紅外熱像儀用于復(fù)合材料疲勞研究

紅外熱像儀已成為復(fù)合材料疲勞研究中一項(xiàng)有力的無損檢測工具。它的核心應(yīng)用原理在于捕捉材料在循環(huán)載荷下產(chǎn)生的溫度場變化，這變化主要源于兩種熱力學(xué)耦合效應(yīng)：熱彈效應(yīng)和內(nèi)耗生熱。熱彈效應(yīng)是指材料在快速變化的應(yīng)力（如疲勞加載）下，因彈性變形而產(chǎn)生的可逆絕熱溫度變化，通常在拉伸時(shí)輕微降溫，壓縮時(shí)輕微升溫，其幅度與應(yīng)力幅值成正比。復(fù)合材料中不同纖維取向或鋪層區(qū)域的熱彈響應(yīng)差異，使得紅外熱像儀能直觀地揭示應(yīng)力集中區(qū)域。更為關(guān)鍵的是內(nèi)耗生熱效應(yīng)。在疲勞過程中，材料內(nèi)部發(fā)生的不可逆微觀損傷（如基體開裂、界面脫粘、分層、纖維斷裂）在反復(fù)變形時(shí)會(huì)消耗能量，這部分能量大部分以熱的形式釋放。損傷越嚴(yán)重，能量耗散越大，局部溫升就越顯著。紅外熱像儀能夠精確地定位這些揭示損傷存在的局部“熱點(diǎn)"。

在具體應(yīng)用方面，紅外熱像儀發(fā)揮著多方面的作用。首先，它能用于疲勞極限的快速評估。通過對單件試樣施加階梯遞增的應(yīng)力水平并進(jìn)行少量循環(huán)，同時(shí)監(jiān)測其表面溫度變化，可以觀察到：當(dāng)應(yīng)力低于疲勞極限，主要呈現(xiàn)可逆的熱彈效應(yīng)，平均溫度變化小；一旦超過疲勞極限，內(nèi)耗生熱主導(dǎo)導(dǎo)致平均溫度顯著升高。這種方法相比傳統(tǒng)階梯法大大節(jié)省了時(shí)間和試樣數(shù)量。

其次，紅外熱像儀能實(shí)時(shí)、全場、非接觸地監(jiān)測損傷的萌生與演化。疲勞損傷的起始點(diǎn)（如缺口根部、自由邊）通常會(huì)首先出現(xiàn)局部溫升（熱點(diǎn)），清晰地指示損傷位置。隨著循環(huán)次數(shù)增加，損傷擴(kuò)展，熱像圖上的熱點(diǎn)區(qū)域也會(huì)隨之?dāng)U大、移動(dòng)或出現(xiàn)新熱點(diǎn)，直觀展示損傷演化路徑和模式。局部溫升的幅度、熱點(diǎn)面積和分布模式的變化，還能間接反映損傷的嚴(yán)重程度，為量化損傷提供可能。

此外，它在識(shí)別應(yīng)力集中和預(yù)測失效方面也很有價(jià)值。加載初期的顯著熱彈效應(yīng)區(qū)域通常對應(yīng)應(yīng)力集中區(qū)，即潛在的裂紋萌生點(diǎn)。而在疲勞后期，局部溫升的急劇增加（熱點(diǎn)溫度陡升）往往是該區(qū)域即將發(fā)生災(zāi)難性失效（如纖維斷裂、大面積分層）的預(yù)警信號(hào)。紅外熱像儀還可用于評估修復(fù)效果，通過比較修復(fù)區(qū)域與母材在疲勞載荷下的溫度響應(yīng)（熱彈效應(yīng)一致性、異常熱點(diǎn)），判斷修復(fù)的有效性和疲勞壽命。對于檢測早期或深層微小損傷，結(jié)合周期性熱激勵(lì)的鎖相熱成像技術(shù)能提供更高的靈敏度。

紅外熱像儀的優(yōu)勢非常突出：非接觸、無損，不干擾疲勞過程；全場、實(shí)時(shí)監(jiān)測，捕捉瞬態(tài)熱現(xiàn)象；快速評估疲勞極限；直觀可視化應(yīng)力集中和損傷位置；高靈敏度可探測微小溫度變化；并具有量化損傷程度的潛力。然而，其應(yīng)用也面臨一些挑戰(zhàn)。復(fù)合材料表面發(fā)射率可能不均勻，影響測溫準(zhǔn)確性，通常需要噴涂啞光黑漆處理。環(huán)境干擾如空氣對流和環(huán)境輻射也需通過可控環(huán)境或補(bǔ)償措施來消除。空間分辨率限制了檢測微小損傷的能力，而標(biāo)準(zhǔn)被動(dòng)式熱成像主要探測表面和近表面損傷，深埋損傷需借助主動(dòng)熱成像技術(shù)（如鎖相、脈沖熱成像）。材料內(nèi)部的熱傳導(dǎo)效應(yīng)會(huì)模糊局部熱點(diǎn)邊界，影響損傷精確定位和大小判斷，需要結(jié)合熱傳導(dǎo)模型分析。最后，溫度變化是熱彈效應(yīng)和內(nèi)耗生熱共同作用的結(jié)果，在疲勞早期尤其需要仔細(xì)區(qū)分和解讀，要求研究者結(jié)合力學(xué)模型和疲勞知識(shí)進(jìn)行綜合分析。

紅外熱像技術(shù)具有非接觸、可視化、實(shí)時(shí)監(jiān)測等優(yōu)點(diǎn)，無需在試樣上安裝傳感器，不會(huì)干擾其疲勞行為。該技術(shù)能直觀呈現(xiàn)復(fù)合材料、異種金屬焊接接頭等復(fù)雜材料疲勞過程中的損傷演變，為理解材料疲勞機(jī)制提供支持，并有助于實(shí)現(xiàn)疲勞試驗(yàn)的智能監(jiān)測與控制。其非接觸、全場、實(shí)時(shí)和高靈敏度的核心優(yōu)勢，使其成為復(fù)合材料疲勞研究的關(guān)鍵技術(shù)。結(jié)合其他無損檢測方法和力學(xué)分析，紅外熱成像技術(shù)能夠更全面深入地揭示復(fù)合材料疲勞失效的復(fù)雜機(jī)理。