纖維束編輯管線熱傳導規(guī)律的紅外成像研究

纖維束編輯管線熱傳導規(guī)律的紅外成像研究

1熱傳導規(guī)律實驗碳碳復合材料（cfrp）是一種高性能的結構材料，具有強度高、重量輕、熱膨脹系數小等優(yōu)點。廣泛應用于民用和軍事領域，尤其是在航空航天領域。紅外熱成像(IRT)無損檢測技術能夠采集物體表面的紅外熱輻射信號,通過信號處理和熱圖像分析等手段,獲取物體的熱傳導系數和熱擴散系數等信息,此項技術已逐步用于航空領域復合材料開膠、脫膠、斷層等無損檢測本文利用紅外熱成像技術,對編織CFRP試件進行熱傳導規(guī)律實驗研究,將光源調制激光掃描頻率控制在0.1~100Hz。實驗結果表明,熱波在CFRP平面內的熱擴散分布與纖維束編織方向有密切關系,在整個平面內呈同心橢圓的規(guī)律變化。當激光調制頻率小于2Hz時,可以計算出CFRP各平面方向上的熱擴散系數。2t熱波的傳播當光源調制激光投射到材料表面時,材料表面會產生溫度場分布,即熱波,忽略其厚度方向的熱傳遞,只考慮熱波沿著平面方向上的傳遞,其照射區(qū)域內溫度T式中T熱波在材料內部的傳播衰減很快,其傳播距離與調制頻率有關,可表示為式中μ為熱擴散長度,α為熱擴散系數,l為μ的倒數。在所測任一點處,相位θ與熱源距離x成反比,可表示為根據(2)式和(3)式,可將熱擴散系數α表示為在理想狀態(tài)下,紅外輻射相位信號呈高斯分布,其平面內分布函數為式中θ若已知θ3實驗3.1cfrp結構上的a和b點,僅北面下方向為主,左下方向為副矛盾關系,a和b點,b點為副織構,a和b點,b點為副織構。c實驗所用CFRP試件由20層平紋編織碳纖維預浸料制作而成,其示意圖如圖1所示。定義平行于緯紗的方向為橫向(0°),平行于經紗的方向為縱向(90°),沿著左上往右下方向為主對角線方向(45°),沿著右上往左下方向為副對角線方向(135°)?？紤]到編織CFRP的具體結構,選取CFRP試件上A和B兩個點進行實驗,這兩個點都位于縱向纖維束和橫向纖維束的交點中心,區(qū)別在于A點處熱波沿著纖維束第一層橫向第二層縱向傳導,而B點處熱波沿著纖維束第一層縱向第二層橫向傳導,依此類推。CFRP試件中環(huán)氧樹脂約占總質量的40%,孔隙率為5.30%,尺寸為40mm×20mm×4.66mm。3.2實驗系統(tǒng)組成用于CFRP試件的熱性能檢測實驗裝置如圖2所示,該系統(tǒng)主要由紅外熱像儀(SU320KTSW-1.7RT/RS170)、激光器(JENOPTIK,808nm)、激光驅動器(LDC210C,Thorlabs)、鎖相放大器(SR850)、冷卻控制器和數據采集處理系統(tǒng)組成。激光經驅動器調制后,直接投射到試件表面,試件產生的紅外輻射相位信號由紅外熱像儀接收,鎖相放大器直接和電腦相連,采集的信號由電腦記錄處理。為了提高采集信號的靈敏度和信噪比,應適當增大光源強度,控制調制激光掃描頻率范圍為0.1~100Hz,激光功率為20mW,光束直徑為0.2mm。為了消除實驗系統(tǒng)對采集信號的影響,以玻璃碳作為參考材料進行相同的實驗,并作規(guī)格化處理;再對得到的圖像信號進行高斯濾波,去除噪聲。4灰質相位圖像當激光調制頻率為0.1Hz時,CFRP試件在A點處的三維及灰質相位圖像如圖3所示。從圖中可以看出,紅外熱圖像由160×128個像素點組成,激光加熱點熱源處的紅外輻射相位值最大,隨著與熱源的距離增大,相位值呈拋物線狀逐漸減小。4.1激光調制頻率下分布分析CFRP試件A點處的橫向熱擴散,紅外輻射相位信號在不同激光調制頻率下的分布如圖4所示。從圖中可以看出,不同激光調制頻率下的相位梯度和等效高斯寬度都不同,高頻狀態(tài)下的相位梯度明顯大于低頻狀態(tài),而低頻狀態(tài)下的等效高斯寬度明顯大于高頻狀態(tài)。4.2調制頻率對rp熱擴散的影響圖5所示為CFRP試件A點處在不同激光調制頻率下的相位等高線圖,從圖中可以看出,熱輻射面積隨著調制頻率的增加而減小,并呈現同心橢圓的形狀分布。這是由于CFRP是典型的各向異性材料,熱擴散長度μ隨著調制頻率f增加而減小,因此橢圓等高線的離心率隨著調制頻率的增加而降低,相位等高線也逐漸形成分布集中的同心圓。當激光調制頻率為10Hz時,CFRP試件A點處的紅外輻射相位信號在4個方向上的分布如圖6所示,從圖中可以看出,熱波沿著橫向、縱向、主對角線方向及副對角線方向上的熱擴散分布都不同,證明了層壓會導致CFRP材料內部的不均勻性,符合CFRP各向異性的特點,并且橫、縱方向上相位梯度接近,主、副對角線方向上相位梯度接近。4.3cfrp熱傳導系數測試分析CFRP試件在A點處的橫向和縱向熱擴散系數α與激光調制頻率f之間的關系,結果如圖7所示。從圖中可以看出,當f>2Hz時,熱擴散系數α急劇增大。實際上,熱擴散系數只與材料導熱系數、密度和比熱容有關,在溫度變化不大的情況下,熱擴散系數不會發(fā)生突變。根據文獻[12]求得的CFRP在厚度方向的熱擴散系數,由(2)式計算出調制頻率為2Hz和4Hz時的熱擴散長度μ分別為0.25mm和0.17mm,而試件的單層預浸料疊層厚度為0.23mm,因此當激光調制頻率大于4Hz時,激光不能穿透一個CFRP碳纖維預浸料疊層,此時所得紅外輻射信號不能完整地反映CFRP的熱傳導性質。調制頻率f<2Hz時,激光可以至少穿透一個疊層。取0.1~2Hz內4個調制頻率下計算的熱擴散系數的平均值作為試件的熱擴散系數。分析CFRP試件A和B兩點的數據,得到4個方向上的熱擴散系數α如表1所示。從表中可以看出,試件在纖維束編織平面內各方向上的熱擴散系數都不相同,其中沿預浸料上層纖維束編織方向的熱擴散系數最大,沿預浸料下層纖維束編織方向次之,沿45°和135°方向最小,說明熱波傳導方向上樹脂及空隙的多少對熱擴散系數有直接的影響。另外,A點處0°和90°方向的α值分別與B點處90°和0°方向α值一致,可見碳纖維編織方式會影響材料編織平面內的熱傳導。5纖維束平面方向的熱擴散系數測量電子規(guī)范依據根據激光調制加熱原理,采用紅外熱成像技術對編織CFRP進行實驗分析。結果表明,CFRP獨特的編織結構使其具有各向異性特點。CFRP在