纖維束編輯管線熱傳導(dǎo)規(guī)律的紅外成像研究

1熱傳導(dǎo)規(guī)律實(shí)驗(yàn)碳碳復(fù)合材料（cfrp）是一種高性能的結(jié)構(gòu)材料，具有強(qiáng)度高、重量輕、熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于民用和軍事領(lǐng)域，尤其是在航空航天領(lǐng)域。紅外熱成像(IRT)無損檢測(cè)技術(shù)能夠采集物體表面的紅外熱輻射信號(hào),通過信號(hào)處理和熱圖像分析等手段,獲取物體的熱傳導(dǎo)系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)等信息,此項(xiàng)技術(shù)已逐步用于航空領(lǐng)域復(fù)合材料開膠、脫膠、斷層等無損檢測(cè)本文利用紅外熱成像技術(shù),對(duì)編織CFRP試件進(jìn)行熱傳導(dǎo)規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究,將光源調(diào)制激光掃描頻率控制在0.1~100Hz。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,熱波在CFRP平面內(nèi)的熱擴(kuò)散分布與纖維束編織方向有密切關(guān)系,在整個(gè)平面內(nèi)呈同心橢圓的規(guī)律變化。當(dāng)激光調(diào)制頻率小于2Hz時(shí),可以計(jì)算出CFRP各平面方向上的熱擴(kuò)散系數(shù)。2t熱波的傳播當(dāng)光源調(diào)制激光投射到材料表面時(shí),材料表面會(huì)產(chǎn)生溫度場(chǎng)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(nèi)溫度T式中T熱波在材料內(nèi)部的傳播衰減很快,其傳播距離與調(diào)制頻率有關(guān),可表示為式中μ為熱擴(kuò)散長度,α為熱擴(kuò)散系數(shù),l為μ的倒數(shù)。在所測(cè)任一點(diǎn)處,相位θ與熱源距離x成反比,可表示為根據(jù)(2)式和(3)式,可將熱擴(kuò)散系數(shù)α表示為在理想狀態(tài)下,紅外輻射相位信號(hào)呈高斯分布,其平面內(nèi)分布函數(shù)為式中θ若已知θ3實(shí)驗(yàn)3.1cfrp結(jié)構(gòu)上的a和b點(diǎn),僅北面下方向?yàn)橹?左下方向?yàn)楦泵荜P(guān)系,a和b點(diǎn),b點(diǎn)為副織構(gòu),a和b點(diǎn),b點(diǎn)為副織構(gòu)。c實(shí)驗(yàn)所用CFRP試件由20層平紋編織碳纖維預(yù)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?yàn)闄M向(0°),平行于經(jīng)紗的方向?yàn)榭v向(90°),沿著左上往右下方向?yàn)橹鲗?duì)角線方向(45°),沿著右上往左下方向?yàn)楦睂?duì)角線方向(135°)?？紤]到編織CFRP的具體結(jié)構(gòu),選取CFRP試件上A和B兩個(gè)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),這兩個(gè)點(diǎn)都位于縱向纖維束和橫向纖維束的交點(diǎn)中心,區(qū)別在于A點(diǎn)處熱波沿著纖維束第一層橫向第二層縱向傳導(dǎo),而B點(diǎn)處熱波沿著纖維束第一層縱向第二層橫向傳導(dǎo),依此類推。CFRP試件中環(huán)氧樹脂約占總質(zhì)量的40%,孔隙率為5.30%,尺寸為40mm×20mm×4.66mm。3.2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成用于CFRP試件的熱性能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)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(qū)動(dòng)器(LDC210C,Thorlabs)、鎖相放大器(SR850)、冷卻控制器和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)組成。激光經(jīng)驅(qū)動(dòng)器調(diào)制后,直接投射到試件表面,試件產(chǎn)生的紅外輻射相位信號(hào)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(hào)由電腦記錄處理。為了提高采集信號(hào)的靈敏度和信噪比,應(yīng)適當(dāng)增大光源強(qiáng)度,控制調(diào)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)采集信號(hào)的影響,以玻璃碳作為參考材料進(jìn)行相同的實(shí)驗(yàn),并作規(guī)格化處理;再對(duì)得到的圖像信號(hào)進(jìn)行高斯濾波,去除噪聲。4灰質(zhì)相位圖像當(dāng)激光調(diào)制頻率為0.1Hz時(shí),CFRP試件在A點(diǎn)處的三維及灰質(zhì)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(gè)像素點(diǎn)組成,激光加熱點(diǎn)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(diào)制頻率下分布分析CFRP試件A點(diǎn)處的橫向熱擴(kuò)散,紅外輻射相位信號(hào)在不同激光調(diào)制頻率下的分布如圖4所示。從圖中可以看出,不同激光調(diào)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(diào)制頻率對(duì)rp熱擴(kuò)散的影響圖5所示為CFRP試件A點(diǎn)處在不同激光調(diào)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(diào)制頻率的增加而減小,并呈現(xiàn)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(kuò)散長度μ隨著調(diào)制頻率f增加而減小,因此橢圓等高線的離心率隨著調(diào)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(dāng)激光調(diào)制頻率為10Hz時(shí),CFRP試件A點(diǎn)處的紅外輻射相位信號(hào)在4個(gè)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(duì)角線方向及副對(duì)角線方向上的熱擴(kuò)散分布都不同,證明了層壓會(huì)導(dǎo)致CFRP材料內(nèi)部的不均勻性,符合CFRP各向異性的特點(diǎn),并且橫、縱方向上相位梯度接近,主、副對(duì)角線方向上相位梯度接近。4.3cfrp熱傳導(dǎo)系數(shù)測(cè)試分析CFRP試件在A點(diǎn)處的橫向和縱向熱擴(kuò)散系數(shù)α與激光調(diào)制頻率f之間的關(guān)系,結(jié)果如圖7所示。從圖中可以看出,當(dāng)f>2Hz時(shí),熱擴(kuò)散系數(shù)α急劇增大。實(shí)際上,熱擴(kuò)散系數(shù)只與材料導(dǎo)熱系數(shù)、密度和比熱容有關(guān),在溫度變化不大的情況下,熱擴(kuò)散系數(shù)不會(huì)發(fā)生突變。根據(jù)文獻(xiàn)[12]求得的CFRP在厚度方向的熱擴(kuò)散系數(shù),由(2)式計(jì)算出調(diào)制頻率為2Hz和4Hz時(shí)的熱擴(kuò)散長度μ分別為0.25mm和0.17mm,而試件的單層預(yù)浸料疊層厚度為0.23mm,因此當(dāng)激光調(diào)制頻率大于4Hz時(shí),激光不能穿透一個(gè)CFRP碳纖維預(yù)浸料疊層,此時(shí)所得紅外輻射信號(hào)不能完整地反映CFRP的熱傳導(dǎo)性質(zhì)。調(diào)制頻率f<2Hz時(shí),激光可以至少穿透一個(gè)疊層。取0.1~2Hz內(nèi)4個(gè)調(diào)制頻率下計(jì)算的熱擴(kuò)散系數(shù)的平均值作為試件的熱擴(kuò)散系數(shù)。分析CFRP試件A和B兩點(diǎn)的數(shù)據(jù),得到4個(gè)方向上的熱擴(kuò)散系數(shù)α如表1所示。從表中可以看出,試件在纖維束編織平面內(nèi)各方向上的熱擴(kuò)散系數(shù)都不相同,其中沿預(yù)浸料上層纖維束編織方向的熱擴(kuò)散系數(shù)最大,沿預(yù)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(dǎo)方向上樹脂及空隙的多少對(duì)熱擴(kuò)散系數(shù)有直接的影響。另外,A點(diǎn)處0°和90°方向的α值分別與B點(diǎn)處90°和0°方向α值一致,可見碳纖維編織方式會(huì)影響材料編織平面內(nèi)的熱傳導(dǎo)。5纖維束平面方向的熱擴(kuò)散系數(shù)測(cè)量電子規(guī)范依據(jù)根據(jù)激光調(diào)制加熱原理,采用紅外熱成像技術(shù)對(duì)編織CFRP進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。結(jié)果表明,CFRP獨(dú)特的編織結(jié)構(gòu)使其具有各向異性特點(diǎn)。CFRP在