194 Krzysztof GOR CY, Ryszard PILAWKA Krzysztof GOR CY, Ryszard PILAWKA Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie Wydzia³ Technologii i In ynierii Chemicznej, Instytut Polimerów Wykorzystanie promieniowania terahercowego do badania wad kompozytów polimerowych Streszczenie. Celem pracy jest przedstawienie kolejnych mo liwoœci wykrywania wad kompozytów polimerowych z zastosowaniem promieniowania elektromagnetycznego w zakresie terahercowym. Przebadano kompozyty poliestrowo-szklane, poliestrowo-bazaltowe oraz z przek³adkami lekkimi wykonane metod¹ laminowania rêcznego. Sprawdzono mo liwoœci wykrywania wad o wielkoœciach 1 do 5 mm oraz naciêæ w przek³adkach lekkich. Przedstawiono nowe sposoby obrazowania wyników badañ. USE OF THE THZ WAVES FOR INVESTIGATION OF COMPOSITE MATERIALS DEFECTS Summary. In this paper the new possibilities of use of THz electromagnetic waves for detection of polymer composite defects were investigated. There were glass polyester, basalt polyester and composites with lightweight spacer investigated. Composite materials were made by hand lay up. There were tested the possibilities of detection of cut in spacer and defects with size 1 to 5 mm. The new way of THz signal imaging were also presented. 1. Charakterystyka promieniowania terahercowego W poprzednich publikacjach [1-5] opisano mo liwoœci wykorzystania promieniowania THz do wykrywania wad kompozytów polimerowych. Po udoskonaleniu stanowiska badawczego kompozyty mo na badaæ w trybie promieniowania odbitego, ale z zastosowaniem oddzielnych g³owic; emituj¹cej i odbieraj¹cej promieniowanie. Do badañ zastosowany zosta³ spektrometr T-Ray 4000 firmy Picometrix. Metoda impulsowej terahercowej spektroskopii czasowej polega na generowaniu fal o czêstotliwoœci w zakresie 100 GHz do 10 THz, co odpowiada d³ugoœci fali 3mm 30μm. Obejmuje to obszar widma pomiêdzy mikrofalami, a podczerwieni¹. Promieniowanie to przenika przez materia³y niemetaliczne, a odbijane jest przez metale i materia³y przewodz¹ce pr¹d elektryczny. Dziêki temu promieniowanie terahercowe nadaje siê do inspekcji wielu materia³ów stosowanych w technice. 2. Techniki obrazowania Jak opisano w [1] podczas badania materia³u falami THz w trybie odbiciowym obiekt naœwietla siê impulsow¹ wi¹zk¹ terahercow¹. Impuls promieniowania odbija siê od granic faz tzn. powietrze obiekt badany, obiekt badany powietrze oraz od granic miêdzy warstwami wzmocnienia. Defekt tworzy dodatkowe granice faz, które odbijaj¹ promieniowanie elektromagnetyczne. Po³o enie defektu mo na okreœliæ mierz¹c opóÿnienie czasowe impulsów docieraj¹cych do odbiornika. Wyniki pomiarów mog¹ byæ przedstawione za pomoc¹ technik obrazowania okreœlanych, jako: A-scan; pomiar pojedynczego punktu, B-scan; zbiór punktów pomiarowych wzd³u jednej linii, C-scan; zestawienie obrazów na okreœlonej g³êbokoœci. W prezentowanej pracy przedstawiono dodatkowe obrazy wad uzyskane dziêki przetworzeniu sygna³u diagnostycznego. Na rysunkach przedstawiaj¹cych wady materia³ów oznaczono je jako: maxval wartoœæ maksymalna sygna³u A-scan w punkcie (x, y), minval wartoœæ minimalna sygna³u A-scan w punkcie (x, y), maxmin odleg³oœæ miêdzy pikami sygna³u o maksymalnej i minimalnej wartoœci, sumabs ca³ka z modu³u wartoœci sygna³u miêdzy pierwszym i ostatnim pikiem odbitym od wady. Te dodatkowe obrazy pozwalaj¹ na uzyskanie obrazu wady bez szczegó³owej analizy ich po³o enia (g³êbokoœci) przy pomocy C-scan i w niektórych przypadkach u³atwiaj¹ wykrycie wady oraz daj¹ ³atwiejszy do zinterpretowania obraz wad kompozytu. 3. Badane materia³y Badane kompozyty wykonano metod¹ laminowania rêcznego wykorzystuj¹c nastêpuj¹ce materia³y; ywica poliestrowa Chromoplast GP 2000 firmy Scott Bader, inicjator Luperox K12G, tkanina szklana FGE 115 firmy Formax, gramatura 900 g/m 2, uùoýenie warstw 0/-45/+45, tkanina bazaltowa o gramaturze 200 g/m 2, przek³adka Spherecore SP 4 o gruboœci 4 mm w³ókna szklane z termoplastycznymi mikrobalonami, gramatura 200 g/m 2, przek³adka Nidaplast o gruboœci 10 mm termoplastyczna struktura plastra miodu, powierzchnia pokryta tkanin¹ poliestrow¹ umo liwiaj¹c¹ laminowanie. Laminat A Wykonano z trzech warstw tkaniny szklanej FGE 115, przy czym warstwa œrodkowa uszkodzona by³a przez nawiercenie otworów o œrednicach 1, 2, 3, 4, 5 mm. Nawiercano w szeregu po piêæ otworów o jednakowej œrednicy.
Wykorzystanie promieniowania terahercowego do badania wad kompozytów polimerowych 195 Rys. 1. Laminat A poliestrowo szklany. Obraz otworów o œrednicach 1i2mm. Laminat B Wykonano z 10 warstw tkaniny bazaltowej, przy czym warstwa 5 uszkodzona by³a przez nawiercenie otworów o œrednicach 1, 2, 3, 4, 5 mm. Nawiercano w szeregu po piêæ otworów o jednakowej œrednicy. Laminat C Wykonano z uk³adaj¹c kolejno: warstwê tkaniny bazaltowej, przek³adkê lekk¹ Spherecore SP 4, warstwê tkaniny bazaltowej, przek³adkê lekk¹ Spherecore SP 4, warstwê tkaniny bazaltowej. Uszkodzenie polega³o na wyko-
196 Krzysztof GOR CY, Ryszard PILAWKA Rys. 2. Laminat B poliestrowo bazaltowy. Obraz otworów o œrednicach 1, 2, 3, 4, 5 mm. naniu w jednej przek³adce naciêcia no em na ca³ej gruboœci przek³adki. Laminat D Wykonano laminuj¹c materia³ sk³adaj¹cy siê z dwóch warstw tkaniny szklanej FGE 115 i umieszczonej pomiêdzy nimi przek³adki Nidaplast o gruboœci 10 mm. Uszkodzenie polega³o na wykonaniu wgniecenia w przek³adce przed jej zalaminowaniem. 4. Wyniki badañ Kompozyty z defektami struktury zbadano przy pomocy fal THz. Wyniki pomiarów zestawiono na rysunkach 1 4. Uzyskano wyraÿne obrazy wad w przypadku otworów o œrednicach od 1 do 5 mm. Wady te by³y widoczne dla kompozytów poliestrowo szklanych i poliestrowo-bazaltowych. Najlepsze obrazy wad, widoczne za-
Wykorzystanie promieniowania terahercowego do badania wad kompozytów polimerowych 197 Rys. 3. Laminat C, poliestrowo szklany z przek³adkami lekkimi. Obraz naciêcia przek³adki. równo na B-scan jak i na C-scan uzyskano dla kompozytu z w³óknami bazaltowymi. Równie przetworzony sygna³ diagnostyczny dawa³ najlepsze wyniki dla tych materia- ³ów, mimo i wady by³y tu wykonane na bardzo ma³ej gruboœci. Wykryto równie wady wykonane w przek³adkach lekkich, choæ nie uzyskano ich wyraÿnego obrazu przy pomocy obrazowania B scan. Wa n¹ zalet¹ promieniowania THz wydaje siê byæ mo liwoœæ wykrywania naciêæ w przek³adkach lekkich. Wykryto równie wgniecenie w przek³adce typu plaster miodu, choæ wydaje siê, e ten sygna³ by³ w wiêkszym stopniu spowodowany odbiciem promieniowania od nierównoœci powierzchni spowodowanej wgnieceniem przek³adki ni od delaminacji wywo³anej tym wgnieceniem.
198 Krzysztof GOR CY, Ryszard PILAWKA Rys. 4. Laminat D, poliestrowo szklany z przek³adk¹ lekk¹ Nidaplast. Obraz wgniecenia przek³adki. 5. Wnioski Nieniszcz¹ca metoda badania kompozytów polimerowych przy u yciu promieniowania terahercowego w trybie odbiciowym pozwala na wykrycie wad kompozytów ze wzmocnieniem z w³ókna szklanego i bazaltowego o wielkoœciach ok. 1 mm. Mo liwe jest tak e wykrywanie wad w kompozytach z przek³adkami lekkimi i to tak niewielkich jak naciêcie no em. Jest to nowa mo liwoœæ zastosowania tej metody. Poza typowymi sposoba-
Wykorzystanie promieniowania terahercowego do badania wad kompozytów polimerowych 199 mi obrazowania mo liwe jest dodatkowe przetworzenie sygna³u diagnostycznego, co w pewnych przypadkach u³atwia znalezienie wady materia³u. Prace wykonane w ramach projektu badawczego MNiSzW nr N 510 538039 Bibliografia: 1. Gor¹cy K.: Ocena mo liwoœci wykorzystania promieniowania terahercowego do badania wad kompozytów polimerowych, Polimery i kompozyty konstrukcyjne, Monografia (pod red. G. Wróbel) Cieszyn 2010, 131-139 2. Gor¹cy K., opato P., Chady T.; Badanie wad eksploatacyjnych laminatów z wykorzystaniem promieniowania terahercowego, Materia³y Polimerowe 2010 (pod red. T. Spychaj, S. Spychaj), Wydawnictwo Uczelniane Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie, Szczecin 2010, 251-256 3. opato P., Chady T., Gor¹cy K.; Image and Signal Processing Algorithms for THz Imaging of Composite Materials, Konferencja, Review of Progress in Quantitative NDE, University of Rhode Island, Kingston, USA 26-31.07.2009 4. K. Gor¹cy, R. Pilawka: Teraherz frequencies electromagnetic waves a new tool for investigation of composite defects. Kompozyty 11, 2011, 75-80 5. T. Chady, P. opato, K. Gor¹cy, R. Pilawka, P. Baniukiewicz: THz Imaging Based Catalog of Composite Materials Defects. 38th Annual Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation. July 17-22, 2011, University of Vermont, Burlington, Vermont, U.S.A.