Modelowanie zjawisk transportu ciepła w strukturach materiałów ochronnych z wykorzystaniem termografii aktywnej

Materiały wielowarstwowe stosowane w strukturach ochronnych (m.in. materiał kompozytowy złożony z kilkunastu warstw tkaniny kewlarowej usztywnionej żywicą formaldehydową) posiadają strukturę niejednorodną i anizotropową. Składnikami tych materiałów mogą być metale i niemetale stosowane w różnych kombinacjach. Poprzez dobór odpowiednich składników można otrzymać materiał ochronny o wymaganych właściwościach, a przez to uzyskiwany może być np.: mniejszy ciężar właściwy, wyższa odporność na udary i lepsze pochłanianie energii
Wymienione właściwości ulegają znacznej zmianie, gdy w strukturze materiału pojawiają się (już podczas procesu technologicznego oraz późniejszych etapach użytkowania) defekty w postaci rozwarstwień, pęcherzyków powietrza i pęknięć. Modelowanie zjawisk transportu ciepła w wielowarstwowych struktur materiałów ochronnych w czasie trwania procesów przejściowych (grzania lub chłodzenia) dostarczyło informacje o możliwości wykrywania wewnętrznych defektów, a także informacje o właściwościach cieplnych badanych materiałów. Ciepło w materiałach stałych rozchodzi się drogą dyfuzji, co silnie zależy od właściwości termicznych badanych struktur, więc odpowiedz termiczna na wymuszenie energetyczne również zależy od właściwości warstw wewnętrznych
W ramach zadania badawczego został opracowany model termiczny struktury materiału wielowarstwowego, przeprowadzono symulacje oraz wykonano wstępne pomiary temperatury wielowarstwowego materiału ochronnego (materiału kompozytowego) przy zmiennych parametrach wejściowych układu (czasu trwania i mocy źródła wymuszenia energetycznego)
Uzyskane wyniki podczas symulacji numerycznych dla struktury wielowarstwowej z wprowadzonym defektem wewnętrznym (o zmiennych kształtach, wielkości i głębokości umieszczenia) pozwoliły na określenie parametrów do przeprowadzenia badań termograficznych. Przeprowadzono analizę rozkładu temperatury na powierzchni struktury w zależności od częstotliwości wymuszenia energetycznego oraz parametrów geometrycznych wtrącenia. Zaproponowany parametr CONTR pozwala na określenie różnic między wartością Temperatury/Amplitudy/Fazy wyznaczoną w centrum wtrącenia oraz w jego sąsiedztwie. Natomiast analiza parametru Cpf pozwoliła na znalezienie optymalnej częstotliwości dla detekcji określonego wtrącenia (defektu). Wyniki badań termograficznych potwierdziły częstotliwość wskazaną w modelowaniu komputerowym, jako częstotliwość, przy której możliwa jest lokalizacja defektów dla wybranego przypadku
Symulacje numeryczne dla struktury dwuwarstwowej, pozwoliły na określenie możliwości oceny parametrów materiałowych badanej struktury (tj. pojemności cieplnej i rezystancji termicznej). Przyjęta postać modelowa struktury pozwala na łatwe i szybkie dopasowanie do zmierzonej wartości impedancji termicznej
W ramach zadania badawczego zastosowano techniki termografii aktywnej (ze szczególnym uwzględnieniem termografii lock-in oraz impulsowej) do pomiaru właściwości termicznych oraz oceny jakościowej materiałów ochronnych