بخشی از مقاله
استفاده از امواج مایکروویو جهت بازرسی غیرمخرب قطعات کامپوزیتی و نانوکامپوزیتی مورد استفاده در صنایع هوایی
چکیده
با توجه به خواص منحصر بفردی که کامپوزیتها و نانوکامپوزیتها از قبیل نسبت وزن به استحکام بالا دارند جایگاه ویژهای را در صنایع هوایی پیدا کردهاند. کامپوزیتهای مورد استفاده در صنایع هوایی شامل فیبرهای با مقاومت بالا، مانند کربن یا شیشه، در یک محفظه براکتی پلاستیکی یا فلزی جاسازی شدهاند. بر خلاف آلومینیوم، این ها سطح یکنواختی ندارند، بدان معنا که با وجود آسیب های درون ساختاری از بیرون سالم دیده می شوند. کامپوزیتها می توانند با ترموگرافی مادون قرمز مورد بررسی قرار بگیرند. در این بررسی قطعه زیر گرما قرار میگیرد و هر ناحیه که صدمه دیده باشد یا لایه لایه شده باشد، به وسیله دوربین ترموگرافی هویدا میگردد. مشکل اما تجهیزات وسیع و بزرگی است که این شیوه را مشکل می سازد. مهمترین مزیت استفاده از امواج مایکرویو عدم نیاز به تجهیزات خاصی جز network analyzer که امواج مایکروویو را تولید میکند ندارد. همچنین از آنجائیکه امواج مایکرویو از درون مواد دی الکتریک (نارسانا) عبور میکند، لذا امکان تست را برای کامپوزیتها و نانوکامپوزیتها با استفاده از امواج مایکروویو را فراهم میکند . روشهای مختلفی برای اندازه گیری توسط امواج مایکروویو وجود دارد که روشهای میدان نزدیک و میدان دور از آن جمله اند. در این تحقیق شرکت سایکو بعنوان دارنده مالکیت معنوی تست غیر مخرب مایکروویو در ایران به بررسی این روش نوین جهت ارزیابی غیر مخرب قطعات کامپوزیتی و نانوکامپوزیتی بکار رفته در صنایع هوایی می پردازد. در این روش با استفاده از امواج الکترومغناطیس و ارسال آنها به درون قطعه تحت تست (توسط (Waveguide و با اندازه گیری مشخصات عبوری و انعکاسی می توان به بررسی حضور و یا عدم حضور عیوب مختلف پرداخت. پس از پردازش اطلاعات توسط نرم افزار های مربوطه میتوان ابعاد دقیق عیب و مکان آن را شناسایی کرد.
کلمات کلیدی
بازرسی غیرمخرب، روش نوین بازرسی، مایکروویو، کامپوزیت، صنایع هوایی.
مقدمه
کامپوزیتها به داشتن بسیاری از خواص مطلوب و بهینه نسبت به سایر مواد، همچون وزن کم، نسبت استحکام به وزن مناسب، عملکرد مناسب در دمای بالا و مقاومت بالا در مقابل خوردگی از اهمیت فراوانی برخوردار بوده و کاربرد آن ها در صنایع مختلف روز به روز در حال افزایش می باشد×؟ مزایای متعدد مواد کامپوزیتی سبب شده تا این مواد در صنایع هوافضا، حمل و نقل، سازهای عمرانی، صنایع دریایی و بسیاری از دیگر صنایع کاربرد فراوانی داشته باشد.[1]
جهت بازرسی غیر مخرب عیوب این مواد روشهای قدیمی بازرسی قابل استقاده نمیباشد و نیاز به استفاده از روشهای مدرن بازرسی احساس میشود که میتوان از دمانگاری، روشهای فراصوتی، روش امپدانس مکانیکی و همچنین روش مایکرو ویو را نام برد.[2] در این مقاله به کاربرد امواج مایکروویو در بازرسی غیر مخرب کامپوزیتها پرداخته می-شود. به نظر میرسد تکنیک مایکرویو بهترین روش انتشار موج است که این قابلیت را دارد تا بر برخی مشکلات ناشی از بروز اغتشاش در آزمون غیر مخرب مواد کامپوزیتی، غلبه نماید. این روش مزایای بسیاری دارد، که یکی از مهمترین مواردی که استفاده از این روش بازرسی را بر دیگر موارد ارجح میکند اینست که کاربر آزمون مایکروویو نیاز به داشتن تخصص در زمینه مایکروویو ندارد.
روش بازرسی غیر مخرب مایکروویو
امواج الکترومغناطیس با فرکانس 300 مگاهرتز تا 30 گیگاهرتز که دارای طول موجی بین 10- 1000 میلیمتر می باشند را امواج مایکروویو و امواج 30 گیگاهرتز تا 300 گیگاهرتز با طول موج 1-10 میلیمتر را امواج میلیمتری مینامند. شکل 1 محدوده امواج الکترومغناطیس فوق الذکر را نشان می دهد.[3]
شکل-1 محدوده فرکانسی و طول موج امواج مایکروویو و میلیمتری
در روش بازرسی به کمک امواج مایکروویو با استفاده از امواج الکترومغناطیس تولید شده و ارسال آنها به درون نمونه تحت تست ( توسط (Waveguide و با اندازه گیری مشخصات عبوری و انعکاسی از قبیل S11 و S12 و با داشتن مشخصات الکترو مغناطیس ماده مورد نظر میتوان به بررسی حضور و یا عدم حضور عیوب مختلف پرداخت. پس از پردازش اطلاعات توسط نرم افزارهای مربوطه از قبیل HSS ANSOFT می توان ابعاد دقیق عیب و مکان آن را شناسایی کرد.[1]
از جمله مهمترین ویژگی امواج مایکرویو این است که از درون مواد دیالکتریک ( نارسانا) عبور میکند و به همین دلیل امکان تست را برای پلیمرها، کامپوزیتها و سرامیکها فراهم میکند. عدم دسترسی به یک طرف نمونه مشکلی در تست به این روش را ایجاد نمیکند چرا که با توجه به ویژگیهای عبوری و انعکاسی این امواج میتوان با استفاده از پرابهای تماسی و غیر تماسی امواج مایکرویو را به درون مواد غیر رسانا ارسال کرد و بازرسی با استفاده از امواج مایکروویو به صورت حجمی صورت میپذیرد. روشهای مختلفی برای اندازهگیری توسط امواج مایکروویو وجود دارد که 2 مورد عمده آن عبارتند از میدان نزدیک و میدان دور که در شکل 2 روش انجام تست مشاهده میشود4]،.[3
روش میدان نزدیک بر اساس عبور امواج مایکروویو از منبع نزدیک و عبور آن از یک ساختار دیالکتریک و اندازهگیری مقدار یا فاز موج منعکس شده جهت ایجاد تصویری 2 و یا 3 بعدی میباشد.
روش میدان دور، کاربردی شبیه رادار دارد که با تاباندن امواج از فاصلهای بیشتر و با اندازهگیری پارامترهای یاد شده به بررسی عیوب مختلف میپردازند. در مورد مزایای این روش میتوان به افزایش منطقه تحت تست اشاره کرد. شایان ذکر است میتوان با استفاده از روش میدان دور ابتدا محلی که عیب در آن وجود دارد را شناسایی کرد و سپس با استفاده از روش میدان نزدیک به محل یابی دقیق عیب پرداخت .
(ب) (الف)
(ج)
شکل -2 شماتیک روش بازرسی میدان دور (الف) و میدان نزدیک (ب) و معیار انتخاب آن (ج)
از جمله کاربردهای این روش می توان به موارد زیر اشاره کرد :
▪ بازرسی حجمی قطعات کامپوزیتی و نانو کامپوزیتی
▪ بررسی مناطقی با اتصال ضعیف بین پوشش و هسته در کامپوزیت های ساندویچی
▪ تشخیص ترک در هسته کامپوزیت های ساندویچی
این روش نیز قابلیت بازرسی قطعات فلزی ولی بصورت سطحی زا دارا میباشد که به ذکر چند کاربرد آن بسنده می-کنیم.[5]
▪ ارزیابی خوردگی در صفحات فلزی بدون نیاز به برداشت محصولات خوردگی و ... از سطح فلز
▪ ارزیابی عیوبی شبه ترک روی سطح فلز که زیر عایقی فایبرگلاس قرار گرفته است.
▪ بازرسی سطحی صفحات فلزی بدون تماس پراب و با استفاده از تکنیک میدان دور (شبه رادار)
تست غیر مخرب قطعات کامپوزیتی و نانو کامپوزیتی به روش مایکروویو
اساس روش به این صورت است که امواج مایکروویو با فرکانسهای 10 تا 24 گیگا هرتز به درون نمونه فرستاده میشود که با برخورد به هرگونه عیب داخلی بازگشت داده میشود. این موج بازگشتی با موج درحال ارسال ترکیب شده و امواج متداخل توسط گیرنده درون پراب دریافت می شود (شکل.(2
پراب دارای سه نوع راهنمای موج مستطیلی(شکل (3 ، هم محور( شکل (4 و پراب لنزی(شکل (5 می-باشد7]،3،[1 همچنین در شکل 6 میتوان محدوده کاربرد این سه نوع پراب را مشاهده کرد.
شکل -3 نمایی از پراب با مقطع مستطیلی
شکل -4 نمایی از پراب با مقطع هم محور
شکل -5 نمایی از پراب لنزی
شکل -6مقایسه محدوده کاربرد سه نوع پراب مستطیلی، هم محور و لنزی
