值化紅外熱像圖

測(cè)量Φ5 mm/h1mm的缺陷每個(gè)時(shí)刻的紅外熱像圖中的當(dāng)量直徑,繪制圖6。發(fā)現(xiàn)圖6的曲線與卡方分布曲線相近。由圖5和圖6可知,Φ5 mm/h1mm的缺陷從0.06 s開始出現(xiàn),之后尺寸逐漸變大,當(dāng)t=0.16 s時(shí),紅外熱波信號(hào)恰好傳播至試樣1中的空氣界面(1 mm深度)的位置,紅外熱波信號(hào)反射量最大,此時(shí)測(cè)量的人工缺陷的尺寸最大,之后尺寸逐漸變小,t=0.56 s時(shí)消失。由上述分析可知,對(duì)于同一缺陷,紅外熱像圖顯示的缺陷尺寸隨時(shí)間變化規(guī)律近似服從卡方分布,并且在紅外熱波信號(hào)傳播至缺陷深度時(shí),顯示的缺陷尺寸最大。圖5中顯示的缺陷形狀不是規(guī)則的圓形,原因可能是:紅外熱波信號(hào)的傳播方向是三維的,C/SiC材料中的纖維具有不同的鋪層方向,導(dǎo)致紅外熱波信號(hào)在C/SiC材料中傳播時(shí)會(huì)出現(xiàn)較復(fù)雜的路徑,同時(shí)信號(hào)的強(qiáng)度也會(huì)收到影響,最終導(dǎo)致紅外熱像圖中顯示的缺陷邊界與實(shí)際的邊界形狀有一定的差異。

圖6 Φ5mm/h1mm的人工缺陷的測(cè)量值

4.1.2 試樣2的原始熱像結(jié)果

圖7為選取在不同時(shí)刻采集(采樣頻率75 Hz)的試樣2表面的紅外熱像原始圖。初始采集時(shí),t=0.013 s、0.053 s時(shí),加載的熱脈沖還未傳播至缺陷,從圖像中可清晰地看出C/SiC的編織紋路,無法觀察到預(yù)置的缺陷。T=0.163s時(shí),圖中開始出現(xiàn)2個(gè)像素值較大的圓孔形狀區(qū)域,根據(jù)該圓孔的位置判斷由上到下分別為Φ15 mm/h1 mm和Φ12 mm/h1 mm的缺陷,說明在此時(shí)刻缺陷對(duì)熱傳播產(chǎn)生較大的影響,且熱像儀能夠區(qū)分缺陷處表面的溫度與基體正常區(qū)域的溫度差異。

圖7 試樣2紅外熱像原始圖

T=1.2 s時(shí),Φ15 mm/h1 mm、Φ12 mm/h1 mm、Φ10 mm/h1 mm和Φ8 mm/1 mm的缺陷像素值最大,在它們的右方出現(xiàn)2列像素值較高的區(qū)域,根據(jù)位置判斷該區(qū)域?yàn)? mm和3 mm深的缺陷,發(fā)現(xiàn)2 mm深度的Φ15 mm、Φ12 mm、Φ10 mm和Φ8 mm的缺陷均能檢測(cè)出,3 mm深度的只能檢測(cè)出Φ15 mm、Φ12 mm的缺陷。T=4 s時(shí),Φ10 mm/h1 mm,Φ8 mm/h1 mm的缺陷在圖中消失,Φ12 mm/h1 mm的缺陷已難以分辨。T=9.067 s時(shí),圖像中無法分辨缺陷,原因是熱脈沖傳播到了試樣較大的深度,信號(hào)衰減大,有缺陷和無缺陷處溫度差小,熱像儀無法分辨。

由上述分析可知,紅外脈沖熱像檢測(cè)法能夠發(fā)現(xiàn)試樣1中的最小直徑為Φ4 mm,最大深度為1 mm的人工缺陷；紅外脈沖熱像檢測(cè)法能夠發(fā)現(xiàn)試樣2中的最小直徑為Φ8 mm,最大深度為3 mm的人工缺陷。

4.2 對(duì)原始熱像圖進(jìn)行微分處理

由紅外脈沖熱像檢測(cè)的理論可知,對(duì)紅外原始圖進(jìn)行微分處理(求一階導(dǎo)和二階導(dǎo)),處理后,無缺陷區(qū)域的對(duì)比溫度為零,不出現(xiàn)灰度變化,可大幅度降低原始圖中的噪聲信號(hào),且能夠捕捉到溫度的細(xì)小變化,可大幅度增強(qiáng)圖像的對(duì)比度,提高缺陷識(shí)別能力[10-11]。

由試樣1的紅外熱像原始圖可知,t=0.16 s時(shí)的檢測(cè)效果最佳,但只能發(fā)現(xiàn)最小直徑為Φ4 mm,最大深度為1 mm的人工缺陷。為提高缺陷的識(shí)別能力,對(duì)每一時(shí)刻的紅外熱像原始圖分別進(jìn)行一階微分、二階微分處理,選取其中檢測(cè)效果最佳的圖像與t=0.16 s時(shí)的紅外熱像原始圖進(jìn)行對(duì)比,如圖8(a)、(b)、(c)所示。

由試樣2的紅外熱像原始圖可知,t=1.2 s時(shí)的檢測(cè)效果最佳,但只能發(fā)現(xiàn)最小直徑為Φ8 mm,最大深度為3 mm的人工缺陷。為提高缺陷的識(shí)別能力,對(duì)每一時(shí)刻的紅外熱像原始圖分別進(jìn)行一階微分、二階微分處理,選取其中檢測(cè)效果最佳的圖像與t=1.2 s時(shí)的紅外熱像原始圖進(jìn)行對(duì)比,如圖8(d)、(e)、(f)所示。

由圖8(a)、(b)、(c)可知,一階微分紅外圖像中不僅能夠發(fā)現(xiàn)試樣1的原始圖中的缺陷,還能夠發(fā)現(xiàn)Φ4 mm/h2 mm的缺陷；二階微分紅外圖像中不僅能夠發(fā)現(xiàn)原始圖和一階微分圖中的缺陷,還能夠發(fā)現(xiàn)Φ2 mm/h1 mm和Φ4 mm/h3 mm的缺陷,即經(jīng)過一階微分、二階微處理后能夠發(fā)現(xiàn)人工缺陷的最小直徑為Φ2 mm,最大深度為3 mm。

由圖8(d)、(e)、(f)可知,一階微分紅外圖像不僅能夠發(fā)現(xiàn)試樣2的原始圖中的缺陷,還能夠發(fā)現(xiàn)Φ10 mm/h3 mm的缺陷；二階微分紅外圖像中,還能夠發(fā)現(xiàn)Φ12 mm/h4 mm的缺陷,即經(jīng)過一階微分、二階微處理后能夠發(fā)現(xiàn)人工缺陷的最大深度為4 mm。

圖8 試樣1和試樣2的紅外熱像原始圖微分圖對(duì)比

試塊1和試塊2紅外熱像原始圖和微分處理圖的檢測(cè)結(jié)果的對(duì)比情況見圖9。由圖9可知,紅外熱像原始圖經(jīng)微分處理后,發(fā)現(xiàn)小缺陷和深度缺陷的能力增強(qiáng)。圖9(a)中,試樣2中發(fā)現(xiàn)最小的缺陷直徑都為8 mm,原因?yàn)樵嚇?中最小人工缺陷的直徑為8 mm。

Ⅰ— Original image Ⅱ— First-order differential image Ⅲ— Second-order differential image image

4.3 檢測(cè)能力分析

根據(jù)4.1和4.2中試樣1和試樣2的紅外熱像檢測(cè)結(jié)果得出C/SiC材料中人工缺陷的檢測(cè)能力,如圖10所示,圖10中的虛線是可檢測(cè)與不可檢測(cè)的分界線。由圖10可知,C/SiC材料中紅外熱像檢測(cè)能發(fā)現(xiàn)最小直徑為Φ2 mm的缺陷,對(duì)于深度大于4 mm(直徑不大于Φ15 mm)的缺陷無法發(fā)現(xiàn)。從上述的檢測(cè)結(jié)果可知,紅外熱像檢測(cè)能識(shí)別的缺陷尺寸受到缺陷所處深度的影響,當(dāng)缺陷離檢測(cè)平面距離越近,則越容易被檢測(cè)出,為定量地表示紅外熱像對(duì)材料的檢測(cè)能力,用徑深比(缺陷直徑/缺陷深度)的概念來表示,通過缺陷的徑深比來判斷紅外熱像對(duì)材料的檢測(cè)下限,當(dāng)缺陷的徑深比小于某個(gè)值時(shí),紅外熱像檢測(cè)便無法識(shí)別出該缺陷。圖10中,Ratio值為不同直徑人工缺陷可檢測(cè)的徑深比的值。通過圖10發(fā)現(xiàn),紅外脈沖熱像法檢測(cè)C/SiC材料的最小徑深比為1.3,即該材料中徑深比小于1.3的缺陷紅外脈沖熱像檢測(cè)方法無法識(shí)別。

圖10 C/SiC材料中平底孔缺陷的紅外檢測(cè)能力

5 結(jié) 論

對(duì)于同一缺陷,紅外脈沖熱像圖中顯示的缺陷尺寸隨時(shí)間變化規(guī)律近似服從卡方分布,并且在紅外熱波信號(hào)傳播至缺陷深度時(shí),顯示的缺陷尺寸最大；對(duì)紅外脈沖原始熱像圖進(jìn)行微分處理,可提高小缺陷和深度缺陷的檢測(cè)能力,可提高缺陷的識(shí)別度；紅外脈沖熱像法檢測(cè)C/SiC材料,能發(fā)現(xiàn)最小直徑為Φ2 mm的缺陷,無法發(fā)現(xiàn)深度大于4 mm(直徑不大于Φ15 mm)的缺陷；紅外脈沖熱像法檢測(cè)C/SiC材料的最小徑深比為1.3,即該材料中徑深比小于1.3的缺陷紅外熱像方法無法識(shí)別。

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