uwzględnieniem aktywnych metod termograficznych w podczerwieni tj. termografia impulsowa, termografia lock-in, wibracyjna oraz termografia

Transkrypt

1 Streszczenie W ostatnim czasie materiały kompozytowe były często stosowane w projektach lekkich osłon balistycznych, ponieważ postęp w dziedzinie chemii polimerów umożliwił produkcję materiałów zapewniających ochronę przed uderzeniami pocisków broni strzeleckiej i odłamków. Zwykle stosowane są materiały tkane (włókiennicze) połączone tworzywem sztucznym. Materiały te w znacznej mierze wytwarzane są na bazie bardzo odpornych włókien aramidowych i polietylenowych połączonych z żywicami fenolowymi i poliuretanowymi oraz innymi elastycznymi mieszankami. Takie połączenie tworzy wielowarstwowe materiały kompozytowe. Ze względu na liczne zalety m.in. lekkość, odporność na korozję oraz łatwość formowania umożliwiającą dopasowanie do powierzchni chronionej, materiały te wykorzystywane są do osobistych osłon balistycznych (tj. kamizelki i hełmy), opancerzenia pojazdów samochodowych, obiektów stałych i itp. Materiały te stanowią trudne zadanie kontrolne dla wielu tradycyjnych technik badań nieniszczących (non-destructive testing - NDT). W tego typu wielowarstwowych materiałach kompozytowych mogą pojawić się defekty, którymi zwykle są niedokładności w sklejeniu warstw kompozytu oraz rozwarstwienia (delaminacje) powstające na skutek uderzenia odłamków i pocisków. Metoda, która może zostać użyta do nieniszczącego testowania tego rodzaju materiałów i wykrywania defektów wewnętrznych, to aktywna termografia w podczerwieni. W aktywnej termografii konieczne jest doprowadzenie pewnej ilości energii do kontrolowanej próbki w celu uzyskania znaczących różnic temperatur, świadczących o obecności anomalii podpowierzchniowych. Istnieją różne metody stymulacji cieplnej stosowane na materiałach testowych, tj. lampy grzewcze, laser, ultradźwięki, mikrofale. Jedną z aktywnych metod termografii IR (infrared - podczerwień) wykorzystywanych w badaniach nieniszczących jest wibrotermografia. Metoda ta obejmuje procedury badań cieplnych stosowane do oceny ukrytych niejednorodności strukturalnych materiałów przy cyklicznych mechanicznych obciążeniach, na podstawie powierzchniowych pól temperaturowych. Podobną procedurę można realizować przy dźwiękowym i ultradźwiękowym pobudzeniu materiału (techniką badań jest ultradźwiękowa termografia w podczerwieni). W rozprawie przedstawiono obecny stan wiedzy w dziedzinie badań nieniszczących materiałów kompozytowych. Zamieszczono wyniki analizy literatury w zakresie badań nieniszczących metodami termograficznymi ze szczególnym

2 uwzględnieniem aktywnych metod termograficznych w podczerwieni tj. termografia impulsowa, termografia lock-in, wibracyjna oraz termografia ultradźwiękowa. Przedstawiono wyniki przeglądu literatury dotyczące badań termograficznych różnych materiałów kompozytowych. Scharakteryzowano kompozyty aramidowe. Ponadto omówiono charakterystykę indywidualnych osłon balistycznych wraz z metodami ich badań oraz rodzajami defektów w nich występujących. Przedstawiono podstawy teoretyczne procesów cieplnych. Opisano model teoretyczny przejściowych stanów przewodnictwa ciepła w próbce oraz omówiono podstawowe charakterystyki termofizyczne materiałów kompozytowych. W pracy zawarto wyniki analizy literatury w zakresie przetwarzania termogramów oraz obróbki danych w badaniach nieniszczących metodami termografii w podczerwieni. Przedstawiono cel i tezę rozprawy doktorskiej. Omówiono otrzymane wyniki badań parametrów termofizycznych kompozytu aramidowego stosowanego w konstrukcji indywidualnych osłon balistycznych. Na podstawie przeprowadzonych badań wyznaczono charakterystyki cieplne takie jak przewodność cieplną, ciepło właściwe oraz dyfuzyjność cieplną. Parametry cieplne zostały wyznaczone eksperymentalnie przy zastosowaniu kilku metod pomiarowych: metodą termografii w podczerwieni: jedno- i dwustronną, metodą wymuszenia okresowego oraz metodą TPMU. Znajomość charakterystyk termofizycznych materiału jest istotna w badaniach nieniszczących metodami termografii w podczerwieni. W pracy opisano wyniki numerycznych symulacji wykrywania defektów materiałów kompozytowych za pomocą optycznej termografii w podczerwieni. Zalety i ograniczenia tej techniki zostały wykazane za pomocą kompozytów wzmocnionych trzema rodzajami włókien: szklanymi, aramidowymi i węglowymi. Najczęstsze defekty w takich strukturach to: rozwarstwienia, pęknięcia włókien, pęknięcia matrycy i oddzielenie włókien od matrycy. Symulacje przeprowadzono w celu określenia wykrycia wad w zależności od głębokości ich położenia pod górną powierzchnią materiału kompozytowego, a także ich wymiarów geometrycznych. Symulacje wykonano za pomocą specjalistycznego oprogramowania do trójwymiarowych (3D) dynamicznych rozkładów temperatury w anizotropowym wielowarstwowym ciele stałym z defektami podpowierzchniowymi, które zostało opracowane w celu określenia potencjalnego wykorzystania metod termicznych. Praca zawiera wyniki symulacji wykrywania defektów w postaci powietrza w kompozycie aramidowym za pomocą optycznej termografii w podczerwieni oraz przy zastosowaniu ultradźwiękowego źródła

3 wymuszenia cieplnego (w celach porównawczych). Dokonano wstępną ocenę możliwości tej metody. W pracy zawarte zostały również wyniki modelowania numerycznego oraz wyniki badań eksperymentalnych wykrywania defektów w postaci teflonu, ilustrujące zalety i ograniczenia ultradźwiękowej termografii IR podczas badań kompozytów aramidowych. Ponadto zaprezentowano wyniki modelowania numerycznego procedur ultradźwiękowej termografii IR, przy zastosowaniu różnych parametrów badań kompozytów aramidowych tj. częstotliwości stymulacji ultradźwiękowej, położenia generatora ultradźwięków, czasu stymulacji, przy różnych właściwościach geometrycznych i fizycznych defektów oraz ich głębokościach. W rozprawie zamieszczono również wyniki symulacji oraz badań eksperymentalnych wykrywania uszkodzeń kompozytu aramidowego powstałego na skutek ostrzału nabojem strzeleckim (po badaniu kuloodporności), które reprezentują możliwości zastosowania ultradźwiękowej metody termografii IR do badań wielowarstwowego kompozytu aramidowego. W pracy przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych wykonanych metodą ultradźwiękowej termografii IR wielowarstwowego kompozytu aramidowego po testach odłamkoodporności. Zamieszczono również wyniki porównawczych badań rentgenograficznych wykrywania uszkodzenia kompozytu aramidowego powstałego na skutek strzału odłamkiem standardowym. Do sprawdzenia procedur badań nieniszczących stosowane są próbki, w których wprowadzono sztuczne nieciągłości (defekty). W pracy przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych próbek kompozytu aramidowego z celowo wprowadzonymi defektami, które przeprowadzono przy zastosowaniu różnych częstotliwości ultradźwięków. W celu porównania uzyskanych wyników badań, wykonano badania metodami optycznej termografii i rentgenografii. W rozprawie zamieszczono wyniki badań doświadczalnych hełmów kompozytowych po testach odłamkoodporności wykonanych metodą ultradźwiękowej termografii IR oraz zawarto wyniki badań porównawczych wykonanych metodą rentgenograficzną. Ponadto przedstawiono wyniki badań termograficznych i rentgenograficznych hełmów po długoletniej eksploatacji oraz weryfikację uzyskanych wyników, przeprowadzoną za pomocą badań balistycznych. Badania nieniszczące przy użyciu metod termograficznych, a także innych metod badawczych, mają ograniczenia dotyczące typów, wymiarów geometrycznych i głębokości położenia defektów pod powierzchnią badanych materiałów. Odpowiednie

4 techniki służą do przetwarzania obrazów (termogramów) uzyskanych podczas testów eksperymentalnych. W procesie analizy setek obrazów zawierających szczegóły, zastępuje je ograniczony zestaw odrębnych cech, skłonny do stosowania metod i algorytmów rozpoznawania. Oprócz standardowych metod wykorzystywanych w cyfrowym przetwarzaniu obrazu, stosowane są specjalne techniki przetwarzania danych, z których najważniejszymi są: tomografia termiczna, transformata Fouriera, analiza falkowa, rekonstrukcja sygnału termograficznego, standaryzacja dynamicznej termografii, analiza głównych składników, sieci neuronowe w szczególności głębokie sieci neuronowe (deep learning) i synteza danych. Zastosowanie wybranych specjalnych metod obróbki termogramów pokazano na przykładzie termografii impulsowej (ze źródłem stymulacji cieplnej badanych próbek za pomocą lampy błyskowej) i termografii ultradźwiękowej. Przykłady przedstawione w niniejszej pracy pokazują rolę, jaką przetwarzanie termogramów może odgrywać za pomocą specjalnych metod wykrywania defektów badanych materiałów. Na końcu rozprawy przedstawiono wnioski wraz z podsumowaniem oraz kierunki dalszych badań.

5 Abstract Recently the composite materials have been often applied in designs of light ballistic protections as the progress in polymers chemistry fostered the production of materials providing protection against small arms bullets and fragments. Textile materials joined with plastic are usually used. These materials are largely produced on the basis of very resistant aramid and polyethane fibres joined with phenolic and polyurethane resins and other elastic mixtures. Such a combination creates a multilayered composite materials. Due to these materials numerous advantages as they are light weight, non-corrosive and easy to form, they match the surface which they have to protect and therefore they are used for personal ballistic protections (vests and helmets) and armours of car vehicles and stationary objects. Therefore, such materials prove to be a difficult inspection task for many traditional techniques of non-destructive testing (NDT). Defects which can appear in this type of multi-layered composite materials usually include inaccuracies in gluing the composite layers and stratifications (delaminations) caused due to hits of fragments and bullets. A method that can possibly be used for non-destructive testing of this type of materials and detection of internal defects deploys infrared thermography. In active thermography it is necessary to bring some energy to an inspected sample in order to obtain significant temperature differences proving the presence of subsurface anomalies. There are different methods of thermal stimulation applied on testing materials like heating lamps, laser, ultrasounds, microwaves. One of the active IR thermography methods used in non-destructive testing is vibrothermography. This method includes the thermal test procedures applied/used assess the hidden heterogeneity of structural materials based on surface temperature fields at cyclical mechanical loads. A similar procedure can be implemented with sound and ultrasonic stimulation of the material (the testing technique is ultrasonic infrared thermography). The dissertation presents the current state of knowledge in the field of non-destructive testing of composite materials. The results of literature analysis in the field of non-destructive testing with thermographic methods are presented, with particular emphasis on active infrared thermography methods, i.e. pulsed thermography, lock-in thermography, vibrothermography and ultrasound thermography. The results of the literature review concerning thermographic studies of composites are outlined. Aramid composites have been characterized. Moreover, the

6 characteristics of individual composite ballistic protective equipment are discussed along with their test methods and types of defects occurring in them. The theoretical basics of thermal processes are presented. The theoretical model of transient heat conductivity in the sample and basic thermophysical characteristics of composite materials are described. The paper contains the results of literature analysis concerning thermograms processing and data processing in non-destructive tests using infrared thermography methods. The goal and thesis of the doctoral dissertation are presented. The measurement results of the thermophysical parameters of the aramid composite used in the construction of individual ballistic protective equipment are discussed. Thermal characteristics i.e. thermal conductivity, heat capacity and thermal diffusivity were determined basing on the tests. Thermal parameters were determined experimentally with the use of the following measurement methods: one-sided and two-sided infrared thermography methods, temperature oscillation technique, three-curve DSC and the TPMU method. The knowledge of the material thermophysical characteristics is crucial in non-destructive testing of composites by infrared thermography method. Then the paper features results of numerical defect detection simulation of composite materials using optical thermography. The advantages and limitations of this technique are demonstrated through composites reinforced with three types of fibers: glass, aramid, and carbon. The most common defects in such structures are: delaminations, fiber cracks, matrix cracks, and separation of fibers from the matrix. The simulations were conducted in order to determine the detection of defects depending on the depth of their location under the upper surface of composite material as well as their geometrical dimensions. The simulations were carried out using the special software for computing 3D dynamic temperature distributions in anisotropic multi-layered solid body with subsurface defects, which was developed in order to determine the potential use of thermal methods. The paper contains the results of numerical simulations for detection of defects in the form of air in the aramid composite made using pulsed thermography and an ultrasound source of heat extortion (for comparative purposes). The preliminary evaluation of this method usability is also presented. The dissertation also includes the results of numerical modelling and the results of experimental research of defect detection in the form of Teflon which illustrate the advantages and limitations of ultrasonic IR thermography in inspecting multilayered aramide composite materials. Furthermore, the paper describes the results of

7 the numerical modelling of ultrasonic IR thermography procedures, using various test parameters, i.e. frequency of ultrasound stimulation, position of the ultrasound generator, stimulation time, with different geometrical and physical defects properties and their depths. The results of simulations and experimental research of damage detection of the aramid composite resulting from the bullet impact (after bulletproof test) are presented, which show the possibilities of using the ultrasonic IR thermography method for testing the multi-layer aramid composite. Moreover the paper presents the results of experimental research of multilayer aramid composite after fragment-proof tests by ultrasonic IR thermography method. Additionally, the results of comparative X-ray tests of damage detection of the aramid composite resulting from the shot with a standard fragments are described. Reference samples are used to check non-destructive testing procedures, in which artificial discontinuities (defects) were introduced. The paper presents the results of experimental research of samples of the aramid composite with deliberately introduced defects, which were carried out using different ultrasounds frequencies. In order to compare the obtained research results, tests were performed using optical thermography and X-ray methods. The paper presents the results of experimental research of composite helmets after fragment-proof tests by ultrasonic IR thermography method and the results of X-ray comparative tests. In addition, the results of thermographic and X-ray tests of helmets after long-term exploitation are outlined as well as verification of results using ballistic tests. Non-destructive testing using thermographic methods, as well as other test methods, has limitations relating to types, geometric dimensions, and depth of defect position below the surface of tested materials. Relevant techniques are used to process images (thermograms) obtained during experimental testing. In the process of analyzing hundreds of images containing details, they are replaced by a limited set of distinct features, prone to use of methods and algorithms for recognition. In addition to standard methods used in digital image processing, special data processing techniques are used, the most important of which are: thermal tomography, Fourier transform, wavelet analysis, thermographic signal reconstruction, dynamic thermography standardization, principle component analysis, neural networks especially deep learning and data synthesis. The use of selected special methods of thermogram processing are shown on the example of pulsed thermography (with the source of thermal stimulation of the examined samples by means of a flash lamp) and

8 ultrasonic thermography. The examples presented in this paper show the role that thermogram processing can play by using special methods for detecting a defect in tested materials. The dissertation is completed with the conclusions and the directions of further research.