Modułowa struktura stanowiska do diagnostyki termowizyjnej stopnia degradacji zmęczeniowej materiałów kompozytowych

W artykule przedstawiono eksperymentalne stanowisko badawcze do oceny zmian dyfuzji ciepła w materiałach kompozytowych w funkcji cykli zmęczeniowych. Konstrukcja stanowiska posiada strukturę modułową umożliwiającą dużą elastyczność i łatwą rekonfigurację poszczególnych elementów składowych. Do zadawania cykli zmęczeniowych zastosowano maszynę wytrzymałościową. Do stymulacji cieplnej próbek użyto modułu promienników podczerwieni, natomiast rozkład temperatury na powierzchni próbki jest rejestrowany za pomocą modułu wizyjnego w postaci kamery termowizyjnej. W celu wyeliminowania zakłóceń związanych z wpływem rozgrzanych promienników na wyniki pomiaru zastosowano moduł przesłony. Poszczególne moduły mocowane są na maszynie wytrzymałościowej. Opracowane stanowisko badawcze umożliwia automatyzację procesu pomiarowego. W pierwszym etapie zadawana jest seria obciążeń zmęczeniowych w postaci cyklicznego rozciągania. Następnie, nie zdejmując próbki z uchwytów, wykonywana jest stymulacja cieplna próbki za pomocą promienników podczerwieni. Z chwilą wyłączenia promienników i wysunięcia przesłony rozpoczyna się rejestracja rozkładu temperatury na przeciwległej powierzchni próbki za pomocą kamery termowizyjnej. Następnie cykl pomiarowy jest powtarzany. Z powodu degradacji zmęczeniowej materiałów kompozytowych, oprócz pogorszenia właściwości mechanicznych (utrata wytrzymałości i sztywności), zmieniają się również właściwości cieplne badanych materiałów. W wyniku pojawiających się, w efekcie obciążeń zmęczeniowych, mikropęknięć lub rozwarstwienia (delaminacji) w materiałach kompozytowych zmienia się szybkość dyfuzji ciepła, w stosunku do nieobciążonych materiałów bazowych. Znalezienie zależności pomiędzy szybkością przyrostu temperatury, w wyniku zadawanego testowego impulsu cieplnego, a liczbą cykli zmęczeniowych umożliwia prowadzenie nieniszczącej i bezkontaktowej diagnostyki stopnia degradacji materiałów kompozytowych.

---

The article presents experimental test stand that was developed to evaluate of heat diffusion changes in composite materials as a function of fatigue cycles. The construction of the test stand has a modular structure, which enables for a high flexibility and an easy reconfiguration of components. The testing machine was used for determining fatigue cycles. For thermal stimulation of samples, the module of infrared radiators was used. The temperature distribution on the sample surface was registered in the form of a thermal imaging camera by the vision module. A shutter module was used in order to eliminate an influence of disturbances associated with hot radiators on the measurement results. Particular modules were mounted on the testing machine. The developed test stand enables for automation of the measurement process. In the first step a series of fatigue loads is set in the form of cyclic tensile stress. Then, without removing the sample from grips, a thermal stimulation of a sample is performed by infrared radiators. When radiators shut off and close the shutter a recording of the temperature distribution is started on the opposite surface of the sample using a thermal imaging camera. A measurement cycle is then repeated. Due to a fatigue degradation of composite materials, in addition to the deterioration of mechanical properties (loss of strength and rigidity), thermal properties of tested materials are also changed. Fatigue loads in composite materials may result in micro cracking or delaminating. Rate of heat diffusion is changed in relation to the unloaded base materials. The relationship between temperature rising rates of is a result of the test heat pulse, and the number of fatigue cycles allow a non-destructive and non-contact degradation diagnostics of composite materials.