Badania nieniszczące metodami termografii w podczerwieni kompozytowych osłon balistycznych pojazdów wojskowych

Transkrypt

1 ŚWIDERSKI Waldemar 1 HŁOSTA Paweł 1 SZUDROWICZ Marek 2 Badania nieniszczące metodami termografii w podczerwieni kompozytowych osłon balistycznych pojazdów wojskowych WSTĘP Jednym z priorytetów modernizacji polskich sił zbrojnych jest ochrona załóg pojazdów wojskowych. W ostatnich latach coraz wyższe wymagania techniczne są na wyposażenie nowych pojazdów wojskowych. Najnowsze rozwiązania inżynierii materiałowej umożliwiają stosowanie lekkich osłon balistycznych, a tym samym stanowią coraz wyższy poziom ochrony załóg. Materiały kompozytowe są coraz częściej stosowane w konstruowaniu lekkich osłon balistycznych. Zainteresowanie lekkim osłonami balistycznymi wynika z zagrożeń, na jakie narażone są oddziały wojskowe biorące udział w misjach stabilizacyjnych. Wyposażone są one z reguły w pojazdy samochodowe, narażone na ostrzał z broni małokalibrowej i eksplozję min. Niezbędne jest więc skuteczne zabezpieczenie pojazdów, dzięki czemu zwiększy się poziom bezpieczeństwa ich załóg [1, s.100]. Dzięki postępowi w dziedzinie chemii polimerów, możliwie jest obecnie wytwarzanie materiałów stanowiących skuteczną ochronę przed pociskami małokalibrowymi i odłamkami. Najczęściej stosowane są materiały tkane (włókiennicze) połączone tworzywem sztucznym w wielowarstwowe materiały kompozytowe. Tworzy się z nich osobiste osłony balistyczne (kamizelki), opancerzenia pojazdów samochodowych oraz obiektów stałych. Jednym z rodzajów włókien stosowanych w tego typu osłonach jest wynalezione w XIX wieku włókno węglowe [2, s.284]. Kompozyty tego rodzaju są przeważnie wykonywane z kilku warstw tkaniny połączonych żywicami fenolowymi, poliuretanowymi oraz mieszankami gumowymi. Mogą być również stosowane w połączeniu z blachami stalowymi i ceramiką, co zwiększa ich skuteczność ochrony przed pociskami i odłamkami. Opancerzenia kompozytowe są łatwo wymienialne i w razie uszkodzenia, elementy uszkodzone mogą być zastępowane nowymi bez demontażu całości zabezpieczenia [3]. Biorąc pod uwagę, że lekkie osłony balistyczne mają najczęściej grubość od kilku do kilkunastu milimetrów oraz są wykonane z materiałów, których parametry termofizyczne różnią się zdecydowanie od parametrów, jakie mają potencjalne defekty występujące w nich, to metody termografii w podczerwieni mogą być skuteczne do wykrywania tych defektów. 1. BADANIA EKSPERYMENTALNE Badania eksperymentalne przeprowadzone były na 15-warstwowych próbkach kompozytu z tworzywa wzmocnionego włóknem węglowym (CFRP - carbon-fiber-reinforced plastic) o grubości 11,6 mm wykonanego w Wojskowym Instytucie Techniki Pancernej i Samochodowej jako lekka osłona balistyczna z przeznaczeniem do osłony balistycznej pojazdów wojskowych. Przebadano cztery próbki po badaniach niszczących, trzy próbki poddano działaniu udarów mechanicznych, każdą o różnej energii 100 J, 200 J i 300 J. Czwarta próbka (rys.1) była po teście wyznaczenia granicy balistycznej V 50 pociskiem symulującym odłamek o masie 1,1 g (w normach polskich określanym jako odłamek standardowy). Podstawowym dokumentem NATO zawierającym wymagania tego testu jest STANAG 2920 Ballistic test method for personal armour. Test ten jest opisany również w polskiej normie PN-V Wojskowy Instytut Techniczny Uzbrojenia; Zielonka; ul. Wyszyńskiego 7. Tel: , Fax: , waldemar.swiderski@wp.pl 2 Wojskowy Instytut Techniki Pancernej i Samochodowej; Sulejówek k. Warszawy; ul. Okuniewska 1. Tel: , Fax: , marek.szudrowicz@witpis.eu 6265

2 1,4 mm Masa 1,1 Miejsce uderzenia pocisku 5,6 mm a) b) c) Rys. 1. Próbka kompozytu z tworzywa wzmocnionego włóknem węglowym po badaniach niszczących V 50 : a) od strony uderzenia pocisku, b) od strony przeciwnej, c) pocisk symulujący odłamek Na rys. 2 i 3 przedstawione są próbki po mechanicznym udarze z energią 200 J i 300 J. a) b) Rys. 2. Próbka kompozytu z tworzywa wzmocnionego włóknem węglowym po mechanicznym udarze z energią 200 J: b) od strony przeciwnej. Próbki były badane następującymi metodami termograficznymi: metodą długiego impulsu z nagrzewaniem lampą (SHT Step Heating Thermography), termografię lock-in (LT Lock-in Thermography), termografię wibracyjną (VT Vibrothermography) z ultradźwiękowym źródłem stymulacji cieplnej jak również za pomocą prądów wirowych. Jedną z głównych aktywnych metod badań nieniszczących optycznej termografii jest metoda długiego impulsu, które została zastosowana w badaniach próbek kompozytowych. W metodzie z zastosowaniem długiego impulsu grzewczego do pobudzania cieplnego obiektu, zmiany rozkładu temperatury na jego powierzchni są monitorowane zarówno podczas procesu ogrzewania, jak i schładzania. Stosowana jest ona do oceny stanu stosunkowo grubych materiałów kompozytowych o niskim przewodnictwie cieplnym. Może być w niej zastosowana zarówno technika odbiciowa jak i transmisyjna. Rejestrowana jest sekwencja obrazów (termogramów) z jednakowym odstępach czasu między obrazami. Po wyłączeniu źródła promieniowania obiekt schładza się do temperatury otoczenia. W fazie stygnięcia wyznaczany jest rozkład temperatury na powierzchni badanego obiektu, który poddawany jest analizie. W zależności od parametrów cieplnych badanego materiału oraz występujących w nim ukrytych pod powierzchnią defektów, strefy o wyższej lub niższej temperaturze na powierzchni będą wskazywały obszary, w których mogą występować defekty materiału [4]. Często do wskazania obszarów z defektami trzeba zastosować specjalne techniki przetwarzania 6266

3 termogramów. W przeprowadzonych badaniach w WITU jako źródło ogrzewania użyto lampy o mocy 2 kw, czas nagrzewania wynosił 10 s, a zmiany pola temperatury na powierzchni badanych próbek rejestrowano kamerą FLIR SC a) b) Rys. 3. Próbka kompozytu z tworzywa wzmocnionego włóknem węglowym po mechanicznym udarze z energią 300 J: b) od strony przeciwnej. Termin termografii wibracyjnej (vibrothermography) powstał w latach 90-tych ubiegłego wieku do oznaczenia procedur badań cieplnych przeznaczonych do oceny ukrytych niejednorodności strukturalnych materiałów na podstawie powierzchniowych pól temperaturowych przy cyklicznych mechanicznych obciążeniach. Podobną procedurę można realizować przy dźwiękowym i ultradźwiękowym pobudzeniu materiału, ponieważ przyczyną podwyższenia temperatury jest wewnętrzne tarcie ścianek defektu przy ich pobudzeniu falami mechanicznymi [5, 6]. Jeśli cykliczne obciążenia nie przekraczają sprężystości materiału, a szybkość ich zmian jest duża, to straty ciepła w wyniku przewodności cieplnej są małe i po zdjęciu obciążenia badany obiekt wraca do pierwotnego kształtu i temperatury. W badaniach przeprowadzonych w WITU zastosowano piezoelektryczny generator generujący ultradźwięki o częstotliwości 30 khz. Moc generowanych sygnałów wynosiła od 80 do 130 W. Zmiany pola temperatury rejestrowano kamerą FLIR SC 7600 z częstotliwością zapisu obrazów 5 Hz i zapisując 1600 obrazów w jednej sekwencji pomiarowej. Na rys.4 przedstawiono widok stanowiska pomiarowego do badań termograficznych ze źródłem ultradźwiękowym. Prądy wirowe, zwane również prądami Foucaulta (od nazwiska odkrywcy), tworzą się indukcyjne w przewodniku pod wpływem zmian zewnętrznego pola magnetycznego. Prądom wirowym towarzyszy wydzielanie znacznych ilości ciepła. Zjawisko to jest wykorzystywane w badaniach termograficznych. Prądy wirowe wykorzystywane są jako wewnętrzne źródło ogrzewania badanego obiektu. Obecność podpowierzchniowych defektów zobrazowana jest na powierzchni badanego obiektu jako krótkotrwałe spadki wartości sygnału temperatury [9]. W termografii lock-in, nazywanej również termografią synchroniczną lub modulacyjną (znanej również jako termografia fali cieplnej), jako pobudzenie cieplne badanego obiektu wykorzystuje się harmoniczny strumień ciepła. Pobudzenie cieplne obiektu ma charakter sinusoidalny i na podstawie znanej częstotliwości sygnału pobudzającego i zarejestrowanej odpowiedzi układu można wyznaczyć jej amplitudę i kąt przesunięcia fazowego (amplitudogram i fazogram)[7, 8]. 6267

4 Rys. 4. Stanowisko do badań termografii wibracyjnej z ultradźwiękowym źródłem pobudzenia cieplnego Schemat stanowiska pomiarowego przedstawiony jest na rys.5. Fala cieplna w formie sinusoidy jest wzbudzana za pomocą lampy grzewczej o mocy 1 kw. W trakcie jednego cyklu są rejestrowane cztery termogramy, które dokładnie odpowiadają kolejnym przesunięciom w fazie o 90. Wyzwalanie kamery termowizyjnej jest zsynchronizowane ze źródłem pobudzania. W algorytmie obliczeń zastosowano transformację Fouriera czasowo zależnej amplitudy każdego z punktów termogramu. 1. HEATING CONTROLLER System kontrolny Modulator Lampa grzewcza Próbka Rys. 5. Schemat stanowiska do badań lock-in termografii 2. WYNIKI Kamera AGEMA 900LW Na rys. 6 pokazane są przykładowe wyniki z badania metodą termograficzną długiego impulsu wielowarstwowej próbki kompozytu węglowego po udarze mechanicznym o energii 300 J (rys. 3). Widoczne są defekty wewnętrznej struktury materiału wykonane od strony uderzenia rys. 6a i od strony przeciwnej rys. 6b. Granice uszkodzeń w poszczególnych warstwach mają kształt zbliżony do okręgów o różnych średnicach. Rozmiary ich zależą od tego na jakiej głębokości od strony uderzenia pod powierzchnią materiału się znajdują. 6268

5 a) b) Rys. 6. Termogramy próbki po udarze o energii 300 J metoda długiego impulsu: b) przeciwna strona Termogramy wykonane metodą wibracyjną próbki (rys. 3) przedstawione są na rys. 7. Widoczne są podstawowe różnie między wynikami uzyskanymi metodą długiego impulsu, a metodą wibracyjną tej samej próbki. Metoda wibracyjna pokazuje miejsca gdzie wystąpiło największe zgniecenie materiału. a) b) Rys. 7. Termogramy próbki po udarze o energii 300 J metoda wibracyjna: b) przeciwna strona 104dOS 100 A 50 15dOS Rys.8. Amplitudogram obrazujący strefę delaminacji podpowierzchniowej próbki po udarze o energii 300 J metoda termografii lock-in Obszar uszkodzeń podpowierzchniowych próbki po udarze o energii 300 J jest dobrze widoczny przy zastosowaniu metody lock-in termografii (rys.8). Rozkład zmian temperatury na powierzchni próbki nad obszarem uszkodzenia przedstawiono na rys

6 Rys. 9. Rozkład zmian temperatury na powierzchni próbki (wzdłuż linii A rys. 8) po udarze o energii 300 J Jak widoczne są uszkodzenia po udarze o energii 200 J pokazano na rys. 10. Skutki udaru podobne są jak przy udarze 300 J pokazanym na rys.6, ale widać wyraźnie, że rozmiar uszkodzeń jest mniejszy co jest spowodowane mniejszą energią uderzenia. a) b) Rys. 10. Termogramy próbki po udarze o energii 200 J metoda długiego impulsu: b) strona przeciwna Na rys. 11 przedstawiono termogramy próbki po udarze o energii 200 J wykonane metodą wibracyjną. Podobnie jak na rys.7 bardziej widoczne są miejsca uszkodzeń gdzie nastąpiło w wyniku uderzenia większe zgniecenie materiału. 6270

7 a) b) Rys. 11. Termogramy próbki po udarze o energii 300 J metoda wibracyjna: b) przeciwna strona Ev al. C B LOI3 LOI Rys.12. Termogram próbki po badaniach niszczących V 50 (Rys.1 a) vibrothermography method Rys.13. Rozkład zmian temperatury na powierzchni próbki (wzdłuż linii B rys. 12) po badaniach niszczących V 50 Charakterystyczny kształt uszkodzeń po uderzeniu pocisku widoczny jest na termogramie (rys.12) wykonanym metodą wibracyjną. Na wykresie (rys.13) pokazującym rozkład zmian temperatury na 6271

8 powierzchni próbki nad uszkodzeniem (wzdłuż linii B rys. 12) widoczne są charakterystyczne piki wzrostu temperatury w miejscach, gdzie włókna węglowe zostały oderwane od podłoża. WNIOSKI Na podstawie otrzymanych wyników badań eksperymentalnych uszkodzonych w trakcie badań niszczących próbek kompozytu z tworzywa wzmocnionych włóknem węglowych i analizy różnych metod termograficznych zastosowanych w badaniach nieniszczących można stwierdzić, że: wyniki wykrywania defektów za pomocą termografii z pobudzeniem termicznym za pomocą prądów wirowych są niezadawalające; są różnice w wymiarach wykrywanych defektów między metodą długiego impulsu, a termografią wibracyjną z ultradźwiękowym źródłem pobudzenia cieplnego badanych próbek. Fakt, że optyczne (powierzchniowe) i ultradźwiękowe (objętościowe) cieplne pobudzenie materiału powoduje bardzo różne ślady cieplne podpowierzchniowych defektów stwierdzone w pracy [10] można wytłumaczyć tym, że przepływ strumienia ciepła z powierzchni w głąb materiału ulega większemu zaburzeniu na grubszych defektach z powodu ich większego oporu cieplnego. Zaś odwrotnie ultradźwiękowe pobudzenie cieplne jest bardziej efektywne przy cienkich defektach z powodu intensywniejszego tarcia generującego ciepło. Dlatego nagrzewanie powierzchniowe bardziej eksponuje większe (grubsze) defekty, a ultradźwiękowe pobudzenie cieplne może być bardziej skuteczne przy małych (cienkich) defektach; zbliżone wyniki uzyskano metodą lock-in termografii i termografią ze źródłem ultradźwiękowym. Przyszłe nasze prace badawcze chcemy skoncentrować na zwiększeniu możliwości określania strefy zniszczenia materiału w poszczególnych warstwach poprzez zastosowanie specjalnych technik analizy obrazu. Streszczenie W artykule przedstawiono diagnostyczną technikę umożliwiającą badanie wewnętrznej struktury materiału kompozytowego zbrojonego włóknem węglowym (CFRP carbon fibre reinforced plastic) stosowanego coraz częściej w konstrukcjach lekkich pancerzy do osłony pojazdów specjalnych. Podstawowym wymaganiem dla współczesnych pancerzy oprócz skutecznej ochrony przed pociskami małokalibrowymi i odłamkami jest niższa masa od tradycyjnych pancerzy stalowych. Te wymagania mogą być spełnione przez zastosowanie pancerzy kompozytowych. Do oceny odporności pancerzy na balistyczne udary wykonywane są badania niszczące, podczas których wyznaczana jest granica balistyczna V 50. Podczas tych badań pocisk uderzając w próbkę materiału kompozytowego niszczy również jego strukturę wewnętrzną. Obszar tych zniszczeń można ocenić na podstawie badań nieniszczących. Jedną ze skuteczniejszych technik wykorzystywanych do oceny tych uszkodzeń jest termografia w podczerwieni. W artykule przedstawiono porównanie wyników uzyskanych z zastosowania różnych metod termograficznych do oceny uszkodzeń wewnętrznych próbek kompozytu zbrojonego włóknem węglowym (CFRP) po badaniach niszczących. Nondestructive testing of composite ballistic cover of military vehicles by IR thermography methods Abstract The paper introduces a diagnostic technique making possible the research of internal structures in composite material (CFRP carbon fiber reinforced plastic) that is used more often in construction of light armors protecting vehicles. Little mass and the resistance against the perforation with bullets and fragments are basic requirements of contemporary armors. This requirement could be met by using composites. Composite armor is examined by testing its ballistic resistance and this is performed by carrying out bullet proof tests. During this test in the moment of bullet s striking into armor the composite material comes into destruction of its internal structure on a considerable area. This is especially visible in multi-layer composites. It causes so-called delamination which is characterized by the loss of interlayer cohesion and destruction of continuity of polymer matrix in which the fiber is embedded. Delamination appears both in the case of full and partial penetration of bullet. The composite material is practically destroyed in area of delamination. This is very difficult to evaluate the size of delamination area from outside because in most cases external symptoms of 6272

9 internal damage of composite structure are not visible. The delamination area may be well estimated by using methods of non-destructive testing. This method has to assure a high detection of defects and a high speed of inspection. These requirements may be met by IR thermography diagnostic methods. Comparison of testing of a composite samples (CFRP) by means of pure optical method and methods that use ultrasonic and eddy current stimulations as well as lock-in thermography method will be presented. BIBLIOGRAFIA 1. Świderski W., Metody termograficzne w nieniszczących badaniach materiałów kompozytowych do zastosowań specjalnych. WITU, monografia habilitacyjna, Zielonka Dobrzański L. A., Niemetalowe materiały inżynierskie, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice Szudrowicz M., Świderski W., Identyfikacja uszkodzeń i naprawa pancerzy kompozytowych w warunkach polowych, Zeszyty Naukowe Wyższej Szkoły Oficerskiej im. gen. T. Kościuszki, Rocznik XLIII Styczeń - Marzec 2011, 1(159) 4. Hłosta P., Świderski W., Szudrowicz M., IR thermography methods on nondestructive testing of ballistic covers made of multi-layer carbon fiber, Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol.20, 2 (2013) pp Favro L. D., Han X., Ouyang Z. et al., IR imaging of cracks excited by an ultrasonic pulse, Proc. SPIE Thermosense-XXII, 4020 (2000) pp Dillenz A., Zweschper Th., Busse G., Elastic wave burst thermography for NDE of subsurface features. Insight, Vol. 42, 12 (2000) pp Wu D., Busse G., Lock-in thermography for nondestructive evaluation of materials, Revue Generale de Thermique, Vol. 37, 8 (1998) pp Świderski W., Lock-in Thermography to rapid evaluation of destruction area in composite materials used in military applications, SPIE vol. 5132, (2003) pp Kiran Kumar Ch. N., Krishnamurthy C. V., Maxfield B. W. and Balasubramaniam K., Tone burst eddy-current thermography (TBET), Review of Quantitative Nondestructive Evaluation, 27 (2008) pp Zweschper Th., Dillenz A., Busse G., Ultrasound lock-in thermography - a defect selective method for the inspection of aerospace components, Insight, Vol. 43, 3 (2001) pp