Infrarot-Thermographie an Kohlefaserverbundwerkstoffen

Gergana Maznikova, 04.02.2014

Bei der Infrarot-Thermographie wird die Tatsache genutzt, dass jeder Körper mit einer Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunktes (-273,15 °C) eine von seiner Temperatur abhängige elektromagnetische Strahlung emittiert. Wegen Emissivitätsunterschiede können unterhalb der Oberfläche liegende Fehlstellen lokalisiert werden.

Grundlagen

Für einen schwarzen Strahler, der die gesamte Strahlung reflektiert, kann das Strahlungsspektrum nach dem Plank'schen Strahlungsgesetz berechnet werden:

$\begin{array}{l}M^0_\lambda = \frac{C_1 \lambda^{-5}}{e^{\frac{C_2}{e^{\lambda T}} - 1}}\end{array}$

$\begin{array}{l}M^0_\lambda\end{array}$ - die pro Fläche und Wellenlänge emittierte Strahlungsleistung [ $\begin{array}{l}\frac{W}{m^3}\end{array}$ ]

$\begin{array}{l}C_1 = 2 \pi\ h c^2 = 3,742 \cdot 10^{-16}\end{array}$ [ $\begin{array}{l}\frac{W}{m^2}\end{array}$ ]

$\begin{array}{l}C_2 = \frac{h c}{k_b} = 0,014388\end{array}$ [mK]

$\begin{array}{l}\lambda\end{array}$ - die Wellenlänge [m]

$\begin{array}{l}T\end{array}$ - die absolute Temperatur [K]

Das Maximum liegt bei Zimmertemperaturen im infraroten Bereich und verschiebt sich für höhere Temperaturen zu kleineren Wellenlängen in den sichtbaren Bereich. Diese Verschiebung wird durch den Wien'schen Verschiebungsgesetz beschrieben:

$\begin{array}{l}\lambda_{max} T = 2,89 \cdot 10^{-3}\end{array}$ [mK]

Die Gesamtstrahlungsleistung nimmt mit Erhöhung der Temperatur nach dem Stefan-Boltzmann Gesetz zu.

$\begin{array}{l}M^0 = \int_{\infty}^{0} M^0_\lambda d \lambda = \delta T^4\end{array}$

$\begin{array}{l}M^0\end{array}$ - die pro Fläche emittierte Strahlungsleistung [ $\begin{array}{l}\frac{W}{m^2}\end{array}$ ]

$\begin{array}{l}\delta = \frac{2 \pi^5 k^4_b}{15 h^3 c^2} = 5,67 \cdot 10^8\end{array}$ [ $\begin{array}{l}\frac{W}{m^2} K^4\end{array}$ ]

In der Regel sind die Körper keine schwarzen Strahler und weisen eine kleinere Emissivität auf. Der Emissionsgrad $\begin{array}{l}\epsilon\end{array}$ ist das Verhältnis vom Emissionsgrad des Körpers zum Emissionsgrad des schwarzen Strahlers und hängt von der Wellenlänge und der Temperatur ab. Die Strahlung des Messobjekts ergibt sich zu:

$\begin{array}{l}M^\epsilon_\lambda = \epsilon(\lambda) M^0_\lambda\end{array}$

$\begin{array}{l}M^0_\lambda\end{array}$ - die pro Fläche emittierte Strahlungsleistung [ $\begin{array}{l}\frac{W}{m^2}\end{array}$ ]

$\begin{array}{l}M^\epsilon_\lambda\end{array}$ - die pro Fläche durch einen realen Strahler emittierte Strahlungsleistung [ $\begin{array}{l}\frac{W}{m^2}\end{array}$ ]

Der Emissionsgrad entspricht dem Absorptionskoeffizienten und liegt zwischen 0 und 1,0. Für opake Werkstoffe gilt $\begin{array}{l}\epsilon = 1 - \rho\end{array}$ .

	Temperatur [°C]	ϵ
Poliertes Aluminium	0 - 100	0,03 - 0,05
Poliertes Eisen	40	0,21
Polierter Stahl	100	0,07
Oxidiertes Eisen	100	0,64
Oxidierter Stahl	100	0,79
Schwarzer Lack	20	0,95

Glatte Metalloberflächen haben im infraroten Bereich eine geringe Emissivität, d.h. sie reflektieren den größten Anteil der Strahlung. Das kann zu Spiegelung der Kamera im Messobjekt führen (Narzisseffekt).

Abbildung 1 Strahlungsspektrum in Abhängigkeit der Temperatur ^[1]

Quelle: BlackbodySpectrum loglog 150dpi de.png von Sch über CC BY-SA 3.0 https://commons.wikimedia.org/wiki/File:BlackbodySpectrum_loglog_150dpi_de.png#/media/File:BlackbodySpectrum_loglog_150dpi_de.png

Arten

Bei der Thermographie können neben den Emissivitätsunterschieden auch die Temperaturunterschiede betrachtet werden, die sich aus den unterschiedlichen Wärmeflüssen ergeben. Diese hängen für eine bestimmte durch die Wärmequelle generierte Leistung von der Wärmeleitfähigkeit, der Rohdichte und der spezifischen Wärmekapazität vom Material ab. Je nach Wärmequelle unterscheidet man zwischen aktiver und passiver Thermographie.

Passive Thermographie

Bei der passiven Thermografie wird der natürliche Wärmefluss des Körpers beobachtet. Dabei strahlen Körper mit unterschiedlicher Emissivität unterschiedliche Strahlung ab. Sie wird im Bauwesen verwendet.

Aktive Thermographie

Bei der aktiven Thermographie wird das zu untersuchende Objekt erwärmt und die bei seiner Abkühlung abgegebene Wärme beobachtet. Dabei können Änderungen der thermischen Eigenschaften detektiert werden. Dadurch lassen sich Grenzflächen finden, an denen die thermische Welle reflektiert wird. Sie findet bei der Prozesskontrolle und bei der Prüfung von Faserverbundwerkstoffen Anwendung. Man unterscheidet dabei zwischen Impuls- und Lock-in Tehermographie.

Impuls-Thermographie

Durch eine oder mehrere Blitzlampen mit einer Leistung im Megawatt-Bereich wird Wärme in die Oberfläche des Prüfkörpers eingebracht. Dabei beträgt die Temperaturbelastung einige zehn Grad. Die Dauer der Wartezeit bis zum Beginn des Kontrastes bestimmt die geringste erforderliche Prüfzeit. Eine Infrarotkamera registriert die von der Oberfläche reflektierte Strahlung. Für den Zeitablauf ist eine Steuereinheit zuständig, in der auch die Bilderfassung und –verarbeitung, sowie die Darstellung des Zeitverlauf erfolgen.

Die Impulsthermographie ermöglicht einen schnellen quantitativen Fehlernachweis. Mögliche Störungen sind jedoch die Inhomogenität der Kameraoptik, die inhomogene Verteilung der Anregungsleistung, die lokale Änderungen der Emissivität des Prüfkörpers und die Reflexion anderer thermischen Quellen in der geprüften Oberfläche, sowie ggf. zeitabhängiges Driften der Infrarotsignale.

Lock-in Thermographie

Bei der Lock-in Thermographie verwendet man sinusförmig modulierte Heizquellen (strommodulierte Halogenlampen bei niedrigen Frequenzen oder intensitätsmodulierte Laserstrahlquellen bei hohen Frequenzen). Der Messaufbau, der in Abbildung 2 schematisch dargestellt ist, ist ähnlich wie bei der Impulsthermographie. Für die Anregung ist eine Mindestanzahl an Perioden erforderlich. Die Signalanalyse unterscheidet sich von dieser der Impulsthermographie - aus der Temperaturverteilung lassen sich bei einer pixelweisen Fourieranalyse Amplitude und Phase der thermischen Antwort ermitteln.

Die charakteristische Ausbreitungslänge und damit auch die erreichbare Eindringtiefe hängen von der Modulationsfrequenz ab.

$\begin{array}{l}\mu = \sqrt{\frac{\alpha}{\pi \ f}}\end{array}$

$\begin{array}{l}\mu\end{array}$ - Eindringtiefe [m]

$\begin{array}{l}\alpha\end{array}$ - Wärmeleitfähigkeit des Materials [W/mK]

$\begin{array}{l}f\end{array}$ - Frequenz [Hz]

Neben dieser wird durch die kurze Prüfdauer und das Einschalten der Modulation noch ein breiteres Frequenzband angeregt, welches die Phasenwerte verfälscht. Störungen werden durch die Korrelation mit Anregungsfrequenz effektiv unterdrückt. Langsame Driften können herausgefiltert werden. Deshalb ist die Lock-in Thermographie für Prüfen von Werkstoffen mit Inhomogenitäten oder bei Detektorrauschen geeignet.

	Impuls-Thermographie	Lock-In-Thermographie
Nachweistiefe	gering	groß
unbekannte Fehlertiefe	günstig	erfordert Optimierung der Modulationsfrequenz
Normierung	a priori keine	eingebaut
Temperaturerhöhung	hoch	gering
Aufheizen und Beobachtung	getrennt	gleichzeitig
Prüfgeschwindigkeit	hoch	niedrig


Abbildung 2 Schematischer Messaufbau der Infrarotthermographie

Auflösung

Thermische Auflösung

Beim Abkühlen zwischen Bereichen mit und ohne Fehlstellen entsteht eine Temperaturdifferenz $\begin{array}{l}\Delta T\end{array}$ . Zu einer bestimmten Zeit ist diese maximal. Wenn dieser Wert größer ist als die Auflösung der Kamera, können die Defekte detektiert werden. Die maximale Temperaturdifferenz hängt von der Leitfähigkeit, der Dichte und Dicke des Materials und von der Größe des Fehlers.

Geometrische Auflösung

Die Geometrische Auflösung ist die Fähigkeit Signale von benachbarten Objekten getrennt zu erfassen. Die obere Grenze für die räumliche Auflösung ergibt sich aus den Beugungserscheinungen durch die Linsensysteme.

Kohlefaserverbundwerkstoffe

Kohlefaserverbundwerkstoffe oder CFK (Carbon-faserverstärkter Kunststoff) sind faserverstärkte Kunststoffe, bei denen Kohlenstofffasern, meist in mehreren Lagen, als Verstärkung in eine Kunststoff-Matrix eingebettet sind. Sie werden in der Luft- und Raumfahrt sowie bei Sportgeräten eingesetzt. Im Bauwesen wird CFK als Bewehrung von Betonbauteilen verwendet oder in Form von Lamellen oberflächlich oder in Schlitzen auf die Bauteiloberfläche geklebt, um Bauwerke zu verstärken.

Aufbau

Die Carbonfasern haben eine hohe Steifigkeit und im Verbund die Aufgabe, die Kräfte aufzunehmen und zu leiten. Die Lastübertragung erfolgt über die Adhäsion zwischen Faser und Matrix (Normal- und Schubkräfte). Quer zur Faser haben Matrix und Faser oft ähnliche Elastizitätsmodulen. Daher findet quer zur Faser in der Regel keine Verstärkungswirkung statt. Die Fasern sind in der Matrix räumlich fixiert und werden durch sie z.B. gegen Ausknicken bei faserparallelem Druck gestützt. Die Matrix hat zudem die Aufgabe, die Fasern gegen Umgebungseinflüsse zu schützen.

Eine Schicht eines Faser-Kunststoff-Verbunds, in welcher alle Fasern in eine einzige Richtung orientiert sind, wird als unidirektionale Schicht (UD-Schicht) bezeichnet. Dabei werden die Fasern als ideal parallel und homogen verteilt angenommen. Die UD-Schicht ist das Grundelement geschichteter Faserverbundwerkstoffe, da aus ihr alle aufgebaut werden können.

Vor- und Nachteile

Vorteile

hohe Festigkeit
geringe Dichte
freie Formgestaltung
einstellbare elastische Eigenschaften
geringe Wärmeleitfähigkeit senkrecht zur Faserrichtung
Korrosionsbeständigkeit
gute Ermüdungseigenschaften

Nachteile

hohe Material- und Herstellungskosten
geringer Automatisierungsgrad
Impaktanfällig
schwer detektierbare Schäden
keine standardisierten Reparaturverfahren

Fehlerarten

Fehler können die Festigkeit des Bauteils negativ beeinflussen und zu einem vorzeitigen Ausfall führen. Bei Faserverbundstoffen treten wegen mangelhaften Herstellungsprozessen, Überbeanspruchung oder Impakt oft folgende Fehlerarten auf:

Delaminationen (bei Impakt)
Ondulationen (wegen mangelhafter Herstellung)
Porosität (wegen manglhafter Herstellung)
Faserbrüche(bei Impakt)
Fehlverklebungen (bei Sandwichbauweise)