ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΚΑΙ ΑΕΡΟΝΑΥΠΗΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΚΑΙ ΑΝΤΟΧΗΣ ΥΛΙΚΩΝ ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΑΤΕΛΕΙΩΝ ΚΑΙ ΒΛΑΒΗΣ ΣΕ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΜΕ ΤΗΝ ΜΕΘΟΔΟ ΤΗΣ IN-SITU ΘΕΡΜΟΓΡΑΦΙΑΣ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΑΛΕΞΑΝΔΡΑ ΧΡΥΣΑΦΗ, Α.Μ: 6227 ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ: Κ. ΤΣΕΡΠΕΣ, ΕΠΙΚΟΥΡΟΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΠΑΤΡΑ ΙΟΥΛΙΟΣ, 2016

2 Ευχαριστίες Στο σημείο αυτό θα ήθελα να ευχαριστήσω τους καθηγητές μου κ. Κωνσταντίνο Τσερπέ για συνεργασία μας και την επιστημονική υποστήριξη που μου προσέφερε και τον κ. Νικόλαο Σιακαβέλλα για τις ανεκτίμητες γνώσεις που μου μετέδωσε και την συνεργασία μας σχετικά με την θερμογραφία. Θα ήθελα επίσης να ευχαριστήσω τον κ. Αντώνη Σταμόπουλο, υποψήφιο διδάκτορα για την βοήθεια του κατά την εκτέλεση των πειραμάτων. Τέλος θα ήθελα να ευχαριστήσω την οικογένεια μου και τους φίλους μου που βρίσκονται πάντα δίπλα μου. Αλεξάνδρα Π. Χρυσάφη

3 To myself I am only a child playing on the beach, while vast oceans of truth lie undiscovered before me. Isaac Newton

4 Περιεχόμενα 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ Εισαγωγή Σύνθετα υλικά ενισχυμένα με ίνες Βλάβες στα σύνθετα υλικά Κενά και πορώδες Εφελκυσμός και κόπωση σε σύνθετα υλικά ενισχυμένα με ίνες Εφελκυσμός Κόπωση Μη καταστροφικός έλεγχος σε σύνθετα υλικά Σύγκριση θερμογραφίας με άλλες μεθόδους ΜΚΕ για τα σύνθετα υλικά ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΤΗΣ ΘΕΡΜΟΓΡΑΦΙΑΣ Μετάδοση θερμότητας Χαρακτηρισμός υλικών με την θερμογραφία Περιγραφή της θερμογραφίας παλμού ΑΝΑΛΥΣΗ ΣΗΜΑΤΟΣ ΨΗΦΙΑΚΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΕΙΚΟΝΑΣ Αφαίρεση εικόνας ή Differentiated absolute contrast, DAC Μετασχηματισμός top-hat ΠΕΙΡΑΜΑΤΑ Χαρακτηριστικά των δοκιμίων Πειραματική διαδικασία Πείραμα εφελκυσμού Πείραμα κόπωσης Ψηφιακή επεξεργασία εικόνων ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Εισαγωγή Προσδιορισμός αρχικών βλαβών Αποτελέσματα πειραμάτων εφελκυσμού Πείραμα κόπωσης ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ... 66

5 Λίστα εικόνων Εικόνα 2.1 Κατανομή υλικών στο AIRBUS 350 WWB....5 Εικόνα 2.2 Ρωγμή στην μήτρα, θραύση ινών και διαστρωματική αποκόλληση....9 Εικόνα 2.3 Κενά και πορώδες εντός και μεταξύ των στρώσεων [3] Εικόνα 2.4 Ρωγμές σε κάθετα στις ίνες σε στρώση 90 ο σε υλικό [0/90] Εικόνα 5.1 Εικόνα πορώδους με την μέθοδο CT. (a) δείγμα αναφοράς, (b) δείγμα ελάχιστου πορώδους, (c) δείγμα μέτριου πορώδους, (d) δείγμα εκτεταμένου πορώδους. Μερικοί από τους πόρους υποδεικνύονται με κόκκινα βέλη [26] Εικόνα 5.2 Διαστάσεις των δοκιμίων και η επιφάνεια τους μετά την βαφή Εικόνα 5.3 Πειραματική διάταξη της μεθόδου ακουστικών υπερήχων (Ultrasonic C-Scan) Εικόνα 5.4 Μηχανή και πειραματική διάταξη πειράματος εφελκυσμού. (a) μηχανή εφελκυσμού, (b) υπέρυθρη κάμερα, (c) λαμπτήρας, (d) PC Εικόνα 5.5 Μηχανή κόπωσης MTS και τοποθετημένο δοκίμιο Εικόνα 5.6 Πειραματική διάταξη. (a) μηχανή κόπωσης, (b) κάμερα υπερύθρων, (c) φορητός υπολογιστής για την καταγραφή των δεδομένων της κάμερας, (d) λαμπτήρας, (e) σύστημα ελέγχου θερμικών παλμών (αριστερά). Στιγμιότυπο από το πείραμα (δεξιά) Εικόνα 5.7 Εικόνα όπως λαμβάνεται από την θερμοκάμερα (αριστερά). Το δοκίμιο μετά την αποκοπή των σημείων (δεξιά) Εικόνα 6.1 Ανίχνευση των αρχικών βλαβών στο δοκίμιο 1 με την μέθοδο της θερμογραφίας και των ακουστικών υπερήχων Εικόνα 6.2 Ανίχνευση των αρχικών βλαβών στο δοκίμιο 2 με την μέθοδο της θερμογραφίας και των ακουστικών υπερήχων Εικόνα 6.3 Ανίχνευση των αρχικών βλαβών στο δοκίμιο 3 με την μέθοδο της θερμογραφίας και των ακουστικών υπερήχων Εικόνα 6.4 Ανίχνευση των αρχικών βλαβών στο δοκίμιο 4 με την μέθοδο της θερμογραφίας και των ακουστικών υπερήχων Εικόνα 6.5 Εξέλιξη των βλαβών του δοκιμίου 1 κατά την διάρκεια του πειράματος εφελκυσμού.. 57 Εικόνα 6.6 Εξέλιξη των βλαβών του δοκιμίου 2 κατά την διάρκεια του πειράματος εφελκυσμού.. 58 Εικόνα 6.7 Εξέλιξη των βλαβών του δοκιμίου 3 κατά την διάρκεια πειράματος κόπωσης Εικόνα 6.8 Θερμογραφία και C-Scan κατά την διάρκεια του πειράματος κόπωσης στο δοκίμιο Λίστα Πινάκων Πίνακας 3-1 Θερμικές ιδιότητες διάφορων υλικών [3] Πίνακας 5.1 Συγκεντρωτικός πίνακας δοκιμών Λίστα σχημάτων Σχήμα 2.1 Συσσώρευση βλάβης D σε πολύστρωτα ινώδη σύνθετα υλικά [6] Σχήμα 2.2 Δοκίμιο για πείραμα εφελκυσμού [3] Σχήμα 2.3 Αναπαράσταση του εγκάρσιου εφελκυσμού σε μονοδιευθυντικό σύνθετο υλικό Σχήμα 2.4. Η διακύμανση στο μέτρο ελαστικότητας (a) και στην αντοχή (b) για CFRP για διάφορες γωνίες διεύθυνσης ινών [2] Σχήμα 2.5 Τάση συναρτήσει του χρόνου σε ένα πείραμα κόπωσης [4] Σχήμα 2.6 Ακουστικοί υπέρηχοι με through transmission μέθοδο και με την pulse echo μέθοδο [3]

6 Σχήμα 3.1 Περιοχές υπέρυθρου που λειτουργούν οι υπέρυθρες κάμερες(χαμηλά, μέτρια και υψηλά μήκη κύματος Σχήμα 3.2 Ένα απλό θερμογραφικό σύστημα ενεργητικής θερμογραφίας Σχήμα 3.3 Πειραματική διάταξη για την θερμογραφία παλμού [18] Σχήμα 3.4 Εξέλιξη της θερμοκρασίας (a) σε 3D πίνακα, (b) το θερμοκρασιακό προφίλ για μία περιοχή με βλάβη( κόκκινη γραμμή) και μία υγιή περιοχή (μπλε γραμμή) [18] Σχήμα 4.1 Σχηματική αναπαράσταση της συστολής [25] Σχήμα 4.2 Σχηματική αναπαράσταση της διαστολής [25] Σχήμα 5.1 Οι κύκλοι curing για την δημιουργία των διαφορετικών επιπέδων πορώδους [6] Σχήμα 5.2 Η επίδραση της αύξησης του ρυθμού φόρτισης και της θερμοκρασίας στην καμπύλη τάσης παραμόρφωσης για πολυμερική μήτρα [4] Σχήμα 5.3 Σχηματική αναπαράσταση της διαδικασίας επιλογής frame Σχήμα 6.1 Γράφημα τάσης-παραμόρφωσης για τα δύο δοκίμια

7

8 Περίληψη Στην παρούσα εργασία εξετάζεται η μέθοδος της ενεργητικής θερμογραφίας για τον μη καταστροφικό έλεγχο δοκιμίων σύνθετων υλικών πολυμερικής μήτρας με ίνες άνθρακα (Carbon Fiber Reinforced Plastics). Συγκεκριμένα χρησιμοποιείται η θερμογραφία παλμού. Στόχος είναι να αξιολογηθεί η μέθοδος αυτή για την ανίχνευση των αρχικών ατελειών και βλαβών αλλά και να καταγραφεί η εξέλιξη τους κατά την διάρκεια πειραμάτων εφελκυσμού και κόπωσης. Ταυτόχρονα η μέθοδος συγκρίνεται με την μέθοδο ακουστικών υπερήχων για την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων της. Πρώτα εντοπίζονται οι αρχικές ατέλειες και βλάβες των δοκιμίων αυτών με την μέθοδο της θερμογραφίας και των ακουστικών υπέρηχων. Τα δοκίμια περιέχουν πόρους ως αποτέλεσμα της κατασκευής τους στον αυτόκλειστο φούρνο. Η θερμογραφία, όπως προκύπτει από την σύγκριση με τους ακουστικούς υπέρηχους, εντοπίζει μόνο τους μεγαλύτερους πόρους. Σε περιοχές που υπάρχουν μικρότεροι πόροι μπορεί να εντοπίσει μία ενιαία περιοχή με διαφορετικές ιδιότητες από το υπόλοιπο υλικό. Στην συνέχεια πραγματοποιούνται πειράματα εφελκυσμού και κόπωσης και η θερμογραφία καταγράφει επιτόπου (in situ) την κατάσταση των δοκιμίων κατά την διάρκεια της φόρτισης. Οι εικόνες που λαμβάνονται από την κάμερα υπερύθρων περιέχουν θόρυβο. Για τον λόγο αυτό εφαρμόζεται ψηφιακή επεξεργασία με την μέθοδο αφαίρεσης εικόνων και τον μετασχηματισμό top-hat για να αναδειχθούν οι πληροφορίες για τις βλάβες που περιέχουν. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι όσο αφορά τον εφελκυσμό μπορεί να εντοπίσει την αύξηση του μεγέθους των μεγάλων πόρων και των διαστρωματικών αποκολλήσεων. Στην κόπωση η ενεργητική θερμογραφία παλμού μπορεί να εντοπίσει τις εσωτερικές βλάβες σε όλη την διάρκεια της φόρτισης δεν μπορεί όμως να καταγράψει επακριβώς την εξέλιξη τους. Αυτό οφείλεται στην εκλυόμενη θερμότητα λόγω της κόπωσης που επηρεάζει την απόδοση της ενεργητικής θερμογραφίας. Η μέθοδος αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί όμως για μία αρχική ποιοτική εκτίμηση των βλαβών επιτόπου.

9 1

10 2 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η αυξανόμενη χρήση των σύνθετων υλικών σε διάφορους βιομηχανικούς κλάδους έχει οδηγήσει στην ανάπτυξη νέων μεθόδων μη καταστροφικού ελέγχου (non-destructive testing, NDT) για τον έλεγχο των εξαρτημάτων και των κατασκευών, τόσο κατά το στάδιο παραγωγής όσο και κατά την λειτουργία της. Στον τομέα της αεροναυπηγικής τα σύνθετα υλικά ενισχυμένα με ίνες άνθρακα (Carbon Fiber Reinforced Polymers) είναι τα πιο ελκυστικά υλικά μαζί με αναβαθμισμένα κράματα αλουμινίου γιατί προσφέρουν υψηλή αντοχή με χαμηλό βάρος. Χαρακτηριστικά παραδείγματα είναι το Airbus A350 XWB και το Boeing 787 Dreamliner τα οποία είναι κατασκευασμένα από 52% και 50% σύνθετα υλικά αντίστοιχα. Προκύπτει έτσι η ανάγκη για προηγμένες μεθόδους μη καταστροφικού ελέγχου που θα έχουν εύκολη λειτουργικότητα, γρήγορη επιθεώρηση μεγάλων επιφανειών και περίπλοκων γεωμετριών, παρακολούθηση κατά την λειτουργία (in situ). Αυτές οι απαιτήσεις μπορούν να καλυφθούν από την θερμογραφία και τα τελευταία χρόνια γίνονται μεγάλες προσπάθειες να βελτιωθεί αυτή η τεχνική. Η θερμογραφία έχει την δυνατότητα να εξετάζει ένα μεγάλο εύρος υλικών συμπεριλαμβανομένων των μεταλλικών και των σύνθετων υλικών. Ειδικότερα στα πολύστρωτα ινώδη υλικά μπορεί να ανιχνεύσει πληθώρα βλαβών της διαστρωματικές αποκολλήσεις, βλάβη λόγω κρούσης, ρωγμές και διάβρωση. Ενώ όσο αφορά την αεροδιαστημική η θερμογραφία χρησιμοποιείται σε έναν συνεχώς αυξανόμενο αριθμό εφαρμογών, μάλιστα σε κάποιες είναι η κυρίαρχη μέθοδος NDT. Συνήθης βλάβη κατά την κατασκευή των CFRPs υλικών είναι η δημιουργία πορώδους ή κενών και οφείλεται της συνθήκες πίεσης που επικρατούν στον αυτόκλειστο θάλαμο. Οι πόροι αυτοί ανάμεσα της στρώσεις μπορούν να εξελιχθούν σε διαστρωματικές αποκολλήσεις κατά την φόρτιση και να οδηγήσουν σε αστοχία του εξαρτήματος ή της κατασκευής. Η μέθοδος που χρησιμοποιείται συχνότερα για την ανίχνευση του πορώδους είναι οι ακουστικοί υπέρηχοι και τα τελευταία χρόνια η αξονική τομογραφία με ακτίνες Χ (Χ-ray computed tomography, CT). Στόχος του πειράματος είναι αρχικά η ανίχνευση μεγάλων πόρων μέσα στο υλικό με την μέθοδο της θερμογραφίας. Στην συνέχεια δοκίμια από CFRP υλικά υπόκεινται σε πειράματα εφελκυσμού και κόπωσης. Σκοπός είναι με την μέθοδο της θερμογραφίας να παρακολουθείται καθ όλη την διάρκεια των πειραμάτων η εξέλιξη των εσωτερικών βλαβών. Στην βιβλιογραφία χαρακτηρίζεται ως in situ (επί τόπου) παρακολούθηση. Η συνεχής παρακολούθηση της εσωτερικής κατάστασης του δοκιμίου είναι κρίσιμης σημασίας για την διασφάλιση της δομικής του ακεραιότητας. Παράλληλα με

11 3 την θερμογραφία χρησιμοποιείται και η μέθοδος των ακουστικών υπερήχων ως η μία πολύ αξιόπιστη μέθοδος για την αξιολόγηση κενών και διαστρωματικών αποκολλήσεων σε σύνθετα υλικά. Η μέθοδος αυτή θα της βοηθήσει να αξιολογήσουμε τα αποτελέσματα που λαμβάνονται από την θερμογραφία. Επιπλέον θα χρησιμοποιηθούν τεχνικές ψηφιακής επεξεργασίας για την βελτίωση των θερμικών εικόνων που λαμβάνονται από την κάμερα υπερύθρων. Στο κεφάλαιο 2 παρουσιάζονται τα κύρια χαρακτηριστικά των CFRPs και οι πιο συνήθεις βλάβες εν συντομία. Στην συνέχεια περιγράφονται τα πειράματα εφελκυσμού και κόπωσης σε σύνθετα υλικά. Τέλος παρατίθενται οι πιο κοινές μέθοδοι μη καταστροφικού ελέγχου που εφαρμόζονται σε σύνθετα υλικά και οι σύγκριση της θερμογραφίας με αυτές σύμφωνα με σχετικές έρευνες. Στο κεφάλαιο 3 παρουσιάζονται οι αρχές της θερμογραφίας και περιγράφεται η χρησιμότητα της όσο αφορά τον χαρακτηρισμό σύνθετων υλικών. Ακολούθως στο κεφάλαιο 4 περιγράφονται οι τεχνικές ψηφιακής επεξεργασίας εικόνας που θα χρησιμοποιηθούν στην συγκεκριμένη έρευνα. Στο κεφάλαιο 5 περιγράφεται λεπτομερώς η πειραματική διαδικασία και στο κεφάλαιο 6 τα αποτελέσματα της ανίχνευσης των αρχικών βλαβών και των πειραμάτων εφελκυσμού και κόπωσης. Τέλος στο κεφάλαιο 7 παρατίθενται τα γενικά συμπεράσματα και προτάσεις για περαιτέρω έρευνα.

12 4 2. ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ 2.1 Εισαγωγή Τα σύνθετα υλικά προέκυψαν από την ανάγκη για μείωση του βάρους και βελτίωση της απόδοσης των εξαρτημάτων και των κατασκευών. Χαρακτηριστικά τους όπως η αντίσταση στην διάβρωση, η ανθεκτικότητα σε κόπωση και οι προσαρμόσιμες ιδιότητες τους έχουν συμβάλει στην χρήση τους σε πληθώρα εφαρμογών. Τα υλικά αυτά έχουν υψηλή αντοχή και δυσκαμψία, που συνδυασμένες με χαμηλή πυκνότητα επιτρέπουν την μείωση του βάρους της κατασκευής. Αυτό έχει σαν συνέπεια την εξοικονόμηση ενέργειας. Έτσι το χαρακτηριστικό μέγεθος των νέων υλικών είναι οι υψηλές, σε σχέση με τα παραδοσιακά υλικά τιμές του λόγου αντοχής / βάρος [1]. Τα προηγμένα σύνθετα υλικά παρέχουν ακόμη επαρκή επίπεδα ανοχής στην βλάβη. Ωστόσο οι ατέλειες και οι βλάβες εξακολουθούν να υπάρχουν και σε αυτά και η αξιολόγηση αυτών είναι κρίσιμη για την δομική ακεραιότητα των κατασκευών. Τα σύνθετα υλικά αποτελούν την σύνθεση τουλάχιστον δύο υλικών με διαφορετικές ιδιότητες. Οι συνιστώσες του κάθε υλικού παραμένουν διακριτές στη μικροσκοπική και μακροσκοπική κλίμακα. Αποτέλεσμα της σύνθεσης είναι η δημιουργία ενός υλικού που παρουσιάζει συνολικά καλύτερη μηχανική συμπεριφορά σε σχέση με την συμπεριφορά του κάθε συστατικού υλικού ξεχωριστά [2]. Σε αντίθεση μάλιστα με τα μεταλλικά κράματα το κάθε συστατικό διατηρεί τις χημικές, φυσικές και μηχανικές του ιδιότητες. Λόγω των παραπάνω ιδιοτήτων τα σύνθετα υλικά βρίσκουν εφαρμογή σε ποικίλους βιομηχανικούς κλάδους. Οι εφαρμογές των σύνθετων υλικών περιλαμβάνουν την αεροδιαστημική, την αεροναυπηγική, την ναυπηγική, τα αθλητικά ήδη και πρόσφατα τα έργα υποδομής κυρίως τις κτηριακές κατασκευές και τα μέσα μεταφοράς. Γενικά τα ακριβότερα σύνθετα υλικά ενισχυμένα με ίνες που έχουν υψηλή αντοχή και δυσκαμψία, με ταυτόχρονη μείωση του βάρους χρησιμοποιούνται στις πιο απαιτητικές εφαρμογές. Τα στρατιωτικά αεροσκάφη ήταν τα πρώτα που χρησιμοποίησαν υψηλής απόδοσης υλικά και οδήγησαν στην ανάπτυξη της τεχνολογίας και άλλες βιομηχανίες. Τα μεγάλου και μικρού μεγέθους εμπορικά αεροσκάφη βασίζονται στα σύνθετα για να μειωθεί το βάρος τους και κατά συνέπεια να μειωθεί η κατανάλωση καυσίμων. Τα πιο χαρακτηριστικά παραδείγματα είναι το Boeing 787 κατασκευασμένο κατά 50% από σύνθετα υλικά και το Airbus Α350 XWB (Εικόνα 2.1) κατασκευασμένο με ποσοστό 52% από σύνθετα υλικά. Ακόμη τα σύνθετα χρησιμοποιούνται εκτενώς σε κατασκευές που το βάρος παίζει κρίσιμο ρόλο όπως

13 5 στα επαναχρησιμοποιήσιμα αλλά και στα αναλώσιμα μέρη των διαστημικών οχημάτων και των δορυφόρων. Η εξοικονόμηση βάρους λόγω της χρήσης σύνθετων υλικών στις αεροδιαστημικές εφαρμογές κυμαίνεται μεταξύ 15 με 25 τις εκατό. Εικόνα 2.1 Κατανομή υλικών στο AIRBUS 350 WWB. Ομοίως η αυτοκινητοβιομηχανία έχει στραφεί στα σύνθετα υλικά για να αυξήσει την αποδοτικότητα, να μειώσει το βάρος και την χρήση καυσίμου. Από την άλλη πλευρά η ναυπηγική τα χρησιμοποιεί για να αντιμετωπίσει την διάβρωση. Όσο αφορά τις υποδομές η χρήση τους στους δρόμους και στις γέφυρες είναι σχετικά καινούργια εφαρμογή. Τέλος η χρήση τους στα πτερύγια των ανεμογεννητριών αυξάνει την αποδοτικότητα τους και λόγω του χαμηλού λόγου αντοχής/βάρους δεν περιορίζεται το μέγεθος τους και ταυτόχρονα μειώνονται τα προβλήματα διάβρωσης [3]. 2.2 Σύνθετα υλικά ενισχυμένα με ίνες Τα σύνθετα υλικά ενισχυμένα με ίνες (Fiber Reinforced Composites, FRCs) αποτελούνται από ίνες με υψηλή αντοχή και μέτρο ελαστικότητας ενσωματωμένες σε μία μήτρα με ευδιάκριτη διεπιφάνεια μεταξύ τους. Σε αυτή την μορφή οι ίνες και η μήτρα διατηρούν τις φυσικές και χημικές τους ιδιότητες ενώ παράγουν έναν συνδυασμό ιδιοτήτων που δεν θα μπορούσε να επιτευχθεί αν κάποιο από τα συνθετικά δρούσε ανεξάρτητα. Γενικά, οι ίνες είναι το κυρίαρχο μέρος που φέρει τα φορτία, με τη μήτρα να τις κρατάει στην σωστή θέση

14 6 και διεύθυνση, να μεταφέρει τα φορτία μεταξύ τους, να τις προστατεύει από τις περιβαλλοντικές συνθήκες όπως η θερμοκρασία και η υγρασία. Οι ίνες με μεγαλύτερη εμπορική χρήση είναι οι ίνες γυαλιού, άνθρακα, Kevlar 49. Ενώ η μήτρα μπορεί να είναι πολυμερική, μεταλλική ή κεραμική. Η πιο συχνή μορφή στην οποία τα σύνθετα υλικά ενισχυμένα με ίνες χρησιμοποιούνται σε κατασκευαστικές εφαρμογές είναι η στρώση. Η στρώση περιλαμβάνει τη μήτρα και τις ίνες οι οποίες είτε είναι διατεταγμένες παράλληλα είτε είναι πλεγμένες. Όπως αναφέρθηκε παραπάνω οι ίνες είναι το βασικό συστατικό του σύνθετου υλικού που φέρει τα φορτία και έχουν μεγάλο μέτρο ελαστικότητας και αντοχή σε εφελκυσμό. Ο ρόλος της μήτρας είναι κυρίως να υποστηρίζει και να προστατεύει τις ίνες καθώς και να παρέχει το μέσο για την μεταφορά και την κατανομή του φορτίου ανάμεσα στις ίνες. Για την δημιουργία πολύστρωτης πλάκας στοιβάζονται στρώσεις διαφορετικού αριθμού και προσανατολισμού ανάλογα με τις απαιτήσεις που υπάρχουν για τις μηχανικές ιδιότητες της πλάκας [2]. Σε αντίθεση με τα παραδοσιακά υλικά όπως τα κράματα αλουμινίου και χάλυβα, τα σύνθετα υλικά ενισχυμένα με ίνες είναι ανισότροπα, δεν έχουν δηλαδή τις ίδιες ιδιότητες ανεξάρτητα με την διεύθυνση μέτρησης τους. Μία υποκατηγορία των ανισότροπων υλικών είναι τα ορθότροπα των οποίων οι ιδιότητες διαφέρουν σε τρείς κάθετες μεταξύ τους διευθύνσεις. Έχουν τρείς άξονες συμμετρίας και όταν ένα φορτίο εφαρμοστεί παράλληλα σε αυτούς παράγονται μόνο ορθές τάσεις. Όταν το φορτίο δεν εφαρμοστεί παράλληλά εμφανίζονται και διατμητικές. Ως εκ τούτου οι μηχανικές ιδιότητες είναι συνάρτηση του προσανατολισμού. Για παράδειγμα η αντοχή σε εφελκυσμό και το μέτρο ελαστικότητας ενός μονοδιευθυντικού (unidirectional) σύνθετου υλικού ενισχυμένου με ίνες μεγιστοποιούνται στην διεύθυνση των ινών. Σε οποιαδήποτε άλλη διεύθυνση αυτές οι ιδιότητες είναι χαμηλότερες, ενώ οι ιδιότητες ελαχιστοποιούνται στις 90 ο μοίρες από την διεύθυνση των ινών. Το ίδιο συμβαίνει και με άλλες φυσικές και μηχανικές ιδιότητες όπως ο συντελεστής θερμικής διαστολής, η θερμική αγωγιμότητα και η αντοχή σε κρούση. Η πολυδιευθυντική (multidirectional) ενίσχυση επιφέρει μεγαλύτερη ισορροπία στις ιδιότητες, μειώνει όμως τις μέγιστες ιδιότητες. Ο σχεδιασμός μίας ενισχυμένης με ίνες κατασκευής είναι σημαντικά πιο δύσκολος από μία μεταλλική κατασκευή, κυρίως λόγω των διαφορετικών ιδιοτήτων σε διαφορετικές διευθύνσεις. Ωστόσο η ανισότροπη φύση ενός τέτοιου υλικού δημιουργεί την μοναδική δυνατότητα να διαμορφώνονται οι ιδιότητες του ανάλογα με τις απαιτήσεις του σχεδιασμού.

15 7 Αυτή η ευελιξία σχεδιασμού μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να ενισχυθούν επιλεκτικά οι διευθύνσεις μέγιστων τάσεων, να αυξηθεί η δυσκαμψία στην προτιμώμενη διεύθυνση, να παραχθούν δομές με μηδενικό συντελεστή θερμικής διαστολής [4]. 2.3 Βλάβες στα σύνθετα υλικά Με τον όρο βλάβη εννοούμε οποιαδήποτε μη σκόπιμη τοπική διακύμανση από την φυσική κατάσταση ή τις μηχανικές ιδιότητες ενός υλικού ή μιας κατασκευής που μπορεί να επηρεάσει την μηχανική συμπεριφορά του εξαρτήματος. Ενώ ο όρος αστοχία δηλώνει ότι ένα εξάρτημα ή μία κατασκευή είναι ανίκανη να εκτελέσει την κύρια λειτουργία της επαρκώς [5]. Οι βλάβες μπορούν να προκύψουν είτε κατά την κατασκευή είτε κατά την λειτουργία του εξαρτήματος. Έτσι μία πρώτη κατηγοριοποίηση προκύπτει σύμφωνα με την εμφάνιση της βλάβης. Αρχικά θα αναφερθούμε στις βλάβες κατά την κατασκευή. Η κατασκευή των εξαρτημάτων εισαγάγει βλάβες κατά την επίστρωση, την σκλήρυνση, ή την συναρμολόγηση. Οι πιο συνήθεις ατέλειες που εμφανίζονται κατά το στάδιο της επεξεργασίας των υλικών ή της κατασκευής είναι: λανθασμένη κατ όγκο περιεκτικότητα ινών, κακός προσανατολισμός των ινών, σπασμένες ίνες, κακή διαβροχή των ινών από τη μήτρα, κενά ή πορώδες, περιοχές με αυξημένη περιεκτικότητα ρητίνης, κακός ολικός πολυμερισμός, ανομοιόμορφος πολυμερισμός, ανεπιθύμητα κενά σε περιοχές αλλαγής γεωμετρίας, ξένα σώματα όπως λεπτά φύλλα πολυεστέρα που χρησιμοποιούνται για την προστασία των προεμποτισμένων (prepegs). Τέλος, κατά το στάδιο της κατασκευής μπορούν να δημιουργηθούν μικρορωγμές στη μήτρα ή και διαστρωματικές αποκολλήσεις λόγω θερμικών τάσεων. Η κρισιμότητα της κάθε κατασκευαστικής ατέλειας εξαρτάται τόσο από το υλικό, όσο και από τη γεωμετρία της κατασκευής και τα επιβαλλόμενα φορτία. Παρόλο που δεν μπορούν να διατυπωθούν γενικά συμπεράσματα, στις περισσότερες πρακτικές εφαρμογές απαιτείται προσδιορισμός του ποσοστού των πόρων και κενών στο υλικό. Τέλος, γίνεται έλεγχος και προσδιορισμός των διαστρωματικών αποκολλήσεων που θεωρούνται και οι πιο κρίσιμες από τις ατέλειες στο στάδιο της κατασκευής. Κάθε μία από τις προϋπάρχουσες ατέλειες αποτελεί και πιθανό σημείο εκκίνησης για διάδοση της βλάβης κατά τη λειτουργία της κατασκευής, γι' αυτό και τα κριτήρια αποδοχής- απόρριψης του στοιχείου στο στάδιο αυτό πρέπει να καθοριστούν με μεγάλη προσοχή.

16 8 Κατά την διάρκεια ζωής του εξαρτήματος εμφανίζονται βλάβες λόγω της μηχανικής λειτουργίας είτε από εξωτερικούς παράγοντες. Οι πιο συνηθισμένες βλάβες κατά την λειτουργία είναι: Γρατζουνιές (Scratches) που περιορίζονται στο προστατευτικό στρώμα πάνω στο σύνθετο υλικό. Καθώς δεν επηρεάζουν κάποια από τις στρώσεις του πολύστρωτου υλικού, δεν έχουν επίδραση στην αντοχή ή τη δυσκαμψία του υλικού, απαιτείται όμως η επισκευή τους για να προλαμβάνεται η απορρόφηση υγρασίας. Εγκοπές (notches) και ξεφλουδίσματα (chipping) στις εξωτερικές στρώσεις. Η επίδραση αυτού του τύπου βλάβης εξαρτάται από το λόγο βάθους της εγκοπής προς το συνολικό αρχικό πάχος του υλικού. Πιο συγκεκριμένα, για στατικά εφελκυστικά φορτία η μείωση της αντοχής του υλικού είναι ανάλογη με τον αριθμό των στρώσεων που έχουν υποστεί βλάβη. Παρόλα αυτά, υπό την επίδραση δυναμικών φορτίων μπορεί να παρατηρηθεί διάδοση της βλάβης και να αποτελέσει σημείο έναρξης διαστρωματικών αποκολλήσεων. Ρωγμές (cracks) και συγκεκριμένα ρωγμές της μήτρας κατά το πάχος (Εικόνα 2.2). Παρουσιάζουν τοπική συγκέντρωση τάσεων που μπορεί να οδηγήσουν σε θραύση ινών ή διαστρωματικές αποκολλήσεις. Οι ρωγμές στην μήτρα παράγονται από φόρτιση της μήτρας υπό κάποιο φορτίο και μπορούν να εμφανιστούν ακόμη και λόγω χαμηλών φορτίων. Διαστρωματικές αποκολλήσεις (Delaminations): είναι μία από τις πιο συνηθισμένες βλάβες και αποτελούν βλάβη στην μήτρα όπου ρωγμές διαδίδονται μεταξύ των στρώσεων είτε στις ίδιες τις στρώσεις (Εικόνα 2.2). Μπορεί να προκληθούν από στατικά ή δυναμικά φορτία, από χαμηλής ενέργειας κρούσεις, από ελεύθερες ακμές (γεωμετρικά όρια, μικρορωγμές ή κενά) είτε λόγω ρωγμών που διαδίδονται στις διεπαφές των στρώσεων. Η επίδραση της διαστρωματικής αποκόλλησης στις στρώσεις εξαρτάται από το μέγεθος τους, την θέση τους, τον προσανατολισμό της στρώσης και το περιβάλλον. Όσο μεγαλύτερη και σε βαθύτερο σημείο, τόσο μεγαλύτερη η απώλεια αντοχής. Μικρές διαστρωματικές αποκολλήσεις κοντά στην επιφάνεια προκαλούν αμελητέα πτώση της αντοχής. Οι διαστρωματικές αποκολλήσεις είναι δύσκολο να ανιχνευθούν γιατί βρίσκονται εσωτερικά του υλικού. Αποχωρισμός ινών και μήτρας: βλάβη που επιφέρει απώλεια της μετάδοσης των φορτίων και υποβάθμιση των συνολικών ιδιοτήτων της στρώσης (Εικόνα 2.2). Θραύση ινών. Η θραύση των ινών μειώνει σοβαρά την αντοχή σε εφελκυσμό μίας στρώσης.

17 9 Διατρήσεις (Perforations) προκαλούνται από κρούσεις υψηλής ενέργειας. Σε περιπτώσεις που δεν έχουν προκληθεί μεγάλου βάθους διατρήσεις, συχνά εμφανίζονται διαστρωματικές αποκολλήσεις στις υπόλοιπες εσωτερικές στρώσεις. Η επίδραση των διατρήσεων, όπως και των διαστρωματικών αποκολλήσεων είναι πιο επικίνδυνη σε θλιπτικά, παρά σε εφελκυστικά φορτία [5]. Εικόνα 2.2 Ρωγμή στην μήτρα, θραύση ινών και διαστρωματική αποκόλληση. Κατά την κόπωση των σύνθετων υλικών παρατηρείται σταδιακή εμφάνιση πολλών διαφορετικών τύπων βλάβης που συνοψίζονται ως εξής: πρωτεύουσες ρωγμές στη μήτρα (Primary matrix cracking), δευτερεύουσες ρωγμές στη μήτρα ή στη διεπιφάνεια γειτονικών στρώσεων (Secondary matrix cracking), θραύσεις ινών (Fiber breaking), διαστρωματικές αποκολλήσεις (Delamination), αποκόλληση ίνας - μήτρας (Interface Debonding) (Σχήμα 2.1). Η εμφάνιση, η έκταση και η εξέλιξη των τύπων βλάβης είναι συνάρτηση του είδους του υλικού, της αλληλουχίας των στρώσεων και των παραμέτρων φόρτισης. Για παράδειγμα σε μονοαξονικά πολύστρωτα υλικά (unidirectional laminates), δεν εμφανίζονται διαστρωματικές αποκολλήσεις κατά την εφελκυστική φόρτιση, είτε σε ημιστατικά, είτε σε δυναμικά μεταβαλλόμενα φορτία στην διεύθυνση των ινών. Σε αυτή την περίπτωση και όταν οι ίνες είναι παράλληλες στη διεύθυνση του φορτίου, ο κύριος μηχανισμός αστοχίας είναι η θραύση των ινών, ενώ όταν οι ίνες βρίσκονται κάθετα στη διεύθυνση φόρτισης, οι κύριοι μηχανισμοί αστοχίας είναι οι ρωγμές στη μήτρα και οι αποκολλήσεις ίνας-μήτρας σε όλο το πλάτος του δοκιμίου [6].

18 10 Σχήμα 2.1 Συσσώρευση βλάβης D σε πολύστρωτα ινώδη σύνθετα υλικά [6]. 2.4 Κενά και πορώδες Τα κενά και το πορώδες είναι δύο από τα μεγαλύτερα προβλήματα στην κατασκευή συνθέτων. Όπως παρουσιάζεται στην Εικόνα 2.3 τα κενά και οι πόροι μπορούν να εμφανιστούν είτε στο εσωτερικό των στρώσεων (interlaminar) είτε μεταξύ τους (intralaminar). Οι όροι κενά και πορώδες είναι γενικότερα ισοδύναμα στην βιομηχανία, ωστόσο το κενό συνήθως αναφέρεται σε μεγάλου μεγέθους πόρο, ενώ το πορώδες αναφέρεται σε μία σειρά μικρών πόρων. Υπάρχουν δύο βασικοί λόγοι για την δημιουργία κενών και πορώδους: (1) ο εγκλωβισμένος αέρας κατά την κατασκευή των στρώσεων, (2) ανεπαρκής υδροστατική πίεση της ρητίνης η οποία επιτρέπει οποιαδήποτε υγρασία ή πτητικές ουσίες να παραμένουν στην υγρή ρητίνη μέχρι την στερεοποίηση της [3]. Τα κενά ή το πορώδες θεωρούνται αποτέλεσμα κακής ποιότητας υλικού ή ελέγχου της διαδικασίας, γήρανσης, υγρασίας στο προεμποτισμένο υλικό, ή δυσλειτουργία του αυτόκλειστου θαλάμου. Η παρουσία τους υποβαθμίζει τις μηχανικές ιδιότητες του υλικού. Ο βαθμός στον οποίο υποβαθμίζονται οι μηχανικές ιδιότητες εξαρτάται από την περιεκτικότητα, την κατανομή, και το σχήμα. Τα κενά επηρεάζουν την διατμητική αντοχή, την διαμήκη και εγκάρσια αντοχή σε εφελκυσμό, και την αντοχή σε κόπωση.

19 11 Εικόνα 2.3 Κενά και πορώδες εντός και μεταξύ των στρώσεων [3]. Μεγάλος αριθμός αποτελεσμάτων κατέδειξε ότι ανεξάρτητα από τον τύπο ρητίνης, τον τύπο της ίνας και την τυχόν επικάλυψη των ινών, η διαστρωματική διατμητική αντοχή ενός συνθέτου υλικού μειώνεται κατά 7% για κάθε 1% περιεκτικότητα του συνθέτου σε κενά και ότι αυτό συνεχίζεται μέχρι το ποσοστό των 4% σε κενά. Όπως είναι φυσικό και οι υπόλοιπες ιδιότητες κρίνεται έτσι αναγκαίο να εξετάσουμε τον τύπο των κενών, την περιεκτικότητα τους και τους λόγους για τους οποίους εμφανίζονται. Υπάρχουν δύο τύποι κενών: Α) κενά που αναπτύσσονται κατά μήκος της επιφάνειας των ινών και τα οποία μπορεί να είναι σφαιρικά ή ελλειψοειδή. Η διάμετρος αυτών των κενών εξαρτάται από την σχετική απόσταση των ινών και κυμαίνεται στην περιοχή 5-20 μm. Β) κενά τα οποία αναπτύσσονται μεταξύ των στρώσεων και σε περιοχές πλούσιες σε ρητίνη. Παράγοντες που επηρεάζουν την περιεκτικότητα σε κενά και την κατανομή τους είναι: η κατ όγκο περιεκτικότητα των ινών, η κατανομή των ινών, οι ιδιότητες της ρητίνης και οι συνθήκες παραγωγής όπως η θερμοκρασία, η πίεση και ο χρόνος. Μπορούμε να μελετήσουμε τα κενά με την βοήθεια μικροσκοπίων με την βοήθεια μικροφωτογραφιών που λαμβάνονται σε διάφορα σημεία του συνθέτου. Πρόκειται για μία ποιοτική μέθοδο. Μπορούμε επίσης να υπολογίσουμε προσεγγιστικά τον όγκο που καταλαμβάνουν οι πόροι ή τα κενά μέσω τύπων εφόσον γνωρίζουμε το καθαρό βάρος των ινών και της μήτρας. Η απόκλιση του συνολικού βάρους του συνθέτου από το βάρος των

20 12 δύο συστατικών του μας δίνει την περιεκτικότητα σε κενά. Η μέθοδος αυτή χαρακτηρίζεται από ένα σφάλμα ± 0.5%. Τέλος μία άλλη προτεινόμενη μέθοδος είναι αυτή των υπερήχων (ultrasonic scanning technique, C-scan) [1]. 2.5 Εφελκυσμός και κόπωση σε σύνθετα υλικά ενισχυμένα με ίνες Για τα σύνθετα υλικά υψηλής αντοχής που αναπτύχθηκαν πρώτα στην δεκαετία του 1960 αρχικά χρησιμοποιούνταν οι ίδιες μέθοδοι δοκιμών που χρησιμοποιούνταν και για τα ομογενή και ισότροπα μέταλλα. Ωστόσο εφόσον τα σύνθετα είναι μη ομογενή και ανισότροπα ήταν απαραίτητο να αναπτυχθούν ειδικές μέθοδοι δοκιμών. Το πιο αναγνωρισμένο standard σήμερα είναι της American Society for Testing Materials (ASTM). Αυτά τα πρότυπα έπρεπε να λάβουν υπόψιν την ορθοτροπία του υλικού η οποία απαιτεί περισσότερες ιδιότητες από τα ισότροπα υλικά, την δομή των στρώσεων, το γεγονός ότι τα μονοδιευθυντικά (unidirectional) σύνθετα έχουν ιδιαίτερα μεγάλη αντοχή και δυσκαμψία στην διεύθυνση των ινών ενώ είναι πιο αδύναμα και εύκαμπτα στις άλλες διευθύνσεις και την ευαισθησία στην θερμοκρασία και την υγρασία. Τα τεστ χρησιμεύουν για ποικίλους σκοπούς, όπως ο χαρακτηρισμός νέων υλικών, η πιστοποίηση των υλικών για ειδικές κατασκευές, ο έλεγχος της ποιότητας των διαδικασιών παραγωγής. Τυπικές διαδικασίες δοκιμών είναι ο εφελκυσμός, η θλίψη, η κάμψη, η διάτμηση, η διάτμηση σε δοκίμιο με οπή, με κοχλία, η κρούση και η κόπωση Εφελκυσμός Το πείραμα του εφελκυσμού σε μονοδιευθυντικά σύνθετα υλικά αποτελεί πρόκληση γιατί είναι δύσκολο να μεταφερθεί το φορτίο από την μηχανή στο δοκίμιο. Τα τεστ εφελκυσμού είναι εξαιρετικά ευαίσθητα στην ευθυγράμμιση των ινών, ακόμη και μία μικρή απόκλιση λίγων μοιρών επιφέρει χαμηλές τιμές ιδιοτήτων. Επίσης αν χρησιμοποιείται μηχανή με μεταλλικές αρπάγες η αστοχία στο σημείο λαβής είναι πολύ κοινό πρόβλημα. Για τους παραπάνω λόγους χρησιμοποιούνται tabs από ίνες γυαλιού και εποξεική ρητίνη στα δύο άκρα του δοκιμίου όπως φαίνεται στο Σχήμα 2.2. Τα tabs κατανέμουν τις δυνάμεις σύσφιξης και προστατεύουν την επιφάνεια του συνθέτου. Δεδομένου ότι οι δυνάμεις μεταφέρονται με διάτμηση, χρησιμοποιούνται μία μεγάλη περιοχή σύνδεσης και δυνατή κόλλα [3]. Για τα πειράματα εφελκυσμού χρησιμοποιείται το ASTM D3039 standard.

21 13 Σχήμα 2.2 Δοκίμιο για πείραμα εφελκυσμού [3]. Η αντοχή και το μέτρο ελαστικότητας ενός μονοδιευθυντικού υλικού σε εφελκυσμό (Σχήμα 2.3) μειώνεται όσο αυξάνεται η γωνία μεταξύ της διεύθυνσης των ινών και της διεύθυνσης φόρτισης (Σχήμα 2.4). Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι οι ίνες είναι υπεύθυνες για τις παραπάνω ιδιότητες και όταν βρίσκονται υπό γωνία με το φορτίο, παραλαμβάνουν ένα μόνο μέρος του. Σχήμα 2.3 Αναπαράσταση του εγκάρσιου εφελκυσμού σε μονοδιευθυντικό σύνθετο υλικό

22 14 Σχήμα 2.4. Η διακύμανση στο μέτρο ελαστικότητας (a) και στην αντοχή (b) για CFRP για διάφορες γωνίες διεύθυνσης ινών [2]. Η χαμηλή αντοχή σε εφελκυσμό κατά την εγκάρσια διεύθυνση στα ινώδη πολύστρωτα σύνθετα υλικά είναι πολύ σημαντικό πρόβλημα (Σχήμα 2.4). Πάρα τον σχεδιασμό ώστε οι ίνες να είναι προσανατολισμένες παράλληλα με τα εξωτερικά φορτία είναι σχεδόν αδύνατο να αποφύγουμε τις εγκάρσιες τάσεις οι οποίες μπορεί να οδηγήσουν σε πρόωρη αστοχία της πλάκας. Η αντοχή σε εφελκυσμό κατά την εγκάρσια διεύθυνση εξαρτάται από πολλούς παράγοντες που περιλαμβάνουν τις ιδιότητες ίνας και μήτρας, την αντοχή της διεπιφάνειας, την παρουσία και την κατανομή των κενών, τις εσωτερικές κατανομές τάσεων και παραμορφώσεων που οφείλονται στην αλληλεπίδραση μεταξύ των ινών, κενών κτλ. Το πιο σαφές χαρακτηριστικό της εγκάρσιας αντοχής είναι ότι συνήθως είναι μικρότερη από την αντοχή του υλικού της μήτρας γεγονός που σημαίνει πως οι ίνες παρουσιάζουν αρνητική συνεισφορά. Οι ίνες στην περίπτωση αυτή δρουν σαν εγκλείσματα στην μήτρα και όχι σαν κύριοι φορείς των τάσεων. Στα μονοδιευθυντικά υλικά με τις ίνες παράλληλα στην διεύθυνση φόρτισης η αστοχία συμβαίνει λόγω θραύσης των ινών η οποία ακολουθείται από αποκόλληση ινών και μήτρας στην διεπιφάνεια. Για τα μονοδιευθυντικά με ίνες στις 90 ο σε σχέση με την διεύθυνση φόρτισης η αστοχία της μήτρας ή της διεπιφάνειας ινών μήτρας οδηγεί στην αστοχία. Η αποκόλληση ινών και μήτρας οδηγεί στην δημιουργία ρωγμών στην μήτρα που διαδίδονται εντός της στρώσης (Εικόνα 2.4). Οι ρωγμές αυτές μετατρέπονται σε ρωγμές ανάμεσα στις στρώσεις που οδηγούν σε διαστρωματικές αποκολλήσεις και την τελική αστοχία.

23 15 Εικόνα 2.4 Ρωγμές σε κάθετα στις ίνες σε στρώση 90 ο σε υλικό [0/90]. Οι μικροσκοπικές μελέτες της θραύσης στρώσεων συνθέτων υλικών επιβεβαιώνουν ότι οι εγκάρσιες ρωγμές συνήθως αναπτύσσονται σε περιοχές μεγάλης συγκέντρωσης ινών και διαδίδονται σε τέτοιες περιοχές. Κατά την ασταθή ανάπτυξη των ρωγμών αυτές διαδίδονται μέσα στην μήτρα που βρίσκεται μεταξύ των ινών με σταθερό τρόπο. Από την άλλη πλευρά κατά την σταθερή ανάπτυξη των ρωγμών παρατηρείται η ανάπτυξη πολλών μικρορωγμών μπροστά από την κύρια ρωγμή. Η ύπαρξη κενών σε μία στρώση με καλά συγκολλημένες, ίνες με μήτρα, επίσης οδηγεί σε συγκέντρωση τάσεων και μειώνουν περεταίρω την εγκάρσια αντοχή σε εφελκυσμό [1] Κόπωση Τα υλικά που υπόκεινται σε κόπωση λόγω εφαρμογής εναλλασσόμενων τάσεων, αστοχούν σε τάσεις πολύ χαμηλότερες από την μέγιστη αντοχή τους. Δεδομένου ότι στις περισσότερες εφαρμογές τα φορτία δεν παραμένουν σταθερά αλλά εναλλάσσονται, είναι κρίσιμης σημασίας για τον μηχανικό να μελετήσει τους μηχανισμούς που επιδρούν στην κόπωση. Τρείς αναγκαίοι παράγοντες προκαλούν κόπωση: μέγιστη καταπόνηση επαρκώς υψηλή (συνήθως μία τάση εφελκυσμού), μία αρκετά μεγάλη διακύμανση της εφαρμοζόμενης τάσης και ένας αρκετά μεγάλος αριθμός κύκλων. Η έννοια της κόπωσης συνδέεται με την μηχανική συμπεριφορά των υλικών υπό την επίδραση μεταβαλλόμενων τάσεων ή παραμορφώσεων, η οποία διαφέρει σημαντικά από την συμπεριφορά κάτω από στατικά ή ψευδοστατικά φορτία. Σύμφωνα με την ASTM: κόπωση είναι η διαδικασία των προοδευτικών τοπικών μόνιμων δομικών μεταβολών που συμβαίνουν στα υλικά που υποβάλλονται σε συνθήκες μεταβαλλόμενων τάσεων και

24 16 παραμορφώσεων σε ένα ή περισσότερα σημεία και μπορούν να οδηγήσουν σε ρωγμές ή πλήρη θραύση, μετά από επαρκή αριθμό μεταβολών του φορτίου. Με τον όρο προοδευτικών εννοείται πως η κόπωση συμβαίνει σε μία χρονική περίοδο. Ο όρος τοπικών εκφράζει την τοπική δράση του φαινομένου, όπου αναπτύσσονται υψηλές τάσεις και παραμορφώσεις λόγω μεταφοράς εξωτερικών φορτίων, απότομες μεταβολές στην γεωμετρία, διαφορές θερμοκρασίας, αυτεντατικές καταστάσεις και ατέλειες του υλικού. Τέλος η ρωγμή αποτελεί την αιτία της τελικής αστοχίας καθώς αυξάνεται μέχρι που το παραμένον υλικό δεν μπορεί να αντέξει περεταίρω τάσεις και επέρχεται η θραύση. Η διεξαγωγή των πειραμάτων στο εργαστήριο για τον προσδιορισμό της μηχανικής συμπεριφοράς των υλικών σε δυναμικές καταπονήσεις γίνεται συνήθως με απλά εναλλακτικά φορτία. Για τον σκοπό αυτό χρησιμοποιούνται μηχανές κόπωσης. Η πιο απλή εναλλακτική φόρτιση όπως παριστάνεται στο Σχήμα 2.5 έχει την μορφή ενός ημιτονοειδούς κύματος. Σχήμα 2.5 Τάση συναρτήσει του χρόνου σε ένα πείραμα κόπωσης [4]. Η μέση τάση σm (Σχέση 2.1) μπορεί να επιβληθεί στο δοκίμιο σαν προένταση γύρω από την οποία εκτελείται μία ταλάντωση με πλάτος σα (Σχέση 2.2). Η τάση μεταβάλλεται μεταξύ μίας μέγιστης τάσης σmax και μίας ελάχιστης τάσης σmin ώστε να ισχύει: σ m = σ max + σ min 2 σ a = σ max σ min 2 (2.1) (2.2)

25 17 R = σ min σ max (2.3) Ο χρόνος Τ που απαιτείται για ένα πλήρη κύκλο φόρτισης ονομάζεται περίοδος της εναλλακτικής φόρτισης. Ανάλογα με την μέση τάση μπορεί οι αναπτυσσόμενες τάσεις στο δοκίμιο να βρίσκονται μόνο στην θλιπτική περιοχή, μόνο στην εφελκυστική ή και στις δύο. Η πλειοψηφία των πειραμάτων σε FRCs πραγματοποιείται με μονοαξονικά εφελκυστικάεφελκυστικά φορτία (tension-tension fatigue). Η διαδικασία περιγράφεται στο ASTM D Χρησιμοποιείται δοκίμιο με ευθείες πλευρές, που έχει tabs στα άκρα. Σε υψηλές συχνότητες, τα πολυμερικής μήτρας σύνθετα υλικά μπορεί να παρουσιάσουν σημαντική αύξηση της θερμοκρασίας τους λόγω εσωτερικών αποσβέσεων. Η αύξηση αυτή μπορεί να επηρεάσει την συμπεριφορά σε κόπωση του υλικού. Έτσι προτείνονται χαμηλών συχνοτήτων φορτίσεις (μικρότερες των 10Hz). Επίσης, τα τεστ κοπώσεως σε μονοδιευθυντικά σύνθετα υλικά που περιέχουν ίνες εκτός του άξονα φόρτισης, δείχνουν μία σταθερή υποβάθμιση στην αντοχή σε κόπωση όσο αυξάνεται η γωνία προσανατολισμού των ινών [4]. Όσο αφορά τα σύνθετα υλικά η εξέλιξη και η αλληλεπίδραση των μηχανισμών βλάβης στην κόπωση είναι εξαιρετικά πολύπλοκο φαινόμενο. Η πολυπλοκότητα οφείλεται στην ισχυρή ανομοιογένεια των σύνθετων υλικών και στην δεδομένη ύπαρξη αρχικής βλάβης στο υλικό πριν την φόρτιση. Κατά την κόπωση οι διάφοροι τύποι βλάβης αλληλοεπιδρούν, όχι πάντα με τον ίδιο τρόπο, δημιουργώντας επιφάνειες αστοχίας που διαφέρουν σημαντικά από μία ενιαία μακρορωγμή η εξέλιξη της οποίας θα μπορούσε να περιγραφεί με τις θεωρίες της θραυστομηχανικής. Η απλούστερη περίπτωση είναι η κόπωση σε υλικά με ενίσχυση στην μία διεύθυνση τα οποία φορτίζονται σε εναλλασσόμενο εφελκυσμό στην διεύθυνση των ινών με μέγιστη τάση σmax μικρότερη του της στατικής αντοχής σε εφελκυσμό (κόπωση χαμηλής μέγιστης τάσης). Για αυτήν την απλή περίπτωση οι μηχανισμοί βλάβης χωρίζονται σε τέσσερις κατηγορίες: την αστοχία της μήτρας, την αστοχία (αποχωρισμό) των ινών, την αστοχία της διεπιφάνειας μήτρας/ινών και την διαστρωματική αποκόλληση. Οι αστοχίες αυτές εμφανίζονται σταδιακά, καθώς η κόπωση εξελίσσεται και συνήθως αλληλεπιδρούν επιταχύνοντας την αστοχία. Στην περίπτωση που η κυκλική φόρτιση βρίσκεται υπό γωνία σε σχέση με τις ίνες, οι κυρίαρχοι μηχανισμοί αστοχίας είναι η αστοχία της μήτρας και της

26 18 διεπιφάνειας μήτρας/ινών. Στην περίπτωση που οι ίνες βρίσκονται υπό γωνία 90 ο η συμπεριφορά του υλικού χαρακτηρίζεται από χαμηλή μέγιστη παραμόρφωση, η οποία οφείλεται στο γεγονός ότι όλο το φορτίο παραλαμβάνεται από την μήτρα. Στις πολύστρωτες πλάκες με ενίσχυση στις δύο διευθύνσεις, η εξέλιξη των ρωγμών που βρίσκονται υπό γωνία με την φόρτιση, περιορίζεται λόγω των ινών που είναι παράλληλα στην φόρτιση και κάθετα στο επίπεδο της ρωγμής. Ωστόσο οι ρωγμές εξαναγκάζονται να κινηθούν παράλληλα στις ίνες προκαλώντας διαστρωματικές μικρο-ρωγμές και αποκολλήσεις. Για στρώσεις σε πολλές διευθύνσεις λαμβάνει χώρα ο συνδυασμός των παραπάνω μηχανισμών βλάβης. Υπάρχουν πέντε βασικά στάδια συσσώρευσης της βλάβης λόγω κόπωσης σε μία πολύστρωτη πλάκα. Στάδιο 1: Ανάπτυξη και εξέλιξη των ρωγμών στην μήτρα, στις στρώσεις των οποίων οι ίνες βρίσκονται υπό γωνία με την φόρτιση. Στάδιο 2: Συνένωση ρωγμών στη μήτρα, διεπιφανειακή αποκόλληση μήτρας ινών, Στάδιο 3: Ανάπτυξη διαστρωματικών αποκολλήσεων, Στάδιο 4: Εξέλιξη διαστρωματικών αποκολλήσεων, τοπικές αστοχίες ινών στις στρώσεις των οποίων οι ίνες βρίσκονται υπό γωνία με την φόρτιση, Στάδιο 5: Εκτεταμένες αστοχίες ινών σε όλες τις στρώσεις-τελική αστοχία. Η παραπάνω αλληλουχία εξαρτάται από το υλικό ( ιδιότητες συνιστωσών, προσανατολισμός στρώσεων) καθώς και το είδος της κυκλικής φόρτισης [2]. Στην κόπωση δοκιμίων που οι μονοδιευθυνικές στρώσεις βρίσκονται σε γωνία με τον άξονα φόρτισης ο ρόλος των ινών μειώνεται δραματικά όσο αυξάνεται η γωνία με την διεύθυνση φόρτισης. Όσο η γωνία αυξάνεται από 5 ο και πάνω ο μηχανισμός αστοχίας μεταβάλλεται από θραύση ινών σε αστοχία διεπιφάνειας ινών/ μήτρας και μήτρας. Έτσι αρχικά παρουσιάζονται ρωγμές κατά μήκος των ινών είτε στις διεπιφάνειες, είτε στην μήτρα. Οι ρωγμές αυτές μπορεί να ξεκινήσουν από βλάβες στην μήτρα ή στην διεπιφάνεια και να αναπτυχθούν όσο αυξάνονται οι κύκλοι φόρτισης κατά το πάχος του δοκιμίου όπως και κατά μήκος των ινών. Η διάδοση και συνένωση των ρωγμών οδηγεί σε αποκόλληση της διεπιφάνειας μήτρας ίνας και διαστρωματικές αποκολλήσεις. Η μη ελαστικότητα της μήτρας προσδίδει μη αναστρεψιμότητα στην διάδοση του μετώπου της ρωγμής που οδηγεί στην τελική αστοχία. Η παρουσία εσωτερικών βλαβών (μη κανονική κατανομή ινών, κακός

27 19 προσανατολισμός ινών, κενά ή πορώδες στην μήτρα) διαφοροποιούν τις συνθήκες στην ανάπτυξη των ρωγμών [4]. 2.6 Μη καταστροφικός έλεγχος σε σύνθετα υλικά Ένα σύνθετο υλικό μπορεί να περιέχει ποικίλες εσωτερικές ατέλειες όπως κενά, διαστρωματικές αποκολλήσεις, αποπροσανατολισμό ινών, άνιση κατανομή ινών. Μερικές από αυτές τις ατέλειες μπορεί να εξελιχθούν σε κρίσιμες βλάβες κατά την διάρκεια της λειτουργίας ενός εξαρτήματος και να επηρεάσουν σε μεγάλο βαθμό την απόδοση του. Αυτές οι ατέλειες ανιχνεύονται κατά την διαδικασία παραγωγής με μη καταστροφικούς ελέγχους και τα εξαρτήματα είναι είτε αποδεκτά είτε απορρίπτονται βάσει των προτύπων που έχουν νωρίτερα αναπτυχθεί. Ακολούθως όταν το εξάρτημα ή κατασκευή βρίσκεται σε λειτουργία προγραμματίζονται μη καταστροφικοί έλεγχοι για να αξιολογηθεί η δομική ακεραιότητα τους. Επίσης κατά την αστοχία μπορούν επίσης να αξιοποιηθούν οι μη καταστροφικοί έλεγχοι ώστε να αναλυθεί η αιτία της βλάβης. Οι μη καταστροφικοί έλεγχοι για την ανίχνευση βλαβών σε σύνθετα υλικά ποικίλουν από απλές οπτικές μεθόδους μέχρι προηγμένα αυτοματοποιημένα συστήματα με ικανότητα χειρισμού δεδομένων. Πρέπει να σημειωθεί ότι τα σύνθετα παρουσιάζουν δυσκολία κατά την επιθεώρηση τους λόγω της μη ομογενούς φύσης τους. Στην συνέχεια παρουσιάζονται συνοπτικά οι πιο συνήθεις μέθοδοι μη καταστροφικού ελέγχου στα σύνθετα υλικά. Οπτικός έλεγχος Ο οπτικός έλεγχος είναι μία αξιόλογη αλλά περιοριστική μέθοδος εφόσον μόνο οι επιφανειακές βλάβες ή αυτές στις ακμές είναι εμφανείς. Δεν μπορεί να παρουσιάσει την εσωτερική κατάσταση του δοκιμίου. Παρόλα αυτά όλα τα εξαρτήματα θα πρέπει να ελέγχονται περιοδικά για επιφανειακές ρωγμές, πορώδες, διακυμάνσεις στην επιφάνεια, ή αφαίρεση της βαφής. Ραδιογραφία Οι ραδιογραφικές μέθοδοι χρησιμοποιούνται συνήθως για την ανίχνευση μικρορωγμών σε στρώσεις σύνθετων αλλά και κενά, ξένα εγκλείσματα, ρωγμές της μήτρας, μη ομοιόμορφη κατανομή ινών, και αποπροσανατολισμό ινών. Χρησιμοποιείται εκτενώς για την ανίχνευση βλαβών σε κυψελοειδείς δομές. Με τις ακτίνες Χ που διαπερνούν ένα εξάρτημα παράγονται εικόνες ως αποτέλεσμα της διαφορετικής απορρόφησης των ακτίνων λόγω αλλαγών στο

28 20 υλικό ή στην δομή. Εφόσον τα σύνθετα είναι σχεδόν διαπερατά στις ακτίνες Χ, χρησιμοποιούνται ακτίνες χαμηλής ενέργειας με χαμηλή συχνότητα. Υψηλότερης ενέργειας ακτίνες χρειάζονται για να εξετασθούν πιο παχιά ή μεγαλύτερης πυκνότητας υλικά. Ένα κενό στο υλικό θα μειώσει το ποσό του στερεού υλικού που πρέπει η ενέργεια να διαπεράσει, και θα αυξήσει την ένταση της ακτινοβολίας που θα περάσει δημιουργώντας μία σκουρότερη περιοχή στην εικόνα. Αντίθετα παρουσία ξένου υλικού θα δράσει αντίθετα και θα μειώσει την ένταση της ακτινοβολίας δημιουργώντας μία φωτεινότερη περιοχή [3]. Τα τελευταία χρόνια η ανάπτυξη της αξονικής τομογραφίας (Computed Tomography CT) έχει την δυνατότητα να παράγει την κατάσταση του δοκιμίου στις 3 διαστάσεις και θεωρείται αξιόπιστη μέθοδος για την ανίχνευση κενών και πορώδους πολύ μικρού μεγέθους, θραύση των ινών και ρωγμές. Η μέθοδος αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί και επί τόπου (in situ) σε μηχανικές δοκιμές για την παρακολούθηση των βλαβών. Υπέρηχοι Η μέθοδος των ακουστικών υπερήχων (ultrasonic inspection) είναι η πιο αξιόπιστη για την επιθεώρηση εξαρτημάτων από σύνθετα υλικά. Οι πιο συνηθισμένες ατέλειες κατά την κατασκευή συνθέτων είναι το πορώδες και τα εγκλείσματα ξένων υλικών. Το πορώδες είναι ανιχνεύσιμο επειδή περιέχει αέρα που αφήνει να το διαπεράσει πολύ μικρό μέρος και ανακλά το μεγαλύτερο μέρος των ακουστικών κυμάτων. Ενώ τα ξένα υλικά έχουν πολύ διαφορετική ακουστική αντίσταση από αυτή του συνθέτου. Οι ακουστικοί υπέρηχοι ανιχνεύουν και τις διαστρωματικές αποκολλήσεις. Οι υπέρηχοι λειτουργούν βάσει των αρχών διάδοσης και σκέδασης ηχητικών κυμάτων. Ένα υπερηχητικό κύμα ταξιδεύει στο σύνθετο υλικό και όταν συναντήσει μία βλάβη όπως το πορώδες θα ανακλάσει κάποια από την ενέργεια του λόγω της διεπιφάνειας και η υπόλοιπη ενέργεια θα διαπεράσει το πορώδες. Όσο πιο έντονο είναι το πορώδες τόσο περισσότερη ενέργεια θα ανακλαστεί και λιγότερη θα περάσει μέσα από αυτό. Η επιθεώρηση με υπερήχους χρησιμοποιεί τα ενεργειακά επίπεδα υψηλών συχνοτήτων ( 1-25 MHz) ακουστικών κυμάτων για να ανιχνεύσει τις εσωτερικές ατέλειες ενός υλικού. Η υπερηχητική ενέργεια παράγεται από έναν ηλεκτρικά διεγειρόμενο πιεζοηλεκτρικό αισθητήρα και εισέρχεται στο υπό εξέταση εξάρτημα μέσω ενός συνδετικού μέσου (συνήθως νερό). Ένα κύμα υπερήχου διαδίδεται μέσα στο υλικό και τα επίπεδα ενέργειάς του εξασθενούν λόγω της παρουσίας ατελειών. Αν και κάποια από αυτά τα υπερηχητικά κύματα μεταδίδονται και πέρα από το υλικό, κάποια ανακλώνται πίσω στην επιφάνεια

29 21 εισόδου. Τα ενεργειακά επίπεδα που διαπερνούν ή ανακλώνται μετατρέπονται σε ηλεκτρικά σήματα από τον αισθητήρα και συγκρίνονται με το προεπιλεγμένο κατώφλι (threshold) και παρουσιάζονται σε μορφή εικόνας. Συνήθως οι υψηλότερες συχνότητες είναι πιο ευαίσθητες στις μικρότερες βλάβες ενώ οι μικρότερες συχνότητες μπορούν να εισχωρήσουν σε μεγαλύτερα βάθη. Οι παρακάτω μέθοδοι χρησιμοποιούνται συχνά σε σύνθετα υλικά ενισχυμένα με ίνες. Η μέθοδος pulse-eco: σε αυτή την μέθοδο οι υπέρηχοι που ανακλώνται από την μπροστά επιφάνεια, την πίσω επιφάνεια και τις εσωτερικές βλάβες λαμβάνονται από τον αισθητήρα που τους εξέπεμψε ή από διαφορετικό αισθητήρα λήψης (Σχήμα 2.6). Το βάθος των pulseeco καθορίζεται από την μέτρηση του χρόνου μεταξύ της ανάκλασης από την πάνω επιφάνεια και από άλλες ενδιαφέρουσες κορυφές. Γνωρίζοντας την ταχύτητα διάδοσης των υπερήχων στο υλικό αυτοί οι χρόνοι μπορούν να αποκαλύψουν την θέση (βάθος) της βλάβης ή να χρησιμοποιηθούν για μέτρηση του πάχους του εξαρτήματος. Through transmission method: σε αυτή την μέθοδο οι υπέρηχοι που διαδίδονται μέσα στο υλικό λαμβάνονται από αισθητήρα στην άλλη πλευρά (Σχήμα 2.6). Όταν το υπερηχητικό κύμα αλληλοεπιδράσει με μία βλάβη θα έχει λιγότερη ενέργεια από αυτήν που ξεκίνησε και θα εμφανιστεί η διαφορά κορυφής. Σε αντίθεση με την προηγούμενη μέθοδο, αυτή έχει ανάγκη την πρόσβαση και από τις δύο πλευρές του εξαρτήματος. Σχήμα 2.6 Ακουστικοί υπέρηχοι με through transmission μέθοδο και με την pulse echo μέθοδο [3].

30 22 Για την παρουσίαση των αποτελεσμάτων χρησιμοποιείται το Α scan, το B scan και το C scan. Στην διαδικασία του Α-scan παρουσιάζονται τα πλάτη του σήματος συναρτήσει του χρόνου και τα βάθη των ποικίλων βλαβών εντοπίζονται από την θέση των κορυφών του σήματος. Το B-scan παράγει τα προφίλ των πάνω και κάτω επιφανειών. Το C-scan από την άλλη πλευρά, παρουσιάζει την κάτοψη των ορίων των βλαβών μέσα στο υλικό. Το C-scan χρησιμοποιείται συχνότερα για την επιθεώρηση εξαρτημάτων. Γενικότερα η μέθοδος των υπερήχων χρησιμοποιείται επιτυχώς για την ανίχνευση μεγάλων κενών, διαστρωματικών αποκολλήσεων, συμπλέγματα μικροκενών και ξένα υλικά [3,4]. Ακουστική εκπομπή Σύμφωνα με το πρότυπο ASTM E η ακουστική εκπομπή (AE) ορίζεται ως εξής: πρόκειται για κατηγορία φαινομένων με τα οποία μεταβατικά ελαστικά κύματα παράγονται από την απότομη απελευθέρωση της ενέργειας από συγκεκριμένες πηγές μέσα σε ένα υλικό, ή τα ίδια τα μεταβατικά ελαστικά κύματα που παράγονται με τον τρόπο αυτό. Η ελαστική ενέργεια που απελευθερώνεται κατά τη φόρτιση μιας ατέλειας ταξιδεύει εντός του υλικού με την μορφή υπερήχου. Στα σύνθετα υλικά ενισχυμένα με ίνες η ακουστική εκπομπή παράγεται από μιρκορωγμές στην μήτρα, αποκόλληση των ινών από την μήτρα, διαστρωματική αποκόλληση, εξόλκευση ινών, θραύση ινών. Η ακουστική εκπομπή είναι μία αναγνωρισμένη μέθοδος μη καταστροφικού ελέγχου για την ανίχνευση και εντοπισμό ατελειών σε κατασκευές υπό φορτίο. Οι ατέλειες (π.χ. ρωγμές) υπό μηχανική ή θερμική φόρτιση απελευθερώνουν ελαστική ενέργεια η οποία ταξιδεύει στο υλικό υπό τη μορφή υψίσυχνων ελαστικών κυμάτων. Τα υπερηχητικά κύματα "συλλαμβάνονται" από ειδικούς πιεζοηλεκτρικούς αισθητήρες που μετατρέπουν την ελαστική ενέργεια σε τάση. Η κυματομορφή της τάσης αποτελεί ένα χαρακτηριστικό σήμα ακουστικής εκπομπής. Η βασική διαφορά της με τις άλλες μεθόδους μη καταστροφικού ελέγχου είναι ότι απαιτεί την φόρτιση του εξαρτήματος και την διάδοση των ατελειών ώστε να καταγραφεί η βλάβη. Είναι σημαντικό όμως ότι η βλάβη μπορεί να ανιχνευθεί σε πολύ αρχικό στάδιο. Ένα σημαντικό πλεονέκτημα της μεθόδου είναι η δυνατότητα παρακολούθησης της βλάβης σε πραγματικό χρόνο κατά την διάρκεια κανονικής λειτουργίας (in situ και on-line) [7]. Θερμογραφία Αν και η θερμογραφία δεν χρησιμοποιείται ευρέως όσο οι ακουστικοί υπέρηχοι ή οι ακτίνες Χ, είναι μία γρήγορη, χωρίς επαφή μέθοδος με πρόσβαση μόνο στην μία πλευρά του υπό

31 23 εξέταση αντικειμένου η οποία μπορεί να επιθεωρήσει αρκετά μεγάλες επιφάνειες και περίπλοκα σχήματα. Ένα πολύ σημαντικό πλεονέκτημα της θερμογραφίας είναι η εύκολη φορητότητα του εξοπλισμού της που της επιτρέπει την επί τόπου (in situ) επίβλεψη του εξαρτήματος ή της κατασκευής. Χρησιμοποιείται για την ανίχνευση διαστρωματικών αποκολλήσεων, βλάβη λόγω κρούσης, εισροή νερού σε κυψελοειδείς δομές, εγκλείσματα και διακυμάνσεις της πυκνότητας. Στην θερμογραφία (ενεργητική) είναι απαραίτητη η θέρμανση της επιφάνειας. Αυτό συνήθως επιτυγχάνεται με την χρήση λαμπτήρων φλάς που παράγουν παλμούς για κάποια s. Καθώς η θερμότητα άγεται μέσα στο υλικό η επιφανειακή θερμοκρασία πέφτει. Εφόσον οι βλάβες προκαλούν διαφορές στην θερμική αγωγιμότητα, η θερμοκρασία στην επιφάνεια πέφτει με διαφορετικό ρυθμό στην περιοχή της βλάβης σε σχέση με την υγιή περιοχή. Η επιφάνεια του εξαρτήματος παρακολουθείται με μία υπέρυθρη κάμερα που συλλέγει την ακτινοβολία. Ένα λογισμικό απεικόνισης στην συνέχεια χρησιμοποιείται για να εξετάσει την ακτινοβολία που λήφθηκε pixel προς pixel και να παρέχει ένα θερμογράφημα που απεικονίζει την επιφάνεια. Το θερμογράφημα απεικονίζει τις διακυμάνσεις της θερμοκρασίας στην επιφάνεια ως χρωματικές αντιθέσεις. Η χρήση πιο εξελιγμένων υπέρυθρων καμερών, βελτιωμένων πηγών θερμότητας και η ψηφιακή επεξεργασία εικόνας έχουν βελτιώσει σημαντικά τα αποτελέσματα της θερμογραφίας [3]. 2.7 Σύγκριση θερμογραφίας με άλλες μεθόδους ΜΚΕ για τα σύνθετα υλικά Ποικίλες έρευνες έχουν πραγματοποιηθεί τα τελευταία χρόνια με στόχο την διερεύνηση της αποτελεσματικότητας της θερμογραφίας ως μέθοδος μη καταστροφικού ελέγχου σε σύνθετα υλικά λόγω των πολυάριθμων πλεονεκτημάτων της. Σε έρευνα που πραγματοποιήθηκε [8] η θερμογραφία θεωρείται πολλά υποσχόμενη λόγω της δυνατότητας ελέγχου μεγάλων επιφανειών σε μικρό χρόνο. Συγκρίνεται έτσι η θερμογραφία με διέγερση δινορρεύματα (eddy current thermography), με την θερμογραφία παλμού, τους ακουστικούς υπέρηχους και την μέθοδο eddy current στην ανίχνευση τεχνητής διαστρωματικής αποκόλλησης σε διαφορετικά βάθη CFRP δοκιμίων. Τα αποτελέσματα αναδεικνύουν τους υπερήχους καλύτερη μέθοδο όσο αφορά το βάθος της βλάβης καθώς οι θερμογραφικές μέθοδοι δεν μπόρεσαν να ανιχνεύσουν όλες τις βλάβες σε μεγάλο βάθος. Ωστόσο η μέθοδος της θερμογραφίας μπορεί να καταγράψει με καλύτερη ακρίβεια το πραγματικό μέγεθος των βλαβών σε αντίθεση με τους ακουστικούς υπερήχους. Η θερμογραφία κρίνεται επίσης πως

32 24 υπερτερεί στον χρόνο επιθεώρησης και είναι ικανή για online παρακολούθηση. Ακολούθως η έρευνα [9] συγκρίνει την θερμογραφία και τους ακουστικούς υπέρηχους εξετάζοντας βλάβες (σε σύνθετα υλικά) ορατές με γυμνό οφθαλμό ώστε να αξιολογηθεί η κάθε μέθοδος ως προς την αποτύπωση της βλάβης. Σε επίπεδα δοκίμια CFRP οι ακουστικοί υπέρηχοι αποτυπώνουν πλήρως το μέγεθος την βλάβης ενώ η θερμογραφία έχει μία μικρή απόκλιση. Λόγω ωστόσο του συντριπτικά λιγότερου χρόνου επιθεώρησης η θερμογραφία προτείνεται για αρχική εκτίμηση της βλάβης. Τα αποτελέσματα επίσης δείχνουν την αδυναμία των ακουστικών υπερήχων να εξετάσουν καμπύλη γεωμετρία, σε αντίθεση με την θερμογραφία. Ακολούθως στην έρευνα [10] χρησιμοποιούνται τρείς τεχνικές μη καταστροφικού ελέγχου η image stereo correlation, η θερμογραφία και η αξονική τομογραφία (CT) για τον έλεγχο δοκιμίων CFRP. Οι δύο πρώτες χρησιμοποιούνται κατά την διάρκεια πειράματος εφελκυσμού στον άξονα και εκτός του άξονα του δοκιμίου. Σκοπός της έρευνας είναι να αναδείξει ποικίλες και πιθανώς ίδιες απεικονίσεις της διαδικασίας της βλάβης μέσω διαφορετικών δεδομένων. Σημαντική είναι η παρατήρηση θερμών σημείων που αυξάνονται όσο το φορτίο αυξάνεται. Η θερμογραφία δεν μπορεί να καταγράψει την απότομη θραύση λόγω της πολύ ψαθυράς συμπεριφοράς του δοκιμίου, αλλά υπάρχει απότομη αύξηση της θερμοκρασίας ακριβώς πριν από την θραύση. Στο δοκίμιο με όλκιμη συμπεριφορά, στο 90% της μέγιστης τάσης παρατηρείται θερμή περιοχή που προμηνύει την θραύση.

33 25 3. ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΤΗΣ ΘΕΡΜΟΓΡΑΦΙΑΣ Η θερμογραφία αποτελεί έναν ταχέα εξελισσόμενο τομέα στην επιστήμη και την βιομηχανία λόγω της τεράστιας προόδου που έχει σημειώσει τις τελευταίες δύο δεκαετίες στην τεχνολογία των μικροσυστημάτων του ανιχνευτή υπέρυθρων ακτινών, των ηλεκτρονικών και της επιστήμης των υπολογιστών. Μία από τις εφαρμογές είναι ο μη καταστροφικός έλεγχος (non-destructive testing, NDT) και η παρακολούθηση της κατάστασης ενός εξαρτήματος ή κατασκευής (condition monitoring). 3.1 Μετάδοση θερμότητας Η θερμογραφία ουσιαστικά ανιχνεύει την θερμική ακτινοβολία που εκπέμπεται από ένα σώμα που βρίσκεται σε μία συγκεκριμένη θερμοκρασία Τ. Η μετάδοση θερμότητας με ακτινοβολία είναι ένας από τους τρείς τρόπους: αγωγή, συναγωγή και ακτινοβολία, μεταφοράς θερμότητας στην φύση. Αγωγή ονομάζεται η μεταφορά ενεργείας από τα πιο ενεργητικά σωματίδια μίας ουσίας στα προς τα λιγότερο ενεργητικά, ως αποτέλεσμα των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των σωματιδίων. Ο ρυθμός αγωγής θερμότητας μέσα από ένα μέσο εξαρτάται από την γεωμετρία του μέσου, το πάχος του, το υλικό του μέσου, καθώς και την διαφορά θερμοκρασίας στις δύο πλευρές του μέσου. Θεωρείστε την σταθερή αγωγή θερμότητας δια μέσου ενός μεγάλου επιπέδου τοίχου πάχους Δx=L και επιφάνειας Α. Η θερμοκρασιακή διαφορά στις δύο πλευρές του τοίχου είναι ίση με ΔΤ=Τ2 Τ1.Ο ρυθμός αγωγής θερμότητας δια μέσου ενός επιπέδου στρώματος, είναι ανάλογος της θερμοκρασιακής διαφοράς στις δύο πλευρές του στρώματος και προς την επιφάνεια μεταφοράς θερμότητας, αλλά αντιστρόφως ανάλογος προς το πάχος του στρώματος (Σχέση 3.1). Q αγ = ka T 1 T 2 = ka ΔΤ Δx Δx (W) (3.1) Στην παραπάνω σχέση η σταθερά αναλογίας k είναι γνωστή και ως θερμική αγωγιμότητα του υλικού, η οποία αποτελεί ένα μέτρο της ικανότητας του υλικού να άγει θερμότητα. Στην οριακή περίπτωση Δx 0, η παραπάνω εξίσωση ανάγεται στην διαφορική μορφή (Σχέση 3.2): Q αγ = ka dτ dx (W) (3.2)

34 26 Η παραπάνω σχέση ονομάζεται νόμος του Fourier για την αγωγή θερμότητας και υποδηλώνει πως ο ρυθμός αγωγής θερμότητας προς μία συγκεκριμένη κατεύθυνση είναι ανάλογος προς την θερμοκρασιακή βαθμίδα προς αυτή την κατεύθυνση. Οι θερμικές ιδιότητες διαφόρων υλικών παρουσιάζονται στον Πίνακα 3.1. Η διαφορετική θερμική αγωγιμότητα όπως θα δούμε στην συνέχεια είναι αυτή που συμβάλει στην ανίχνευση των βλαβών με την μέθοδο της θερμογραφίας. Πίνακας 3-1 Θερμικές ιδιότητες διάφορων υλικών [3]. Υλικό Ειδική θερμότητα (J Kg -1 o C -1 ) Πυκνότητα (kg m -3 ) Θερμοχωρητικότητα (J cm -3 o C -1 Θερμική αγωγιμότητα (W m -1 o C -1 ) Θερμική διαχυτότ ητα (10-6 m 2 s -1 ) Αέρας(ως βλάβη) Αλουμίνιο CFRP (κάθετα στις ίνες) CFRP (παράλληλα στις ίνες) Εποξεική ρητίνη GRP (κάθετα στις ίνες) GRP (παράλληλα στις ίνες) Τeflon Χάλυβας (ανοξείδωτος) Νερό Συναγωγή ονομάζεται ο τρόπος μεταφοράς της ενέργειας ανάμεσα σε μία στερεά επιφάνεια και σε γειτονικό υγρό ή αέριο που βρίσκεται σε κίνηση και περιλαμβάνει την συνδυασμένη επίδραση της αγωγής και της κίνησης του ρευστού. Δεν γίνει περαιτέρω αναφορά στον τρόπο αυτό διότι οι άλλοι δύο τρόποι περιλαμβάνουν το πεδίο της έρευνας μας. Ακτινοβολία είναι η ενέργεια που εκπέμπεται από την ύλη με την μορφή ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων ( ή φωτονίων) ως αποτέλεσμα των μεταβολών στην ηλεκτρονική διαμόρφωση των ατόμων ή μορίων. Σε αντίθεση με την αγωγή και την συναγωγή, η μεταφορά ενέργειας με ακτινοβολία είναι η πιο γρήγορη απ όλες ( με ταχύτητα ίση με την ταχύτητα του φωτός) και δεν υφίσταται εξασθένιση στο κενό. Αυτός

35 27 είναι ο τρόπος με τον οποίο φθάνει στη γη η ηλιακή ενέργεια. Στην μελέτη της μεταφοράς θερμότητας ενδιαφερόμαστε κυρίως για την θερμική ακτινοβολία η οποία αποτελεί τη μορφή ακτινοβολίας που εκπέμπεται από τα σώματα λόγω της θερμοκρασίας τους [12]. Όλα τα σώματα σε θερμοκρασίες πάνω από το απόλυτο μηδέν (-273 o C) εκπέμπουν ακτινοβολία. Πιο συγκεκριμένα ένα σώμα σε δεδομένη θερμοκρασία εκπέμπει ακτινοβολία σε όλα τα μήκη κύματος, από λ=0 έως λ=, αλλά η κατανομή το σχετικού μεγέθους της ενέργειας που εκπέμπεται εξαρτάται από την θερμοκρασία. Σε θερμοκρασίες συνήθεις στις περισσότερες εφαρμογές, το κύριο ποσό ενέργειας που εκπέμπεται είναι κατά προσέγγιση στην περιοχή μηκών κύματος μεταξύ λ=0,1 μm και λ=100 μm. Για τον λόγο αυτό, το τμήμα του φάσματος που περιλαμβάνεται στα ανωτέρω μήκη κύματος ονομάζεται θερμική ακτινοβολία. Η περιοχή αυτή της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολία είναι πολύ ευρεία και περιλαμβάνει την περιοχή υψηλής θερμοκρασίας ή υπεριώδη, την στενή περιοχή της ορατής ακτινοβολίας και την περιοχή χαμηλής θερμοκρασίας ή υπέρυθρη [11]. Θα ασχοληθούμε ιδιαίτερα με την υπέρυθρη ακτινοβολία καθώς αυτή ανιχνεύεται από μία υπέρυθρη θερμική κάμερα (Σχήμα 3.1). Σχήμα 3.1 Περιοχές υπέρυθρου που λειτουργούν οι υπέρυθρες κάμερες(χαμηλά, μέτρια και υψηλά μήκη κύματος.. Η κυματική φύση της θερμικής ακτινοβολίας συνεπάγεται ότι το μήκος κύματος (λ) και η συχνότητα (ν) της ακτινοβολίας συνδέονται με την Σχέση 3.3: λ=c/v (3.3)

36 28 Όπου c είναι η ταχύτητα διαδόσεως μέσα στο συγκεκριμένο μέσο. Αν το μέσον διά του οποίου διαδίδεται η ακτινοβολία είναι το κενό, η ταχύτητα διαδόσεως ισούται με την ταχύτητα διαδόσεως του φωτός στο κενό, δηλαδή [11]: cο=2, 9979*10 8 m/s H ακτινοβολία αποτελεί ένα ογκομετρικό φαινόμενο και όλα τα στερεά, υγρά και αέρια εκπέμπουν, απορροφούν ή μεταδίδουν ακτινοβολία σε διαφορετικό βαθμό. Ωστόσο, η ακτινοβολία θεωρείται συνήθως επιφανειακό φαινόμενο για τα στερεά που είναι αδιάφανα στη θερμική ακτινοβολία. Για μπορέσουμε να κατανοήσουμε τον τρόπο που εκπέμπουν και απορροφούν θερμότητα τα σώματα χρησιμοποιούμε την έννοια του μέλανος σώματος. Ένα μέλαν σώμα ορίζεται ως σώμα τέλειας εκπομπής και απορρόφησης της ακτινοβολίας. Σε συγκεκριμένη θερμοκρασία και μήκος κύματος, καμία επιφάνεια δεν μπορεί να εκπέμψει περισσότερη ενέργεια από ένα τέτοιο σώμα. Επίσης απορροφά όλη την προσπίπτουσα ενέργεια ανεξάρτητα από το μήκος κύματος και την κατεύθυνση. Ο Max Planck απέδειξε ότι η ενέργεια που εκπέμπεται υπό μορφή ακτινοβολίας στο κενό από ένα μέλαν σώμα, σχετίζεται με την απόλυτη θερμοκρασία Τ του σώματος και το μήκος κύματος λ με την ακόλουθη Σχέση 3.4: Ε bλ (Τ) = 2πc2 h λ 5 ch (eλkt 1) (W/m 2 μm) (3.4) c = η ταχύτητα του φωτός h=6.625*10-34 Js είναι η σταθερά του Planck k=1.38*10-23 J/K είναι η σταθερά του Boltzmann T= η απόλυτη θερμοκρασία σε βαθμούς Κ λ= το μήκος κύματος σε μm. Αν παραγωγίσουμε την Σχέση 3.4 ως προς λ, για μία σταθερή θερμοκρασία και θέσουμε το αποτέλεσμα ίσο με το 0 προκύπτει το μέγιστο μήκος κύματος λmax για το οποίο έχουμε μέγιστη εκπομπή. Η αναλυτική Σχέση 3.5 που προκύπτει είναι ιδιαίτερα απλή: λ max T = μmk (3.5)

37 29 Η παραπάνω σχέση αποτελεί τον νόμο μετατόπισης του Wien. Όπως είναι προφανές από τον νόμο του Wien, όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία ενός σώματος, τόσο βραχύτερο είναι το μήκος κύματος ( ή υψηλότερη η συχνότητα) για το οποίο έχουμε μέγιστη εκπομπή. Η ενέργεια που εκπέμπεται από ένα μέλαν σώμα σε απόλυτη θερμοκρασία Τ και για όλα τα μήκη κύματος, από λ=0 έως λ=, είναι μια ποσότητα με πρακτικό ενδιαφέρον. Υπολογίζεται αν ολοκληρώσουμε από λ=0 έως λ= την φασματική πυκνότητα ισχύος που εκπέμπεται από ένα μέλαν σώμα, Εb,λ(Τ) Σχέση 3.6: Ε b (T) = λ=0 Ε bλ (Τ)dλ (W/m 2 ) (3.6) Λαμβάνοντας υπόψιν την εξίσωση 3.4 για το Ebλ(Τ), από την ολοκλήρωση της 3.6 προκύπτει ο νόμος του Stephan-Boltzmann (Σχέση 3.7): q max = στ s 4 (W/m 2 ) (3.7) Όπου σ=5,67*10-8 W/m 2 K 4 η σταθερά Stephan-Boltzmann. Η ιδανική επιφάνεια που εκπέμπει σε αυτόν το μέγιστο βαθμό είναι το μέλαν σώμα [12]. Είναι πολύ σημαντικό επίσης ότι η ροή ακτινοβολίας είναι ανάλογη της τέταρτης δύναμης της θερμοκρασίας. Επομένως σε υψηλές θερμοκρασίες, η μεταφορά θερμότητας με ακτινοβολία καθίσταται ένας σημαντικός μηχανισμός μεταφοράς θερμότητας και είναι δυνατό να επικρατήσει τόσο της μεταφοράς με αγωγή όσο και με συναγωγή. Η ακτινοβολία που εκπέμπεται από όλες τις πραγματικές επιφάνειες είναι μικρότερη από εκείνη του μέλανος σώματος στην ίδια θερμοκρασία, και εκφράζεται ως (Σχέση 3.8): 4 q e = εστ s (W/m 2 ) (3.8) όπου ε είναι η ικανότητα εκπομπής της επιφάνειας. Η ικανότητα εκπομπής μίας επιφάνειας ορίζεται ως ο λόγος της ακτινοβολίας που εκπέμπει αυτή η επιφάνεια προς την ακτινοβολία που εκπέμπει ένα μέλαν σώμα στην ίδια θερμοκρασία. Αυτή η ιδιότητα η τιμή της οποίας ανήκει στην περιοχή 0 ε 1, αποτελεί ένα μέτρο της ακρίβειας με την οποία η επιφάνεια προσεγγίζει ένα μέλαν σώμα για το οποίο ισχύει ε=1 [11].

38 30 Μία άλλη σημαντική ιδιότητα της ακτινοβολίας μίας επιφάνειας είναι η ικανότητα απορρόφησης ή απορροφητικότητα α η οποία ορίζεται ως το κλάσμα της προσπίπτουσας ενέργειας ακτινοβολίας που απορροφάται από την επιφάνεια. Όπως και η ικανότητα εκπομπής, η μέση τιμή της κυμαίνεται στην περιοχή 0 α 1. Ένα μέλαν σώμα απορροφά ολόκληρη την προσπίπτουσα ακτινοβολία. Η εκπεμπτικότητα και η απορροφητικότητα αποτελούν σημαντικούς παράγοντες για την υπέρυθρη θερμογραφία όπως θα δούμε παρακάτω. 3.2 Χαρακτηρισμός υλικών με την θερμογραφία Η θερμογραφία διαχωρίζεται σε ενεργητική και παθητική. Η παθητική εξετάζει υλικά και κατασκευές που βρίσκονται λόγω μίας λειτουργίας τους σε διαφορετική θερμοκρασία από το περιβάλλον τους. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί και κατά την παραγωγή και κατά την λειτουργία των εξαρτημάτων για να εξετάσει πιθανά προβλήματα σε περιοχές με αυξημένη θερμοκρασία. Ένα τέτοιο παράδειγμα είναι η επιθεώρηση των πτερυγίων των κινητήρων jet είτε κατά την λειτουργία είτε στο στάδιο παραγωγής [13]. Η ενεργητική θερμογραφία απαιτεί μία εξωτερική πηγή διέγερσης για να επιθεωρηθεί το υλικό. Το εξωτερικό ερέθισμα μπορεί να έχει πολλές μορφές, όπως ζεστός ή κρύος αέρας, παλμοί θερμότητας, περιοδικά θερμικά κύματα, ή μηχανικές ταλαντώσεις. Θα δώσουμε μεγαλύτερη έμφαση στην ενεργητική μέθοδο που χρησιμοποιεί θερμικό παλμό. Όταν ο θερμικός παλμός φθάσει στην υπό εξέταση επιφάνεια η θερμοκρασία του υλικού αλλάζει ραγδαία επειδή το θερμικό μέτωπο διαδίδεται με διάχυση και κάτω από την επιφάνεια λόγω αγωγής. Η παρουσία μίας βλάβης μειώνει τον ρυθμό διάχυσης, έτσι ώστε κατά την παρατήρηση της επιφάνειας της θερμοκρασίας οι περιοχές αυτές να εμφανίζονται με διαφορετική θερμοκρασία σε σχέση με τις υγιείς περιοχές. Ωστόσο υπάρχουν περιορισμοί όσο αφορά το βάθος των βλαβών που μπορεί να ανιχνεύσει η θερμογραφία. Ένας εμπειρικός κανόνας είναι πως η ακτίνα της μικρότερης ανιχνεύσιμης βλάβης πρέπει να είναι τουλάχιστον μία με δύο φορές μεγαλύτερη από το βάθος που βρίσκεται κάτω από την επιφάνεια. Ο κανόνας αυτός ισχύει για ομογενές και ισότροπο υλικό. Σε περίπτωση ανισοτροπίας περιορίζεται και άλλο το βάθος που μπορούν να ανιχνευθούν οι βλάβες. Δύο μέθοδοι επιθεώρησης μπορούν να εφαρμοστούν: (1) ανάκλαση (reflection), όπου η θερμική πηγή και η κάμερα υπερύθρων είναι τοποθετημένα στην ίδια πλευρά σε σχέση με το αντικείμενο και (2) μεταβίβαση (transmission) όπου η θερμική πηγή και ο αισθητήρας

39 31 βρίσκονται στην αντίθετη πλευρά σε σχέση με το αντικείμενο. Αυτές οι δύο μέθοδοι δεν προσφέρουν την ίδια δυνατότητα ανίχνευσης των βλαβών. Με την reflection μέθοδο αποκτάται καλύτερη ανάλυση, αλλά το πάχος που μπορεί να επιθεωρηθεί είναι μικρότερο. Με την μέθοδο transmission μπορεί να επιθεωρηθεί μεγαλύτερο πάχος υλικού αλλά πολλές φορές η πληροφορία χάνεται γιατί η ανάλυση είναι ανεπαρκής και είναι απαραίτητη η χρήση πιο ευαίσθητου εξοπλισμού. Επιπλέον η επιθεώρηση με την μέθοδο transmission δεν είναι πάντα εφικτή για πολύπλοκες κατασκευές από πολλές στρώσεις (πχ κυψελώδεις δομές, honeycomb panels). Η μέθοδος ανάκλασης είναι καλύτερη για βλάβες που βρίσκονται κοντά στην θερμαινόμενη επιφάνεια, ενώ η transmission επιτρέπει την ανίχνευση βλαβών κοντά στην πίσω επιφάνεια [13]. Τα τελευταία χρόνια πληθώρα ερευνών έχουν αναπτυχθεί για την ανίχνευση βλαβών σε σύνθετα υλικά με την μέθοδο την θερμογραφίας. Στην έρευνα [14] συγκρίνονται διάφορες θερμογραφικές τεχνικές (θερμογραφία παλμού, την pulse phase και lockin θερμογραφία) σε αεροναυπηγικά υλικά CFRPs που χρησιμοποιήθηκαν ως επιθέματα σε panel αλουμινίου. Κατέληξαν πως η θερμογραφία παλμού είναι καταλληλότερη για την ανίχνευση διαστρωματικών αποκολλήσεων που προκλήθηκαν κατά την διάρκεια πειράματος κόπωσης. Στην έρευνα [15] χρησιμοποιήθηκε η in situ παθητική θερμογραφία για να καταγραφεί την θερμομηχανική συμπεριφορά GFRP δοκιμίων σε πείραμα εφελκυσμού. Εξήχθηκε το συμπέρασμα πως μόνο στα μεγάλα φορτία η διάδοση των βλαβών είναι εμφανής με την μέθοδο αυτή αλλά προτείνεται η χρήση λαμπτήρων για φορτία μικρότερα των 250 MPa. Εν συνεχεία, στην έρευνα [16] εξετάστηκαν CFRPs δοκίμια με τεχνίτες βλάβες (διαστρωματικές αποκολλήσεις) και βλάβη από κρούση με ενεργητική θερμογραφία χρησιμοποιώντας λαμπτήρες (flash lamps). Εξετάστηκαν τα ίδια δοκίμια με τις μεθόδους reflection και transmission. Καταλήγουν στα εξής συμπεράσματα: με την reflection μέθοδο, βλάβες κοντά στην επιφάνεια μπορούν να ανιχνευθούν με μεγάλη ακρίβεια, η θερμική αντίθεση εξαρτάται από την διαφορά συντελεστή εκπομπής της βλάβης και του υγιούς υλικού, από την επαφή ανάμεσα σε αυτά τα δύο και από λόγο του μεγέθους και του βάθους στο οποίο βρίσκεται η βλάβη. Με την transmission μέθοδο: μπορεί να γίνει μόνο υπάρχει πρόσβαση και από τις δύο πλευρές, έχουμε πληροφορίες σε όλο το μήκος της διατομής του δοκιμίου, δεν μπορούν ωστόσο εξαχθούν πληροφορίες για το βάθος, μπορούν όμως να εξεταστούν πιο παχιά δοκίμια. Πολύ σημαντικές είναι οι ποσοτικές πληροφορίες που δίνονται. Reflection μέθοδος: Μπορούν να εξεταστούν μέχρι 3.3mm πάχος δοκίμια με προσέγγιση mm, αλλά οι διαστρωματικές αποκολλήσεις μπορούν να ανιχνευθούν σε

40 32 μέγιστο 1.7 mm. Το aspect ratio των βλαβών πρέπει είναι μεταξύ 2 και 3. Στην περίπτωση της κρούσης για τα δοκίμια με 3 mm πάχος και πάνω δεν ήταν δυνατή η ανίχνευση από την αντίθετη πλευρά. Transmission μέθοδος: οι περισσότερες διαστρωματικές αποκολλήσεις και βλάβες από κρούση μπορούν να ανιχνευθούν μέχρι πάχος 5.9 mm. 3.3 Περιγραφή της θερμογραφίας παλμού Τα βασικά εξαρτήματα που χρειάζεται ένα σύστημα θερμικής απεικόνισης είναι: μία θερμική πηγή, το δοκίμιο που αποτελεί τον στόχο, ένα ραδιόμετρο ( IR κάμερα), ένα σύστημα απεικόνισης του σήματος, για την ανάλυση της εικόνας και την εξαγωγή του αποτελέσματος (PC) (Σχήμα 3.2). Εάν υπάρχει θερμοκρασιακή διαφορά μεταξύ δοκιμίου και περιβάλλοντος μπορεί να επιθεωρηθεί με παθητική θερμογραφία. Ωστόσο, εάν ο στόχος είναι σε θερμική ισορροπία με το περιβάλλον, είναι δυνατό να δημιουργηθεί θερμική αντίθεση μέσω θερμικής πηγής διέγερσης. Μετρώντας με το ραδιόμετρο, συμβάλουν 3 διαφορετικές πηγές: η θερμική ενέργεια που εκπέμπεται από το αντικείμενο, οι ενέργεια που αντανακλάται από το περιβάλλον του, και η ενέργεια που μεταφέρεται μέσω του υλικού. Μία IR κάμερα καταγράφει τα (ασθενή και θορυβώδη) θερμικά σήματα που προέρχονται από τον στόχο. Εδώ επίσης κάθε στοιχείο της κάμερας υπερύθρων συμβάλλει στην περαιτέρω υποβάθμιση του σήματος, δηλαδή με οπτικό, ηλεκτρονικό και ηλεκτρομαγνητικό θόρυβο. Ως αποτέλεσμα αυτού, απαιτείται ένα στάδιο επεξεργασίας της εικόνας. Διάφορες τεχνικές επεξεργασίας εικόνας από υπέρυθρη κάμερα χρησιμοποιούνται ανάλογα με την φύση της θερμογραφίας. Οι τεχνικές αυτές αποσκοπούν στην μείωση του θορύβου, και την ανάκτηση χρήσιμων πληροφοριών από τις εικόνες. Τέλος τα προκύπτοντα επεξεργασμένα δεδομένα πρέπει να παρέχουν ποιοτικές ή ποσοτικές πληροφορίες ώστε να εκτιμηθεί η κατάσταση του υπό μελέτη αντικειμένου [17]. Σχήμα 3.2 Ένα απλό θερμογραφικό σύστημα ενεργητικής θερμογραφίας.

41 33 Η ενεργητική θερμογραφία μπορεί να εφαρμοστεί με πολλές τεχνικές ανάλογα με την θερμική διέγερση. Μερικές από αυτές είναι η θερμογραφία παλμού (pulsed thermography), η θερμογραφία lock-in, η pulse phase και η step heating θερμογραφία [17]. Η μέθοδος που θα χρησιμοποιηθεί στην παρούσα εργασία είναι η θερμογραφία παλμού. Στην μέθοδο αυτή η επιφάνεια του δοκιμίου θερμαίνεται με υψηλής ενέργειας θερμικό παλμό. Όταν το θερμικό μέτωπο έρθει σε επαφή με την επιφάνεια του δοκιμίου ταξιδεύει από την επιφάνεια προς το εσωτερικό του. Όσο ο χρόνος περνάει, η επιφανειακή θερμοκρασία θα μειώνεται ομοιόμορφα σε περιοχές χωρίς εσωτερικές βλάβες. Αντίθετα υποεπιφανειακές ασυνέχειες ( πχ πορώδες, διαστρωματικές αποκολλήσεις, ξένα εγκλείσματα, θραύση ινών, αποκολλήσεις) μπορούν να φανούν λόγω αντίστασης στην διάδοση της θερμότητας και μπορούν να ανιχνευθούν ως σημεία με διαφορετική θερμοκρασία με μία υπέρυθρη κάμερα [18]. Στα σχήματα που ακολουθούν Σχήμα 3.3 και Σχήμα 3.4 περιγράφεται η πειραματική διάταξη για την θερμογραφία παλμού (reflection mode) και η εξέλιξη της θερμοκρασίας σε μία υγιή και μία ελλαττωματική περιοχή αντίστοιχα. Σχήμα 3.3 Πειραματική διάταξη για την θερμογραφία παλμού [18].

42 Σχήμα 3.4 Εξέλιξη της θερμοκρασίας (a) σε 3D πίνακα, (b) το θερμοκρασιακό προφίλ για μία περιοχή με βλάβη( κόκκινη γραμμή) και μία υγιή περιοχή (μπλε γραμμή) [18]. 34

43 35 4. ΑΝΑΛΥΣΗ ΣΗΜΑΤΟΣ ΨΗΦΙΑΚΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΕΙΚΟΝΑΣ Η θερμική εικόνα μπορεί να περιλαμβάνει σταθερό θόρυβο από το περιβάλλον της είτε να χρειάζεται ενίσχυση για να αναδειχθούν οι χρήσιμες πληροφορίες. Ποικίλες μέθοδοι έχουν προταθεί δανειζόμενες στοιχεία από την ψηφιακή επεξεργασία εικόνας. Οι πιο συνηθισμένες είναι: DAC (differential absolute contrast), ο μετασχηματισμός κυματιδίων, ο μετασχηματισμός Fourier, η singular value decomposition, πρώτες και δεύτερες παράγωγοι [19] και διάφοροι μετασχηματισμοί [20,21]. Οι παραπάνω μέθοδοι χρησιμοποιούνται ώστε να απαλειφθεί ο θόρυβος και να εξαχθεί η χρήσιμη πληροφορία που εμπεριέχεται. Θόρυβος μπορεί να προκληθεί από τον περιβάλλον με την μορφή θερμότητας από τα γύρω αντικείμενα αλλά και λόγω της φύσης της μεθόδου (οπτικός, ηλεκτρονικός και ηλεκτρομαγνητικός θόρυβος). Είναι λοιπόν κρίσιμης σημασίας η αφαίρεση του θορύβου ώστε να ακολουθήσει η ανίχνευση των ανομοιόμορφων σημείων (βλαβών). Η πιο απλή μέθοδος για να επιτευχθεί η αφαίρεση ενός σταθερού θορύβου είναι η αφαίρεση εικόνας. Παράλληλα πρέπει να εφαρμοστεί μία μέθοδος που να αυξάνει την αντίθεση μεταξύ των γειτονικών pixels και να ενισχύσει την πληροφορία που εμπεριέχεται στην εικόνα. Μία εικόνα μπορεί να οριστεί ως μία δισδιάστατη συνάρτηση, f(x,y) όπου x και y είναι οι χωρικές συντεταγμένες, και το εύρος της f σε οποιοδήποτε ζεύγος συντεταγμένων (x,y) ονομάζεται ένταση της εικόνας σε αυτό το σημείο. Όταν οι x,y και το μέτρο της f είναι όλες πεπερασμένες, διακριτές ποσότητες, καλούμε την εικόνα ψηφιακή. Η ψηφιακή εικόνα αποτελείται από ένα πεπερασμένο αριθμό στοιχείων, καθένα από τα οποία έχει συγκεκριμένη τοποθεσία και ένταση. Τα στοιχεία αυτά ονομάζονται εικονοστοιχεία ή pixels. Για την δημιουργία της ψηφιακής θερμικής εικόνας δύο στοιχεία απαιτούνται. Το πρώτο είναι μία φυσική συσκευή που είναι ευαίσθητη στην ενέργεια που ακτινοβολείται από το αντικείμενο που μας ενδιαφέρει να απεικονίσουμε. Το δεύτερο που ονομάζεται ψηφιοποιητής είναι μία συσκευή για την μετατροπή της εξόδου της φυσικής συσκευής ανίχνευσης σε ψηφιακή μορφή. Στην ψηφιακή βιντεοκάμερα οι αισθητήρες παράγουν μία ηλεκτρικά ανάλογη στην ένταση του φωτός έξοδο [22]. Συνεπώς, το αισθητήριο λαμβάνει μία σειρά εικόνων και έπειτα ακολουθεί η δειγματοληψία και η κβάντιση. Μετά από αυτές, η εικόνα έχει πλέον μορφή πίνακα γι αυτό και είναι επεξεργάσιμη.

44 Αφαίρεση εικόνας ή Differentiated absolute contrast, DAC Πιθανότατα η πιο συχνή προεργασία είναι η αφαίρεση του θορύβου ώστε να ακολουθήσει η ανίχνευση των βλαβών. Η πιο απλή μέθοδος για να επιτευχθεί η αφαίρεση ενός σταθερού θορύβου είναι η αφαίρεση εικόνας. Στην μέθοδο αυτή ορίζεται μία αρχική τιμή των pixels η οποία μπορεί να είναι είτε από ένα αρχικό στιγμιότυπο είτε ένας μέσος όρων κάποιων τιμών T1(t). Από κάθε επόμενη εικόνα Τt(t), αφαιρείται αυτή η σταθερή τιμή (Σχέση 4.1) έτσι ώστε να απαλειφθεί ο θόρυβος που παραμένει σταθερός σε όλες και να αυξηθεί η αντίθεση μεταξύ των υγιών περιοχών και των περιοχών με βλάβη [18]. ΔΤ(t) = T t (t) T 1 (t) (4.1) Ως αρχική εικόνα λαμβάνονται οι πρώτες εικόνες από την θέρμανση κατά τις οποίες δεν έχει εμφανιστεί η βλάβη. Το πρώτο βήμα λοιπόν είναι να καθοριστεί το στιγμιότυπο κατά το οποίο ο θερμικός παλμός έχει ξεκινήσει και την ακριβή στιγμή κατά την οποία εμφανίζεται η βλάβη στην σειρά θερμογραφημάτων. Το στιγμιότυπο κατά το οποίο η βλάβη είναι πολύ εμφανής δημιουργεί την μεγαλύτερη αντίθεση με το αρχικό και ένα μέρος του θορύβου έχει εξαλειφθεί. Η μέθοδος αυτή είναι σχετικά απλή και αρκετά αποδοτική ειδικά όταν εφαρμόζεται ανομοιόμορφη θέρμανση (παλμός) [23] και το πλήθος των δεδομένων είναι μεγάλο όπως κατά την διάρκεια ενός πειράματος και έτσι χρησιμοποιείται συχνά σε τέτοιες περιπτώσεις [15]. 4.2 Μετασχηματισμός top-hat Ο υπέρυθρος αισθητήρας είναι αρκετά ευαίσθητος στις διακυμάνσεις του περιβάλλοντος, κάτι το οποίο μπορεί να επηρεάσει την ποιότητα των ληφθέντων εικόνων και να προκαλέσει θόλωση στις περιοχές ενδιαφέροντος. Αρκετοί αλγόριθμοι έχουν προταθεί για την ενίσχυση των θερμικών εικόνων. Ο μετασχηματισμός tot hat ανήκει στις μορφολογικές διαδικασίες. Με αυτήν την επεξεργασία φωτεινές οι σκοτεινές περιοχές γίνονται πιο εμφανείς είτε γίνεται εντονότερη η διαφορά τους [24]. Αυτό αποτελεί πολύ σημαντικό εργαλείο στην θερμογραφία εφόσον οι διαφορετικές ιδιότητες του υλικού στα σημεία της βλάβης εμφανίζονται με διαφορετική διαβάθμιση του χρώματος. Η μαθηματική μορφολογία αποτελεί μια σημαντική μαθηματική θεωρία για την επεξεργασία εικόνας και ιδιαίτερα για ποσοτική περιγραφή μια γεωμετρικής δομής. Η δομή ενός

45 37 αντικειμένου ορίζεται ως ένα σύνολο εικονοστοιχείων με ένα πεπερασμένο εύρος τα οποία αλληλεξαρτώνται με κάποιον τρόπο. Η εικόνα είναι το σύνολο αυτών των υποσυνόλων. Ομοίως ορίζεται και το δομικό στοιχείο (structuring element) το οποίο αλληλοεπιδρά με το αντικείμενο και το μετατρέπει σε άλλη μορφή πιο εκφραστική ώστε να μετρηθούν συγκεκριμένες ιδιότητες. Ο τρόπος αλληλεπίδρασης είναι ο μορφολογικός μετασχηματισμός (morphological transformation) που λαμβάνει χώρα. Στοιχεία όπως το μέγεθος και το σχήμα του αντικειμένου, η κυρτότητα, η ομαλότητα, και ο προσανατολισμός μπορούν να εξαχθούν μέσω διαφορετικών δομικών στοιχείων. Δύο απλοί μορφολογικοί μετασχηματισμοί είναι η συστολή (erosion) και η διαστολή (dilation). Με την πράξη της συστολής προκύπτει μία νέα εικόνα που καθώς το δομικό στοιχείο επισκιάζει κάθε pixel, σε κάθε σημείο (x,y) αντιστοιχεί η ελάχιστη τιμή των εικονοστοιχείων των γύρω του (Σχήμα 4.1). Το δομικό στοιχείο δεν μπορεί να υπολογίσει τις ακραίες τιμές γι αυτό προκύπτει εικόνα μικρότερη από την αρχική. Στην μέθοδο της διαστολής προκύπτει μία νέα εικόνα όπου σε κάθε σημείο, που έχει εφαρμοστεί το δομικό στοιχείο, το κεντρικό pixel έχει την μέγιστη τιμή των γειτονικών του (Σχήμα 4.2). Στην μέθοδο αυτή μπορεί το δομικό στοιχείο να βγαίνει εκτός του συνόλου με αποτέλεσμα η τελική εικόνα να είναι μεγαλύτερη από την αρχική. Ένας άλλος μορφολογικός μετασχηματισμός είναι το άνοιγμα (opening), ο οποίος πραγματοποιείται με την πράξη συστολής όταν ακολουθείται από μία πράξη διαστολής. Ένα σημαντικό χαρακτηριστικό του μετασχηματισμού είναι ότι εξαλείφονται από το υπό μελέτη αντικείμενο οι περιοχές που αποτελούν τις προεξοχές του. Χαρακτηρίζεται ως χαμηλοπερατό μη γραμμικό φίλτρο, γιατί καταστρέφει τις υψηλές συχνότητες μίας εικόνας. Αντιθέτως το κλείσιμο (closing) κάνει την αντίστροφη διεργασία, δηλαδή όταν μία πράξη διαστολής ακολουθείται από μία πράξη συστολής [25, 26].

46 38 Σχήμα 4.1 Σχηματική αναπαράσταση της συστολής [25]. Σχήμα 4.2 Σχηματική αναπαράσταση της διαστολής [25].

47 39 Βασισμένος στους παραπάνω μετασχηματισμούς, ο μετασχηματισμός top-hat εφαρμόζεται αν από την αρχική εικόνα αφαιρεθεί η ανοιγμένη της ή η κλεισμένη της. Ο μετασχηματισμός top-hat περιλαμβάνει τον λευκό (white top-hat), και τον μαύρο (black top-hat). Το άνοιγμα συχνά χρησιμοποιείται για να εξομαλύνει τις φωτεινές περιοχές γι αυτό και ο λευκός tophat χρησιμοποιείται για να εξάγει τις φωτεινές περιοχές μίας εικόνας. Παρομοίως το κλείσιμο χρησιμοποιείται για να εξομαλύνει τις πιο σκοτεινές περιοχές και έτσι ο μαύρος top-hat αναδεικνύει τις σκοτεινές περιοχές [24].

48 40 5. ΠΕΙΡΑΜΑΤΑ Ο μη καταστροφικός έλεγχος των εξαρτημάτων και των κατασκευών επί τόπου (in situ) όταν βρίσκονται σε κατάσταση λειτουργίας είναι κρίσιμος για τον έλεγχο της δομικής ακεραιότητας τους. Στόχος του πειράματος είναι πρώτον ανίχνευση των ατελειών και βλαβών που εμπεριέχονται σε CFRP δοκίμια με μονοδιευθυντικές στρώσεις. Στην συνέχεια στόχος είναι η in situ παρακολούθηση με την βοήθεια της ενεργητικής θερμογραφίας, των ατελειών και βλαβών που προϋπήρχαν και της εξέλιξης αυτών κατά την φόρτιση, σε πειράματα εφελκυσμού και κόπωσης. Η θερμική κάμερα καταγράφει όλη την διάρκεια του πειράματος μέχρι την αστοχία των δοκιμίων και στην συνέχεια οι εικόνες υπόκεινται σε ψηφιακή επεξεργασία. Ακολουθεί ο προσδιορισμός των χαρακτηριστικών των δοκιμίων που χρησιμοποιήθηκαν, την πειραματική διάταξη και τους κανονισμούς βάσει των οποίων πραγματοποιήθηκε το κάθε πείραμα, καθώς και την αναλυτικότερη περιγραφή της διαδικασίας του πειράματος Χαρακτηριστικά των δοκιμίων Τα δοκίμια που χρησιμοποιήθηκαν στα πειράματα κατασκευάστηκαν από 16 προεμποτισμένες (prepreg) μονοδιευθυντικές στρώσεις. Για την ενίσχυση χρησιμοποιήθηκαν υψηλής αντοχής (Hight Tenacity A) ίνες άνθρακα HTA24 k, οι οποίες έχουν διάμετρο 7μm, ενώ για την μήτρα χρησιμοποιήθηκε εποξεική ρητίνη EHkF 420. Ο παραπάνω συνδυασμός ινών και μήτρας είναι κατάλληλος για την κατασκευή αεροναυπηγικών εξαρτημάτων. Το εξάρτημα μπορεί να εκτεθεί κατά την λειτουργία του σε θερμοκρασίες εύρους από -55 ο C έως +80 ο C. Η περιεκτικότητα κατά βάρος σε ρητίνη είναι 35%. Για την δημιουργία κενών και πορώδους ως αρχικές ατέλειες στην παραπάνω CFRP πλάκα χρησιμοποιήθηκαν διαφορετικοί κύκλοι curing στον αυτόκλειστο φούρνο (autoclave). Για την δημιουργία των παραπάνω ατελειών, η θερμοκρασία και ο χρόνος στον αυτόκλειστο θάλαμο κρατήθηκαν ίδια για κάθε CFRP πλάκα ενώ εφαρμόστηκε διαφορετική πίεση. Οι τέσσερεις κύκλοι curing που εφαρμόστηκαν για να δημιουργηθούν τέσσερα διαφορετικά επίπεδα πορώδους περιγράφονται στο παρακάτω Σχήμα 5.1. Το πρώτο επίπεδο θεωρείται το επίπεδο αναφοράς, καθώς με το συγκεκριμένο curing cycle εφαρμόστηκε η μέγιστη δυνατή

49 41 πίεση στον αυτόκλειστο, και τα επόμενα ως ελάχιστο, μέτριο και τέλος εκτεταμένο πορώδες [26]. Σχήμα 5.1 Οι κύκλοι curing για την δημιουργία των διαφορετικών επιπέδων πορώδους [6]. Στην έρευνά [26] χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος της αξονικής τομογραφίας (Computerized Tomography, CT) για να προσδιοριστεί το ποσοστό πορώδους στα παραπάνω δοκίμια. Τα αποτελέσματα έδωσαν επίπεδα πορώδους 0.82%, 1.56%, 1.62% και 3.43% για τα δοκίμια αναφοράς, το ελάχιστο, το μέτριο και το εκτεταμένο πορώδες αντίστοιχα. Στην ακόλουθη Εικόνα 5.1 παρουσιάζεται μία σχηματική απεικόνιση των πόρων όπως φαίνονται με την μέθοδο CT, για τα διαφορετικά επίπεδα πορώδους. Με την μέθοδο της θερμογραφίας θα γίνει προσπάθεια να ανιχνευθούν κενά και πορώδες σε δοκίμια που ανήκουν στο μέτριο και στο εκτεταμένο πορώδες διότι η μέθοδος αυτή έχει περιορισμούς όσο αφορά το μέγεθος των βλαβών που μπορεί να εντοπίσει. Τα CFRP δοκίμια που θα χρησιμοποιηθούν αποτελούνται από 16 στρώσεις στην διεύθυνση των 90 ο μοιρών ([90 ο ]16) και οι διαστάσεις τους είναι 175mm 25mm 2.5mm (Εικόνα 5.2). Το ενεργό μήκος του δοκιμίου είναι 125mm. Οι παραπάνω διαστάσεις συμφωνούν με το standard ASTM D3039M για πειράματα εφελκυσμού και κόπωσης (για εφελκυστική κόπωση χρησιμοποιούνται ίδιες προδιαγραφές δοκιμίων με το standard του εφελκυσμού). Τέλος τα δοκίμια βάφθηκαν με μαύρο χρώμα (με αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες) (Εικόνα 5.2) για να περιοριστούν οι ανακλάσεις από τον λαμπτήρα και το περιβάλλον.

50 42 Εικόνα 5.1 Εικόνα πορώδους με την μέθοδο CT. (a) δείγμα αναφοράς, (b) δείγμα ελάχιστου πορώδους, (c) δείγμα μέτριου πορώδους, (d) δείγμα εκτεταμένου πορώδους. Μερικοί από τους πόρους υποδεικνύονται με κόκκινα βέλη [26]. Εικόνα 5.2 Διαστάσεις των δοκιμίων και η επιφάνεια τους μετά την βαφή Πειραματική διαδικασία Πείραμα εφελκυσμού Η πειραματική διαδικασία για το πείραμα του εφελκυσμού περιλαμβάνει τα ακόλουθα στάδια. Πρώτον, γίνεται ανίχνευση των αρχικών βλαβών των δοκιμίων με την μέθοδο των ακουστικών υπερήχων (ultrasonic C-scan) και με την μέθοδο της ενεργητικής

51 43 θερμογραφίας. Με την βοήθεια των ακουστικών υπερήχων, μίας αποτελεσματικής και αποδεκτής μεθόδου για τον εντοπισμό βλαβών στα σύνθετα υλικά, μπορεί να γίνει μία αρχική αξιολόγηση των βλαβών που εντοπίζει η θερμογραφία. Στην Εικόνα 5.3 παρουσιάζεται η πειραματική διάταξη της μεθόδου μη καταστροφικού ελέγχου με την χρήση των ακουστικών υπερήχων (Ultrasonic C- Scan) όπου το δοκίμιο εμβαπτίζεται σε νερό και με τη χρήση της μεθόδου pulse-echo ορίστηκαν οι παράμετροι της ιδιομορφής μέσω της οποίας ανιχνεύονται ατέλειες (gate threshold), κυρίως με τη μορφή διαστρωματικών αποκολλήσεων ή μεγάλων πόρων μεταξύ των στρώσεων. Εικόνα 5.3 Πειραματική διάταξη της μεθόδου ακουστικών υπερήχων (Ultrasonic C-Scan). Στην συνέχεια εφαρμόστηκε πείραμα εφελκυσμού σε δοκίμιο με εκτενές πορώδες και με την μέθοδο της παθητικής θερμογραφίας εξετάστηκε εάν είναι εφικτός ο εντοπισμός των βλαβών λόγω της έκλυσης θερμότητας κατά την διάδοση των βλαβών στο υλικό. Λόγω περιβαλλοντικών θορύβων αλλά και χαμηλού σχετικά ποσού εκλυόμενης θερμότητας κρίθηκε απαραίτητη η χρήση θερμικής πηγής για την ανίχνευση των βλαβών του υλικού. Ακολούθως πραγματοποιείται το πείραμα του εφελκυσμού, κατά την διάρκεια του οποίου, γίνεται επιτόπου (in situ) παρακολούθηση της εξέλιξης των βλαβών με την μέθοδο της ενεργητικής θερμογραφίας. Κατά την διάρκεια του πειράματος μία κάμερα υπερύθρων FLIR SC660 η οποία έχει ανάλυση pixels και θερμική ευαισθησία 30 mk, καταγράφει το θερμοκρασιακό πεδίο στην μία πλευρά του δοκιμίου. Συγχρόνως ένας λαμπτήρας 500 W

52 44 στέλνει θερμικούς παλμούς στο δοκίμιο (Pulse Thermography). Στο αρχικό πείραμα η χρονική διάρκεια του παλμού και της παύσης μεταξύ των παλμών πραγματοποιήθηκε με ένα διακόπτη. Για να αυτοματοποιηθεί η διαδικασία και να αποσυνδεθεί από την επιρροή του ανθρώπινου παράγοντα δημιουργήθηκε αυτόματο σύστημα. Ο λόγος που χρησιμοποιείται το σύστημα αυτό είναι ότι ο λαμπτήρας δεν πρέπει να θερμαίνει συνεχώς το δοκίμιο. Αυτό είναι απαραίτητο διότι, η θερμογραφική μέθοδος εντοπίζει την διαφορετική θερμική ακτινοβολία που εκπέμπεται κατά την διάδοση της θερμότητας, από τις διακυμάνσεις στις θερμικές ιδιότητες του υλικού τοπικά όπου υπάρχουν βλάβες. Πρέπει λοιπόν να δημιουργείται διαφορά θερμοκρασίας ώστε να γίνουν φανερές οι διακυμάνσεις στην επιφάνεια του υλικού. Στο σύστημα αυτό ρυθμίζεται στην αρχή του πειράματος η χρονική διάρκεια και η συχνότητα των παλμών. Το σύστημα δημιουργεί ηλεκτρικούς παλμούς οι οποίοι μέσω του λαμπτήρα μετατρέπονται σε θερμικούς. Τα δεδομένα που λαμβάνονται από την υπέρυθρη κάμερα υπόκεινται σε επεξεργασία μέσω του MATLAB ώστε να απαλειφθεί ο θόρυβος και να εξαχθούν οι επιθυμητές πληροφορίες. Στην Εικόνα 5.4 που ακολουθεί παρουσιάζεται η διάταξη του πειράματος εφελκυσμού. Η διάταξη περιλαμβάνει την μηχανή εφελκυσμού, την υπέρυθρη κάμερα και ένα Η/Υ για την καταγραφή των δεδομένων και τον λαμπτήρα που στέλνει τους θερμικούς παλμούς. Περιλαμβάνει επίσης και το αυτόματο σύστημα που στέλνει καθορισμένους θερμικούς παλμούς. Εικόνα 5.4 Μηχανή και πειραματική διάταξη πειράματος εφελκυσμού. (a) μηχανή εφελκυσμού, (b) υπέρυθρη κάμερα, (c) λαμπτήρας, (d) PC.

53 45 Στο παραπάνω πείραμα υποβλήθηκαν συνολικά τρία δοκίμια. Το πρώτο χρησιμοποιήθηκε για την αξιολόγηση της παθητικής θερμογραφίας. Τα άλλα δύο δοκίμια εμπεριέχουν μέτριου (δοκίμιο 1) και εκτενούς (δοκίμιο 2) επιπέδου πορώδες. Πρέπει να σημειωθεί ότι σύμφωνα με το συγκεκριμένο standard για τον πείραμα του εφελκυσμού η θερμοκρασία του περιβάλλοντος πρέπει να διατηρείται στους 23 ± 3 ο C. Η μέθοδος όμως της ενεργητικής θερμογραφίας με την χρήση λαμπτήρα αυξάνει την θερμοκρασία του δοκιμίου έως 43 ο C. Αυτό όπως φαίνεται επηρεάζει σημαντικά την μηχανική συμπεριφορά του υλικού. Αυτό γίνεται φανερό από τις καμπύλες εφελκυσμού που προκύπτουν, οι οποίες διαφέρουν σημαντικά από την αναμενόμενη καμπύλη χωρίς θέρμανση του δοκιμίου. Την συμπεριφορά αυτή επιβεβαιώνουν διάφορες έρευνες (Σχήμα 5.2) βάσει των οποίων προκύπτει πως με την αύξηση της θερμοκρασίας πολυμερικής μήτρας, η καμπύλη τάσης παραμόρφωσης παρεκκλίνει από την σχεδόν γραμμική μορφή της [4]. Σχήμα 5.2 Η επίδραση της αύξησης του ρυθμού φόρτισης και της θερμοκρασίας στην καμπύλη τάσης παραμόρφωσης για πολυμερική μήτρα [4]. Για το πείραμα εφελκυσμού χρησιμοποιήθηκε η μηχανή Tinius Olsen (Εικόνα 5.4) με δυνατότητα μέγιστου φορτίου 5kN. Το πείραμα του εφελκυσμού εκτελέστηκε σύμφωνα με το πρότυπο ASTM D3039M. Εφαρμόστηκε φορτίο με ρυθμό 1 mm/min. Παρατηρείται ότι η αστοχία συμβαίνει κοντά στα tabs [27], γεγονός που θεωρείται αποδεκτό από το ASTM D3039M standard. Η υπέρυθρη κάμερα λάμβανε εικόνες με 3.75 frames ανά δευτερόλεπτο και οι παλμοί διαρκούσαν 3 s και είχαν διάστημα παύσης 4 s.

54 Πείραμα κόπωσης Όπως και στην περίπτωση του πειράματος εφελκυσμού τα δοκίμια εξετάζονται με την μέθοδο των ακουστικών υπερήχων (ultrasonic C Scan) και με την μέθοδο της ενεργητικής θερμογραφίας για την αρχική ανίχνευση των εσωτερικών βλαβών. Τα δοκίμια αυτά εμπεριέχουν μετρίου επιπέδου πορώδες ( δοκίμια 3 και 4). Το πείραμα της κόπωσης πραγματοποιείται στην σερβοϋδραυλική μηχανή κόπωσης MTS (Εικόνα 5.5) με ικανότητα μέγιστου φορτίου 100 kn. Για να συγκρατείται το δοκίμιο από τις αρπάγες χρησιμοποιούνται μεταλλικά πλακίδια προσαρμογής. Επίσης η κάτω κεφαλή παραμένει ακίνητη. Το πρότυπο βάσει του οποίου εκτελείται το πείραμα είναι το ASTM D3479M (2002 reapproved). Η αστοχία πλησίον των tabs είναι επίσης αποδεκτή από αυτό το standard και συμβαίνει λόγω της υψηλής συγκέντρωσης τάσεων στην περιοχή. Το δοκίμιο υπόκειται σε ημιτονοειδή ταλάντωση με σmax=22 MPa το οποίο υπολογίζεται σύμφωνα με το παραπάνω πρότυπο από το 0.55 της αντοχής των αντίστοιχων δοκιμίων σε εφελκυσμό όπως αυτή έχει προσδιοριστεί σε παλιότερες μηχανικές δοκιμές στα ίδια δοκίμια δηλαδή 41 MPa για μέτριο επίπεδο πορώδους [6] και εύρος R=0.1. Έχει προηγηθεί συσχετισμός του καταγραφικού της μηχανής με το εξτενσιόμετρο και αποδείχτηκε αμελητέα απόκλιση στις μετρήσεις και ως τούτου χρησιμοποιήθηκαν οι μετρήσεις του καταγραφικού της σερβοϋδραυλικής μηχανής. Εικόνα 5.5 Μηχανή κόπωσης MTS και τοποθετημένο δοκίμιο.

55 47 Κατά την διάρκεια της κόπωσης μία κάμερα υπερύθρων FLIR SC660 η οποία έχει ανάλυση pixels και θερμική ευαισθησία 30 mk, καταγράφει το θερμοκρασιακό πεδίο στην μία πλευρά του δοκιμίου. Ο ρυθμός που καταγράφει η θερμική κάμερα είναι 3.75 frames/s. Παράλληλα ένα αυτόματο σύστημα ελέγχει τον λαμπτήρα 500 Watts που λειτουργεί ως θερμική πηγή για να εφαρμοστεί η ενεργητική θερμογραφία παλμού. Ο θερμικός παλμός διαρκεί 2.5 s και η παύση μεταξύ των παλμών ορίζεται στα 4 s, διότι η διεργασία της κόπωσης εκλύει θερμότητα. Η χρήση της κάμερας και του λαμπτήρα από την ίδια πλευρά είναι γνωστή στην βιβλιογραφία ως μέθοδος ανάκλασης (reflection method). Η κάμερα και ο λαμπτήρας τοποθετούνται περίπου στα 25 cm απόσταση από το δοκίμιο. Είναι σημαντικό ο λαμπτήρας να θερμαίνει ομοιόμορφα ολόκληρο το δοκίμιο. Πρέπει επίσης να σημειωθεί ότι ένα μικρό τμήμα του δοκιμίου στο πάνω και στο κάτω μέρος δεν μπορεί να συμπεριληφθεί στην εικόνα διότι καλύπτεται από τα πλακίδια προσαρμογής. Η πειραματική διάταξη φαίνεται στην Εικόνα 5.6 και περιλαμβάνει την μηχανή κόπωσης, το θερμογραφικό σύστημα (κάμερα και Η/Υ) και τον λαμπτήρα και σύστημα ελέγχου των θερμικών παλμών. Εικόνα 5.6 Πειραματική διάταξη. (a) μηχανή κόπωσης, (b) κάμερα υπερύθρων, (c) φορητός υπολογιστής για την καταγραφή των δεδομένων της κάμερας, (d) λαμπτήρας, (e) σύστημα ελέγχου θερμικών παλμών (αριστερά). Στιγμιότυπο από το πείραμα (δεξιά). Στο πρώτο πείραμα η διαδικασία της κόπωσης λειτουργεί χωρίς διακοπή και η κάμερα υπερύθρων καταγράφει την θερμοκρασία της επιφάνειας (in situ θερμογραφία) καθ όλη την διάρκεια του πειράματος. Ακολουθεί η ψηφιακή επεξεργασία μέσω του MATLAB των εικόνων που λαμβάνονται ώστε να απαλειφθεί ο θόρυβος και να αναδειχθούν οι πληροφορίες σχετικά με τις βλάβες.

56 48 Το δεύτερο πείραμα έχει ως στόχο την λεπτομερέστερη σύγκριση της μεθόδου της θερμογραφίας με την μέθοδο των ακουστικών υπερήχων (ultrasonic C-Scan). Για τον σκοπό αυτό η διαδικασία της κόπωσης διακόπτεται και το δοκίμιο εξετάζεται με την μέθοδο των ακουστικών υπερήχων (Ultrasonic C-Scan), έπειτα ξανά τοποθετείται στην μηχανή και συνεχίζεται η κόπωση. Η θερμοκρασία του περιβάλλοντος σύμφωνα με το πρότυπο ASTM D3479 πρέπει να διατηρείται στους 23 ± 3 ο C. Λόγω ωστόσο της ενεργητικής θερμογραφίας η θερμοκρασία των δοκιμίων κατά την διάρκεια των πειραμάτων φθάνει τους 45 ο C. Η αύξηση αυτή της θερμοκρασίας επηρεάζει την συμπεριφορά του υλικού σε κόπωση μειώνοντας τον αριθμό των κύκλων κατά μικρό ποσοστό για την παραπάνω θερμοκρασία [4]. 5.3 Ψηφιακή επεξεργασία εικόνων Οι εικόνες που λαμβάνονται από την υπέρυθρη κάμερα κατά την διάρκεια των πειραμάτων καταγράφονται σε έναν φορητό υπολογιστή με μορφή video. Είναι απαραίτητη η επεξεργασία τους για να εξαχθούν οι πληροφορίες σχετικά με τις βλάβες. Η επεξεργασία πραγματοποιείται μέσω του Matlab. Αρχικά γίνεται διαλογή των εικόνων σύμφωνα με την εξής διαδικασία. Όπως είναι γνωστό για να γίνουν εμφανείς οι βλάβες πρέπει να δημιουργείται θερμική βαθμίδα κατά την διάρκεια του πειράματος. Αυτό είναι αναγκαίο διότι οι βλάβες εντοπίζονται από την θερμογραφία ως σημεία με διαφορετικές θερμικές ιδιότητες από το υπόλοιπο υλικό. Δεν πρέπει δηλαδή το υπό εξέταση δοκίμιο να βρίσκεται σε θερμική ισορροπία. Για τον λόγο αυτό χρησιμοποιείται ο θερμικός παλμός. Έτσι επιλέγονται 20 frames από την αρχή του παλμού μέχρι την μέγιστη τιμή της θερμοκρασίας στο συγκεκριμένο διάστημα (Σχήμα 5.3). Σχήμα 5.3 Σχηματική αναπαράσταση της διαδικασίας επιλογής frame.

57 49 Στα 20 frames που επιλέγονται γίνεται μία απλή αλλά και αρκετά αποδοτική μέθοδος επεξεργασίας θερμικής εικόνας. Πρώτα γίνεται αφαίρεση του πρώτου με το 20 ο frame ώστε η παραμένουσα πληροφορία να είναι η διαφορά θερμοκρασίας τους. Αυτή η διαφορά έχει διττή χρησιμότητα, πρώτον εξαλείφει τους σταθερούς θερμικούς θορύβους από τις εικόνες, και δεύτερον φανερώνει την διαφορά των θερμικών ιδιοτήτων τοπικά στο υλικό. Για να ενισχυθεί αυτή η διαφοροποίηση χρησιμοποιείται ο μετασχηματισμός top-hat που αναφέρθηκε στο κεφάλαιο 4, ο οποίος αυξάνει την αντίθεση ανάμεσα στις φωτεινές και σκοτεινές περιοχές της εικόνας. Επιπροσθέτως χρησιμοποιείται και ο διακριτός μετασχηματισμός Fourier στο ίδιο διάστημα των 20 frames ώστε να γίνεται επαλήθευση της παραπάνω μεθόδου με μία αξιόπιστη μέθοδο επεξεργασίας. Για να ενισχυθούν οι εικόνες που αποκτώνται από τον μετασχηματισμό χρησιμοποιείται και εδώ ο μετασχηματισμός tophat. Η παραπάνω επεξεργασία γίνεται στο Matlab όπου υπάρχουν οι κατάλληλες εντολές. Για τον μετασχηματισμό top-hat χρησιμοποιείται κατώφλι (threshold) SE 80 ή 100. Πρέπει να σημειωθεί ότι αρχικά γίνεται περικοπή των εικόνων για να παραμείνουν μόνο τα εικονοστοιχεία που ανήκουν στο δοκίμιο (Εικόνα 5.7). Αυτό έχει ως συνέπεια να μην μπορεί να καταγραφή η βλάβη όταν αυτή συμβαίνει ακριβώς στην σύνδεση του δοκιμίου με τα tabs. Μετά την περικοπή λαμβάνει χώρα η επεξεργασία που εξηγήθηκε ανωτέρω.

58 50 Εικόνα 5.7 Εικόνα όπως λαμβάνεται από την θερμοκάμερα (αριστερά). Το δοκίμιο μετά την αποκοπή των σημείων (δεξιά). Στην συνέχεια παρουσιάζονται τα δοκίμια, η διαστρωμάτωση τους, το είδος των βλαβών και οι δοκιμές και τα standard βάσει των οποίων έγιναν (Πίνακας 5.1). Πίνακας 5.1 Συγκεντρωτικός πίνακας δοκιμών. Δοκίμιο Διαστάσεις Διαστρωμάτωση Πορώδες Είδος μηχανικής δοκιμής Standard Δοκίμιο 1 175mm 25mm [90 ο ]16 εκτεταμένο Εφελκυσμός ASTM D3039M 2.5mm Δοκίμιο 2 >> [90 ο ]16 Μέτριο Εφελκυσμός ASTM D3039M Δοκίμιο 3 >> [90 ο ]16 Μέτριο Κόπωση ASTM D3479 Δοκίμιο 4 >> [90 ο ]16 Μέτρο Κόπωση ASTM D3479 Τα αποτελέσματα του μη καταστροφικού ελέγχου δοκιμίων CFRP σε πειράματα εφελκυσμού και κόπωσης μετά την επεξεργασία των εικόνων παρουσιάζονται στο ακόλουθο κεφάλαιο.

59 51 6. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 6.1 Εισαγωγή Οι εικόνες που λήφθηκαν από την κάμερα υπερύθρων εισάγονται στο Matlab για είναι επεξεργάσιμες. Όπως περιεγράφηκε στο προηγούμενο κεφάλαιο εφαρμόζεται η μέθοδος αφαίρεσης εικόνας για να αναδειχθούν οι βλάβες και να διαχωρισθούν από τον θόρυβο. Η μέθοδος αυτή είναι σχετικά απλή αλλά αρκετά αποτελεσματική και ενδείκνυται για μεγάλο αριθμό δεδομένων από πειράματα. Η αφαίρεση γίνεται μεταξύ της πρώτης εικόνας στην έναρξη του θερμικού παλμού και της εικόνας με την μέγιστη θερμοκρασία στο συγκεκριμένο παλμό. Η διαφορά μεταξύ αυτών των εικόνων φανερώνει τα σημεία στα οποία η θερμική αγωγιμότητα του υλικού διαφέρει και συνεπώς τις βλάβες που στην συγκεκριμένη περίπτωση είναι κενά και διαστρωματικές αποκολλήσεις όσο η φόρτιση εξελίσσεται. Ο μετασχηματισμός top-hat χρησιμοποιείται για να ενισχύσει την αντίθεση μεταξύ των σημείων με διαφορετικές θερμοκρασίες. Πρώτα γίνεται ανίχνευση των αρχικών ατελειών και βλαβών που υπάρχουν στα δοκίμια λόγω της κατασκευής τους. Η ανίχνευση πραγματοποιείται με την μέθοδο των ακουστικών υπερήχων και την θερμογραφία και γίνεται σύγκριση μεταξύ των μεθόδων. Έπειτα θα παρουσιαστούν τα αποτελέσματα για τα δύο δοκίμια στα οποία πραγματοποιήθηκε το πείραμα του εφελκυσμού. Συγκεκριμένα παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της θερμογραφίας σε διάφορα στιγμιότυπα των πειραμάτων από την αρχή της φόρτισης έως την αστοχία. Στα πειράματα κόπωσης ακολουθούνται δύο διαδικασίες. Στην πρώτη το δοκίμιο μπαίνει στην μηχανή και η θερμογραφία καταγράφει την εξέλιξη της κόπωσης έως την θραύση χωρίς διακοπή. Μετά την αστοχία πραγματοποιείται C-Scan. Αυτό το πείραμα έχει ως στόχο να καταγραφεί η εξέλιξη της βλάβης με την επί τόπου (in situ) θερμογραφία και να αξιολογήσει την τελική κατάσταση του δοκιμίου με τις δύο μεθόδους. Στο δεύτερο πείραμα η θερμογραφία καταγράφει την εξέλιξη των βλαβών επί τόπου στην μηχανή ενώ μετά την συμπλήρωση κάποιου αριθμού κύκλων γίνεται παύση του πειράματος και το δοκίμιο εξετάζεται με την μέθοδο των ακουστικών υπερήχων.

60 Προσδιορισμός αρχικών βλαβών Τα δοκίμια που θα χρησιμοποιηθούν στα πειράματα εξετάζονται με δύο μεθόδους μη καταστροφικού ελέγχου για τον προσδιορισμό των αρχικών τους ατελειών και βλαβών. Η πρώτη μέθοδος είναι αυτή των ακουστικών υπερήχων και συγκεκριμένα το C-Scan μία αρκετά αξιόπιστη μέθοδος για την ανίχνευση πόρων και διαστρωματικών αποκολλήσεων. Η χρωματική κλίμακα που χρησιμοποιεί εκφράζει την πιθανότητα βλάβης στη συγκεκριμένη περιοχή. Η δεύτερη μέθοδος είναι αυτή της ενεργητικής θερμογραφίας παλμού. Η μέθοδος αυτή έχει περιορισμούς σχετικά με μέγεθος των βλαβών που μπορεί να ανιχνεύσει. Αυτό οφείλεται στην φύση της μεθόδου που ανιχνεύει διαφορετικές τις θερμικές ιδιότητες λόγω βλάβης μέσα στο υλικό, όταν οι βλάβες είναι πολύ μικρές δεν είναι ικανή να δημιουργήσει ανιχνεύσιμες θερμοκρασιακές διαφορές. Η κλίμακα που χρησιμοποιείται παρακάτω για την θερμογραφία προκύπτει από την αφαίρεση δύο εικόνων στην αρχή του θερμικού παλμού και στην εικόνα με την μεγαλύτερη θερμοκρασία (στον συγκεκριμένο παλμό) και στην εφαρμογή του μετασχηματισμού top-hat. Εκφράζει τον διαφορετικό ρυθμό αύξησης της θερμοκρασίας σε διάφορες περιοχές του δοκιμίου που υποδηλώνει διαφορετικές θερμικές ιδιότητες τοπικά στο υλικό. Στα φωτεινότερα σημεία η θερμότητα διαχέεται πιο εύκολα γι αυτό και υπάρχει μεγάλη θερμοκρασιακή διαφορά. Στα σκοτεινότερα σημεία η θερμική αγωγιμότητα είναι μικρότερη λόγω των βλαβών γι αυτό και υπάρχει μικρότερη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των χρονικών διαστημάτων. Η θερμογραφία συγκρίνεται στη συνέχεια με το C-Scan για να εξετασθεί η αξιοπιστία των αποτελεσμάτων της. Το πρώτο δοκίμιο (Εικόνα 6.1) χαρακτηρίζεται από εκτεταμένου επιπέδου πορώδες. Οι βλάβες όπως φαίνεται στο C-Scan είναι αρκετά διασκορπισμένες στο δοκίμιο και αποτελούνται από διάφορα μεγέθη πόρων. Αν συσχετίσουμε τις παραπάνω εικόνες, βλέπουμε πως η θερμογραφία εντοπίζει όχι όλες αλλά ένα μέρος των βλαβών. Οι μεγαλύτεροι πόροι είναι εμφανείς. Λόγω του μικρού σχήματος τους και πιθανόν του βάθους στο οποίο βρίσκονται κάποιο πόροι η θερμογραφία εντοπίζει ομάδες πόρων και υποδεικνύει μία ευρύτερη περιοχή με ιδιότητες διαφορετικές από το υπόλοιπο υλικό.

61 53 Εικόνα 6.1 Ανίχνευση των αρχικών βλαβών στο δοκίμιο 1 με την μέθοδο της θερμογραφίας και των ακουστικών υπερήχων. Το δεύτερο δοκίμιο (Εικόνα 6.2) χαρακτηρίζεται από μετρίου επιπέδου πορώδες ωστόσο υπάρχουν και περιοχές διαστρωματικών αποκολλήσεων. Οι ατέλειες και οι βλάβες του υλικού όπως φαίνονται στο C Scan είναι αρκετά μεγάλου μεγέθους και ομαδοποιημένες σε περιοχές. Η θερμογραφία μπορεί και εντοπίζει τους πόρους που είναι αρκετά μεγάλοι ωστόσο το σχήμα που εντοπίζει είναι περισσότερο βελονοειδές. Παράλληλα ανιχνεύει τις περιοχές με διαστρωματικές αποκολλήσεις ως ευρύτερες περιοχές με διαφορετικές θερμικές ιδιότητες.

62 54 Εικόνα 6.2 Ανίχνευση των αρχικών βλαβών στο δοκίμιο 2 με την μέθοδο της θερμογραφίας και των ακουστικών υπερήχων. Το δοκίμιο 3 (Εικόνα 6.3) χαρακτηρίζεται από μετρίου επιπέδου πορώδες. Οι βλάβες όπως φαίνεται στο C-Scan είναι πολλές και κατανέμονται σε όλο το δοκίμιο. Σε μερικά σημεία έχουν την μορφή διαστρωματικών αποκολλήσεων. Η θερμογραφία δεν μπορεί να εντοπίσει μεμονωμένους πόρους μικρού μεγέθους. Ωστόσο εντοπίζει τους ομαδοποιημένους πόρους, τους πόρους βελονοειδούς σχήματος και τις διαστρωματικές αποκολλήσεις ως ευρύτερες περιοχές βλαβών με διαφορετικές ιδιότητες από το υπόλοιπο υλικό και έχουν παρόμοια μορφή με αυτή του C-Scan.

63 55 Εικόνα 6.3 Ανίχνευση των αρχικών βλαβών στο δοκίμιο 3 με την μέθοδο της θερμογραφίας και των ακουστικών υπερήχων. Το δοκίμιο 4 (Εικόνα 6.4) χαρακτηρίζεται επίσης από μέτριου επιπέδου πορώδες και κάποιοι πόροι που εμπεριέχει έχουν βελονοειδές σχήμα. Σε ορισμένες περιοχές όμως υπάρχουν και διαστρωματικές αποκολλήσεις. Η θερμογραφία δεν μπορεί να ανιχνεύσει τους μικρότερους πόρους αλλά εντοπίζει περιοχές με μεγάλους πόρους, ομαδοποιημένους μικρότερους πόρους και τις διαστρωματικές αποκολλήσεις στο υλικό.

64 56 Εικόνα 6.4 Ανίχνευση των αρχικών βλαβών στο δοκίμιο 4 με την μέθοδο της θερμογραφίας και των ακουστικών υπερήχων. 6.3 Αποτελέσματα πειραμάτων εφελκυσμού Το πρώτο δοκίμιο 1 (Εικόνα 6.5) έχει εκτενές πορώδες που δημιουργήθηκε με τον έλεγχο της πίεσης στον αυτόκλειστο θάλαμο όπως εξηγήθηκε στο προηγούμενο κεφάλαιο. Το πείραμα του εφελκυσμού διήρκησε 1 min και 33,75 s. Το δοκίμιο εφελκύεται με ρυθμό 1mm/min. Ο έλεγχος των θερμικών παλμών γινόταν χειροκίνητα και ο κάθε παλμός διαρκούσε περίπου 4 s και η παύση μεταξύ τους περίπου 5 s. Η μέγιστη θερμοκρασία που έφτασε το δοκίμιο ήταν 34 ο C. Στην συνέχεια παρουσιάζονται τα αποτελέσματα για το πρώτο δοκίμιο.

65 57 Εικόνα 6.5 Εξέλιξη των βλαβών του δοκιμίου 1 κατά την διάρκεια του πειράματος εφελκυσμού. Στις Εικόνες 6.5 (a) έως (e) παρουσιάζεται η παρακολούθηση των βλαβών με την μέθοδο της θερμογραφίας κατά την διάρκεια του πειράματος εφελκυσμού. Οι κυριότερες βλάβες βρίσκονται εντός πλαισίων ώστε να είναι ευδιάκριτη η εξέλιξη τους. Όπως παρατηρείται οι πόροι που υπήρχαν εντός του υλικού επιμηκύνονται κάθετα στην διεύθυνση φόρτισης. Το μέγεθος των βλαβών αυξάνεται όσο πλησιάζει το δοκίμιο προς την αστοχία. Στο επάνω μέρος του δοκιμίου υπάρχει συνένωση των βλαβών και ανάπτυξη διαστρωματικής αποκόλλησης που οδηγεί στην τελική αστοχία. Τελικά η αστοχία συμβαίνει στο σημείο πολύ κοντά στην ένωση με τα tabs (Εικόνα 6.5, μετά την θραύση) όπου υπάρχει μεγάλη συγκέντρωση τάσεων λόγω της αλλαγής γεωμετρίας. Η αστοχία σε αυτό το σημείο είναι αποδεκτή από το standard της ASTM D3039M. Η θερμογραφία σε αυτήν την περίπτωση μας δίνει την εποπτεία τις εξέλιξης των βλαβών καθώς μπορούμε να παρατηρήσουμε αύξηση του μεγέθους των βλαβών σε σημεία που αρχικά ήταν κενά και πορώδες.

66 58 Εικόνα 6.6 Εξέλιξη των βλαβών του δοκιμίου 2 κατά την διάρκεια του πειράματος εφελκυσμού. Το δοκίμιο 2 (Εικόνα 6.6) εμπεριέχει μετρίου επιπέδου πορώδες και υπόκειται σε πείραμα εφελκυσμού με ρυθμό 1mm/min. Η φόρτιση του μέχρι την αστοχία διαρκεί 1 min και 37.5 s. Στο πείραμα αυτό η θερμική διέγερση γίνεται με σύστημα που ελέγχει τους ηλεκτρικούς και κατά συνέπεια του θερμικούς παλμούς. Η διάρκεια του κάθε παλμού είναι 4 s και η παύση μεταξύ τους είναι 3 s. Η μέγιστη θερμοκρασία που έφθασε το δοκίμιο ήταν 44 ο C. Στις Εικόνες 6.6 (a) έως (e) φαίνεται η εξέλιξη των βλαβών. Τα πλαίσια δείχνουν τις βλάβες που εξελίσσονται κατά την διάρκεια του πειράματος. Οι κυριότερες βλάβες που εντοπίζει η θερμογραφία είναι μεγάλοι πόροι. Ταυτόχρονα υπάρχουν και διαστρωματικές αποκολλήσεις. Το μήκος των πόρων αυξάνεται κάθετα σε σχέση με την διεύθυνση φόρτισης. Οι διαστρωματικές αποκολλήσεις ωστόσο διαδίδονται κατά μήκος του δοκιμίου καταλαμβάνοντας όλο και μεγαλύτερο μέρος του. Σε μερικά σημεία οι βλάβες συνενώνονται. Το δοκίμιο σπάει στο σημείο ένωσης με τα tabs (Εικόνα 6.6, μετά την θραύση) που οφείλεται στην συγκέντρωση τάσεων λόγω αλλαγής της γεωμετρίας. Ωστόσο κάτω από την περιοχή θραύσης έχει αναπτυχθεί κατά την διάρκεια του εφελκυσμού και μία

67 59 περιοχή διαστρωματικών αποκολλήσεων που επίδρασε σημαντικά στην αστοχία στο συγκεκριμένο σημείο. Στο παρακάτω διάγραμμα (Σχήμα 6.1) παρουσιάζονται οι καμπύλες τάσης παραμόρφωσης των δυό πειραμάτων. Στο δοκίμιο 1 θερμοκρασία αυξάνεται έως τους 34 ο C ενώ στο δοκίμιο 2 εως τους 44 ο C. Αυτό επηρέαζει την συμπεριφορά του υλικού όπως φαίνεται στο παρακάτω διάγραμμα. Λόγω της φόρτισης κάθετα στην διεύθυνση των ινών η μήτρα παραλαμβάνει το φορτίο και είναι αυτή που καθορίζει και την συμπεριφορά σε εφελκυσμό. Η μήτρα όμως ως θερμοσκληρόμενο πλαστικό επηρεάζεται άμεσα από τη θερμοκρασία γιαυτό και η καμπύλη τάσης-παραμόρφωσης δεν έχει την αναμενόμενη σχεδόν γραμμμική μορφή όταν αυξάνεται η θερμοκρασία. Ωστόσο η αυξηση της θερμοκρασίας κατά 15 ο C σε σχέση με την επιτρεπόμενη από το standard δεν επηρεάζει τόσο την αντοχή του υλικού. Η πτώση της αντοχής οφείλεται στην ποσότητα και το είδος των βλαβών στα δύο δοκίμια. Το πρώτο δοκίμιο είχε κυρίως μεγάλους πόρους που αναπτύχθηκαν κατά την διάρκεια της φόρτισης, ενώ το δεύτερο είχε και διαστρωματικές αποκολλήσεις που κατέλαβαν μεγάλο μέρος του δοκιμίου. Σχήμα 6.1 Γράφημα τάσης-παραμόρφωσης για τα δύο δοκίμια. Η εφαρμογή της θερμογραφίας στα πειράματα εφελκυσμού έδειξε πως η θερμογραφία μπορεί σε μεγάλο βαθμό να παρακολουθήσει την εξέλιξη των αρχικών βλαβών που

68 60 αναπτύσσονται κατά την διάρκεια της φόρτισης. Συγκεκριμένα μπορεί να καταγράψει την αύξηση του μεγέθους μεγάλων πόρων και διαστρωματικών αποκολλήσεων στο υλικό. Στις παραπάνω περιπτώσεις η αστοχία των δοκιμίων συνέβη πλησίον των tabs. Αυτό είναι αποδεκτό από το standard της ASTM λόγω της συγκέντρωσης τάσεων στην περιοχή αυτή. Ωστόσο και στις δύο περιπτώσεις στο σημείο θραύσης αναπτύχθηκαν όπως φαίνεται με την θερμογραφία και διαστρωματικές αποκολλήσεις που συνέβαλλαν στην συγκέντρωση τάσεων στην περιοχή. 6.4 Πείραμα κόπωσης Το πείραμα της κόπωσης εφαρμόστηκε σε δύο δοκίμια (δοκίμιο 3 και δοκίμιο 4) με μέτριο επίπεδο πορώδους. Το μέγιστο πλάτος ρυθμίστηκε στο σmax 0.55 της αντοχής των συγκεκριμένων δοκιμίων σε εφελκυσμό (41MPa) [26] δηλαδή στα 22MPa και το εύρος R στο 0.1. Πρόκειται για εφελκυστική κόπωση (tensile-tensile) χαμηλών κύκλων και πραγματοποιείται σύμφωνα με το standard της ASTM D3479M-96 (2002 reapproved). Η συχνότητα που επιβάλλεται είναι 5 Hz (18000 κύκλοι/ώρα). Πρέπει να σημειωθεί ότι περίπου 5mm στο πάνω και στο κάτω άκρο του δοκιμίου δεν είναι ορατά με την θερμοκάμερα λόγω των μεταλλικών πλακιδίων προσαρμογής που τοποθετήθηκαν στην μηχανή κόπωσης. Στα δύο πειράματα ακολουθούνται διαφορετικές πειραματικές διαδικασίες που περιγράφονται στην συνέχεια. Αφού όπως έχουν προσδιορισθεί οι αρχικές βλάβες του υλικού με την μέθοδο των ακουστικών υπερήχων (ultrasonic C-Scan) και την θερμογραφία, αρχίζει το πείραμα της κόπωσης και η υπέρυθρη κάμερα καταγράφει καθ όλη την διάρκεια του πειράματος την πλευρά που θερμαίνεται (reflection mode). Το πρώτο πείραμα έχει ως στόχο την παρακολούθηση της εξέλιξης των βλαβών σε πείραμα κόπωσης δοκιμίου με ίνες στις 90 ο ([90]16) με την μέθοδο της επί τόπου θερμογραφίας. Για τον σκοπό αυτό μία υπέρυθρη κάμερα καταγράφει την μία πλευρά του δοκιμίου κατά την διάρκεια την φόρτισης ενώ θερμικοί παλμοί διάρκειας 2.5 s και παύσης μεταξύ τους 4 s θερμαίνουν το δοκίμιο. Το δοκίμιο αστοχεί μετά από κύκλους. Μετά την αστοχία πραγματοποιείται και πάλι C- Scan. Οι εικόνες που λαμβάνονται από την κάμερα υπόκεινται σε επεξεργασία μέσω του Matlab. Στις Εικόνες 6.7 (a) έως (f) που ακολουθούν μπορούμε να παρακολουθήσουμε την εξέλιξη των βλαβών κατά την διάρκεια της φόρτισης. Οι αρχικές βλάβες αναπτύσσονται σημαντικά

69 61 μετά τους 5000 κύκλους όπου αρχίζουν να καταλαμβάνουν μεγαλύτερη επιφάνεια. Στην συνέχεια υπάρχει σταδιακή αύξηση των σκούρων περιοχών που σηματοδοτούν τις διαστρωματικές αποκολλήσεις μέχρι την θραύση του δοκιμίου. Το δοκίμιο σπάει στο κάτω μέρος πλησίον των tabs. Η σύγκριση των δύο μεθόδων μετά την θραύση του δοκιμίου, δείχνει την αρκετή ομοιότητα τους στην απεικόνιση των βλαβών. Ωστόσο η θερμογραφία εκφράζει ενιαία τις περιοχές που υπάρχουν βλάβες και δεν μπορούμε να εξάγουμε συμπεράσματα για την ακριβή αύξηση του σχήματος των βλαβών. Στο σημείο θραύσης υπήρχε διαστρωματική αποκόλληση όπως φαίνεται από το C-Scan, το σημείο όμως αυτό δεν ήταν πλήρως ορατό με την θερμοκάμερα λόγω των μεταλλικών πλακιδίων της μηχανής κόπωσης. Εικόνα 6.7 Εξέλιξη των βλαβών του δοκιμίου 3 κατά την διάρκεια πειράματος κόπωσης. Δεν μπορούμε να είμαστε σίγουροι για το ακριβές μέγεθος των παραπάνω βλαβών αλλά μέσω της επί τόπου θερμογραφίας γνωρίζουμε την κατανομή τους και την ευρύτερη περιοχή που καταλαμβάνουν. Η δυσκολία ανίχνευσης τους έγκειται στο γεγονός ότι η διαδικασία της κόπωσης αυξάνει την θερμοκρασία του δοκιμίου. Η μέθοδος της ενεργητικής θερμογραφίας παλμού στηρίζεται στην ύπαρξη θερμοκρασιακής διαφοράς μεταξύ της αρχής και την υψηλότερης θερμοκρασίας στον συγκεκριμένο παλμό. Εφόσον εκλύεται θερμότητα

70 62 κατά την κόπωση είναι δυσκολότερο με την μέθοδο της θερμογραφίας παλμού να δημιουργηθεί θερμοκρασιακή διαφορά ώστε να γίνουν εμφανείς οι βλάβες. Το δοκίμιο 4 (Εικόνα 6.8) υπόκειται επίσης σε κόπωση. Όπως είδαμε το δοκίμιο αυτό περιέχει διαστρωματικές αποκολλήσεις και περιοχές με μεγάλους πόρους. Η υπέρυθρη κάμερα καταγράφει την ίδια πλευρά του δοκιμίου που θερμαίνει ο λαμπτήρας. Στους 3000 κύκλους και στους 9000 γίνεται παύση του πειράματος για να εξετασθεί το δοκίμιο με την μέθοδο των ακουστικών υπερήχων. Όπως φαίνεται στην Εικόνα 6.8 (a) η θερμογραφία εντοπίζει τις ίδιες περιοχές βλαβών με το C-Scan ωστόσο όχι με το ακριβές σχήμα τους. Κατά την διάρκεια του πειράματος οι περιοχές αυτές έχουν πολύ σταδιακή αύξηση την οποία η θερμογραφία δεν μπορεί να καταγράψει επακριβώς (Εικόνα 6.8 (a) έως (f)). Τέλος το δοκίμιο σπάει στο κάτω μέρος, σε σημείο που όπως φαίνεται είχε αναπτυχθεί διαστρωματική αποκόλληση. Μέχρι λίγο πριν την θραύση το σημείο αυτό έχει έντονο σκούρο χρώμα που σηματοδοτεί πολύ διαφορετικές θερμικές ιδιότητες σε σχέση με το υπόλοιπο δοκίμιο. Εικόνα 6.8 Θερμογραφία και C-Scan κατά την διάρκεια του πειράματος κόπωσης στο δοκίμιο 4. Η επί τόπου θερμογραφία κατά την διάρκεια πειράματος κόπωσης CFRP δοκιμίων που φορτίζονται εγκάρσια στην διεύθυνση των ινών, κατάφερε να ανιχνεύει τις περιοχές που υπάρχουν βλάβες καθ όλη την διάρκεια της κόπωσης. Δεν μπορεί όμως να ανιχνεύσει την