Курсовая работа (т): Реализация импульсного метода в тепловом неразрушающем контроле изделий из композитов

Реализация импульсного метода в тепловом неразрушающем контроле изделий из композитов

Содержание

Введение

. Общие сведения о неразрушающем контроле

. Тепловой контроль

.1 Активный

.2 Пассивный

. Композиционные материалы

.1 Область применения

.2 Углепластики

.3 Виды дефектов

.4 Дефекты композиционных материалов

. Импульсный метод

. Метод импульсной фазовой термографии (Фурье-анализ температурной динамики)

.1 Общие принципы

. Источники нагрева и регистрации

.1 Тепловизионная аппартура

6.2 Устройство регистрации температуры (инфракрасная камера NEC TH9100ML)

7. Практика

Заключение

Список использованных источников

Введение

В современном мире широко используются композиционные материалы в разных отраслях требующих высокое качество, которые должны соответствовать установленным требованиям и нормам. Основная задача технического контроля качества выпускаемой продукции состоит в том, чтобы правильно используя эффективные методы и средства контроля, своевременно выявить(обнаружить) технологические дефекты и определить причины, порождающие эти дефекты, и пути (мероприятия), обеспечивающие бездефектную сдачу готовой продукции. Методы неразрушающего контроля группируют по видам исходя главным образом из общности физических явлений, используемых для обнаружения дефектов и других отклонений в контролируемых объектах, недопустимых по техническим условиям на их изготовление и эксплуатацию. В неразрушающем контроле используют такие физические явления, как тепловые поля - тепловые методы неразрушающего контроля.

В настоящее время одной из наиболее актуальных проблем является поиск и создание точных, надежных и простых в реализации методов теплового контроля, а также оценка теплофизических свойств (ТФС), используемых и вновь разрабатываемых строительных, теплоизоляционных, облицовочных материалов и изделий. Температура как количественный показатель внутренней энергии тел является универсальной характеристикой объектов и процессов физического мира, в котором непрерывно происходит генерация, преобразование, передача, накопление и использование энергии в ее различных формах. Промышленная деятельность сопровождается необратимыми потерями тепловой энергии, поэтому очевидно, что анализ тепловых процессов (температурных полей, потерь тепла и т.п.) позволяет получать разнообразную информацию о состоянии объектов и протекании физических процессов в природе, энергетике, строительстве, промышленности и медицине. В настоящее время методы теплового НК представляют высокотехнологичную область прикладных исследований, которая объединяет достижения в теории теплопередачи, ИК технологии и компьютерной обработки экспериментальных данных. Современный интерес к ТК обусловлен его универсальным характером, иллюстративностью результатов, высокой производительностью и безопасностью обслуживания ИК аппаратуры

1. Неразрушающий контроль

Неразрушающий контроль - контроль свойств и параметров объекта, при котором не должна быть нарушена пригодность объекта к использованию и эксплуатации.

Виды и методы неразрушающего контроля классифицируют на основе физических явлений (процессов), которые несут информацию о состоянии контролируемого объекта и используются для обнаружения дефектов, повреждений и других отклонений.

Областью, которая раньше остальных «приручила» неразрушающий контроль и взяла его на вооружение, является строительство. Сейчас исследованиям, не требующим непосредственного вмешательства, подвергаются и строительные материалы, и уже готовые - возведённые - объекты. К контролируемым параметрам в строительстве относят и прочность изделия, и качество нанесённого на поверхность покрытия, и глубину заделки в бетон армирующей сетки, и влажность древесины. С помощью приборов НК обнаруживают пустоты в монолитных блоках и трещины на внутренней поверхности трубопровода.

Методы неразрушающего контроля используют для выявления мельчайших дефектов сварных швов, рельсов и труб. Они позволяют выявить изъяны самой различной природы - ржавление, растрескивание, разъедание, а также многие другие.

НК позволяет контролировать состояние объектов транспорта и транспортной промышленности. В основном его используют для того чтобы выявлять зоны концентрации напряжения, оценивать кинетику их развития и контролировать распределения полей внутренних напряжений.

Неразрушающий контроль успел стать и методом испытаний, и важным элементом промышленной безопасности, и оценкой надёжности параметров объекта, и способом получения информации о продукции.

Один из методов неразрушающего контроля, а именно тепловой контроль, является самым современным, высокоэффективным и перспективным направлением в диагностике состояний и свойств разнообразных объектов. Методы теплового контроля позволяют осуществлять своевременное, высокоточное, оперативное, информативное и непрерывное наблюдение за исправностью исследуемых объектов.

2. Тепловой контроль

Тепловой контроль основан на измерении, мониторинге и анализе температуры контролируемых объектов. Основным условием применения теплового контроля является наличие в контролируемом объекте тепловых потоков. Процесс передачи тепловой энергии, выделение или поглощение тепла в объекте приводит к тому, что его температура изменяется относительно окружающей среды. Распределение температуры по поверхности объекта является основным параметром в тепловом методе, так как несет информацию об особенностях процесса теплопередачи, режиме работы объекта, его внутренней структуре и наличии скрытых внутренних дефектов. Тепловые потоки в контролируемом объекте могут возникать по различным причинам.

Различают пассивный и активный, а также стационарный и нестационарный (динамический) способы (режимы) ТК. При пассивном ТК объект испытаний характеризуется температурным полем, сформировавшимся в процессе его функционирования, в то время как активный способ предусматривает использование дополнительного источника тепловой стимуляции (нагружения) объекта. Соответственно, вводят понятия активных и пассивных дефектов. Активные дефекты выделяют или поглощают тепловую энергию и поэтому их можно диагностировать (идентифицировать) в пассивном режиме.

В пассивном ТК схема испытаний определяется, главным образом, возможностью доступа к той поверхности объекта контроля, на которой искомые дефекты проявляются оптимальным образом[4].

.1 Активный тепловой контроль

Активный тепловой контроль- это контроль материалов с использованием дополнительного источника тепловой стимуляции.

Активный ТНК предполагает нагрев объекта внешними источниками энергии. В случае использования АТНК в дефектоскопии, например для обнаружения дефектов в виде нарушения несплошности (раковин, трещин, мест непроклея), информацию о дефектах несут в себе локальные неоднородности температурного поля на поверхности ОК.

Область применения активного ТНК: Активный режим ТК с успехом применяют для диагностики состояния объектов искусства, например, для обнаружения дефектов в иконах и настенных фресках. В научном плане решена проблема неоднородного нагрева фресок вследствие различий в окраске. Алгоритм трехмерной цифровой фильтрации, позволяющий «очищать» термограммы фресок от поверхностных шумов, реализован в российской компьютерной программе ThermoCalc-3D (ФГНУ «НИИ интроскопии»)

Авиакосмическая область является основной областью применения собственно ТК. Новые материалы (композиты, сотовые конструкции), применяемые в этой области, являются удачным объектом приложения метода. Разрабатываются способы определения зон с водой в обшивке космических челноков и в сотовых авиационных панелях. Другой областью широкого применения является обнаружение отслоений и непроклеев. Весьма важной остается задача определения коррозии в авиационных панелях стареющего парка авиационной техники. Развиваются также тепловые методы обнаружения дефектов турбинных лопаток.

2.2             Пассивный тепловой контроль

Пассивный метод теплового контроля не нуждается во внешнем источнике теплового воздействия, тепловое поле в объекте контроля возникает при его эксплуатации или изготовлении. При пассивном контроле может использоваться как постоянно действующее естественное тепловое нагружение объекта (стена здания или холодильника, разделяющая теплое и холодное помещения, работающий электродвигатель, контактные электрические соединения под нагрузкой и т.д.) так и переходные тепловые процессы (диагностика кровли здания, контроль авиационных сотовых панелей, поиск зон отслоения штукатурки от стен и т.д.)

В пассивном ТК схема испытаний определяется, главным образом, возможностью доступа к той поверхности объекта контроля, на которой искомые дефекты проявляются оптимальным образом.

композит тепловой импульсный углепластик

3. Композиционные материалы

Композиты - многокомпонентные материалы, состоящие из полимерной, металлической, углеродной, керамической или другой основы (матрицы), армированной наполнителями из волокон, нитевидных кристаллов, тонкодиспeрсных частиц и др. На рисунке 1 приведен пример структуры композита.

Рисунок 1 - Структура композита.

Путем подбора состава и свойств наполнителя и матрицы, их соотношения, ориентации наполнителя можно получить материалы с требуемым сочетанием эксплуатационных и технологических свойств. Использование в одном материале нескольких матриц (полиматричные композитные материалы) или наполнителей различной природы (гибридные композитные материалы) значительно расширяет возможности регулирования свойств композитных материалов. Армирующие наполнители воспринимают основную долю нагрузки композитных материалов.

По природе матричного материала различают полимерные, металлические, углеродные, керамические и другие композиты.

.1 Область применения

Композиты хорошо воспринимают динамические нагрузки, т.е. нагрузки, переменные во времени (вибрации, удары и т.п.) именно поэтому их используют в основном на транспорте, в том числе для изготовления яхт и катеров.

В авиакосмической промышленности широко применяют композиционные материалы, такие как стекло- и углепластик, а также углерод-углеродные (УУ) композиты, которые в свою очередь могут выступать в качестве обшивок сэндвичевых или сотовых структур, усиленных металлическими или неметаллическими сотами, пластическими пенообразными материалами, бальзой и т.п. Некоторые структуры могут иметь слои из резины, пробки и абляционных материалов. Также получили распространение полностью металлические соты, в которых обшивка соединена с ячейками с помощью клея или сварки с припоем. В самолетах, как указывалось выше, широко применяются силовые элементы (стрингеры), соединенные с металлической обшивкой с помощью клея и заклепок [1].

3.2 Виды композитов и их состав

Наиболее широкое применение в технике получили композитные материалы, армированные высокопрочными и высокомодульными непрерывными волокнами. К ним относят:

·        полимерные композитные материалы на основе термореактивных (эпоксидных, полиэфирных, винилэфирных, феноло-формальдегидных, полиимидных и др.) и термопластичных смол, армированных стеклянными (стеклокомпозиты), углеродными (углекомпозиты), органическими (органокомпозиты), борными (борокомпозиты) и другими видами волокон;

·        металлические композитные материалы на основе сплавов Al, Mg, Cu, Ti, Ni, Сг, армированных борными, углеродными или карбидкремниевыми волокнами, а также стальной, молибденовой или вольфрамовой проволокой;

·        композитные материалы на основе углерода, армированного углеродными волокнами (углерод-углеродные материалы);

·        композитные материалы на основе керамики, армированной углеродными, карбидкремниевыми и другими жаростойкими волокнами.

При использовании углеродных, стеклянных, арамидных и борных волокон, содержащихся в материале в количестве 50-70%, созданы композиции с ударной прочностью и ударным модулем упругости в 2-5 раз большими, чем у обычных конструкционных материалов и сплавов. Кроме того, волокнистые композитные материалы превосходят металлы и сплавы по усталостной прочности, термостойкости, виброустойчивости, шумопоглощению, ударной вязкости и другим свойствам [5].

Преимущества композиционных материалов

·        высокая удельная прочность;

·        высокая жёсткость;

·        высокая износостойкость;

·        высокая усталостная прочность;

·        из композиционных материалов возможно изготовить размеростабильные конструкции;

·        высокая термостойкость.

Причём, разные классы композитов могут обладать одним или несколькими преимуществами. Некоторых преимуществ невозможно добиться одновременно.

Недостатки композиционных материалов

Большинство классов композитов (но не все) обладают недостатками:

·        анизотропия свойств

·        повышенная наукоёмкость производства, необходимость специального дорогостоящего оборудования и сырья, а следовательно развитого промышленного производства и научной базы страны [2].

3.3 Углепластики

Углепластики - наполнителем в этих полимерных композитах служат углеродные волокна. Углеродные волокна получают из синтетических и природных волокон на основе целлюлозы, сополимеров акрилонитрила, нефтяных и каменноугольных пеков и т.д. Термическая обработка волокна проводится, как правило, в три этапа (окисление - 220 °С, карбонизация - 1000-1500 °С и графитизация - 1800-3000 °С) и приводит к образованию волокон, характеризующихся высоким содержанием (до 99,5 % по массе) углерода. В зависимости от режима обработки и исходного сырья полученное углеволокно имеет различную структуру. Для изготовления углепластиков используются те же матрицы, что и для стеклопластиков - чаще всего - термореактивные и термопластичные полимеры. Основными преимуществами углепластиков по сравнению со стеклопластиками является их низкая плотность и более высокий модуль упругости, углепластики -очень легкие и, в то же время, прочные материалы. Углеродные волокна и углепластики имеют практически нулевой коэффициент линейного расширения. Все углепластики хорошо проводят электричество, черного цвета, что несколько ограничивает области их применения. Углепластики используются в авиации, ракетостроении, машиностроении, производстве космической техники, медтехники, протезов, при изготовлении легких велосипедов и другого спортивного инвентаря.

На основе углеродных волокон и углеродной матрицы создают композиционные углеграфитовые материалы - наиболее термостойкие композиционные материалы (углеуглепластики), способные долго выдерживать в инертных или восстановительных средах температуры до 3000 °С. Существует несколько способов производства подобных материалов. По одному из них углеродные волокна пропитывают фенолформальдегидной смолой, подвергая затем действию высоких температур (2000 °С), при этом происходит пиролиз органических веществ и образуется углерод. Чтобы материал был менее пористым и более плотным, операцию повторяют несколько раз. Другой способ получения углеродного материала состоит в прокаливании обычного графита при высоких температурах в атмосфере метана. Мелкодисперсный углерод, образующийся при пиролизе метана, закрывает все поры в структуре графита. Плотность такого материала увеличивается по сравнению с плотностью графита в полтора раза. Из углепластиков делают высокотемпературные узлы ракетной техники и скоростных самолетов, тормозные колодки и диски для скоростных самолетов и многоразовых космических кораблей, электротермическое оборудование.