Обоснование возможности применения дистанционных инфракрасных методов (ИК) оценки излучательной способности композитных материалов в условиях естественной изменчивости температуры окружающего фона

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Обоснование возможности применения дистанционных инфракрасных методов (ИК) оценки излучательной способности композитных материалов в условиях естественной изменчивости температуры окружающего фона

С.С. Зенченко ФГУП "Крыловский государственный научный центр"

Аннотация

В работе приведены основные положения по применению тепловизионной техники для определения излучательной способности композитных материалов, приведены результаты и их сопоставление с данными других авторов, а также при применении автором других приборов.

Бурное развитие, производство и применение специальных композитных материалов для судостроения и авиации требует обширной информации о теплофизических свойствах этих материалов. Среди этих свойств важное значение приобретает излучательная способность или степень черноты материалов. Она характеризует способность поверхности материала излучать энергию электромагнитных волн в инфракрасном (ИК) диапазоне спектра. Излучательная способность определяется, как отношение энергии излучаемой поверхностью при определенной температуре к энергии излучения абсолютно-черного тела (АЧТ) при той же температуре. Для количественной оценки существует коэффициент излучения -? (эпсилон).

В связи с неоднородностью структуры композитных материалов, состоящей из полимерной матрицы и различных наполнителей, представляет интерес знание излучательной способности, как отдельных компонентов, так и интегральное значение излучательной способности готового образца материала. Оценка излучательной способности обеспечивает прогнозированное поведение материалов в различных условиях их эксплуатации.

В связи с отсутствием приборов и методов прямого измерения ?, применяются опосредованные методы на основе контактных и дистанционных измерений. Общий принцип основан на нагреве образца и контроле изменений теплового поля, вызванных его прохождением через обьем образца. При этом значение ? определяется по термодинамической температуре тела, характеризующей осредненное по обьему и площади температуру внутреннего состояния материала и по радиационной температуре, определяющей температуру тонкого поверхностного слоя, формирующего ИК-излучение в диапазоне спектра 8-14 мкм. Таким образом в решении задачи участвуют различные контактные и дистанционные принципы измерения.

При этом известные контактные методы измерений с помощью микроприемников, в виде термопар, имеют ограниченное применение для решения такого рода задач из-за конечных размеров чувствительных элементов и нарушения ими поверхностной структуры образца при внедрении внутрь материала, погрешностей измерения из-за отвода тепла датчиком, большой суммарной погрешности при применении группы датчиков, а также не соответствия глубины установки датчика и реального слоя излучения ИК-диапазона спектра [1]. Известные радиационные методы, основанные на применении пирометров излучения (радиометры, тепловизоры), требуют тщательной доработки. Эта доработка связана, в одних случаях, с погрешностями измерений при применении выносных зеркал для приема ИК-излучения с различных сторон образца [2].

В других случаях, с погрешностями, связанными с поочередным сканированием участка образца с покрытием тестового значения ? и участка с реальным состоянием поверхности [3]. Во всех случаях погрешности обусловлены влиянием прямого, отраженного и переотраженного влияния ИК-излучения окружающего фона, имеющего случайных характер проявлений по времени, пространству и температуре. Дополнительно перечисленные факторы усиливаются неконтролируемым изменением угла визирования (угла места) оптической системы, неконтролируемым изменением соотношений площади разрешения оптической системы и полезной площади образца. Кроме того, упомянутые выше измерения , в основном, для материалов, у которых ? в несколько раз отличается от тестового значения ?. Например для расплавленных металлов при высоких температурах нагрева (свыше 500°С). Это снижает практическую значимость и оперативность измерений, кроме того ряд композитных материалов теряют свои свойства при таких температурах нагрева.

Суть разработанного и предлагаемого метода, поясняемого на Рис.1, состоит в использовании стационарной виброустойчивой установки, обеспечивающей жесткое, но регулируемое расположение пирометра (тепловизора) и исследуемого образца.

Рис.1 Обоснование применения бесконтактного метода

При этом тепловизор является основным и определяющим прибором. Направление оптической оси тепловизора осуществляется строго по нормали к поверхности материала. Расстояние между внешней поверхностью входного окна и поверхностью образца должно соответствовать фокусному расстоянию оптики тепловизора. Предлагаемый нагрев образца осуществляется в практически удобном для реализации диапазоне температур от 20 до 100°С, поскольку этот диапазон соответствует ИК-области спектра 8-14 мкм, а создание нагрева фиксированного устойчивого значения температуры указанного диапазона обеспечивает максимум ИК-излучения только определенной длины волны.

Для реализации такой возможности нагрева использовано абсолютно-черное тело, которое своей внешней поверхностью полости нагрева плотно примыкало с последующей герметизацией к внутренней поверхности образца. Посредством тщательной юстировки или с использованием специальной ИК-метки производилась настройка, обеспечивающая совпадение горизонтальной осей оптической системы тепловизора и полости АЧТ. Использование АЧТ позволяло создавать устойчивое облучение поверхности образца в пределах одной постоянной площади. Процесс начала формирования поля и его завершения фиксировался по индикатору блока управления АЧТ. Стабильность поля установленного значения температуры составляла ± 0,15°С в течение 6 часов. ИК-облучение внутренней поверхности позволяло нагревать образец и создавать спустя некоторое время на противоположной наружной поверхности область стабильного нагрева в пределах площади, превышающей пятно разрешения оптической системы тепловизора. Время формирования устойчивого теплового поля на наружной поверхности зависит от времени прохождения тепловой волны через материал и времени переходного процесса на поверхности.

С целью предотвращения влияния окруженного фона, между образцом и оптикой тепловизора устанавливался защитный экран в виде цилиндра. Он был выполнен из гофрированного картона, обладающего наименьшими теплопроводящими свойствами (коэффициент теплопроводности 0,07 Вт/(м*К)), исключающими потери тепла наружу. Одновременно изнутри и снаружи экран покрыт материалом с высокими теплоотражающими свойствами, например углеродной тканью или полированной фольгой. Контакт между экраном и поверхностью образца, с одной стороны, и экраном и входным окном тепловизора, с другой стороны, обеспечивались посредством гибких герметичных манжетов.

Для определения излучательной способности материала с использованием только тепловизора применен принцип сопоставления искомых измерений с измерениями при эталонном значении ?. Для создания теплового поля, соответствующего эталонным значениям ?, на наружную поверхность образца в переделах пятна разрешения тепловизора наносилась черная изоляционная лента с известным значением ?, равным 0,95. В самом тепловизоре обеспечивалось варьирование ?, в соответствии с заводскими установками, в пределах от 0,1 до 1,0 и с шагом 0,1. Для оценки достоверности показаний тепловизора (Fluke Ti32), осуществлялось сопоставление его показаний и показаний эталонного пирометра Raynger MTX4 при изменении уровня тепловой радиации с помощью упомянутого выше АЧТ, которое было аттестовано на сертификат ФГУП "ВНИИМ им. Д.И. Менделеева".

По выше предложенной методике проведены серии измерений с применением стеклопластика, стеклоткани, композитного материала на основе зачерненной эпоксидной смолы, углеродной ткани, ткани из карбона и т.д.

Рис. 2. Номограммы для образца с глянцевой поверхностью и нанесенным на его поверхность эталонным покрытием

В виду большого объема материала в данной статье в качестве примера представлены данные для измерений степени черноты стеклопластика толщиной 1,5 мм (результаты измерений представлены на рис. 2-4), имеющим, с одной стороны, глянцевую поверхность, а, с другой стороны, матовую. На рис. 2 представлены номограммы измерений для образца с глянцевой поверхностью и с нанесенным на поверхность эталонным покрытием из изоляции, имеющим значение е=0,95.

На рис. 3 представлены результаты сопоставления и окончательного определения степени черноты поверхности для глянцевой поверхности образца. По результатам измерений значение е=0,8.

На рис. 4 приведены данные для определения степени черноты поверхности для матовой поверхности образца. Результаты измерений и последующего сопоставления определили значение е=0,95.

Рис. 3. Результаты измерений и определения е для глянцевой поверхности

Рис. 4. Определение параметра е для матовой поверхности образца стеклопластика

В качестве доказательства объективности применения рассматриваемого способа определения степени черноты материалов на основе тепловизионных измерений, ниже приведено в табл. 1 сопоставление данных, полученных в работе и данных из других источников, не раскрывающих тонкости методов своих измерений. Аналогичное сопоставление представлено в табл. 2 для измерений предлагаемым методом и на основе применения Фурье-спектрометра.

Таблица 1 Сопоставление с данных различных источников

Таблица 2 Сопоставление с данным по Фурье-спектрометру

Анализ этих материалов подтверждает данные измерений, полученных автором с использованием тепловизионной аппаратуры.

чернота тепловизор излучательный

Литература

1. Клебанов М.Г., Обухов В.В., Фесенко Т.А. Способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик материалов, патент № 2192000, 2000.

2. Власов А.Б., Способ определения теплофизических характеристик материалов, патент № 2224245, 2002.

3. Стационарный ИК-пирометр с цифровой обработкой сигнала "Термоскоп-200", руководство по эксплуатации и методика проверки

Размещено на Allbest.ru