碳纤维混凝土复合材料缺陷的红外热像检测

[摘要] 利用碳纤维混凝土的良好导电性, 首先通过对存在缺陷的复合材料———碳纤维混凝土试件施加较低的电压, 使其产生焦耳热效应, 在表面产生温差, 再利用红外热像方法对其缺陷进行了无损检测, 并根据数据进行了理论分析。实验结果表明: 对电阻不同、裂纹缺陷深度相同的材料, 小电阻材料所得的红外热像明显, 温差大于大电阻材料且变化趋势比大电阻的明显; 对电阻相同的大电阻材料, 裂纹深度对温差有影响, 但变化趋势不如电阻对温差的影响明显。实验结果为进一步研究红外检测复合材料缺陷提供了理论与实验依据。

[关键词] 红外热像; 无损检测; 复合材料; 碳纤维混凝土; 裂纹

[中图分类号] TN219 [文献标识号] A [文章编号] 1000- 7857( 2006) 12- 0034- 03

1 引言

红外热像无损检测是一种建立在温度场基础上的检测物体温度、质量、内部状态、结构及缺陷的一种方法。与常规检测方法相比, 它具有非接触测量、灵敏度高、反应速度快、使用安全、信号处理速度快、可建立自动检测系统等优点。目前我国广泛开展的红外热像无损检测技术的研究主要用于各种不同环境条件下的温度检测、固体火箭发动机整机及外壳、复合材料及其制品的力学特性研究, 以及输变电线路绝缘材料、高压瓷瓶等的检测方面。此外, 在红外测温、森林防火、医学诊断、半导体元件集成电路、工业质量检测等方面的应用也有很大进展[1]。

2 红外热成像检测常用的两种方法

由于红外光是肉眼所不能看到的, 因此不能采用普通照相机原理来摄取红外图像。红外热成像( infrared thermal imaging) 技术即是将红外辐射转换成可见光进行显示的技术。

红外热成像分主动式和被动式两种。主动式红外热成像采用一红外辐射源照射被测物, 然后接受被物体反射的红外辐射图像。被动式红外成像则是利用物体自身的红外辐射来摄取物体的热辐射图像, 通常称为热像( thermal image) , 获取热像的装置称热像仪。热像仪无需外部红外光源, 使用方便, 能精确地摄取反映被测物温差的热图像, 因而已成为红外技术的一个重要发展方向。热像技术已被广泛应用于无损缺陷的探察。对不同的材料如金属、陶瓷、塑料、多层纤维板等的裂痕、气孔、异质、截面变异等缺陷均可方便地探查。红外检测法常用两种方法。① 有源红外检测法, 又称主动红外检测法。其特征是利用外部热源向被测工件注入热量, 再借助检测设备测得工件表面各处热辐射分布来判断缺陷的方法。②无源红外检测法, 又称被动红外检测法。在工程应用中, 有源红外检测法使用较广泛。当均匀热流加到平板表面时,基于平板内的热流各向同性, 三维的热传导问题可以简化成二维问题, 二维的傅里叶热传导定律为[2- 5]:

式中: Kz, Ky 分别为热流方向和其垂直平面的导热系数; ρ为材料密度; Cp 为材料比热。

由于边界面积相对于上下表面要小得多, 因此, 可以假设y坐标为0 和D 处的边界条件为:

输入热流为:

上边界可以以牛顿冷却公式为基础的第三类边界条件描述:

式中: α为工件与周围环境的换热系数; Th 为工件上表面的温度; Ta 为周围环境空气的温度。

当有一个均匀的热流从复合材料的内部向外流动时, 有缺陷区域处的表面比正常区域表面的温度低( 热传导示意如图1) , 所以采用红外成像技术, 从存在缺陷的区域可获得较低温度的热像图。根据公式( 1) 和上述边界条件就可以解出工件表面各点的温度值[5]。

3 红外热像无损检测的技术关键

红外热像无损检测的使用关键是要建立一个缺陷的判断。对于各种典型的缺陷类型, 如层与层之间的空隙结合不良、薄层表面的杂质以及几何核心上较大的不规则性损伤等, 要想建立合格的判断, 则必须搜集合格的和已知缺陷部分的样品。不合格样品中应包含每一种类型的缺陷, 且这些缺陷符合探测和鉴别的最小尺寸, 否则要人为制造有关缺陷, 进行模拟研究。如我们可以人为地在某种复合材料中制造几个空洞缺陷, 空洞分别填充不同的杂质, 通过热脉冲后用红外成像检测, 可以看到清晰的缺陷图像。影响红外成像检测精度的因素与被测样品表面特性有关。对于表面不光洁的或者经过抛光处理的金属零件来说, 其表面发射率是一个主要系数。发射率降低, 反射率增加, 扫描仪会探测到环境的背景反射和其他无关热源的反射[4- 5]。

如果每种材料、每种缺陷形式都要人为地制造, 再进行实验,毫无疑问这将是影响红外成像技术推广应用的瓶颈。随着计算机技术的发展, 计算机模拟和计算机仿真技术为缺陷类型的模拟创造了有利条件。目前武汉等大学提出一种有源红外检测的新方法———内热源红外热成像无损检测。

4 内热源红外热成像检测复合材料———碳纤维混凝土的缺陷

4.1 碳纤维混凝土简介

机敏混凝土是一种将极少量具有某种特殊功能的材料复合于传统混凝土中的机敏材料。碳纤维混凝土是机敏混凝土的一种, 是以短切或连续的碳纤维作为填充相, 以水泥浆、沙浆或混凝土为基体复合而成的纤维增强水泥基复合材料。其具有比普通混凝土更高的抗弯、抗拉强度及延性和更强的抗冲击性能、抗冻融性能、抗腐蚀性能、低干缩性能, 同时具有感知应变( 应力) 、损伤、温度以及电场等性能, 碳纤维混凝土被广泛应用于各个领域, 然而随着机敏混凝土越来越广泛的应用, 对其结构进行健康检测就具有越来越明显的实践意义, 成为一个重要的研究课题。

碳纤维混凝土(CFRC) 外加电压的内热源红外检测是一种新的检测方法, 它利用碳纤维混凝土良好的导电性, 通过对碳纤维混凝土试件施加一较低的外加电压, 由焦耳热效应生热对机敏混凝土内部缺陷进行检测[6]。

4.2 预制碳纤维混凝土裂纹

预制裂纹碳纤维混凝土(CFRC) 通常按图2 的工艺流程制备。

4.3 裂纹深度相同电阻值不同的试样

裂纹深度相同, 但碳纤维含量与组分的不同会导致试样的电阻不同, 产生的热效应不同, 最终引起红外热像的不同。考虑阻值不同的影响, 采用裂纹深度相同( 20mm) 的两类试样进行比较, 一类碳纤维含量较低, 裂缝预制为沿深度方向整齐的切口, 由于切口处无碳纤维搭接, 因此制得的试样电阻值较大( 几千欧姆) , 直流通电时需采用相对较高的电压。二类碳纤维含量较高, 且加入了增加导电性的硅灰成分, 裂缝的预制更接近自然情况。先在试样表面切出浅槽, 再采用弯折的方法萌生裂纹, 由于裂纹尖端破碎区内碳纤维并未完全断开, 因此尽管裂纹较深, 但试样电阻仍然较小( 几十欧姆) 。通电时需采用较低的电压( 低于36 伏) 就可以在红外热像图上明显地看到裂纹所在, 并可以通过调节电压的高低来改变温升值。实验表明: 板表面温度在中心线附近明显高于其他区域, 裂纹即位于中心线上, 对大小电阻两类试样, 表面最高温差随时间的变化为图3、图4。

结果可知, 小电阻试样对裂纹的响应更快, 通电很短时间内即可通过红外图像观察到裂纹所在, 而且温差上升很快。

4.4 电阻相同裂纹深度不同的试样

笔者对电阻率较高, 但裂纹深度不同的碳纤维混凝土试样进行了红外检测。对于碳纤维含量占水泥重量的0.5%, 配比为水泥: 沙: 水=1: 25: 0.6 碳纤维水泥胶沙试样, 裂纹深度分别为20mm、10mm, 切口宽度均为0.1mm 的大电阻试样, 不同裂纹深度情况下, 板中心线与边缘间表面最高温差随通电时间的变化见图5。从图中可见即使对大电阻试样, 其裂纹深度的影响也是可见的, 同时也进一步为用红外热像检测提供了实验依据。

结论: 利用碳纤维机敏混凝土的导电性和电热效应, 可对其中裂纹进行红外检测, 利用红外热像仪测得的热像图和表面温度可对材料的内部缺陷进行反演分析。

5 结束语

目前, 红外无损检测技术的发展主要集中在提高检测系统的性能和自动化程度等方面, 利用计算机对检测结果进行处理, 实现自动检测与评价[7]。

1) 红外热像检测法检测速度快, 造成温差的方式简单, 缺陷位置和大小显示直观, 可以方便快捷地发现复合材料内部的缺陷, 同时检测结果易保存至计算机上, 以备进一步数据处理。

2) 可根据红外热像动态检测复合绝缘材料的结果, 对复合材料进行定性、定量和定位分析, 并评估内部缺陷的危害性; 也可用于评价材料质量和评价电老化状态。

3) 在红外热像检测中, 实现被检工件快捷、方便、自动化的加热方式, 加热源和热像头的自动扫描以及智能化地识别各种缺陷是今后发展的重要方向。

参考文献(References )

[1] 曾令可,吴卫生. 复合材料的红外无损检测[J ]. 红外与激光, 1996,26( 2) :81- 84.

[2] 刘莹,张记龙. 材料的红外无损检测技术及其发展[J ]. 华北工学院测试技术学报, 2001,15( 4) :267.

[3] 陈钰. 利用红外热像仪测量材料的缺陷[J ]. 红外与激光, 2000,30( 1) :39- 41

[4] 陈钰. 材料内部缺陷的红外无损检测[J ]. 红外技术, 2001,23( 3) :39-40

[5] 李志君. 先进复合材料的无损检测[J ]. 宇航材料工艺, 2000,5:28- 29.

[6] 黄莉. 碳纤维增强混凝土中裂纹的红外热像检测方法与机理研究[J ].实验力学,2003,18( 3) :405- 407

[7] 李国华,吴立新,吴淼,曲敬信. 红外热像技术及其应用的研究进展[J ].红外与激光工程, 2004,33( 3) :266- 268