紅(hong)外熱像(xiang)儀用於復(fu)合(he)材(cai)料疲(pi)勞(lao)研(yan)究

紅(hong)外熱像(xiang)儀用於復(fu)合(he)材(cai)料疲(pi)勞(lao)研(yan)究

紅(hong)外熱像(xiang)儀已成為復(fu)合(he)材(cai)料疲(pi)勞(lao)研(yan)究中(zhong)壹(yi)項(xiang)有(you)力的無損檢(jian)測工(gong)具(ju)。它(ta)的核(he)心(xin)應用(yong)原(yuan)理(li)在於捕(bu)捉材(cai)料在(zai)循(xun)環(huan)載荷下(xia)產生(sheng)的(de)溫度(du)場(chang)變化，這(zhe)變化主(zhu)要(yao)源(yuan)於兩(liang)種熱力學(xue)耦(ou)合(he)效應(ying)：熱彈效應(ying)和(he)內(nei)耗(hao)生(sheng)熱。熱彈效應(ying)是指(zhi)材(cai)料在(zai)快(kuai)速變化的應(ying)力（如(ru)疲勞加載）下，因(yin)彈性(xing)變形而產(chan)生(sheng)的可逆絕(jue)熱溫度(du)變化，通常在(zai)拉伸(shen)時(shi)輕(qing)微降溫，壓(ya)縮(suo)時(shi)輕(qing)微升溫，其(qi)幅度(du)與(yu)應(ying)力幅值成正(zheng)比(bi)。復(fu)合(he)材(cai)料中(zhong)不(bu)同(tong)纖維取向或(huo)鋪(pu)層區域(yu)的(de)熱彈響應差(cha)異，使(shi)得紅(hong)外熱像(xiang)儀能直(zhi)觀地(di)揭示(shi)應(ying)力集(ji)中(zhong)區(qu)域(yu)。更(geng)為關鍵(jian)的(de)是(shi)內(nei)耗(hao)生(sheng)熱效應(ying)。在疲(pi)勞(lao)過(guo)程中(zhong)，材(cai)料內(nei)部(bu)發(fa)生(sheng)的(de)不(bu)可逆微觀損傷(shang)（如(ru)基體(ti)開裂、界(jie)面脫(tuo)粘(zhan)、分層、纖維斷裂）在(zai)反(fan)復(fu)變形時(shi)會消(xiao)耗(hao)能(neng)量，這(zhe)部(bu)分能量(liang)大(da)部(bu)分以熱的形式釋(shi)放。損傷(shang)越(yue)嚴(yan)重，能(neng)量(liang)耗(hao)散(san)越大，局(ju)部(bu)溫升就越(yue)顯(xian)著(zhu)。紅(hong)外熱像(xiang)儀能夠精(jing)確(que)地(di)定(ding)位(wei)這(zhe)些(xie)揭示(shi)損傷(shang)存(cun)在(zai)的(de)局(ju)部(bu)“熱點(dian)"。

在(zai)具(ju)體(ti)應(ying)用(yong)方(fang)面(mian)，紅(hong)外熱像(xiang)儀發(fa)揮著(zhe)多方(fang)面(mian)的作(zuo)用。首先，它(ta)能用(yong)於疲(pi)勞(lao)極限(xian)的快(kuai)速評(ping)估(gu)。通過對(dui)單件(jian)試樣(yang)施加階(jie)梯(ti)遞(di)增的應(ying)力水平(ping)並(bing)進行(xing)少量(liang)循(xun)環(huan)，同時(shi)監(jian)測(ce)其(qi)表面(mian)溫(wen)度(du)變化，可以觀察到(dao)：當(dang)應力低於疲(pi)勞(lao)極限(xian)，主(zhu)要(yao)呈現(xian)可逆的熱彈效應(ying)，平均溫(wen)度(du)變化小(xiao)；壹(yi)旦(dan)超(chao)過疲(pi)勞極(ji)限，內耗(hao)生(sheng)熱主(zhu)導(dao)導(dao)致(zhi)平均溫(wen)度(du)顯(xian)著(zhu)升高(gao)。這(zhe)種方(fang)法相(xiang)比(bi)傳統(tong)階梯(ti)法大大節省(sheng)了(le)時(shi)間和(he)試(shi)樣(yang)數(shu)量。

其(qi)次(ci)，紅(hong)外熱像(xiang)儀能實時(shi)、全場(chang)、非(fei)接(jie)觸地(di)監(jian)測(ce)損傷(shang)的(de)萌生(sheng)與(yu)演化(hua)。疲(pi)勞損傷(shang)的(de)起始點(dian)（如(ru)缺口根部(bu)、自由(you)邊）通常會(hui)首先出現(xian)局(ju)部(bu)溫升（熱點(dian)），清(qing)晰(xi)地(di)指(zhi)示(shi)損傷(shang)位(wei)置(zhi)。隨(sui)著(zhe)循環(huan)次(ci)數(shu)增加，損傷(shang)擴展(zhan)，熱像(xiang)圖上的(de)熱點(dian)區(qu)域也(ye)會隨(sui)之擴大(da)、移(yi)動或(huo)出現(xian)新(xin)熱點(dian)，直(zhi)觀展示(shi)損傷(shang)演化(hua)路徑和(he)模(mo)式(shi)。局(ju)部(bu)溫升的幅度(du)、熱點(dian)面(mian)積和(he)分布模式的變化，還能(neng)間接(jie)反(fan)映損傷(shang)的(de)嚴(yan)重程(cheng)度(du)，為量化(hua)損傷(shang)提(ti)供(gong)可能。

此(ci)外(wai)，它(ta)在識別(bie)應(ying)力集(ji)中(zhong)和(he)預(yu)測(ce)失(shi)效方(fang)面(mian)也(ye)很有(you)價值。加載(zai)初(chu)期的(de)顯(xian)著(zhu)熱彈效應(ying)區域(yu)通常對(dui)應應力集(ji)中(zhong)區(qu)，即潛在的裂(lie)紋萌生(sheng)點(dian)。而在(zai)疲(pi)勞後(hou)期，局(ju)部(bu)溫升的急(ji)劇(ju)增加（熱點(dian)溫(wen)度(du)陡(dou)升）往往(wang)是(shi)該區(qu)域(yu)即將發(fa)生(sheng)災(zai)難(nan)性(xing)失效（如(ru)纖維斷裂、大(da)面積(ji)分層）的預(yu)警(jing)信(xin)號(hao)。紅(hong)外熱像(xiang)儀還可用於評(ping)估(gu)修(xiu)復(fu)效果，通過比(bi)較修(xiu)復(fu)區(qu)域與母材(cai)在疲(pi)勞(lao)載(zai)荷下的(de)溫度(du)響應（熱彈效應(ying)壹(yi)致(zhi)性(xing)、異常(chang)熱點(dian)），判(pan)斷修(xiu)復(fu)的(de)有效性(xing)和(he)疲(pi)勞(lao)壽命。對(dui)於檢(jian)測早期或(huo)深層微小(xiao)損傷(shang)，結(jie)合(he)周(zhou)期(qi)性(xing)熱激勵的(de)鎖相(xiang)熱成像(xiang)技術能(neng)提供(gong)更高(gao)的靈敏度(du)。

紅(hong)外熱像(xiang)儀的優勢(shi)非常(chang)突出(chu)：非接(jie)觸、無損，不(bu)幹(gan)擾疲勞(lao)過程；全(quan)場(chang)、實(shi)時(shi)監(jian)測(ce)，捕(bu)捉瞬(shun)態熱現(xian)象(xiang)；快(kuai)速評(ping)估(gu)疲勞(lao)極(ji)限(xian)；直(zhi)觀可視(shi)化應(ying)力集(ji)中(zhong)和(he)損傷(shang)位(wei)置(zhi)；高(gao)靈敏度(du)可探測(ce)微小(xiao)溫(wen)度(du)變化；並具(ju)有量(liang)化(hua)損傷(shang)程(cheng)度(du)的(de)潛(qian)力。然而，其(qi)應(ying)用也(ye)面臨(lin)壹(yi)些(xie)挑戰(zhan)。復(fu)合(he)材(cai)料表(biao)面(mian)發(fa)射(she)率(lv)可能不(bu)均勻(yun)，影(ying)響測溫(wen)準(zhun)確性(xing)，通常需(xu)要(yao)噴(pen)塗啞(ya)光黑(hei)漆(qi)處(chu)理(li)。環境(jing)幹擾(rao)如(ru)空(kong)氣(qi)對流(liu)和(he)環(huan)境(jing)輻(fu)射(she)也(ye)需(xu)通過可控環(huan)境(jing)或(huo)補償措(cuo)施來消(xiao)除(chu)。空(kong)間分辨(bian)率限(xian)制(zhi)了(le)檢(jian)測微小(xiao)損傷(shang)的(de)能力，而標(biao)準(zhun)被動式(shi)熱成像(xiang)主(zhu)要(yao)探(tan)測表面和(he)近(jin)表面損傷(shang)，深(shen)埋損傷(shang)需(xu)借助主(zhu)動(dong)熱成像(xiang)技術（如(ru)鎖相(xiang)、脈沖(chong)熱成像(xiang)）。材(cai)料內(nei)部(bu)的熱傳導(dao)效應(ying)會模(mo)糊(hu)局(ju)部(bu)熱點(dian)邊界(jie)，影響損傷(shang)精(jing)確(que)定(ding)位(wei)和(he)大(da)小(xiao)判(pan)斷，需(xu)要(yao)結(jie)合(he)熱傳導(dao)模型分析(xi)。最後(hou)，溫度(du)變化是熱彈效應(ying)和(he)內(nei)耗(hao)生(sheng)熱共(gong)同作用的結果，在疲勞(lao)早期尤(you)其需(xu)要(yao)仔(zai)細(xi)區分和(he)解讀，要(yao)求(qiu)研究者(zhe)結(jie)合(he)力學(xue)模(mo)型和(he)疲(pi)勞(lao)知(zhi)識進(jin)行(xing)綜合(he)分析(xi)。

紅(hong)外熱像(xiang)技術具(ju)有非(fei)接(jie)觸、可視(shi)化、實(shi)時(shi)監(jian)測(ce)等優(you)點(dian)，無(wu)需(xu)在試(shi)樣(yang)上(shang)安裝傳感(gan)器(qi)，不(bu)會(hui)幹擾其(qi)疲勞行(xing)為。該技(ji)術(shu)能(neng)直(zhi)觀呈現(xian)復(fu)合(he)材(cai)料、異種金屬焊(han)接(jie)接(jie)頭等復(fu)雜(za)材(cai)料疲(pi)勞(lao)過(guo)程中(zhong)的(de)損傷(shang)演變，為理(li)解材(cai)料疲(pi)勞(lao)機(ji)制提(ti)供(gong)支(zhi)持(chi)，並有助於實(shi)現(xian)疲(pi)勞試驗的(de)智(zhi)能監(jian)測(ce)與(yu)控制(zhi)。其(qi)非接(jie)觸、全場(chang)、實(shi)時(shi)和(he)高(gao)靈敏度(du)的(de)核(he)心(xin)優勢(shi)，使(shi)其成(cheng)為復(fu)合(he)材(cai)料疲(pi)勞(lao)研(yan)究的關(guan)鍵技(ji)術(shu)。結合(he)其(qi)他(ta)無損檢(jian)測方(fang)法和(he)力學(xue)分析(xi)，紅(hong)外熱成像(xiang)技術能(neng)夠更(geng)全(quan)面(mian)深入地(di)揭示(shi)復(fu)合(he)材(cai)料疲(pi)勞(lao)失(shi)效的(de)復(fu)雜(za)機(ji)理(li)。