JS 杂志上的传感器 1687 - 7268 1687 - 725 x Hindawi出版公司 408437年 10.1155 / 2012/408437 408437年 研究文章 比较的无损检测方法检测复合材料的分层 程 梁 1 田 Gui云 1、2 饶 b . p . C。 1 电气学院、电子与计算机工程 纽卡斯尔大学 泰恩河畔纽卡斯尔 NE1 7俄文 英国 ncl.ac.uk 2 自动化学院的 南京航空航天大学 南京210016 中国 nuaa.edu.cn 2012年 3 04 2012年 2012年 03 11 2011年 31日 01 2012年 2012年 版权©2012两程和Gui Yun田。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

分层是最常见的缺陷之一,碳纤维增强塑料(CFRP)组件,比如那些用在飞机和风力涡轮叶片。检测分层不同的无损检测方法,如超声波(UT),涡流(EC)扫描,flash温度记录,和最近开发了脉冲涡流——(压电)模拟温度记录进行比较和评估新开发的脉冲涡流热成像系统在南京航空航天大学(NUAA),中国通过英中合作。PEC-stimulated热成像系统是建立在NUAA,扩展从先前的纽卡斯尔和巴斯大学之间的合作。使用这些无损检测系统中,人为的,专用的分层与不同直径和深度调查和研究。通过这种比较,PEC-stumilated和flash温度记录显示相对良好的迹象分层的形状。联合研究还表明,PEC-stimulated温度记录为纤维取向的评价具有独特的优势。

 1。介绍

复合材料可以被定义为两个和更多的材料有不同的机械、热、电性质。由于低重量、高强度的复合材料,他们是受欢迎的用于飞机和风力涡轮叶片。分层复合材料是最常见的缺陷之一。这也导致力学性能的退化和整体复合组件的失败原因。检测分层,确保复合组件的安全运行,无损评价(NDE)技术在生产经营过程中使用的材料。碳纤维增强塑料的濒死经历的一系列具体方法是持续发展来提高故障检测的概率高信任度水平。

碳纤维增强塑料的多层结构允许使用兰姆波( 1- - - - - - 4)具有良好的CFRP材料的定性评价结果。也使用x射线方法( 5),以及声发射技术( 6, 7]。因为导电碳纤维,碳纤维增强塑料的无损评价,如那些基于涡流电磁方法( 8, 9和微波 10可以使用)。

温度记录极有前途的技术,良好的故障检测可能的优势和能力检查大面积在很短的时间内。温度记录也适用于范围广泛的材料,包括玻璃纤维、碳纤维复合材料,金属材料,具体的每个应用程序所需的励磁技术。检查缺陷在大规模对峙距离大,集成温度记录和其它濒死经历的方法研究了( 11- - - - - - 15),例如,flash温度记录( 16- - - - - - 18,vibrothermography声波温度记录,激光温度记录,脉冲涡流(压电)刺激温度记录。

在碳纤维增强塑料,PEC-stimulated温度记录可以应用,效果很好( 19]。碳纤维存在沿纤维良好的电和热导率达到所需的力学参数;设计师使用几个碳纤维层或单独的碳纤维编织在一起。一般来说,从一层纤维与聚合物树脂preimpregnated,形成一个板可以有电气和热各向异性单轴或双轴织缎的碳纤维。此外,碳纤维增强塑料复合材料将有较高的导电性以及碳纤维和较低的电导率的方向垂直于纤维薄层面和跨层。

PEC-stimulated温度记录,结合压电陶瓷和温度记录,包括应用程序的电磁脉冲大电流导电材料在短时间内检查。摘要涡流将诱导材料,导致材料的加热本身。任何缺陷的存在扭曲的传播涡流导致材料温度的变化,可以强调温度记录。涡流加热的时期后,碳纤维增强塑料在冷却阶段的不均匀性也影响热量的扩散。因此,感应加热的混合现象控制在加热阶段的扩散控制在冷却阶段和具体行为是有用的给定材料non-homogeneities定量无损评价。根据最近的发展在纽卡斯尔和浴与劳斯莱斯和阿尔斯通(合作 19),一个新的低成本、便携式PEC-stimulated温度记录系统是建立在NUAA评价复合材料和金属对象用于风力或航空工业,特别是分层复合。PEC-stimulated温度记录被用来检查金属部件在先前的研究 20.- - - - - - 22]。裂纹周围的温度分布与不同的渗透深度使用有限元建模一直在调查( 21)并与实验测量金属材料。结果表明,较低温度展出表面裂纹边缘和底部温度升高在非磁性材料有较大的穿透深度。从以前的工作 23),PEC-stimulated温度记录和扩展,提出了裂缝的表面检测金属部件表面不连续碳纤维增强塑料复合材料的检测,通过数值模拟和实验。然而,其他类型的复合材料缺陷很少研究。Ramdane et al。 24)检测到插入分层使用感应加热温度记录。实验研究是在传输模式(电感器和红外摄像机在不同的样本),通常不适用的现场检查。此外,检查周期大约是80秒。

本文在碳纤维增强塑料复合材料分层调查使用PEC-stimulated温度记录在反射模式(电感器和红外摄像机在同一样本)旨在显著降低检验周期。此外,PEC-stimulated温度记录结果与其他广泛使用的方法,如超声波和flash温度记录。剩下的纸是组织如下。部分 2介绍了测试样品;节 3四个实验systems-PEC刺激温度记录,flash温度记录,UT / EC扫描系统进行了说明;节 4,使用个人报告系统和实验结果比较。部分 5对未来的工作总结了工作和期待。

 2。样品制备

20-layered CYCOM970 / T300碳纤维增强塑料样品。样品的尺寸是180×140×3.1毫米3。插入一个两层的人工分层制造聚四氟乙烯膜(每一层的厚度0.1毫米)两个纤维层之间。6毫米直径D的分层,10毫米,和15毫米,分别和分层制造的接口1 st-2nd 2 nd-3rd, 5日至6日,6 7日开出,9日至10日,分别和10日到11日层。

样品与分层布局如图所示 1。分层与3不同直径和不同深度(155 6 μ米、310 μ米、775 μ米、930 μ米、1395 μ米,1550 μ米,resp)制造的三个样品。样品1 - 3是由北京航空材料研究所。

样品与人工分层布局。

 3所示。实验系统

调查与人工分层碳纤维增强塑料样品,四个实验系统用于NUAA PEC-stimulated记录法,flash温度记录,和UT和EC扫描系统。

3.1。PEC-Stimulated温度记录系统

图 2(一个)显示了PEC-stimulated温度记录系统设置。HB-X5K高频加热器工作头与线圈从无锡Gaopin科技有限公司有限公司是用于在NUAA脉冲涡流激励。加热器提供了最大2千瓦输出在320千赫。铜空心的直径是2.08毫米,圆形线圈的外直径大约是50毫米。Flir ThermaCAM S65车型是用来记录热图像和视频。红外相机的最大全帧速率50 Hz,提供1帧每20毫秒。Newcastle-Bath大学构建的系统相比,帧率较低的低端红外相机50赫兹到383赫兹在以前的工作相比,电池和热记忆卡用于NUAA视频。希望这个系统可以适用于离岸检查。因此,没有一个线圈的水冷系统,录音时间检验是避免对线圈过热影响调查结果。

实验系统NUAA:(一)PEC-stimulated温度记录;(b)闪蒸温度记录;(c) UT扫描;(d) EC扫描。

 3.2。Flash温度记录系统

与1千瓦输出功率闪光灯作为热源。一个开关控制单元应用于控制灯的加热时间,如图 2 (b)。Flir ThermaCAM S65车型是用来记录热图像和视频。

 3.3。超声和涡流扫描系统

超声和涡流扫描使用RD技术OMNISCAN MX NUAA的样品进行。它可用于相控阵采集模块UT扫描和艾迪cureent EC扫描阵列采集模块。超声波探头,RD技术SA1-N45S(4×4传感器阵列的30毫米×30毫米),工作5 MHz。探测器的折射角度是45°角梁检查从30°- 70°利用横波。示例中的声速大约是3100米/秒;EC阵列探测器,RD技术saa - 056 - 005 - 016是用于EC扫描。欧盟调查由8-by-2-coil数组,工作从1千赫至25 kHz 3.5毫米的空间分辨率。UT和EC扫描系统数据所示 2 (c)和 2 (d),分别。

 4所示。实验结果 4.1。PEC-Stimulated温度记录结果

紧随其后的是一秒钟的供暖期两秒的冷却应用时的最大输出功率2千瓦。15毫米直径分层样品1、2和3。分层在155 μ米和310 μ可以看到米深黑眼圈,如图 3(一个)。在图 3 (b),775年的分层 μ米和930 μ米深上观察到较低的左派和右派线圈,分别。分层在1395 μ米和1550 μ示例3米深不是在生热图像/视频。

热图像最大加热(1):(a)样本1;(b)样本2;(c)示例3;(d)纤维取向的定义。

分层导致小变形自涡流涡流分布平行于层几乎没有与分层的交互,这对EC扫描系统不够敏感报道部分 4.4。产生的热量主要在0°和45°−(方向定义如图 3 (d)通过感应的涡流诱导和他们在这两个方向传播)。以来最大的电气和热导率沿纤维取向,它可以知道1和2层的纤维取向−45°和0°。分层,热屏障,阻碍热传播主要发生在0°和−45°方向,导致分层边缘上的一个热点和一个很酷的地方分层区域。比较的结果涡流扫描部分中讨论 4.4可以看出,热扩散热发生的主要原因是分层使用PEC-stimulated温度记录,让我们通过这些提前热图像检测纤维断裂。此外,热扩散在每一层纤维是评估使用PEC-stimulated温度记录。

在图 4,加热或冷却的热图像在不同的时间阶段。开始加热(0.2),155年的边缘 μ米深分层线圈突出显示在左下角,而310年 μ米深分层(图右底部是不可见的 4(a))。随着加热时间的增加,对比分层和声音面积增加310 μ可以注意到(图米深分层 4(b))。直到最大加热(1)、分层和声音之间的反差区域成为最大的(图 4(c))。之后,热扩散在冷却阶段模糊了图像(数字 4(d)和 4(e))。在图 4早些时候,它显示了可以观察到较浅的分层和温度反差比较大。呈现不同的层结构和纤维取向可以很容易地通过视频序列,这是与下面的表面检查使用flash温度记录结果。

热图像为样本1(一)0.2秒;(b) 0.6秒;(c) 1;2 s (d);3 s (e)。

 4.2。Flash温度记录结果

温度图像使用flash温度记录样品1、2和3所示的数字 5(一个)- - - - - - 5 (c)分别经过一段时间的5秒钟供暖。从这些结果,分层在样本1和2都是观察但不样例3。由于闪蒸温度记录的表面加热,热量传播从表面到背部。分层热屏障,阻止热量扩散和热反射表面,从而导致更高的温度比nondefected地区分层。因此,flash温度记录提供了热扩散的信息在深度方向上而不是在每一层的纤维取向方向使用PEC-stimulated温度记录。

Flash在最大加热温度记录图像(5秒):(a)样本1;(b)样本2;(c)样品3。

 4.3。超声波扫描结果

反射的超声波信号和C-scan图像在每个分层15毫米直径和不同深度图所示 6。探测器的折射角度是45°角梁检查从30°- 70°利用横波。在图 6(一),我们可以观察到许多的倒影nondefected地区,这是由于碳纤维增强塑料的多层结构。高反射振幅的分层识别超声信号和显示为红色区域的图像接口分层和CFRP材料,如图 6 (b)- - - - - - 6 (g)。由于薄层结构,但没有提供准确的深度信息:分层的探测深度与实际值不一致,图中可以看到 6 (h)。此外,测量直径的分层变化在不同深度或位置,导致不准确的尺寸和位置的分层。实验显示了复合材料的局限性UT,(1)多次反射和散射在复合材料;(2)大型渗透和散射损失;(3)准确测量薄样品;(4)接触和液力偶合器是必需的。

UT扫描结果:(a)不分层;(b) 155 μ米深分层;(c) 310 μ775米深分层,(d) μ米深分层;930 (e) μ米深分层;(f) 1395 μ米深分层;1550 (g) μ米深分层;实际(h)和测量分层深度。

达到更好的可视化的缺陷,导波扫描使用相控阵可以减少多次反射和散射的精确的深度测量。然而,扫描时间和数据量会显著增加,不满足要求的在线监测或结构健康监测,而PEC-stimulated或flash温度记录。

 4.4。涡流扫描结果

涡流扫描图像为样本1所示图 7。欧盟调查由8-by-2-coil数组,工作从1千赫至25 kHz 3.5毫米的空间分辨率。没有明显的分层模式上观察到的样本。结果表明,EC扫描系统的灵敏度不够高检测涡流的分层复合导电率较低。

EC扫描图像的示例1。

 4.5。比较和讨论 (1)检测能力探测深度

从实验中,超声波扫描方法在所有的样品中检测到分层;PEC-stimulated温度记录和flash温度记录检测分层样品1和2只,当EC扫描发现没有分层。因此,UT扫描有最好的检测能力的四种方法。

 (2)纤维取向

PEC-stimulated温度记录可以用来观察纤维取向通过热图像。样品表面中突出显示的行显示表层和次表层的纤维层。UT扫描和flash温度记录都不能显示纤维取向。

 (3)缺陷的可视化

PEC-stimulated温度记录和flash温度记录可以提供良好的可视化的一个缺陷,让我们知道它的形状和尺寸(厚度除外)。尽管UT扫描还可以提供成像的重建算法,它是耗时和图像遭受巨大的衰减,多次反射和散射的超声波。

 (4)检查时间和成本

PEC-stimulated温度记录和flash温度记录可以提供检验第二范围内观察到的缺陷,同时UT扫描需要数分钟或数小时内大量数据。这两个thermographic方法优于满足在线监测或结构健康监测要求。此外,UT扫描系统和探测器本身的成本远高于PEC-stimulated温度记录或flash温度记录。

这四种方法的比较研究是列于表 1。

比较PEC-stimulated温度记录、闪蒸温度记录和UT / EC扫描。

压电陶瓷刺激温度记录 闪蒸温度记录 UT扫描 EC扫描
图像样本1
探测深度 930 μ米深 930 μ米深 1550 μ米深 没有一个
纤维取向 好 没有 没有 - - - - - -
缺陷可视化 好 好 不太好 - - - - - -
检验时间 ~秒 ~秒 ~几分钟至几小时 - - - - - -
成本 低 低 高 - - - - - -
5。结论和未来的工作

摘要人工分层样品1和2在155年 μ米、310 μ米、775 μ米,930 μ米深已经观察到通过新的开发PEC-stimulated NUAA系统温度记录。然而,1395年样本3(更深层次的分层 μ米和1550 μ不能清楚的看到米深)从原始热视频。UT / EC扫描和flash温度记录在NUAA也进行了比较。结果显示(1)只允许PEC-stimulated记录法观察表层和次表层的纤维取向层,给潜在的轻微缺陷检测为例,纤维断裂;(2)尽管PEC-stimulated温度记录和flash温度记录没有发现分层深度超过930 μ米,他们提供快速检验和更好的可视化瞬态热图像/视频的分层。

UT实验为复合材料显示了该方法的局限性,由于(1)多次反射和散射在复合材料中,(2)不准确测量薄样品,(3)液力偶合器是必需的。PEC-stimulated温度记录和flash温度记录可以被视为两个分层检测的有力方法。在关注纤维取向的评估和其他典型的复合材料缺陷,例如,影响损坏,裂缝,PEC-stimulated温度记录更敏感的缺陷,特别是裂缝( 23]。因此,PEC-stimulated温度记录规范较低的相机已被证明是一个很好的候选人碳纤维增强塑料分层检测,温度和电导率评估。不同的缺陷可以评估使用PEC-stimulated温度记录系统在未来。

在未来的工作中,更强大的激励为更深层次的分层检测:脉冲宽度、电感几何,方向PEC-stimulated温度记录将调查检测更深层次的分层。Post-image /视频处理提高分层包括删除的合同直接加热励磁线圈和背景图像/视频的温度记录和瞬态图像响应特征提取和模式将进一步考虑和发展。

 确认

这项研究是由工程和物理科学研究委员会(EPSRC),英国(EP / F06151X / 1),和FP7 HEMOW之下项目(FP7——人们- 2010国税局之下,269202)。作者要感谢Yupeng田教授和副教授平王从南京航空航天大学、中国对他们有用的讨论和甄先生来自南京航空航天大学,中国帮助UT / EC扫描实验。此外,作者也要感谢北京航空材料研究所、中国提供样品用于实验。

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