Wykorzystanie promieniowania terahercowego do badania wad

194
Krzysztof GOR¥CY, Ryszard PILAWKA
Krzysztof GOR¥CY, Ryszard PILAWKA
Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie
Wydzia³ Technologii i In¿ynierii Chemicznej, Instytut Polimerów
Wykorzystanie promieniowania terahercowego do badania wad kompozytów
polimerowych
Streszczenie. Celem pracy jest przedstawienie kolejnych mo¿liwoœci wykrywania wad kompozytów polimerowych z zastosowaniem promieniowania elektromagnetycznego w zakresie terahercowym. Przebadano kompozyty
poliestrowo-szklane, poliestrowo-bazaltowe oraz z przek³adkami lekkimi wykonane metod¹ laminowania rêcznego. Sprawdzono mo¿liwoœci wykrywania wad o wielkoœciach 1 do 5 mm oraz naciêæ w przek³adkach lekkich.
Przedstawiono nowe sposoby obrazowania wyników badañ.
USE OF THE THZ WAVES FOR INVESTIGATION OF COMPOSITE MATERIALS DEFECTS
Summary. In this paper the new possibilities of use of THz electromagnetic waves for detection of polymer composite defects were investigated. There were glass – polyester, basalt – polyester and composites with lightweight
spacer investigated. Composite materials were made by hand lay up. There were tested the possibilities of detection
of cut in spacer and defects with size 1 to 5 mm. The new way of THz signal imaging were also presented.
1. Charakterystyka promieniowania terahercowego
W poprzednich publikacjach [1-5] opisano mo¿liwoœci wykorzystania promieniowania THz do wykrywania
wad kompozytów polimerowych. Po udoskonaleniu stanowiska badawczego kompozyty mo¿na badaæ w trybie
promieniowania odbitego, ale z zastosowaniem oddzielnych g³owic; emituj¹cej i odbieraj¹cej promieniowanie.
Do badañ zastosowany zosta³ spektrometr T-Ray 4000 firmy Picometrix.
Metoda impulsowej terahercowej spektroskopii czasowej polega na generowaniu fal o czêstotliwoœci w zakresie 100 GHz do 10 THz, co odpowiada d³ugoœci fali
3mm – 30μm. Obejmuje to obszar widma pomiêdzy mikrofalami, a podczerwieni¹. Promieniowanie to przenika
przez materia³y niemetaliczne, a odbijane jest przez metale i materia³y przewodz¹ce pr¹d elektryczny. Dziêki temu
promieniowanie terahercowe nadaje siê do inspekcji wielu materia³ów stosowanych w technice.
2. Techniki obrazowania
Jak opisano w [1] podczas badania materia³u falami
THz w trybie odbiciowym obiekt naœwietla siê impulsow¹ wi¹zk¹ terahercow¹. Impuls promieniowania odbija
siê od granic faz tzn. powietrze – obiekt badany, obiekt
badany – powietrze oraz od granic miêdzy warstwami
wzmocnienia. Defekt tworzy dodatkowe granice faz, które odbijaj¹ promieniowanie elektromagnetyczne. Po³o¿enie defektu mo¿na okreœliæ mierz¹c opóŸnienie czasowe
impulsów docieraj¹cych do odbiornika.
Wyniki pomiarów mog¹ byæ przedstawione za pomoc¹ technik obrazowania okreœlanych, jako: A-scan; pomiar pojedynczego punktu, B-scan; zbiór punktów pomiarowych wzd³u¿ jednej linii, C-scan; zestawienie obrazów na okreœlonej g³êbokoœci. W prezentowanej pracy
przedstawiono dodatkowe obrazy wad uzyskane dziêki
przetworzeniu sygna³u diagnostycznego. Na rysunkach
przedstawiaj¹cych wady materia³ów oznaczono je jako:
— maxval – wartoœæ maksymalna sygna³u A-scan
w punkcie (x, y),
— minval – wartoœæ minimalna sygna³u A-scan w punkcie (x, y),
— maxmin – odleg³oœæ miêdzy pikami sygna³u o maksymalnej i minimalnej wartoœci,
— sumabs – ca³ka z modu³u wartoœci sygna³u miêdzy
pierwszym i ostatnim pikiem odbitym od wady.
Te dodatkowe obrazy pozwalaj¹ na uzyskanie obrazu
wady bez szczegó³owej analizy ich po³o¿enia (g³êbokoœci) przy pomocy C-scan i w niektórych przypadkach u³atwiaj¹ wykrycie wady oraz daj¹ ³atwiejszy do zinterpretowania obraz wad kompozytu.
3. Badane materia³y
Badane kompozyty wykonano metod¹ laminowania
rêcznego wykorzystuj¹c nastêpuj¹ce materia³y;
— ¿ywica poliestrowa Chromoplast GP 2000 firmy Scott
Bader, inicjator Luperox K12G,
— tkanina szklana FGE 115 firmy Formax, gramatura
900 g/m2, uùoýenie warstw 0/-45/+45,
— tkanina bazaltowa o gramaturze 200 g/m2,
— przek³adka Spherecore SP 4 o gruboœci 4 mm – w³ókna szklane z termoplastycznymi mikrobalonami, gramatura 200 g/m2,
— przek³adka Nidaplast o gruboœci 10 mm – termoplastyczna struktura plastra miodu, powierzchnia pokryta tkanin¹ poliestrow¹ umo¿liwiaj¹c¹ laminowanie.
Laminat A
Wykonano z trzech warstw tkaniny szklanej FGE 115,
przy czym warstwa œrodkowa uszkodzona by³a przez
nawiercenie otworów o œrednicach 1, 2, 3, 4, 5 mm. Nawiercano w szeregu po piêæ otworów o jednakowej œrednicy.
Przetwórstwo Tworzyw 3 (maj – czerwiec) 2012
195
Wykorzystanie promieniowania terahercowego do badania wad kompozytów polimerowych
B-scan:
C-scan:
Rozk³ady parametrów:
Rys. 1. Laminat A poliestrowo szklany. Obraz otworów o œrednicach 1 i 2 mm.
Laminat B
Wykonano z 10 warstw tkaniny bazaltowej, przy
czym warstwa 5 uszkodzona by³a przez nawiercenie
otworów o œrednicach 1, 2, 3, 4, 5 mm. Nawiercano w szeregu po piêæ otworów o jednakowej œrednicy.
Laminat C
Wykonano z uk³adaj¹c kolejno: warstwê tkaniny bazaltowej, przek³adkê lekk¹ Spherecore SP 4, warstwê tkaniny bazaltowej, przek³adkê lekk¹ Spherecore SP 4, warstwê tkaniny bazaltowej. Uszkodzenie polega³o na wyko-
Przetwórstwo Tworzyw 3 (maj – czerwiec) 2012
196
Krzysztof GOR¥CY, Ryszard PILAWKA
B-scan:
C-scan:
Rozk³ady parametrów:
Rys. 2. Laminat B poliestrowo bazaltowy. Obraz otworów o œrednicach 1, 2, 3, 4, 5 mm.
naniu w jednej przek³adce naciêcia no¿em na ca³ej gruboœci przek³adki.
Laminat D
Wykonano laminuj¹c materia³ sk³adaj¹cy siê z dwóch
warstw tkaniny szklanej FGE 115 i umieszczonej pomiêdzy nimi przek³adki Nidaplast o gruboœci 10 mm. Uszkodzenie polega³o na wykonaniu wgniecenia w przek³adce
przed jej zalaminowaniem.
4. Wyniki badañ
Kompozyty z defektami struktury zbadano przy pomocy fal THz. Wyniki pomiarów zestawiono na rysunkach 1 – 4. Uzyskano wyraŸne obrazy wad w przypadku
otworów o œrednicach od 1 do 5 mm. Wady te by³y widoczne dla kompozytów poliestrowo szklanych i poliestrowo-bazaltowych. Najlepsze obrazy wad, widoczne za-
Przetwórstwo Tworzyw 3 (maj – czerwiec) 2012
Wykorzystanie promieniowania terahercowego do badania wad kompozytów polimerowych
B-scan:
197
C-scan:
Rozk³ady parametrów:
Rys. 3. Laminat C, poliestrowo szklany z przek³adkami lekkimi. Obraz naciêcia przek³adki.
równo na B-scan jak i na C-scan uzyskano dla kompozytu
z w³óknami bazaltowymi. Równie¿ przetworzony sygna³
diagnostyczny dawa³ najlepsze wyniki dla tych materia³ów, mimo i¿ wady by³y tu wykonane na bardzo ma³ej
gruboœci. Wykryto równie¿ wady wykonane w przek³adkach lekkich, choæ nie uzyskano ich wyraŸnego obrazu
przy pomocy obrazowania B scan. Wa¿n¹ zalet¹ promie-
niowania THz wydaje siê byæ mo¿liwoœæ wykrywania naciêæ w przek³adkach lekkich. Wykryto równie¿ wgniecenie w przek³adce typu plaster miodu, choæ wydaje siê, ¿e
ten sygna³ by³ w wiêkszym stopniu spowodowany odbiciem promieniowania od nierównoœci powierzchni spowodowanej wgnieceniem przek³adki ni¿ od delaminacji
wywo³anej tym wgnieceniem.
Przetwórstwo Tworzyw 3 (maj – czerwiec) 2012
198
Krzysztof GOR¥CY, Ryszard PILAWKA
B-scan:
C-scan:
Rozk³ady parametrów:
Rys. 4. Laminat D, poliestrowo szklany z przek³adk¹ lekk¹ Nidaplast. Obraz wgniecenia przek³adki.
5. Wnioski
Nieniszcz¹ca metoda badania kompozytów polimerowych przy u¿yciu promieniowania terahercowego
w trybie odbiciowym pozwala na wykrycie wad kompo-
zytów ze wzmocnieniem z w³ókna szklanego i bazaltowego o wielkoœciach ok. 1 mm. Mo¿liwe jest tak¿e wykrywanie wad w kompozytach z przek³adkami lekkimi i to
tak niewielkich jak naciêcie no¿em. Jest to nowa mo¿liwoœæ zastosowania tej metody. Poza typowymi sposoba-
Przetwórstwo Tworzyw 3 (maj – czerwiec) 2012
Wykorzystanie promieniowania terahercowego do badania wad kompozytów polimerowych
mi obrazowania mo¿liwe jest dodatkowe przetworzenie
sygna³u diagnostycznego, co w pewnych przypadkach
u³atwia znalezienie wady materia³u.
3.
Prace wykonane w ramach projektu badawczego
MNiSzW nr N 510 538039
Bibliografia:
1.
2.
4.
Gor¹cy K.: Ocena mo¿liwoœci wykorzystania promieniowania terahercowego do badania wad kompozytów polimerowych, Polimery i kompozyty konstrukcyjne, Monografia
(pod red. G. Wróbel) Cieszyn 2010, 131-139
Gor¹cy K., £opato P., Chady T.; Badanie wad eksploatacyjnych laminatów z wykorzystaniem promieniowania terahercowego, Materia³y Polimerowe 2010 (pod red. T. Spy-
5.
199
chaj, S. Spychaj), Wydawnictwo Uczelniane Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie,
Szczecin 2010, 251-256
£opato P., Chady T., Gor¹cy K.; Image and Signal Processing
Algorithms for THz Imaging of Composite Materials, Konferencja, Review of Progress in Quantitative NDE, University of Rhode Island, Kingston, USA 26-31.07.2009
K. Gor¹cy, R. Pilawka: Teraherz frequencies electromagnetic
waves – a new tool for investigation of composite defects.
Kompozyty 11, 2011, 75-80
T. Chady, P. £opato, K. Gor¹cy, R. Pilawka, P. Baniukiewicz:
THz Imaging Based Catalog of Composite Materials Defects. 38th Annual Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation. July 17-22, 2011, University of Vermont, Burlington, Vermont, U.S.A.
Przetwórstwo Tworzyw 3 (maj – czerwiec) 2012