文 | 煜捷史馆

编辑 | 煜捷史馆

-＜碳纤维复合材料与被动热成像＞-

CFRP复合材料已经被广泛应用于工业领域，如航空航天、汽车、风能和铁路，因为它们具有比强度和比刚度高、可设计性强、抗疲劳性高、抗腐蚀能力强等优良性能。

然而，CFRP复合材料的主要弱点是其抗冲击性低；事实上，CFRP复合材料在制造、服务和维护过程中，对诸如掉落的工具、强风和石头等机械冲击源造成的冲击很敏感。

一般来说，即使是轻微的冲击也会诱发几乎不可见的冲击损伤（BVID，即表面不可见，但内部存在的损伤），包括基体开裂、分层和纤维断裂，这会降低结构的刚度，威胁到结构的安全性和可靠性。

因此，及时发现机械冲击损伤，便于后续修复具有重要意义。

接下来，煜捷将为你讲述碳纤维复合材料与被动热成像结合，是如何预防和检测机械冲击的。

在冲击损伤检测方面，现有的技术可以归纳为两类：一类是冲击后检测技术，如超声波、射线摄影、显微镜、太赫兹等，

主要用于维修过程中检测冲击事件后的损伤，以评估结构的完整性；

而另一种是实时检测技术，通常用于服务过程中的结构健康监测，如声发射和机电阻抗，可以获得有关材料冲击损伤的实时信息。

尽管上述方法已被证明对复合材料的冲击损伤检测是成功的，但仍需要一种能够高效、可靠地检测冲击损伤的视觉和非侵入性方法。

随着光电技术的发展，红外热成像技术由于具有高速、非接触、大面积检测和可视结果等优点，被视为一种有前途的无损检测方法，它包含两种方法：热成像检测过程中的主动和被动。

在主动热成像检测中，需要并应用外部可控的刺激源，如高能脉冲闪光灯、功率超声波传感器、锁定、涡流感应加热、微波和激光来刺激物体的热对比。

由于这个原因，主动热成像技术一般用于检测维修过程中的结构，以及其他检测方法，不适合实时检测。

而被动式热成像使用红外摄像机来观察物体的温度变化，不需要任何外部热刺激，这表明这种方法适用于实时检测。

关于无源热成像，它可以满足以下要求：实时监测，快速和视觉检测，清洁和非接触，以及大面积覆盖。

基于此，许多学者对这种方法及其应用进行了一些尝试。对于复合材料的冲击破坏使用红外摄像机分析了玻璃纤维增强聚合物（GFRP）复合材料在冲击事件中的热效应。

之后，也观察到了复合材料冲击事件中的相同现象，这为通过被动热成像评估冲击损伤提供了可能。

随后，利用这种方法检测不同复合材料（如热固性和热塑性基体复合材料）的冲击损伤，并通过主动锁定热成像和相控阵超声波进行验证。

此外，对于复合材料的其他机械损伤，通过使用被动热成像技术监测准静态剪切载荷下的中间开裂过程，研究了暴露在不同条件下的FRP混凝土梁的耐久性。

通过被动热成像技术评估了静态拉伸载荷下玻璃纤维增强聚合物（GFRP）复合材料层压板的机械损伤，并指出这种方法可以检测到高应力水平的一些损伤。

总之，被动热成像技术为传统的无损检测技术提供了一种有希望的替代方法，即通过对承受动态载荷的物体表面温度差异进行成像。

然而，据我们所知，如何使用被动热成像技术来描述冲击损伤的类型，目前还很少涉及。

因此，在这项工作中，对CFRP复合材料层压板的机械冲击损伤进行了描述。

为了这个目标，分析了冲击事件中的能量转换，这为使用被动热成像技术检测CFRP层压板的冲击损伤奠定了基础。

在此基础上，几个试样经受了不同能量的冲击试验，并通过红外摄像机进行实时监测。

最后，结合主动脉冲热成像技术、SEM和超声波C扫描技术，通过分析试样的热成像图像来确定冲击损伤的类型。

-＜理论基础＞-

在冲击事件中，试样的能量转换情况如下图所示。

假设摆头以一定的速度V1撞击试样，其结果是以另一个一定的速度V2重新被试样束缚，这个速度小于V1。

根据Wang等人[31]和Kang和Cheol[32]等人提出的能量平衡方程，可以得到被试样吸收的损失动能Ei，如公式所示：

然而，塑性变形能量Ep和损伤能量Ed是冲击事件的主要能量吸收机制。

由于这个原因，Ev在吸收的能量中所占的比例很小，可以被忽略。

因此，热耗散可以看作是Ed的产生，它可以导致试样表面温度的变化，并为通过测量可变温度来检测冲击损伤提供途径。

从红外辐射框架来看，根据普朗克定律，可以用红外相机测量表面温度，这为利用被动热成像技术进行变温测量奠定了理论基础。

-＜实验细节＞-

A. 材料与设备

试件采用CFRP层压板，按[45∘/0∘/-45∘/90∘]4s延伸，分32层叠放，尺寸为150mm×100mm×4mm，采用超声波相控阵技术严格进行出厂检测，确保整体性。

在图(a)中，用不锈钢摆头撞击试样，其中安装了载荷传感器和加速度传感器，以收集相关数据，如接触力、速度等，并预制了一些螺纹孔，以增加或减少不锈钢块，改变摆头的重量，调整冲击能量。

因此，摆头越重，冲击能越大；这里的固定轴有两方面的作用：在冲击试验前后固定摆头和确定摆头的初始高度；夹具用来固定试样。

此外，为了防止冲击引起的熔渣四处飞溅，冲击装置和夹子被放置在柜子里。

B. 实验程序

如前所述，这项工作的重点是使用被动热成像技术通过测量表面温度对CFRP层压板进行冲击损伤检测和表征。

我们利用图中的摆锤冲击装置来模拟外部冲击源。冲击试验是在室温23°、湿度30%的条件下进行的。

值得注意的是，记录图像的帧数和记录频率应设置为适合记录整个散热过程，以避免大量热图像数据的存储，便于后续热图像处理。

基于这些原因，在被动式热成像中，收集的图像帧数设定为800，记录频率设定为25Hz，即每一帧热成像的收集时间为0.04s，总收集时间为32s。

在图(b)中，红外摄像机被放置在监控窗口，以记录试样的表面温度场。

这里使用的红外摄像机是由Infra-Tec公司生产的，型号为Vhr680，可以检测温度范围为-40℃至1200℃，30℃时的灵敏度为0.03℃，读数精度为2%，分辨率为640×480像素，工作在7.5-14微米的红外波段范围内，最大数据采集速率为每秒50帧。

在主动脉冲热成像中，两个高能闪光灯被用作脉冲刺激源。每盏灯的最大能量为2.4千焦，热波的刺激间隔为2毫秒。

SEM设备，型号为VEGA II XM，用于SEM测试，它可以将试样放大4-100000倍，分辨率为3.0nm。

超声波C型扫描测试设备，型号为Rapid Scan 2，由SONATEST公司生产，配备了5L128-I2的晶圆探头，可以发射和接收频率为5MHz的超声波。

-＜实验结果＞-

A. 使用被动热成像的检测结果

在撞击事件中，使用红外摄像机测量可变的表面温度，不同能量的试样的相应热成像序列显示在下图。

在图中，由于撞击引起的散热，撞击区的热点温度高于声音区的温度，这可以用来定位撞击损伤。

此外，从图像序列中还可以发现和分析一些有价值的现象，列举如下。

当t=0s时，摆头还没有撞击到试样，因此在热成像中没有热点存在；即使如此，由于环境的干扰和试样的表面特征等复杂原因，试样的表面温度显示出不同（即试样表面存在高光区和暗光区）。

然后，沿纤维层方向的热点（似乎是基体开裂）首先在t=0.04s时出现，呈直线状。

之后，热点开始以螺旋方式扩展（似乎是分层），直到0.16s时形成圆形热点。

对于给定的冲击能量，例如冲击能量为5J的1号试样的图像序列，冲击点附近的热斑比其他地方的热斑更亮，表明这里的温度更高，这可能是由于冲击事件引起的应力集中和基体开裂及分层的发生。

在同一时刻，冲击能量较高的热点比冲击能量较低的热点更亮。因为在较高的冲击能量下，冲击破坏更加严重，因此，更多的热量被耗散，导致试样的表面温度升高。

在#1-#4试样的图像序列中，热点中心存在一个相对的暗点，其原因主要是冲击引起的凹坑导致厚度减少，局部密度增加。

根据公式α=k/ρc，相应的热扩散效率α随着密度ρ的增加而降低，因此，热平衡的能力下降。

而在试样#5-#6的图像序列中，没有出现暗点，但出现了较亮的热点（如白点），这说明在20J到30J的冲击能量下，耗散的热量急剧增加。

导致这一现象的原因与纤维断裂的发生有关，在较大的冲击能量下（30J和36J）会释放大量的热量。

B. 使用主动脉冲热成像技术的检测结果

使用主动脉冲热成像技术对试样进行检测，部分试样的热图像序列显示在下图中，其中的热点表示冲击损伤区域。

与被动热成像法的检测结果相比，可以发现图中存在相似和不同的现象，现描述和分析如下。

相似现象包括两个方面：

一是热点（试样4#）的出现和螺旋式扩展的全过程，表明复合材料各子层存在冲击损伤，说明冲击损伤具有多层次、多尺度的特点。

另一种情况是试样4#存在暗点，试样6#存在较亮的热点，但原因与被动热成像不同。

在主动脉冲热成像中，对于冲击能量为20J的试样4#，由于冲击事件造成的厚度减少，导致子层之间的空间减少，结果热阻抗能力减弱，少量热量被累积，因此出现了暗点。

而对于冲击能量为36J的试样6#，在冲击事件中，试样表面出现了严重的基体开裂和纤维断裂，导致子层间的空间增大，结果是热阻抗能力增强，热量大量累积，从而出现了一个较亮的热点。

-＜讨论与建议＞-

学者们利用被动热成像技术以高帧率检测冲击损伤。

结果，他们不仅实现了对撞击损伤的实时检测，而且还观察到了另一个重要的现象，即热弹性效应。

事实上，冲击过程持续的时间非常短，甚至几毫秒。在这种情况下，百赫兹或千赫兹的帧率可以满足实时检测冲击损伤的要求。

与这些文献中得到的结果相比，本工作中帧率为25赫兹的结果表明，虽然在如此低的帧率下，热弹性效应现象被遗漏。

但冲击损伤已经被成功检测出来，具有高速、可视化和非接触的优点，冲击损伤的类型得到了清晰的描述。

-＜结论＞-

在这项工作中，我们的目的是利用被动热成像技术来描述冲击损伤的类型。

为了实现这一目标，首先对几个试样进行了不同能量的尖锐冲击试验，并使用被动热成像技术进行实时检测，然后使用主动脉冲热成像技术、SEM和超声波C扫描等无损检测方法进行检测。

然后，对检测结果进行比较分析，以实现对冲击损伤类型的表征。得到的结果表明，在不同的冲击能量下会出现不同的冲击损伤类型。

具体而言，当冲击能量较低时，冲击损伤类型包含基体开裂和分层，而冲击能量较大时，除基体开裂和分层外，还发生纤维断裂。

在此基础上，冲击损伤类型在被动热成像中被描述出来。

基体开裂和纤维断裂分别表征为沿纤维方向的直线状和垂直于纤维方向的热点，而分层则可以表征为不规则块状的热点，这样可以方便识别冲击损伤模式和评估损伤程度。

值得注意的是，这项工作有可能是为了确定损伤类型和冲击能量之间的关系。

然而，还需要更多的实验来找到不同损伤类型之间的能量阈值。