УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИНФРАКРАСНОЙ ТЕРМОГРАФИИ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ В СРЕДЕ ПОСТОЯННОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ
DEVICE FOR INFRARED THERMOGRAPHY OF POLYMER COMPOSITE MATERIALS IN A CONSTANT MAGNETIC FIELD ENVIRONMENT

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к устройствам для выполнения неразрушающего контроля изделий из полимерных композиционных материалов (ПКМ).
Одним из наиболее опасных дефектов изделий, изготовленных из ПКМ, является недоотверждение связующего (матрицы), характеризующееся степенью полимеризации менее 95-98%. Наличие данного дефекта приводит к резкому снижению эксплуатационных свойств и характера разрушения деталей из ПКМ при статическом и динамическом нагружении.
Согласно ГОСТ Р 56787-2015 «Композиты полимерные. Неразрушающий контроль» для определения недоотвержденного состояния матрицы ПКМ возможно использовать только один единственный метод – ультразвуковую дефектоскопию. Ультразвуковая дефектоскопия, несмотря на широкое распространение в различных отраслях промышленности при использовании в отношении полимерных композиционных материалов обладает некоторыми недостатками, к которым относятся: высокое затухание акустических волн, вероятность удержания и впитывания жидкости, выступающей в качестве проводящей среды, а также необходимость наличия относительно ровной и гладкой поверхности для выполнения контроля. Другим эффективным и лишенным недостатков ультразвуковой дефектоскопии методом неразрушающего контроля является инфракрасная термография, позволяющая быстро исследовать большие поверхности, выявляя участки, которые должны быть подвергнуты более тщательному контролю.
При распознавании недоотвержденного состояния полимерной матрицы композиционного материала методом инфракрасной термографии аморфная (неупорядоченная) структура полимера, наличие микрообластей с повышенным локальным порядком, с более высокими межмолекулярными связями усложняет определение температурной границы твердого и недоотвержденного состояния.
Известен способ инфракрасной термографии недоотвержденного состояния матрицы ПКМ под воздействием на объект контроля постоянного магнитного поля (ПМП). Данный способ заключается в том, что в твердых полимерах под действием ПМП изменяются механические характеристики и наблюдаются ориентационные явления в среде полимера. Таким образом, за счет возникновения в контролируемых областях с полным и недоотвержденным состоянием матрицы ПКМ под действием ПМП и ориентационных явлений зон с разной степень упорядоченности молекул становится возможным определить между ними температурную границу при выполнении инфракрасной термографии (см. Косенко Е.А., Зорин В.А,, Баурова Н.И. Анализ влияния постоянного магнитного поля на результаты контроля качества деталей из полимерных композиционных материалов методом инфракрасной термографии / Все материалы. Энциклопедический справочник. 2018. № 7. С. 30-33).
Известен большой ассортимент оборудования для выполнения инфракрасной термографии от простого (ручной тепловизор (инфракрасная видеокамера) и тепловая пушка) до сложного (полностью интегрированные системы с компьютерным управлением). Данное оборудование позволяет регистрировать распределение температуры на всей поверхности объекта контроля во время или сразу после нагрева (или охлаждения) контролируемой области. Изменение интенсивности теплового потока, вызванное расположенными близко к поверхности дефектами, воздействует на получаемое распределение температуры на поверхности объекта контроля. Нагрев объекта контроля осуществляется за счет реализации механизмов теплопроводности, конвекции и излучения. К типичным дефектам, определяемым данным оборудованием, относятся пустоты, заполнения, трещины, расслоения и присутствие жидких сред (см. ГОСТ Р 56787-2015 «Композиты полимерные. Неразрушающий контроль»).
Недостатком известного оборудования является невозможность распознавания недоотвержденного состояния матрицы ПКМ.
Наиболее близких аналогов к заявленному техническому решению из области техники не выявлено.
Достигаемым при использовании предлагаемого изобретения техническим результатом
является обеспечение возможности распознавания недоотвержденного состояния матрицы ПКМ.
Технический результат достигается тем, что устройство для инфракрасной термографии полимерных композиционных материалов в среде магнитного поля содержит раму для крепления объекта контроля, двух электромагнитов и штатива с инфракрасной видеокамерой. При этом электромагниты расположены на планках напротив друг друга по обе стороны рамы с возможностью перемещения вдоль рамы, а также по направлению друг к другу и в обратном направлении. Инфракрасная видеокамера установлена на горизонтальном штативе на расстоянии от объекта контроля, обеспечивающем оптимальное фокусное расстояние для регистрации теплового диагностического сигнала от объекта контроля. Объектив инфракрасной камеры направлен на раму, строго перпендикулярно объекту контроля.
Наличие в установке двух электромагнитов, расположенных напротив друг друга, позволяет создавать в области рамы постоянные магнитные поля, силовые линии которых имеют одинаковое направление и параллельны друг другу.
Возможность перемещения электромагнитов по направлению друг к другу и обратно позволяет размещать на раме между ними объекты контроля различных габаритных размеров. При этом должно обеспечиваться пересечение силовых линий, создаваемых электромагнитами магнитных полей.
Электромагниты являются съемными и при необходимости могут быть заменены на электромагниты с иными количественными характеристиками магнитного поля.
В качестве источника нагрева объекта контроля могут быть использованы инфракрасные лампы, импульсные лампы, прожекторы, возможен конвекционный нагрев теплым воздухом, при необходимости для проведения измерений объект контроля может быть охлажден.
Предлагаемое устройство при выполнении инфракрасной термографии позволяет создавать в структуре полимерной матрицы композита ориентационные явления, приводящие к разной степени упорядоченности молекул в зонах с полностью отвержденной и недоотвержденной матрицей, делая возможным выявление температурной границы между ними и температурного диагностического сигнала, характеризующего наличие дефекта.
Предлагаемое устройство поясняется чертежами, где на фиг. 1схематично представлен общий вид устройства.
Устройство для инфракрасной термографии полимерных композиционных материалов в среде магнитного поля содержит раму 1, на которой размещается объект контроля 2. Рама содержит стойку штатива 3, направляющие 4, по которым перемещаются планки 5 с размещенными на них электромагнитами 6. Электромагниты установлены на планках свободно и могут осуществлять продольное перемещение по ним. По стойке штатива в вертикальном направлении с возможностью поворота вокруг оси в горизонтальной плоскости перемещается поперечная штанга 7 с держателем 8, в котором шарнирно крепится инфракрасная видеокамера 9, при этом ее объектив направлен на раму. В креплении 10 поперечной штанги к стойке установлены линейные подшипники, обеспечивающие ее плавное линейное перемещение.
Предлагаемое устройство функционирует следующим образом.
На раме 1 в среду постоянного магнитного поля между двумя электромагнитами 6 размещается объект контроля 2 из полимерного композиционного материала.  Объект контроля может быть предварительно нагрет, либо подвергаться нагреву любым из известных способов (кроме нагрева в среде жидкости) в процессе выполнения инфракрасной термографии. Перемещая поперечную штангу в вертикальном направлении, устанавливается оптимальное фокусное расстояние между инфракрасной видеокамерой 9, закрепленной шарнирно в держателе 8, и объектом контроля. В случае, если фокусное расстояние не позволяет охватить всю площадь контроля, то перемещая поперечную штангу 7 в продольном направлении посредством крепления 10 и/или поворачивая ее вокруг стойки штатива 3 в горизонтальной плоскости производится поэтапная регистрация с помощью инфракрасной видеокамеры изменения распределения температурного поля на поверхности объекта контроля. Синхронное перемещение планок 5 по направляющим 4 и электромагнитов вдоль планок позволяет создавать постоянное магнитное поле в различных зонах крупногабаритного объекта контроля.
Предлагаемое изобретение поясняется примерами.
Пример 1
Примером реализации устройства является выполнение инфракрасной термографии на предмет наличия недоотвержденного связующего лопатки компрессора газовой турбины (объект контроля), изготовленной из базальтопластика, компонентами которого являются биаксиальная базальтовая ткань с направлением армирования волокон 0/90° и эпоксидная смола. Лопатка размещается на раме устройства. В зоне размещения лопатки с помощью двух электромагнитов, расположенных по обе стороны от объекта контроля, создается постоянное магнитное поле напряженностью 68 А/см. Регулировка расположения электромагнитов относительно объекта контроля осуществляется посредством их перемещения по направляющим и вдоль планок.  Под действием постоянного магнитного поля в твердом полимере создаются ориентационные явления, позволяющие определить температурную границу между зонами с разной степенью упорядоченности молекул. Объект контроля подвергается медленному нагреву с помощью инфракрасных ламп. Регистрация температурного диагностического сигнала от объекта контроля осуществляется с помощью инфракрасной видеокамеры с температурной чувствительностью не менее 50 мК, объективом не менее 32° x 23°, матрицей не менее 160 x 120 пикселей, и разрешением термограммы не менее 320 х 240. С помощью шарнирного крепления объектив инфракрасной видеокамеры направляется перпендикулярно поверхности объекта контроля.  Средняя температура диагностического сигнала от недоотвержденного полимерного связующего составит ≈ 33°С при средней температуре базальтопластика ≈ 32°С. Анализ полученных результатов осуществляется с помощью специального программного обеспечения путем построения гистограмм распределения температур в заданных контурах или по линиям термограмм.
Пример 2
Примером реализации устройства является выполнение инфракрасной термографии на предмет наличия недоотвержденного связующего лопатки компрессора газовой турбины (объект контроля), изготовленной из базальтопластика, компонентами которого являются биаксиальная базальтовая ткань с направлением армирования волокон 0/90° и эпоксидная смола. Лопатка, предварительно нагретая до температуры ≈ 33°С размещается на раме устройства. В зоне размещения лопатки с помощью двух электромагнитов, расположенных по обе стороны от объекта контроля, создается постоянное магнитное поле напряженностью 68 А/см. Регулировка расположения электромагнитов относительно объекта контроля осуществляется посредством их перемещения по направляющим и вдоль планок.  Под действием постоянного магнитного поля в твердом полимере создаются ориентационные явления, позволяющие определить температурную границу между зонами с разной степенью упорядоченности молекул. Регистрация температурного диагностического сигнала от объекта контроля осуществляется с помощью инфракрасной видеокамеры с температурной чувствительностью не менее 50 мК, объективом не менее 32° x 23°, матрицей не менее 160 x 120 пикселей, и разрешением термограммы не менее 320 х 240. С помощью шарнирного крепления объектив инфракрасной видеокамеры направляется перпендикулярно поверхности объекта контроля.  При остывании средняя температура диагностического сигнала от недоотвержденного полимерного связующего составит  ≈ 32°С при средней температуре базальтопластика ≈ 31,4°С. Анализ полученных результатов осуществляется с помощью специального программного обеспечения путем построения гистограмм распределения температур в заданных контурах или по линиям термограмм.