vguitВестник Воронежского государственного университета инженерных технологийProceedings of the Voronezh State University of Engineering Technologies2226-910X2310-1202VSUET10.20914/2310-1202-2022-3-183-190vguit-3133Research ArticleХимическая технологияFundamental and Applied chemistry, chemical technologyИнфракрасная термография углепластиков с гибридной матрицейInfrared thermography of carbon fiber reinforced plastics (CFRP) with a hybrid matrixhttps://orcid.org/0000-0002-7808-7359КосенкоЕ. А.KosenkoE. A.

к.т.н., доцент, кафедра производства и ремонта автомобилей и дорожных машин, Ленинградский пр-т, 64, г. Москва, 125319, Россия

Cand. Sci. (Engin.), associate professor, Manufacturing and repair of vehicles and road-construction machines department, Leningradsky prospect, 64 Moscow, 125319, Russia

kosenkokate@mail.ruМосковский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)РоссияMoscow Automobile and Road Construction State Technical University (MADI)Russian Federation202206092022843183190Copyright © Косенко Е.А., 20232023Косенко Е.А.Kosenko E.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.vestnik-vsuet.ru/vguit/article/view/3133

Расширение областей применения полимерных композиционных материалов (ПКМ), появление их новых составов и структур является причиной разработки новых и совершенствования существующих методов их неразрушающего контроля. Одной из важнейших задач при выполнении неразрушающего контроля ПКМ является разработка или выбор режимов контроля. Сложность решения данной задачи связана с анизотропией свойств ПКМ (теплофизических, акустических и пр.). В статье изложены методика и представлены результаты инфракрасной термографии углепластиков с гибридной матрицей, формируемой эпоксидным связующим и силиконовым эластомером, представляющим в структуре матрицы самостоятельную «жидкую» (с позиции релаксационных свойств) фазу. Силиконовый эластомер обладает высокой теплостойкостью, поэтому выбор режимов выполнения активной инфракрасной термографии ПКМ с гибридной матрицей, в которой «жидкой» фазой является данный материал, представляет достаточно сложную научно-практическую задачу. Сообщаемые объекту контроля избыточные температуры должны находится в диапазоне значений, при которых наблюдается информативный температурный диагностический сигнал, но при этом не происходит деструкция компонентов ПКМ. Представлены значения температурных диагностических сигналов от зоны локации «жидкой» фазы в структуре углепластика. Установлено, что для выполнения инфракрасной термографии, температура диагностического сигнала от зоны локации силиконового эластомера должна быть на ~3±0,5°C выше температуры углепластика. Оптимальным временем наблюдения температурного диагностического сигнала является период от окончания нагрева до 0,5 мин после нагрева. Согласно представленной модели определения режимов инфракрасной термографии, основанной на фононной теории теплопроводности, температурой, соответствующей появлению диагностического сигнала от зоны локации компонента «жидкой» фазы гибридной матрицы ПКМ можно считать температуру Дебая исследуемого материала.

The expansion of the fields of application of polymer composite materials (PCM), the emergence of their new compositions and structures is the reason for the development of new and improvement of existing methods for their non-destructive testing. One of the most important tasks in the performance of non-destructive testing of PCM is the development or selection of control modes. The complexity of solving this problem is related to the anisotropy of PCM properties (thermophysical, acoustical, etc.). The article describes the methods and results of infrared thermography of carbon fiber reinforced plastics with a hybrid matrix formed by an epoxy binder and a silicone elastomer. Silicone elastomer is an independent "liquid" phase in the matrix structure (from the standpoint of relaxation properties). The silicone elastomer has high heat resistance, therefore, the choice of modes for performing active infrared thermography of PCM with a hybrid matrix, in which the "liquid" phase is this material, is a rather complex scientific and practical task. The excess temperatures reported to the control object should be in the range of values at which an informative temperature diagnostic signal is observed, but at the same time the destruction of the PCM components does not occur. The values of temperature diagnostic signals from the location zone of the "liquid" phase in the structure of carbon fiber reinforced plastics are presented. It has been established that in order to perform infrared thermography, the temperature of the diagnostic signal from the location zone of the silicone elastomer must be ~3 ± 0.5°C higher than the temperature of the carbon fiber reinforced plastics. The optimal observation time of the temperature diagnostic signal is the period from the end of heating to 0.5 minutes after heating. A model for determining the modes of infrared thermography based on the phonon theory of heat conduction is presented. The temperature corresponding the appearance of a diagnostic signal from the location zone of the "liquid" phase component of the hybrid matrix of the PCM can be considered the Debye temperature of the test material

гибридная матрицадиагностический сигналинфракрасная термографияметоды контроляполимерные материалыуглепластиктемпературатемпература Дебаятеплопроводностьфононhybrid matrixdiagnostic signalinfrared thermographycontrol methodspolymer materialscarbon fibertemperatureDebye temperaturethermal conductivityphononReferencesТимошков П.Н. Хрульков А.В., Язвенко Л.Н. Композиционные материалы в автомобильной промышленности (обзор) // Труды ВИАМ. 2017. № 6. С. 61–68. doi: 10.18577/2307–6046–2017–0–6–7–7Timoshkov P.N. Khrulkov A.V., Yazvenko L.N. Composite materials in the automotive industry (review). Proceedings of VIAM. 2017.no. 6. pp. 61–68. doi: 10.18577/2307–6046–2017–0–6–7–7 (in Russian).Дориомедов И.С. Российский и мировой рынок полимерных композитов // Труды ВИАМ. 2020. №6-7 (89). С. 29-37. doi: 10.18577/2307-6046-2020-0-67-29-37Doriomedov M.S. Russian and world market of polymer composites (review). Proceedings of VIAM. 2020. no. 6-7 (89). pp. 29-37. doi: 10.18577/2307-6046-2020-0-67-29-37 (in Russian).Краев И.Д., Попков О.В., Шульдешов Е.М., Сорокин А.Е. и др. Перспективы использования кремнийорганических полимеров при создании современных материалов и покрытий различного назначения // Труды ВИАМ. 2017. №12. С. 48-62. doi: 10.18577/2307-6046-2017-0-12-5-5Kraev I.D., Popkov O.V., Shuldeshov E.M., Sorokin A.E. et al. Рrospects for the use of organosilicon elastomers in the development of modern polymer materials and coatings for various purposes. Proceedings of VIAM. 2017. no.12. pp. 48-62. doi: 10.18577/2307-6046-2017-0-12-5-5Gorodetskii M.A., Nelyub V.A., Malysheva G.V., Shaulov A.Y. et al. Technology of forming and the properties of reinforced composites based on an inorganic binder // Russian Metallurgy (Metally). 2018. №.13. P. 1195–1198. doi: 10.1134/S0036029518130074Gorodetskii M.A., Nelyub V.A., Malysheva G.V., Shaulov A.Y. et al. Technology of forming and the properties of reinforced composites based on an inorganic binder // Russian Metallurgy (Metally). 2018. no. 13. pp. 1195–1198. doi: 10.1134/S0036029518130074Гречушкина Д.Е., Нелюб В.А. Исследование кинетики процессов течения эпоксидных связующих по поверхности углеродной ткани с металлическим покрытием // Ремонт. Восстановление. Модернизация. 2021. № 3. С. 34–38. doi: 10.31044/1684–2561–2021–0–3–34–38Grechushkina D.E., Nelyub V.A. Investigation of the kinetics of the processes of the flow of epoxy binders on the surface of a carbon fabric with a metal coating. Repair, Reconditioning, Modernization. 2021. no.3. pp. 34–38. doi: 10.31044/1684–2561–2021–0–3–34–38 (in Russian).Nelyub V.A., Borodulin A.S., Kobets L.P., Malysheva G.V Thixotropy Hysteresis and Structure Formation in Elastomeric Suspensions // Inorganic Materials: Applied Research. 2018. № 9(4). P. 603–608. doi: 10.1134/S2075113318040238Nelyub V.A., Borodulin A.S., Kobets L.P., Malysheva G.V Thixotropy Hysteresis and Structure Formation in Elastomeric Suspensions. Inorganic Materials: Applied Research. 2018. no. 9(4). pp. 603–608. doi: 10.1134/S2075113318040238Maung P.P., Malysheva G.V., Gusev S.A. A study of the effect of network angle of fabrics on kinetics of impregnation upon molding of articles made from carbon plastics // Polymer Science – Series D. 2016. № 9(4). Р. 407–410. doi: 10.1134/S1995421216040146Maung P.P., Malysheva G.V., Gusev S.A. A study of the effect of network angle of fabrics on kinetics of impregnation upon molding of articles made from carbon plastics. Polymer Science – Series D. 2016. no. 9(4). pp. 407–410. doi: 10.1134/S1995421216040146Кочергин Ю.С., Григоренко Т.И., Золотарёва В.В. Pелаксационные свойства композиционных материалов на основе смесей эпоксидных полимеров и термоэластопластов // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2020. № 2. С. 85–95. doi: 10.34031/2071–7318–2020–5–2–85–95Kochergin Yu. S., Grigorenko T.I., Zolotareva V.V. Relaxation properties of composite materials based on mixtures of epoxy polymers and thermoplastics. Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov. 2020. no.2. pp. 85–95. doi: 10.34031/2071–7318–2020–5–2–85–95 (in Russian).Кочергин Ю.С., Носова А.Н., Кравчук Т.Н., Григоренко Т.И. и др Свойства эпоксидных композитов, отвержденных комплексом оловоорганического галогенида с аминофенольным отвердителем // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2020. № 11. С. 89–101. doi: 10.34031/2071–7318–2020–5–11–89–101Kochergin Yu.S., Nosova A.N., Kravchuk T.N., Grigorenko T.I. et al. Properties of epoxy composites cured by a complex of organo-tin halide with an aminophenol hardener. Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov. 2020. no.11. pp. 89–101. doi: 10.34031/2071–7318–2020–5–11–89–101 (in Russian).Maung P.P., Htet T.L., Malysheva G.V. Simulation and optimization of vacuum assisted resin infusion process for large-sized structures made of carbon fiber-reinforced plastic // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020. № 709 (2). 022041. doi: 10.1088/1757–899X/709/2/022041.Maung P.P., Htet T.L., Malysheva G.V. Simulation and optimization of vacuum assisted resin infusion process for large-sized structures made of carbon fiber-reinforced plastic. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020. no.709 (2). 022041. doi: 10.1088/1757–899X/709/2/022041Neluyb V.A., Malysheva G.V., Komarov I.A. New technologies for producing multifunctional reinforced carbon plastics // Materials Science Forum. 2021. V. 1037. P. 196-202. doi: 10.4028/www.scientific.net/MSF.1037.196Neluyb V.A., Malysheva G.V., Komarov I.A. New technologies for producing multifunctional reinforced carbon plastics // Materials Science Forum. 2021. vol. 1037. pp. 196–202. doi: 10.4028/www.scientific.net/MSF.1037.196Nelyub V.A. Technologies of metallization of carbon fabric and the properties of the related carbon fiber reinforced plastics // Russian Metallurgy. 2018. № 13. P. 1199–2101. doi: 10.1134/S0036029518130189Nelyub V.A. Technologies of metallization of carbon fabric and the properties of the related carbon fiber reinforced plastics. Russian Metallurgy. 2018. no 13. pp. 1199–2101. doi: 10.1134/S0036029518130189Malysheva, G.V., Guzeva, T.A. Technological support for decreasing the porosity of polymer composite products // Russian Metallurgy (Metally). 2021. V. 2021. №13. P. 1692–1695. doi: 10.1134/S0036029521130139.Malysheva, G.V., Guzeva, T.A. Technological support for decreasing the porosity of polymer composite products // Russian Metallurgy (Metally). 2021. vol. 2021. no. 13. pp. 1692–1695. doi: 10.1134/S0036029521130139Берлин А.А. Об усталостной прочности природных материалов // Все материалы. Энциклопедический справочник. 2019. № 7. С. 2–3. doi: 10.31044/1994–6260–2019–0–7–2–3Berlin A.A. On the fatigue strength of natural materials. All materials. Encyclopedic reference book. 2019. no. 7. pp. 2–3. doi: 10.31044/1994–6260–2019–0–7–2–3 (in Russian).Kosenko E.A., Baurova N.I., Zorin V.A. Mechanical properties of carbon fiber reinforced plastics with various types of hybrid matrices at negative temperatures // Russian Metallurgy (Metally). 2021. V. 2021. №13. P. 1705–1708. doi: 10.1134/S0036029521130103Kosenko E.A., Baurova N.I., Zorin V.A. Mechanical properties of carbon fiber reinforced plastics with various types of hybrid matrices at negative temperatures. Russian Metallurgy (Metally). 2021. vol. 2021. no. 13. pp. 1705–1708. doi: 10.1134/S0036029521130103Чулков А.О., Нестерук Д.А., Шагдыров Б.И., Вавилов В.П. Метод и аппаратура инфракрасного и ультразвукового термографического контроля крупногабаритных композиционных изделий сложной формы// Дефектоскопия. 2021. № 7. С. 67–74. doi: 10.31857/S0130308221070083Chulkov A.O., Nesteruk D.A., Shagdirov B.I., Vavilov V.P. Method and apparatus for combined thermal nondestructive testing of large-size complex-shape composite parts. Defektoskopiya. 2021. no. 7. pp. 67–74. doi: 10.31857/S0130308221070083 (in Russian).Moskovchenko A.I., Vavilov V.P., Chulkov A.O., Bernegger R. et al. Detecting delaminations in semitransparent glass fiber composite by using pulsed infrared thermography // Journal of Nondestructive Evaluation. 2020. №. 3. P. 69. doi: 10.1007/s10921-020-00717-xMoskovchenko A.I., Vavilov V.P., Chulkov A.O., Bernegger R. et al. Detecting delaminations in semitransparent glass fiber composite by using pulsed infrared thermography. Journal of Nondestructive Evaluation. 2020. no. 3. pp. 69. doi: 10.1007/s10921-020-00717-xVavilov V.P. Thermal nondestructive testing of materials and products: a review // Russian Journal of Nondestructive Testing. 2017. № 10. P. 707-730. doi: 10.1134/S1061830917100072Vavilov V.P. Thermal nondestructive testing of materials and products: a review. Russian Journal of Nondestructive Testing. 2017. no. 10. pp. 707-730. doi: 10.1134/S1061830917100072Zorin V.A., Baurova N.I., Kosenko E.A. Analysis of the influence of quantum-mechanical processes on the possibilities of determining the low degree of curing a binder when molding products from polymer composite materials // Polymer Science – Series D. 2018. № 3. P. 334–338. doi: 10.1134/S1995421218030255Zorin V.A., Baurova N.I., Kosenko E.A. Analysis of the influence of quantum-mechanical processes on the possibilities of determining the low degree of curing a binder when molding products from polymer composite materials. Polymer Science – Series D. 2018. no. 3. pp. 334–338. doi: 10.1134/S1995421218030255Элементы квантовой теории твердого тела. URL: http://genphys.phys.msu.ru/rus/edu/kvant/kvant9.pdfElements of the quantum theory of a solid body. Available at: http://genphys.phys.msu.ru/rus/edu/kvant/kvant9.pdf (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.