VYUŽITÍ ELEKTROMAGNETICKÉ A AKUSTICKÉ EMISE PRO DIAGNOSTIKU MODERNÍCH KOMPOZITNÍCH MATERIÁLŮ

Transkript

1 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV FYZIKY FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF PHYSICS VYUŽITÍ ELEKTROMAGNETICKÉ A AKUSTICKÉ EMISE PRO DIAGNOSTIKU MODERNÍCH KOMPOZITNÍCH MATERIÁLŮ APPLICATION OF ELECTROMAGNETIC AND ACOUSTIC EMISSION FOR THE DIAGNOSTICS OF ADVANCED COMPOSITE MATERIALS DISERTAČNÍ PRÁCE DOCTORAL THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR Ing. TOMÁŠ TRČKA prof. Ing. PAVEL KOKTAVÝ, CSc., Ph.D. BRNO 2014

2 PRÁZDNÝ LIST

3 ABSTRAKT Tématem disertační práce je teoretické a experimentální studium elektromagnetické a akustické emise generované při tvorbě trhlin v elektricky nevodivých pevných látkách. Teoretická část práce je zaměřena na metodu elektromagnetické emise, se kterou souvisí řada dosud nevyřešených problémů jak v oblasti měření generovaných emisních signálů, tak i v oblasti správné interpretace získaných experimentálních dat. Postupně zde byla řešena problematika detekce emisních signálů kapacitním snímačem a transformace primárních parametrů trhliny na měřené veličiny v rámci sestaveného přenosového systému. Výsledkem bylo rozšíření metody elektromagnetické emise na kompozitní materiály (zejména vláknové polymerní kompozity se skelnou výztuží), včetně identifikace významných emisních zdrojů v těchto moderních materiálech, ale také vytvoření metodiky pro vyhodnocování primárních parametrů trhliny na základě měřených průběhů emisních signálů v časové a frekvenční oblasti. V experimentální části byla navržena komplexní metodika pro kontinuální záznam obou emisních signálů a údajů z dodatečných senzorů, průběžné zpracování a vyhodnocování měřených dat a monitorování odezvy namáhaného materiálu na aplikovanou mechanickou zátěž v reálném čase. Do této metodiky byly postupně integrovány dílčí výsledky z různých oblastí prováděného výzkumu, především se jednalo o detekci emisních signálů, realizaci vhodné měřicí aparatury, analýzu měřených signálů v časové i frekvenční oblasti a pokročilé metody zpracování a vyhodnocování získaných dat. Klíčová slova: Elektromagnetická emise, akustická emise, trhlina, elektrický dipólový moment, diagnostika, mechanické zatěžování, moderní kompozitní materiály. ABSTRACT The subject of this dissertation is a theoretical and experimental study of electromagnetic and acoustic emission generated in the course of crack formation in solid dielectric materials. Theoretical part of this work is focused on the electromagnetic emission method, because it is related to a number of unsolved problems in the field of generated emission signals measurement, as well as in the field of the correct interpretation of obtained experimental data. Consequently, issues of emission signals detection by capacitance sensors and the transformation of crack primary parameters on the measured variables within the proposed transfer system have been dealt with. The results in this area were an extension of application range of the electromagnetic emission method on composite materials (especially on fiber reinforced polymer composites), identification and evaluation of the most significant emission sources in investigated composites and developing a methodology for evaluating of the crack primary parameters based on the measured emission signals waveforms in time and frequency domain. The experimental part of this dissertation was focused on a complex methodology for emission signals (including data from additional sensors) continual recording, processing and evaluation and for monitoring the response of stressed material to an applied mechanical load in real-time. Partial results from different research areas were also implemented into this methodology. This included the detection of emission signals, design and implementation of the appropriate measuring apparatus, analysis of measured signals in the time and frequency domain and advanced methods for processing and evaluation of measured data. Keywords: Electromagnetic emission, acoustic emission, crack, electric dipole moment, diagnostics, mechanical stress, advanced composite materials.

4 TRČKA, T. Využití elektromagnetické a akustické emise pro diagnostiku moderních kompozitních materiálů. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií. Ústav fyziky, s. Vedoucí disertační práce prof. Ing. Pavel Koktavý, CSc., Ph.D.

5 PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že svou disertační práci na téma Využití elektromagnetické a akustické emise pro diagnostiku moderních kompozitních materiálů jsem vypracoval samostatně pod vedením vedoucího disertační práce a s použitím odborné literatury a dalších informačních zdrojů, které jsou všechny citovány v práci a uvedeny v seznamu literatury na konci práce. Jako autor uvedené disertační práce dále prohlašuji, že v souvislosti s vytvořením této disertační práce jsem neporušil autorská práva třetích osob, zejména jsem nezasáhl nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a jsem si plně vědom následků porušení ustanovení 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení 152 trestního zákona č. 40/1961 Sb. V Brně dne (podpis autora) PODĚKOVÁNÍ Děkuji vedoucímu disertační práce prof. Ing. Pavlu Koktavému, CSc., Ph.D. a prof. Ing. Bohumilu Koktavému, CSc. za cenné rady a účinnou metodickou, pedagogickou a odbornou pomoc a další cenné rady při zpracování mé disertační práce. Předkládaná disertační práce vznikla za podpory CEITEC (Středoevropský technologický institut, číslo projektu CZ.1.05/1.1.00/ ). V Brně dne (podpis autora)

6 Obsah Seznam obrázků Seznam použitých zkratek a symbolů 1 ÚVOD 1 2 SOUČASNÝ STAV ŘEŠENÉ PROBLEMATIKY 2 3 CÍLE DISERTAČNÍ PRÁCE 3 4 MODERNÍ KOMPOZITNÍ MATERIÁLY PRO KONSTRUKČNÍ ÚČELY Základní klasifikace kompozitních materiálů Vláknové polymerní kompozity matrice Vláknové polymerní kompozity výztuž Vláknové polymerní kompozity vlastnosti a výhody Poruchové mechanismy u vláknových polymerních kompozitů Charakteristika kompozitního materiálu PREFEN Materiálová struktura Technologie výroby tažených profilů Vlastnosti a výhody profilů PREFEN 14 5 NEDESTRUKTIVNÍ METODY TESTOVÁNÍ POLYMERNÍCH KOMPOZITŮ Vizuální kontrola Zkoušení ultrazvukem Termografie Radiografie Moderní optické NDT metody Laserová interferometrie Holografická interferometrie Interferometrické metody na bázi koherenční zrnitosti Metody akustické a elektromagnetické emise 21 6 METODA ELEKTROMAGNETICKÉ EMISE Historický vývoj metody EME Zdroje elektromagnetické emise Vlastnosti signálů trhlinami generované EME Modely vzniku trhlinami generované EME Model vzniku EME v důsledku pohybu dislokací Generování EME v důsledku elektrických výbojů Mechanismus vzniku EME založený na pohybu hrotu trhliny Kapacitní model vzniku EME Model založený na povrchových oscilacích Model oscilujících dipólů 32 7 METODA AKUSTICKÉ EMISE Přednosti a omezení metody akustické emise Historický vývoj metody AE Úvod do teorie akustické emise Zdroje akustické emise Šíření akustických vln v pevných látkách Útlum akustických vln se vzdáleností od zdroje Detekce akustických vln na povrchu tělesa Přenos elektrického signálu AE a jeho zpracování měřicím systémem AE Vyhodnocení měřených signálů AE 43 8 METODIKA MĚŘENÍ ELEKTROMAGNETICKÉ EMISE Navržený model vzniku elektromagnetické emise Primární parametry zdroje elektromagnetické emise Detekce a měření signálů elektromagnetické emise 45 iii v i

7 8.2.1 Kapacitní snímač pro měření elektromagnetické emise Teorie snímání elektrického pole kapacitním snímačem Kompletní blokové schéma měřicího kanálu EME Náhradní elektrické schéma měřicího obvodu Výstupní filtrace měřeného signálu EME Kompletní přenosový systém měřicího kanálu EME Experimentální měření náhradních parametrů kapacitního snímače EME 55 9 EXPERIMENTÁLNÍ PRACOVIŠTĚ Obecná struktura automatizovaného pracoviště Pracoviště UFYZ FEKT Průmyslový PXI standard Navržený modulární PXI systém Blokové schéma pracoviště na UFYZ FEKT Charakteristiky vyhodnocované během měření Pracoviště UFYZ FAST Blokové schéma pracoviště na UFYZ FAST Charakteristiky vyhodnocované během měření Podporované režimy měření ANALÝZA MĚŘENÝCH SIGNÁLŮ EME A AE Analýza signálů akustické emise v časové oblasti Parametry navržené pro popis časových průběhů signálů AE Analýza signálů elektromagnetické emise v časové oblasti Parametry navržené pro popis časových průběhů signálů EME Ukázka zpracování měřených dat v časové oblasti Zpracované výstupy ze zatěžování vzorku VE1 (vinylester-e sklo) Zpracované výstupy ze zatěžování vzorku PE1 (polyester-e sklo) Zpracované výstupy ze zatěžování vzorku R5F (betonový blok) Vyhodnocování sledovaných parametrů signálů elektromagnetické emise Analýza signálů EME a AE ve frekvenční oblasti Spojitá elektromagnetická a akustická emise VYHODNOCENÍ PRIMÁRNÍCH PARAMETRŮ MIKROTRHLIN Experimentální ověření přenosové funkce měřicího kanálu EME Vyhodnocení spektrální výkonové hustoty elektrického dipólového momentu Vyhodnocení časových průběhů elektrického dipólového momentu ZDROJE EME VE VLÁKNOVÝCH POLYMERNÍCH KOMPOZITECH Studium elektromagnetické emise v polymerní matrici Studium elektromagnetické emise ve vláknové výztuži Studium elektromagnetické emise ve vláknovém kompozitu Struktura ručně vyrobených vzorků vláknových kompozitů Způsob zatěžování vláknových kompozitů Vyhodnocování typických průběhů generované EME Fraktografie lomových ploch kompozitů Lom skleněných vláken Lom uhlíkových vláken Lomová plocha samostatné vinylesterové matrice Lomová plocha vláknového kompozitu vinylester-e sklo SHRNUTÍ VÝSLEDKŮ DISERTAČNÍ PRÁCE ZÁVĚR A VLASTNÍ PŘÍNOS AUTORA 119 Použitá literatura 121 Vybrané autorské publikace související s tématem disertace 126 Životopis autora 127 Projekty řešené autorem 128 Produkty autora 128 ii

8 Seznam obrázků Obr. 8.1 Kapacitní snímač použitý pro měření vzorků polymerních kompozitů Obr. 8.2 Kapacitní snímač použitý pro měření rozměrnějších betonových bloků Obr. 8.3 Zjednodušený model kapacitního snímače s obecným zatěžovacím obvodem Obr. 8.4 Zjednodušený model kapacitního snímače s obecným zatěžovacím obvodem [77] Obr. 8.5 Náhradní elektrické schéma kapacitního snímače s obecným ZO Obr. 8.6 Přenosový systém mezi sledovanými veličinami kapacitního snímače Obr. 8.7 a) Kompletní blokové schéma měřicího kanálu EME, b) Náhradní elektrické schéma jednotlivých částí měřicího obvodu Obr. 8.8 Zjednodušené náhradní elektrické schéma měřicího obvodu EME Obr. 8.9 Přenosový systém mezi sledovanými veličinami u(t) a p cn (t) Obr Zjednodušení náhradní obvodu pro výpočet přenosové funkce K ui (jω) Obr Obecný přenosový systém pásmové propusti u zesilovače EME Obr Kompletní přenosový systém měřicího kanálu EME Obr Modul přenosové funkce K ui (jω) Obr Modul kompletní přenosové funkce měřicího kanálu EME Obr Náhradní parametr C 0 kapacitního snímače pro různé materiály typu PREFEN Obr Náhradní parametr R 0 kapacitního snímače pro různé materiály typu PREFEN Obr Vliv sledovaných parametrů na výsledný tvar přenosové funkce K ui (jω) Obr Vliv velikosti kapacity C 0 na výsledný tvar přenosové funkce K ui (jω) Obr Frekvenční závislost kapacity C 0 s rostoucím poškozením vzorku E Obr Frekvenční závislost odporu R 0 s rostoucím poškozením vzorku E Obr. 9.1 Obecná struktura automatizovaného pracoviště pro měření EME a AE Obr. 9.2 Skříň s pěti sloty NI PXI Obr. 9.3 Osciloskopická karta NI PXI Obr. 9.4 Multimetrická karta NI PXI Obr. 9.5 Modul NI PXI Obr. 9.6 NI ExpressCard Obr. 9.7 Multifunkční karta NI PXI Obr. 9.8 Blokové schéma pracoviště na UFYZ FEKT Obr. 9.9 Ukázka typických průběhů měřených signálů EME a AE Obr Charakteristiky vyhodnocované během měření, pracoviště UFYZ FEKT Obr Kolísání mechanické zátěže u ručního lisu AUTOTECH, pracoviště UFYZ FEKT Obr Blokové schéma plně automatizovaného pracoviště na UFYZ FAST Obr Osciloskopická karta NI PCI Obr Multifunkční karta NI PCI Obr Konektorový blok NI BNC Obr Konektorový blok NI SCB Obr Digitální úchylkoměr MITUTOYO Obr Digitální úchylkoměr SYLVAC Obr Aplikovaná mechanická zátěž a počet detekovaných událostí AE v čase, vzorek R6D Obr Aplikovaná síla vs. deformace a počet detekovaných událostí AE, vzorek R6D Obr Základní parametry používané k popisu nespojitého signálu AE Obr Ukázka zpracování typických událostí AE v reálném čase obslužným programem Obr Závislost mechanické zátěže na řídicím napětí (hydraulický lis FRÖWAG) Obr Zatěžovací charakteristika a četnost událostí AE, vzorek VE Obr Zjednodušené pracovní diagramy a četnosti událostí AE a EME, vzorek VE Obr Průměrné hodnoty sledovaných parametrů signálů AE, vzorek VE Obr Zjednodušené pracovní diagramy a četnosti událostí AE a EME, vzorek PE Obr Průměrné hodnoty sledovaných parametrů signálů AE, vzorek PE Obr Zjednodušené pracovní diagramy a četnosti událostí AE a EME, vzorek R5F Obr Průměrné hodnoty sledovaných parametrů signálů AE, vzorek R5F Obr Průměrné hodnoty sledovaných parametrů signálů EME, vzorek VE iii

9 Obr Průměrné hodnoty sledovaných parametrů signálů EME, vzorek R5F Obr Dominantní frekvence signálů AE a EME, vzorek VE Obr Dominantní frekvence signálů AE a EME, vzorek R5F Obr Časově-frekvenční analýza signálů EME a AE, skupina I, vzorek VE Obr Časově-frekvenční analýza signálů EME a AE, skupina II, vzorek VE Obr Zjednodušené pracovní diagramy z první a druhé fáze zatěžování vzorku PE Obr Ukázka spojitého signálu EME, vzorek PE2, F = 45,37 kn Obr Ukázka spojitého signálu AE, vzorek PE2, F = 45,37 kn Obr Detaily spojitého signálu EME, vzorek PE2, F = 45,37 kn Obr Ukázka spojitého signálu EME, vzorek PE2, F = 45,55 kn Obr Ukázka spojitého signálu AE, vzorek PE2, F = 45,55 kn Obr Detaily spojitého signálu EME, vzorek PE2, F = 45,55 kn Obr Náhradní elektrické schéma experimentálního měření přenosové funkce kanálu EME Obr Modul přenosové funkce ze vstupního proudu generovaného trhlinou na napětí získané na výstupu měřicího kanálu EME Obr Modul přenosové funkce z dipólového momentu trhliny na napětí získané na výstupu měřicího kanálu EME Obr Spektrální výkonová hustota napětí na výstupu kanálu EME, vzorek PE Obr Spektrální výkonová hustota dipólového momentu trhliny, vzorek PE Obr Blokové schéma pro vyjádření transformace mezi U EME (t) a p(t) Obr Vybrané detaily časových průběhů U EME (t) a p(t), vzorek PE2, F = 45,42 kn Obr Vzorky materiálů pro tvorbu matric u VPK před jejich zatěžováním Obr Zjednodušené pracovní diagramy materiálů pro tvorbu matric u VPK Obr Zjednodušené pracovní diagramy z měření jedné sady vinylesterových matric Obr Zjednodušený pracovní diagram a četnost výskytu událostí AE, vzorek V Obr Rušivé impulzní signály indukované do kanálů EME a AE z rozvodné sítě Obr Ukázka sekundárně generované EME v materiálech pro tvorbu matrice Obr Ukázka diskrétních signálů EME a AE v materiálech pro tvorbu matrice Obr Aparatura pro trhání vláknové výztuže Obr Typické průběhy EME zaznamenané při lomu skleněných vláken (E sklo) Obr Typické průběhy EME a AE detekované při lomu různých typů vláknové výztuže Obr Snímky řezu vzorkem ručně vyrobeného kompozitu (vinylester-e sklo) Obr Vybrané typické průběhy EME generované během zatěžování vzorku VE Obr Snímky SEM křehký lom skleněných vláken ve VPK, pozlacená lomová plocha Obr Snímek SEM náhled na vybraný svazek uhlíkových vláken před lomem Obr Snímek SEM ukázka finálního narušení struktury vláken na povrchu svazku Obr Snímky SEM detaily narušené struktury vláken Obr Snímky SEM lomové plochy narušených uhlíkových vláken po přetržení svazku Obr Snímek SEM lomová plocha vinylesterové matrice, křehký lom Obr Snímek SEM ostré výčnělky vznikající při lomu vinylesterové matrice Obr Snímek SEM trhliny a lom matrice, obnažená lůžka po vláknech Obr Snímek SEM šíření trhliny po rozhraní mezi matricí a vláknem Obr Snímek SEM lom samostatných holých vláken vytažených z matrice Obr Snímek SEM lom svazku vláken zabudovaného v matrici Obr Snímek SEM obnažená vlákna (nedostatečná chemická úprava) Obr Snímek SEM holá lůžka po vláknech (špatná adheze k matrici) Obr Snímek SEM počáteční znak delaminace, oddělování vláken od matrice Obr Snímek SEM hladká delaminační plocha, otisk tkané rohože v matrici Obr Snímek SEM výskyt dutin v matrici (špatné vytěsnění vzduchu) Obr Snímek SEM detailní snímek vybrané dutiny v matrici iv

10 Seznam použitých zkratek a symbolů Použité zkratky AE Acoustic Emission A/D Analog to Digital converter AEWG AE Working Group BNC Bayonet Neill Concelman connector CCD Charge-Coupled Device CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor DSPI Digital Speckle Pattern Interferometry EME Electromagnetic Emission EMR Electromagnetic Radiation EWGAE European Working Group on AE ESPI Electronic Speckle Pattern Interferometry ESPSI Electronic Speckle Pattern Shearing Interferometry FE Fracto-Emission FFT Fast Fourier Transform FIB Focused Ion Beam FRC Fiber Reinforced Composites GPIB General Purpose Interface Bus I/O Input/Output JCAE Japanese Committee on AE LabVIEW Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench LEFM Linear Elastic Fracture Mechanics MATLAB MATrix LABoratory MXI Measurement extensions for Intrumentation NDT Non-Destructive Testing NI National Instruments PC Personal Computer PCI Peripheral Component Interconnect PCMCIA Personal Computer Memory Card International Association PSD Power Spectral Density PXI PCI extensions for Instrumentation RAM Random-Access Memory RMS Root Mean Square SEM Scanning Electron Microscope SMU Source Measurement Unit SVW Surface Vibrational Waves UV UltraViolet VME Versa Module Europa VXI VME extensions for Instrumentation VPK ZO Vláknové Polymerní Kompozity Zatěžovací Obvod v

11 Použité veličiny B C 0 C F C C K P SP Velikost magnetické indukce Celková kapacita snímače EME se vzorkem materiálu mezi jeho deskami Kapacita pro realizaci sériového RC obvodu (součást zatěžovací impedance) Parazitní kapacita přívodních koaxiálních kabelů Vstupní kapacita použitého předzesilovače EME C Parazitní kapacita průmyslových BNC spojek C S E F Q R 0 R F R R P S R Z Parazitní kapacita (realizace zdroje proudu) Velikost intenzity elektrického pole Velikost síly aplikované na zatěžovaný vzorek Elektrický náboj na dvojvrstvě reprezentující stěny trhliny Svodový odpor dielektrika (náhradní elektrické schéma kapacitního snímače) Odpor pro realizaci sériového RC obvodu (součást zatěžovací impedance) Vstupní odpor použitého předzesilovače EME Sériový odpor pro realizaci zdroje proudu Zatěžovací odpor (součást zatěžovací impedance) S Plocha elektrod kapacitního snímače EME S Spektrální výkonová proudu i i S Spektrální výkonová hustota dipólového momentu souvisejícího s trhlinou p S Spektrální výkonová hustota napětí u 0 u 0 S Spektrální výkonová hustota napětí u u Z Impedance (obecně) Z S Impedance paralelního spojení R S a d f vi C S pro realizaci zdroje proudu Vzdálenost mezi elektrodami snímače EME, deformace (míra zkrácení vzorku) Frekvence f m Mezní frekvence RC členu (odpor R S a kapacita C S ) f DM, f HM Zvolená dolní, resp. horní mezní frekvence pásmové propusti zesilovače EME i Velikost ekvivalentního zdroje proudu souvisejícího se vznikem trhliny i 1 Proud tekoucí zatěžovacím obvodem j Imaginární jednotka l Polohový vektor kladného náboje vůči zápornému (dipól) 0 n Jednotkový vektor ve směru normály k elektrodám snímače EME p Velikost elektrického dipólového momentu (obecně) p c Velikost celkového dipólového momentu souvisejícího s formováním trhliny p cn Velikost normálové složky celkového dipólového momentu trhliny p c q Elementární náboj elektronu, elektrický náboj na stěnách vznikající trhliny t Čas u Napětí na výstupních svorkách zatěžovacího obvodu, výstupní napětí (obecně)

12 u 0 u v 1 Napětí na výstupu napěťového generátoru (bílý šum, jednotkový skok) Napětí na vstupních svorkách zatěžovacího obvodu Velikost rychlosti pohybu elementárního náboje q, vzájemná rychlost stěn trhliny 0 r Úhel mezi normálou ke stěnám trhliny a normálou k deskám snímače EME Poměrné zkrácení Permitivita vakua Relativní permitivita materiálu, HP Časová konstanta dolní, resp. horní propusti DP S Časová konstanta RC členu (odpor S Úhlový kmitočet Mechanické napětí Obrazy veličin ve frekvenční oblasti cn I j Obraz veličiny i ve frekvenční oblasti P j Obraz veličiny p cn ve frekvenční oblasti U j Obraz veličiny u ve frekvenční oblasti U f j Obraz veličiny u f ve frekvenční oblasti Použité přenosové funkce R a kapacita K j Přenosová funkce dolní propusti druhého řádu DP2 K j Přenosová funkce horní propusti druhého řádu HP2 K ip j Přenosová funkce mezi veličinami i a p cn K j Přenosová funkce mezi veličinami u f a i i u f K j Přenosová funkce mezi veličinami u f a p u f p cn C S ) K j Přenosová funkce filtru zabudovaného v zesilovači EME u u f K j Přenosová funkce mezi veličinami u a i ui K up j Přenosová funkce mezi veličinami u a p cn vii

13 1 ÚVOD Na základě řady experimentů provedených v průběhu několika posledních desetiletí bylo zjištěno, že během mechanického zatěžování elektricky nevodivých pevných látek jsou generovány stochastické signály elektromagnetické (EME) a akustické emise (AE). Uvedené emisní signály lze tedy využít k indikaci vzniku mikrotrhlin ve vnitřní struktuře namáhaných materiálů. Důležitou vlastností těchto náhodných signálů je především skutečnost, že se objevují již ve stádiu zatěžování, které předchází makroskopickému porušení materiálů a jejich destrukci. Prostřednictvím vhodně navržené metodiky detekce, zpracování a vyhodnocování signálů EME a AE je možné sledovat odezvu materiálu na aplikovanou mechanickou zátěž a fyzikální interpretace měřených dat umožňuje získat nové informace o procesech doprovázejících vznik trhlin v pevných látkách. Jev EME v pevných látkách je založen na generování elektromagnetického pole při mechanickém vybuzení látek. Diagnostická metoda založená na tomto jevu ovšem není v současné době plně začleněna mezi běžně používané metody nedestruktivního testování (NDT) namáhaných materiálů a konstrukcí. Popsaný stav je způsoben především tím, že samotný mechanismus vzniku EME v pevných látkách zatím není uspokojivě vysvětlen. V zahraniční literatuře bylo publikováno několik modelů, na jejichž základě se autoři snažili popsat souvislost mezi experimentálně měřenými průběhy EME a primárními parametry vznikajících mikrotrhlin. Většina navržených modelů ovšem naráží na řadu omezení, jelikož jednotlivé experimenty byly prováděny na různých pracovištích, byly použity odlišné snímače EME a v neposlední řadě bylo studium EME zaměřeno na odlišné materiály. Z uvedených důvodů je tedy zřejmé, že je velmi složité vzájemně porovnávat takto získané výsledky a vyvozovat z nich jednoznačné závěry. Současně se signálem EME se při vzniku trhliny generuje také signál akustické emise, který je na povrchu vzorku detekován prostřednictvím piezoelektrických snímačů. Signály AE doprovázejí dynamické procesy v materiálu a projevují se jako postupné elastické vlnění. Metodou akustické emise je označována komplexní metodika detekce signálů AE na povrchu tělesa a jejich následného zpracování a vyhodnocování. Metoda AE je dnes již plně etablována v oboru nedestruktivního testování materiálů a běžně se používá jako doplňková NDT metoda v řadě průmyslových aplikací. Kombinaci uvedených metod lze s výhodou použít pro diagnostiku a monitorování mechanicky zatěžovaných materiálů a konstrukcí a pro predikci jejich celkového selhání. Akustická emise nám dává především informaci o poloze nově vzniklé trhliny nebo defektu, zatímco elektromagnetická emise nese informaci o okamžiku vzniku trhliny, jejích rozměrech, ale také o časovém vývoji formující se trhliny. Současný záznam a zpracování signálů EME a AE tak umožňuje přesněji studovat vznikající defekty. Z hlediska studovaných materiálů se tato práce zaměřuje na specifickou skupinu moderních kompozitních materiálů, a to především na vláknové polymerní kompozity se skelnou výztuží. Výhodou uvedeného typu kompozitů je skutečnost, že vznik trhlin na rozhraní mezi polymerní matricí a skelnou výztuží je doprovázen výraznou elektrickou aktivitou. Tento fakt se odráží na četnosti a měřené úrovni detekovaných signálů EME, obzvláště pak během pokročilé fáze zatěžování vzorků předcházející jejich celkové destrukci. 1

14 2 SOUČASNÝ STAV ŘEŠENÉ PROBLEMATIKY Vzhledem k poměrně rozsáhlému tématu předkládané disertační práce je přehled současného stavu poznání v základních oblastech řešené problematiky rozdělen do čtyř samostatných kapitol. V následujícím textu je uvedeno stručné shrnutí obsahu jednotlivých částí. 2.1 Moderní kompozitní materiály pro konstrukční účely Kapitola je zaměřena na vláknové polymerní kompozity (VPK), charakteristiku nejčastěji používaných typů polymerní matrice a vláknové výztuže, typické vlastnosti VPK a jejich výhody oproti klasickým konstrukčním materiálům. Jsou zde také popsány nejčastější poruchové mechanismy u VPK, jejichž pochopení je nezbytné pro spolehlivou identifikaci defektů vznikajících v těchto kompozitních strukturách. Na závěr je uvedena charakteristika, vlastnosti a výhody kompozitního materiálu PREFEN, ze kterého byla připravena převážná část vzorků pro experimentální část této disertační práce. 2.2 Nedestruktivní metody testování polymerních kompozitů První část obsahuje stručný přehled nejvíce rozšířených konvenčních metod v oboru nedestruktivního testování (NDT) aplikovatelných i na kontrolu kompozitních materiálů, a to včetně jejich předností a principiálních omezení. V druhé části lze nalézt základní charakteristiku moderních optických NDT metod založených na interferenci optických vln, jejichž účelem je zviditelnění velmi malých tvarových deformací povrchů těles, které jsou způsobeny povrchovými a vnitřními defekty. V této oblasti se jeví jako perspektivní především skupina interferometrických metod na bázi koherenční zrnitosti. 2.3 Metoda elektromagnetické emise Čtenář je nejprve seznámen s historickým vývojem metody elektromagnetické emise a perspektivními oblastmi jejího využití. Jsou zde také popsány potenciální zdroje EME, které by se mohly výrazně projevovat při mechanickém namáhání vzorků VPK, betonu a případně i žuly. Pozornost byla dále zaměřena na vlastnosti a parametry detekovaných signálů elektromagnetické emise generované v důsledku vzniku mikrotrhlin ve vnitřní struktuře zatěžovaných křehkých materiálů. Závěrečnou část kapitoly tvoří rozsáhlý přehled a kritická analýza historicky nejvíce rozšířených modelů trhlinami generované EME publikovaných v řadě prestižních periodik do roku Metoda akustické emise V úvodu kapitoly jsou shrnuty hlavní přednosti a omezení metody akustické emise v porovnání s ostatními konvenčními NDT metodami. Následuje přehled historického vývoje metody AE od ranných experimentů, až po její plné etablovaní v oboru NDT. Zbývající část je věnována přehledovému úvodu do teorie akustické emise, jehož jednotlivé části jsou vymezeny tzv. kompletní přenosovou trasou AE (zdroj AE, šíření napěťových vln tělesem, transformace mechanických vln na elektrický signál, přenos a zpracování elektrického signálu vhodným měřicím systémem, zobrazení a vyhodnocení měřených signálů AE). 2

15 3 CÍLE DISERTAČNÍ PRÁCE Nosným tématem předkládané disertační práce je teoretické a experimentální studium elektromagnetické a akustické emise generované při tvorbě trhlin v kompozitních materiálech. Hlavní cíle disertace lze shrnout do následujících bodů: Rozpracování metodiky měření elektromagnetické emise kapacitním snímačem, důsledná analýza transformací primárních parametrů trhliny na měřené veličiny v rámci sestaveného přenosového systému a nalezení kompletní přenosové funkce měřicího kanálu EME. Vytvoření metodiky pro vyhodnocování primárních parametrů trhliny na základě měřených průběhů EME v časové a frekvenční oblasti. Rozšíření metody elektromagnetické emise na moderní kompozitní materiály určené pro konstrukční aplikace, studium a identifikace významných zdrojů EME ve vláknových polymerních kompozitech. Návrh a realizace experimentálního pracoviště pro kontinuální vícekanálový záznam, zpracování a vyhodnocování signálů EME a AE, vývoj potřebného softwarového balíku s jednoduchým uživatelským rozhraním a realizace mobilní varianty měřicí aparatury vhodné i pro využití na jiných pracovištích. Splnění těchto cílů významně přispěje k rozvoji metod nedestruktivní diagnostiky. Praktické využití se očekává především po diagnostiku kompozitních materiálů a konstrukcí při jejich mechanickém zatěžování, zejména potom pro registraci vzniku a evoluci mikrotrhlin v moderních konstrukčních materiálech. Ke splnění vytyčených cílů je nezbytné vyřešit dílčí problémy, které jsou shrnuty v následujícím přehledu: Návrh a sestavení vhodného měřicího kanálu EME s kapacitním snímačem, popis jednotlivých částí měřicího obvodu pomocí náhradního elektrického schématu a nalezení přenosové funkce kompletního přenosového kanálu EME. Experimentální měření náhradních parametrů kapacitního snímače EME, jehož dielektrikum tvoří různé druhy studovaného kompozitního materiálu PREFEN. Ověření míry vlivu těchto parametrů na výsledný tvar kompletní přenosové funkce měřicího kanálu EME. Návrh, sestavení a zprovoznění plně automatizovaného pracoviště pro kontinuální vícekanálové měření signálů EME a AE během mechanického zatěžování vzorků kompozitních materiálů. Realizace mobilní varianty měřicí aparatury (využití modulární PXI platformy a grafického programovací prostředí LabVIEW). Snaha o maximální flexibilitu a mobilitu navrženého měřicího systému za účelem jeho možného využití na jiných pracovištích nebo v terénních podmínkách. Nalezení klíčových parametrů signálů AE v časové oblasti (inspirace v příslušných normách). Definování vhodných parametrů pro popis detekované EME s ohledem na značnou variabilitu časových průběhů těchto náhodných signálů. 3

16 Návrh algoritmů pro průběžné vyhodnocování získaných parametrů obou emisních signálů a jejich implementace do stávajícího obslužného software. Studium časové závislosti sledovaných parametrů při definovaném průběhu zatěžování. Návrh metodiky pro spektrální analýzu stochastických nestacionárních signálů EME a AE. Studium korelace mezi oběma emisními signály ve frekvenční oblasti a možnost využití získaných poznatků pro diagnostiku. Definování vhodného postupu pro experimentální ověření teoreticky odvozené přenosové funkce měřicího kanálu EME před samotným začátkem mechanického zatěžování kompozitních vzorků. Vytvoření komplexní metodiky pro vyhodnocování časových průběhů a spektrální výkonové hustoty elektrického dipólového momentu, a to na základě časových průběhů napětí detekovaného na výstupu měřicího kanálu EME. Sestavení experimentální aparatury pro měření EME při lomu vláken, vyřešení problematiky vhodného upnutí vláken do čelistí sestavené trhací aparatury a eliminace dalších rušivých vlivů. Pořízení vzorků různých typů samostatné polymerní matrice a vláknové výztuže používané pro komerční výrobu vláknových polymerních kompozitů (spolupráce s firmou PREFA KOMPOZITY, a.s.). Podrobné studium jevu elektromagnetické emise v průběhu mechanického namáhání jednotlivých složek studovaných kompozitních materiálů, tedy vzorků různých druhů samostatné polymerní matrice a zvolené vláknové výztuže. Provedení fraktografické analýzy lomových ploch vláknových kompozitů po jejich destrukci. Zobrazení nejčastějších poruchových mechanismů ve studovaných kompozitních strukturách. Podrobné studium pořízených snímků za účelem identifikace významných zdrojů detekovatelné EME zaznamenané v průběhu mechanického zatěžování testovaných vzorků. 4

17 4 MODERNÍ KOMPOZITNÍ MATERIÁLY PRO KONSTRUKČNÍ ÚČELY Jako kompozity jsou obecně označovány heterogenní materiály složené ze dvou nebo více různých fází s odlišnými mechanickými, fyzikálními a chemickými vlastnostmi. Jedna z těchto fází bývá obvykle spojitá, používá se termín matrice, zatímco nespojitou (disperzní) fázi označujeme jako výztuž [1 5]. Matrice je nejčastěji poddajná a plastická, jelikož slouží především jako pojivo výztuže. Výztuž má podstatně vyšší hodnoty mechanických vlastností (modul pružnosti, pevnost, tvrdost atd.) a jejím úkolem je tedy vylepšit mechanické vlastnosti výsledného kompozitu [2]. Nespojitá fáze ovlivňuje i další vlastnosti výsledného materiálu, např. elektrickou vodivost, odolnost vůči vnějším vlivům atd. Na rozdíl od klasických heterogenních materiálů jsou vyztužené kompozitní materiály charakteristické tím, že se v nich synergicky kombinují vlastnosti matrice a výztuže. Výsledný materiál tak dosahuje zcela unikátních vlastností, které by nebylo možné získat pouhým sečtením vlastností jednotlivých složek [1], [2]. Významně se zde uplatňuje také fyzikální a chemická podstata fázového rozhraní mezi matricí a zvolenou výztuží, jelikož soudržnost mezi jednotlivými fázemi má přímý vliv na mechanické vlastnosti vzniklého kompozitu [3]. 4.1 Základní klasifikace kompozitních materiálů Základní klasifikaci kompozitních materiálů můžeme provést podle použité matrice (kompozity s kovovou, keramickou, uhlíkovou nebo polymerní matricí) a podle typu výztuže (částicové, vláknové nebo hybridní kompozity) [1 5]. Největšího průmyslového rozšíření dosáhly ve světě kompozity na bázi organických pryskyřic vyztužených různými typy keramických nebo anorganických vláken. Příčinou tohoto historického vývoje je především energetická nenáročnost při jejich výrobě oproti tradičním materiálům a kovovým nebo keramickým kompozitům a dále nízké teploty finálního zpracování, které se pohybují v rozmezí (80 až 180) o C [1]. Vláknové kompozity se obecně v zahraniční literatuře označují zkratkou FRC (Fiber Reinforced Composites). Tato práce se zaměřuje na specifickou skupinu kompozitních materiálů, a to především na vláknové polymerní kompozity (VPK). V současnosti se nejčastěji využívají VPK se skelnou výztuží Vláknové polymerní kompozity matrice Polymerní matrice jsou nejčastěji používaným typem matrice při výrobě kompozitních materiálů a mají také nejdelší historickou tradici (první patent již v roce 1916). Polymerní matrice zajišťuje především spojení a upevnění vláknové výztuže do požadovaného geometrického profilu, přenos vnějšího zatížení do výztuže, odděluje od sebe jednotlivá vlákna (případně svazky vláken) výztuže a zabraňuje tak spojitému šíření trhliny, brání destruktivním deformacím výztuže v místech tlakového zatížení a v neposlední řadě chrání výztuž před vnějšími vlivy [1], [6]. Z hlediska vlastností a výrobního procesu rozlišujeme dva základní typy polymerních matric, rozšířenější reaktoplasty a v menší míře používané termoplasty. 5

18 a) Reaktoplasty (termosety) Reaktoplasty lze vytvrdit teplem, chemickou reakcí nebo působením vhodného katalyzátoru. Proces vytvrzení může nastat už při pokojové teplotě, případně při zvýšených teplotách. Podmínky, při kterých vytvrzování probíhá, významně ovlivňují vlastnosti výsledného reaktoplastu. Jednou vytvrzený reaktoplast zůstává v tuhé fázi i po opětovném zahřátí. Výhodou tohoto typu matrice je odolnost proti tečení a vysokým teplotám, nevýhodou je vysoká křehkost a omezené možnosti recyklace. Mezi reaktoplasty patří především polyesterové, vinylesterové, epoxidové a fenolické pryskyřice. Přibližně 75 % z celkového objemu celosvětově zpracovávaných pryskyřic pro účely výroby vyztužených kompozitů tvoří právě nenasycené polyestery, 20 % vinylestery a zbývajících 5 % speciální pryskyřice jako jsou epoxidové, fenolické a různé vysokoteplotní pryskyřice [1]. Reaktoplasty jsou dosud nejběžněji používaným typem matrice pro VPK. Pro nenáročné aplikace jsou nejlevnější variantou kompozity, jejichž matrici tvoří nenasycené polyesterové pryskyřice poskytující dobré mechanické, elektrické a chemické vlastnosti. Vinylesterové pryskyřice jsou teplotně i chemicky odolnější a využívají se především pro náročnější aplikace (kompozity vystavené velkému mechanickému namáhání nebo agresivnímu chemickému prostředí). Nejlepší mechanické a elektrické vlastnosti s dostačující tepelnou a chemickou odolností ovšem vykazují vytvrzené epoxidové pryskyřice. Mezi další charakteristiky epoxidových pryskyřic patří dobré elektroizolační vlastnosti v širokém rozsahu teplot a značná odolnost proti vodě, kyselinám a některým rozpouštědlům. Fenolické pryskyřice jsou naopak specifické vysokou tepelnou odolností, vynikající odolností proti ohni a při hoření navíc produkují malé množství toxických zplodin a kouře [1], [6]. b) Termoplasty Termoplasty jsou deformovatelné materiály, které měknou a tečou při zvýšení teploty nad definovanou kritickou teplotu a po ochlazení opět přecházejí do pevného skupenství. Své specifické vlastnosti si termoplasty zachovávají i po opětovném zahřátí a následném ochlazení. Termoplasty lze úspěšně recyklovat, díky čemuž jsou stále populárnější (především z ekologického hlediska). Snaha o maximální recyklovatelnost sériově vyráběných materiálů vede k postupnému nahrazování reaktoplastů termoplasty. Rozšířené termoplasty jsou například polyamid, polyethylen, polypropylen a polykarbonát [1], [3] Vláknové polymerní kompozity výztuž Pro vyztužování polymerních matric se běžně používá celá řada vláken s různými mechanickými vlastnostmi. Z hlediska průmyslových aplikací mají pro VPK největší význam vlákna skleněná, uhlíková a aramidová. Vyrábí se i řada jiných druhů vláken, které také vykazují zajímavé vlastnosti, nicméně v současné době jsou jejich praktické aplikace zanedbatelné [3]. Vyztužující vlákna jsou nositelem pevnosti a tuhosti výsledného kompozitu a použitá polymerní matrice k těmto mechanickým vlastnostem již výrazně nepřispívá. Principem vláknového vyztužení je skutečnost, že vyztužující vlákna, mající o jeden až dva řády vyšší pevnost a tuhost ve srovnání s pojivem (polymerní matricí), se při vnějším namáhání deformují méně než polymer. Dochází tak ke vzniku smykových sil 6

19 na rozhraní vlákno/polymer, které v případě dobré adheze mezi oběma komponentami umožňují přenos veškerého napětí z nepevné matrice do vláken. Ta jsou schopna nést veškerá napětí působící na kompozitní dílec, takže nepevné, ale deformovatelné pojivo je prakticky bez napětí [1], [2], [4]. a) Skleněná vlákna Skleněná vlákna jsou v současné době nejvíce rozšířeným typem výztuže u polymerních kompozitů. Kromě vhodné kombinace jejich mechanických a elektrických vlastností je jejich velkou výhodou, oproti ostatním používaným typům vláknové výztuže, především jejich cena. Nejrozšířenější skleněná vlákna se vyrábí z tzv. E skla, které má dobré mechanické vlastnostmi a vysoký elektrický odpor. Pro náročnější aplikace lze použít S sklo, které je charakteristické větší pevností i modulem pružnosti, menší hustotou, lepší korozní odolností a v neposlední řadě také vyšší teplotní odolností (E sklo ztrácí svoji pevnost už při teplotách nad 200 C). Tato varianta skelné výztuže je ovšem dražší, což má samozřejmě vliv na její zavádění do průmyslových aplikací [3 5]. b) Uhlíková vlákna Uhlíková vlákna se používají především pro náročné technické aplikace a lze je aplikovat v kombinaci se všemi typy matric. Výhodou tohoto typu výztuže je vysoká pevnost a modul pružnosti, teplotní odolnost a hlavně nízká hustota. Charakteristickou vlastností uhlíkových vláken je také dobrá elektrická vodivost. V porovnání se skleněnými vlákny jsou uhlíková vlákna křehčí. Podle hodnot modulu pevnosti a pružnosti se uhlíková vlákna dělí na vysokopevnostní a vysokomodulová uhlíková vlákna. Podíl uhlíkových vláken jako výztuže u kompozitních materiálů v průmyslových aplikacích neustále narůstá a jejich masovému nasazení v současné době zabraňuje především jejich vysoká cena (v porovnání se skleněnými vlákny může být deseti až stonásobná) [3 5]. c) Aramidová vlákna Tato vlákna byla poprvé představena na konci 60. let americkou firmou DuPond pod obchodním označením Kevlar. Jedná se o synteticky vyrobená organická vlákna z aromatických polyamidů. V současné době se jich vyrábí několik druhů, které se liší svými vlastnostmi a chemickou strukturou. Hustota Kevlaru je nižší než u obou výše uvedených typů vláken, což v kombinaci s dobrými mechanickými vlastnostmi a nehořlavostí otevřelo nové konstrukční možnosti zejména v leteckém, kosmickém a vojenském průmyslu. Aramidová vlákna mají také schopnost tlumit vibrace, a to nezávisle na použitém typu pryskyřice či orientaci vláken. Tato zajímavá vlastnost našla uplatnění především při výrobě neprůstřelných vest a jiných ochranných pancéřů [3 5]. Kromě kontinuálních vláken (tzv. roving) se také vyrábí výztuže ve formě tkané textilie nebo netkané vyztužující rohože. Pojmem roving se obecně označuje forma výztuže ve tvaru nekonečných vláken bez krutu. Společným znakem různých rovingů je pramenec tvořený individuálními vlákny navinutý na cívku. Tkaná textilie se vyrábí přímo z rovingů, a to stejným způsobem jako běžné textilie. Výhodou ve srovnání s netkanou výztuží je větší obsah vláken a tudíž vyšší tuhost a pevnost výsledného kompozitu. V případě vyztužujících rohoží se jedná o netkanou formu výztuže vyráběnou z nasekaných rovingů (krátká a středně dlouhá vlákna s náhodnou orientací), jejich slabým naimpregnováním pryskyřicí nebo termoplastem a následně tepelným slisováním do 7

20 ploché kontinuální rohože. Specifickým doplňkem výztuže bývá často ještě povrchová rouška, která je charakteristická velmi jemnou strukturou a nízkou plošnou hmotností. Obvykle je vyrobena z polyesteru a na mechanické vlastnosti výsledného kompozitního profilu nemá žádný vliv. Povrchová rouška tvoří obal, který zvyšuje odolnost proti vniknutí chemikálií, chrání před UV zářením a vylepšuje estetický vzhled kompozitu (zabraňuje tomu, aby po poškození povrchu vyčnívala vlákenná výztuž ven z kompozitního profilu). Uvedené formy výztuže a použité druhy vláken lze různě kombinovat a vyrábět tak kompozity se smíšenou výztuží [1], [7] Vláknové polymerní kompozity vlastnosti a výhody Základní charakteristikou VPK je synergická kombinace tvarovatelné nepevné polymerní matrice s pevností a tuhostí vyztužujících vláken. Jednou z největších výhod vláknových polymerních kompozitů je možnost měnit a cíleně upravovat jejich výsledné vlastnosti vhodnou kombinací pojiva (různé druhy pryskyřic), typu výztuže (různé druhy vláken) a její formou (roving, rohož, tkanina), prostorového uspořádání výztuže, poměru mezi obsahem výztuže a pojiva a v neposlední řadě také technologií výroby. Tyto možnosti jsou u klasických konstrukčních materiálů výrazně omezeny nebo prakticky neexistují [1]. Prostorové uspořádání vyztužujících vláken v polymerní matrici logicky vede k anizotropii výsledného kompozitního dílce. Anizotropie mechanických vlastností způsobuje odlišné chování kompozitního materiálu v různých směrech a liší se i odolnost vůči rozličným typům mechanického namáhání [1]. Synergický příspěvek vyztužujících vláken k vlastnostem výsledného kompozitu je maximální pouze v případě, je-li směr mechanického zatěžování rovnoběžný se směrem vláken. Pokud není splněna tato podmínka, dochází ke snižování mechanických vlastností až do extrémní situace, kdy zatížení působí kolmo na vyztužující vlákna a výsledná pevnost a tuhost kompozitu je nejnižší [5]. Obecné výhody těchto moderních kompozitních materiálů oproti klasickým materiálům pro konstrukční účely lze dále shrnout v následujících bodech [1], [5], [8]: Nízká hustota: Hustota vláknových polymerních kompozitů je přibližně 1,5 krát menší v porovnání s hliníkem a asi 4,5 krát nižší než u oceli [8], což nabízí nové konstrukční možnosti ve stavebnictví, stejně jako v leteckém, kosmickém a vojenském průmyslu. Vysoká pevnost: Pevnost moderních kompozitních profilů dosahuje pevností běžně používaných konstrukčních ocelí, přičemž poměr pevnosti k hustotě je v případě moderních kompozitních profilů přibližně dvojnásobný [8]. Díky tomu je možné využít kompozitní profily i k vytváření nosných konstrukcí ve stavebnictví. Trvalá odolnost vůči korozi: Vynikající odolnost těchto materiálů proti korozi v širokém spektru agresivních prostředí zvyšuje životnost konstrukcí a navíc snižuje náklady na jejich údržbu (není nutné opatřovat jejich povrchy ochrannými nátěry). Nízká tepelná vodivost: Polymerní matrice u většiny vláknových kompozitů spadá do skupiny reaktoplastů a zvýšení teploty tedy nemá vliv na jejich tvárnost [8]. Nízká tepelná vodivost pak výrazně zvyšuje odolnost konstrukcí vůči požárům. Oproti ocelovým konstrukcím nedochází v důsledku žáru ke kolapsu konstrukce, 8

21 naopak s rostoucí vzdáleností od ohniska případného požáru dochází k velmi rychlému poklesu teploty [5]. Elektromagnetická transparentnost: Konstrukce z kompozitních materiálů jsou díky zanedbatelným ztrátám elektromagnetického záření schopny chránit telekomunikační a radarové anténní systémy před vnějšími vlivy, aniž by došlo k útlumu elektromagnetických vln [1], [5]. Elektrická nevodivost: Této vlastnosti většiny kompozitních materiálů lze s výhodou využít ke zvýšení bezpečnosti elektrorozvoden, prostorů pod trolejovým vedením a dalších míst, kde dochází k manipulaci s elektrickými zařízeními [8]. Snadná údržba a úprava povrchu: K opracování moderních kompozitů lze v současné době využít běžně používané nástroje k opracování kovových materiálů. 4.2 Poruchové mechanismy u vláknových polymerních kompozitů Polymerní kompozity vykazují komplexní lomové mechanismy za různých podmínek mechanického zatěžování, které jsou především důsledkem jejich anizotropní pevnosti a tuhosti. Na rozdíl od jedné převládající lomové trhliny, často pozorované u izotropních křehkých materiálů, dochází při mechanickém zatěžování polymerních kompozitů k rozvoji rozsáhlého poškození v celém vzorku. V porovnání s kovovými nebo keramickými kompozity jsou poruchy v polymerních kompozitech způsobeny odlišnými mechanismy, a to díky jejich základním odlišnostem ve složení, struktuře a výrobních procesech. Mezi nejběžnější poruchové mechanismy u VPK patří plastická deformace matrice, vznik mikrotrhlin v matrici, oddělování vláken od matrice, vytahování vláken z matrice, porušení výztuže (přetržení vláken) a oddělování jednotlivých vrstev (delaminace). Častým případem je také současná kombinace několika typů poruch. Vzniklé poškození se velmi liší v závislosti na vlastnostech materiálu, způsobu ukládání výztuže do polymerní matrice a na charakteru aplikované mechanické zátěže. Kombinace uvedených poruchových mechanismů mohou vést k výskytu výraznějšího poškození, které různou mírou přispívá k redukci celkové pevnosti a tuhosti VPK. Důsledné pochopení běžně se vyskytujících poruchových mechanismů u VPK je nezbytné k efektivnímu a spolehlivému detekování a identifikaci defektů v těchto kompozitních strukturách. a) Deformace matrice Plastická deformace matrice se obvykle nepovažuje za lomový mechanismus, nicméně představuje důležitou vlastnost zodpovídající především za vysokou houževnatost a rázovou odolnost vyztužených polymerních kompozitů. Bylo prokázáno, že vzorky VPK, jejichž matrice lépe podléhají plastické deformaci, vykazují i vyšší lomovou houževnatost s ohledem na vznik trhlin v matrici. Plastická deformace může sice zhoršit kvalitu povrchu zatěžovaného kompozitního dílce, nemá však významný vliv na jeho strukturální integritu a nosné schopnosti (nedochází k okamžitému snížení pevnosti a tuhosti). V současné době je stále větší pozornost věnována vyztuženým kompozitům s termoplastickou matricí, jelikož tyto materiály vykazují vynikající houževnatost a rázovou odolnost, a to právě v důsledku jejich značné plastické deformace [9]. 9

22 b) Porušení matrice Vznik mikrotrhlin v matrici je významným a současně běžným typem poškození v kompozitních materiálech. Jedná se obvykle o lokální poruchy, které je obtížné detekovat. S rostoucím zatížením roste i hustota trhlin v polymerní matrici. Trhliny v matrici nemusí nutně vést k výrazné redukci mechanických vlastností kompozitu, nicméně mohou předcházet delaminaci, která je závažným lomovým mechanismem [9]. Celkovou energii absorbovanou vznikem trhliny v matrici lze vyjádřit násobkem povrchové energie a nové plochy vytvořené touto trhlinou. Z toho vyplývá, že při šíření trhliny matricí v jednom směru bude nově vzniklá plocha poměrně malá, což odpovídá malé lomové energii. Velké plochy vznikají při rozvětvení lomové trhliny (trhliny se šíří kolmo ke směru hlavního lomu) [10]. c) Oddělení vláken od matrice U VPK je dosaženo dobré přilnavosti (adhezi) mezi vyztužujícím vláknem a matricí především díky vhodné kombinaci jednotlivých složek kompozitu a pečlivé kontrole výrobních parametrů. Obecně platí, že lomové napětí vyztužujících vláken je výrazně vyšší než u matrice. Při malém zatížení vzniká nejdříve malá trhlina v matrici, a to v místě nejvyšší koncentrace napětí. Tato trhlina je buď zastavena vyztužujícím vláknem, nebo projde kolem vlákna bez porušení mezifázové vazby. Při rostoucím zatížení se vlákno a matrice začínají deformovat rozdílně a na jejich rozhraní je tak vyvíjena vysoká úroveň smykového napětí. Pokud vzniklé smykové napětí přesáhne jistou kritickou úroveň, nastává mezifázové oddělení vlákna od matrice, které se může dále šířit do určité vzdálenosti podél vlákna. Jedná se tedy opět o lokální poruchový mechanismus, který je těžko detekovatelný prostřednictvím konvenčních nedestruktivních metod [9]. Tento typ porušení u VPK závisí především na úrovni povrchových úprav aplikovaných na vyztužující vlákna během výrobního procesu. Vyztužující vlákna s nízkou úrovní povrchového ošetření budou mít větší tendenci k oddělování od matrice díky slabé adhezi mezi výztuží a matricí. Z uvedených důvodů je běžnou průmyslovou praxí, že jsou vyztužující vlákna nejdříve chemicky nebo fyzikálně ošetřena za účelem usnadnit a vylepšit propojení mezi matricí a výztuží [9]. d) Vytahování vláken z matrice Proces vytahování vláken z matrice se nejčastěji vyskytuje právě u VPK a je důsledkem vložení křehkých vláken do houževnaté matrice. Při přetržení vláken dochází ke koncentraci mechanického napětí v matrici, které může být redukováno kluzem matrice a celý proces může dále pokračovat vytahováním přetržených vláken z matrice. Mechanismy oddělování vláken a vytahování vláken vykazují některé společné rysy (v obou případech dochází k porušení na rozhraní vlákna s matricí), nicméně oba tyto jevy se vyskytují za odlišných specifických podmínek. Proces oddělování vláken nastává v případě, kdy postupující trhlina v matrici není schopná pokračovat přes vyztužující vlákno, zatímco vytahování vláken z matrice souvisí s trhlinou vznikající při přetržení vlákna, která není schopná se dále šířit houževnatou matricí. Proces vytahování vláken z matrice je navíc často doprovázen rozsáhlým přetvořením matrice, což v případě oddělování vláken od matrice nenastává. Oba jevy výrazně zvyšují lomovou energii [10]. 10

23 e) Přetržení vlákna Vzhledem k tomu, že vyztužující vlákna jsou hlavní složkou nesoucí zatížení u VPK, může mít přetržení vláken nepříznivý vliv na výslednou pevnost a tuhost kompozitu. K přetržení vláken v kompozitech může docházet z několika důvodů, a to vždy až po dosažení jejich mezního přetvoření. Během šíření trhliny ve směru kolmém na vyztužující vlákna (při dostatečném mechanickém zatížení) dojde nakonec k přetržení vláken, což významně přispěje k finálnímu lomu kompozitní struktury. Mechanismus přetržení vláken je významným faktorem, který má vliv na snižování pevnosti v tahu u komponentů a struktur z polymerních kompozitů. Uvolněné konce vláken (způsobené jejich přetržením) se navíc stávají místem pro iniciaci a následný růst výše popsaných procesů oddělení vláken od matrice a vytahování vláken z matrice, a to díky vysokým smykovým napětím na rozhraní v blízkosti uvolněných konců vláken. Energie spojená s přetržením vláken je výrazně vyšší než u poruch v matrici. V důsledku toho může být energie rozptýlena a vstřebána v malých oblastech [9]. f) Oddělování vrstev delaminace Delaminace bývá považována za nejzávažnější lomový mechanismus, který se projevuje při zatěžování VPK. Tímto pojmem se označuje vzájemné oddělování jednotlivých vrstev (lamin) v kompozitech (laminátech) [9]. Šíření trhliny v určité vrstvě kompozitního materiálu může být omezeno, pokud její hrot dorazí na rozhraní s vlákny sousední vrstvy (podobně jako proces zastavení trhliny v matrici při styku hrotu trhliny s vyztužujícím vláknem). V těchto případech je trhlina donucena k rozvětvení (v důsledku vysokého smykového napětí v matrici blízko hrotu trhliny) a dále může postupovat po rozhraní mezi sousedními vrstvami rovnoběžně s rovinou těchto vrstev [10]. Delaminace je závažným typem poškození především z toho důvodu, že k ní dochází pouze mezi jednotlivými vrstvami, přičemž nezanechává žádné viditelné stopy na povrchu. To vytváří velké problémy při snaze o spolehlivou a praktickou identifikaci vznikajícího poškození při mechanickém zatěžování VPK. Růst delaminace při monotónním nebo cyklickém zatěžování může mít za následek drastické snížení pevnosti a tuhosti kompozitních komponentů a struktur. Redukce pevnosti a tuhosti v důsledku delaminace se pro daný typ kompozitu liší v závislosti na ploše delaminované oblasti a na typu zatěžování. Ke značnému snížení mechanických vlastností kompozitních materiálů mohou vést i poměrně malé plochy delaminace. Hnací silou delaminace je nepoměr elastických konstant mezi sousedními vrstvami, což má za následek vznik vysokého mezivrstvového napětí [9]. Výskyt delaminace je vždy spojen s absorbováním velkého množství lomové energie [10] g) Kombinace různých lomových mechanismů Běžně se vyskytující poškození v polymerních kompozitech obvykle zahrnuje současný rozvoj několika výše uvedených poruchových mechanismů. Obecně platí, že různé typy poškození mají tendenci se vyskytovat a vzájemně na sebe působit velmi komplexním způsobem. To vede k obtížím při pochopení vlastností procesů souvisejících s rozvojem takového poškození. Další komplikací je skutečnost, že VPK jsou v různé míře heterogenní a anizotropní. Lineární elastická lomová mechanika (LELM, anglicky LEFM) pro homogenní a isotropní materiály není tedy snadno aplikovatelná i na VPK. Ne všechny 11

24 lomové mechanismy musí být současně přítomné v poškozené struktuře, ve většině případů může jeden z těchto mechanismů převážně přispívat k finálnímu lomu [9]. 4.3 Charakteristika kompozitního materiálu PREFEN Velká část experimentálních výsledků z praktické části této disertační práce byla měřena na vzorcích moderního kompozitního materiálu PREFEN. Následující text je souhrnem informací, které lze o tomto materiálu volně dohledat na webových stránkách výrobce Podrobnější informace nabízí literatura [7], [11], kterou je také možné získat na výše uvedených webových stránkách výrobce. PREFEN (dřívější označení EXTREN, PREFATREN) je registrovaná značka řady standardních tažených profilů z polymerní pryskyřice a vláknové výztuže vyrobených společností PREFA KOMPOZITY, a.s. Tato společnost patří mezi přední tuzemské výrobce kompozitních profilů a konstrukcí. Výroba nabízených kompozitních profilů je založena na technologii kontinuálního tažení (pultruze), kterou firma převzala od jednoho z největších světových výrobců, společnosti Strongwell z USA. Použitá technologie umožňuje vyrábět profily s obsahem výztuže až přes 70 %. Z hlediska mechanických vlastností tak vznikne materiál charakteristický vysokým součinitelem poměru pevnosti a hustoty. Sortiment profilů PREFEN se skládá z více než 50 druhů kompozitních profilů, kde každý z nich má svůj specifický (originální) tvar nejlépe odpovídající způsobu namáhání, pro který je daný profil určen [7]. Ústav Fyziky FEKT VUT v Brně spolupracuje s výzkumným oddělením společnosti PREFA KOMPOZITY, a.s. v oblasti technologií a zajištění vzorků polymerních kompozitních materiálů z jejich obchodní nabídky. Kromě vzorků kompozitních profilů bylo možné díky této spolupráci získat i samostatné vzorky jednotlivých složek nabízených kompozitních výrobků. Jedná se zejména o různé vzorky vytvrzených pryskyřic (polyester, vinylester, epoxid) a výztuže (skleněná, uhlíková a kevlarová vlákna) v různých formách (roving, tkaná textilie, netkané rohože, povrchová rouška) Materiálová struktura Konstrukční profily PREFEN vyrobené tažením jsou standardně produkovány v několika modifikacích podle typu použité pryskyřice a s tím spojených mechanických a fyzikálních vlastností [7]. Pryskyřice používané při výrobě PREFEN: Isoftalový nenasycený polyester: Všeobecně používaná pryskyřice, která poskytuje dostatečnou odolnost proti korozi ve většině běžných aplikací. Vinylester: Speciální pryskyřice, která má vyšší pevnost a tuhost než isopolyester, lépe odolává vyšším teplotám a širšímu spektru chemických látek. Typy skleněných výztuží používaných při výrobě PREFEN: Kontinuální vlákna (roving): Kontinuální svazky dlouhých, jednosměrně orientovaných skleněných vláken, kde každý svazek obsahuje 800 až 4000 jednotlivých vláken o průměru cca 20 µm. Celkový počet svazků používaných 12

25 v dílčích profilech je odlišný a pohybuje se v rozsahu od desítek až do více než dvou tisíc. Kontinuální skleněné rohože: Jedná se o dlouhá skleněná vlákna, která jsou vzájemně neuspořádaně propletena a spojena dohromady malým množstvím lepidla. Hlavním přínosem této rohože ve výsledném profilu je její vyztužující efekt i v ostatních směrech než pouze v podélné ose, kde dominantní výztuhu tvoří kontinuální vlákna. Do pryskyřice se při výrobě přidávají také různé přísady na zlepšení materiálových vlastností. Mohou to být například retardéry na zlepšení požárních vlastností, stabilizátory pro odolnost vůči UV záření, zvýšení elektrické vodivosti atd. Všechny profily PREFEN (kromě plných tyčí) mají navíc na povrchu tenkou netkanou povrchovou polyesterovou roušku. Tato pryskyřicí nasycená rouška obaluje skleněnou výztuž a vytváří tak obal, který kromě vylepšení estetického vzhledu kompozitu zvyšuje i odolnost proti vniknutí chemikálií a UV záření. Povrchová rouška zabraňuje tomu, aby po poškození povrchu vyčnívala skleněná vlákna ven [7], [11]. Kromě standardních profilů PREFEN nabízí tento výrobce i zákaznické profily, které se od těch standardních liší tvarem, použitou pryskyřicí (polyesterové, vinylestery a epoxidy), typem výztuže (skleněná, uhlíková, aramidová a čedičová vlákna), povrchovou úpravou, barvou atd. Konstruktéři tak mohou volit jednotlivé parametry navrhovaných kompozitních výrobků podle konkrétních požadavků konečné aplikace (zvýšená pevnost, tuhost, opracovatelnost, nehořlavost, antistatika, lepší chemická odolnost atd.) [7], [11] Technologie výroby tažených profilů Pultruze je proces kontinuální výroby vyztužených pryskyřic různých tvarů a délky tažením. Vstupním materiálem je směs tekuté pryskyřice a vláknové výztuže. Proces zahrnuje tažení materiálu přes vyhřívanou ocelovou formu pomocí tažného zařízení. Vyztužující materiál (převážně skleněné vlákno) je ve formě rovingu a plošných rohoží. Tato vlákna navinutá na cívkách vstupují do srovnávače, jehož funkcí je rovnoměrné rozmístění rovingu v průřezu a správné umístění rohoží. V dalším zařízení se vlákna, rohože a rouška smáčí ve směsi pryskyřice, plniva, barviva, katalyzátoru, popř. dalších přísad pro zlepšení materiálových vlastností výsledného profilu. Po výstupu z lázně má polotovar už podobný tvar jako výsledný profil. V předtvarovací formě se vytlačuje přebytečné pojivo, profil se postupně tvaruje a vstupuje do vytvrzovací formy. V této vyhřívané formě probíhá termosetická reakce a profil se vytvrzuje. Na výstupu z formy je hotový profil tažen podávacím zařízením a dělen na kusy požadované délky [7], [11]. Tažené kompozitní profily nejsou ze své podstaty ani homogenní (skládají se minimálně ze dvou podstatně odlišných komponentů), ani izotropní (vykazují různé vlastnosti v různých směrech). Mechanické vlastnosti profilů PREFEN jsou tedy silně závislé na směru zatížení (podélném nebo příčném) [7]. 13

26 4.3.3 Vlastnosti a výhody profilů PREFEN Kompozitní tažené profily PREFEN nabízejí uživatelům řadu výhodných vlastností, mezi které lze zařadit především [11]: Vysoká pevnost: Pevnost v hlavním směru je srovnatelná s ocelí. Pevnost v tahu od 240 MPa do 1000 MPa pro skleněná vlákna, resp MPa pro uhlíková vlákna. Pružnost: Výrobky netrpí trvalou deformací po úderu nebo nadměrném zatížení jako v případě kovových prvků. Nízká hmotnost: Váží o 80 % méně než ocel a o 30 % méně než hliník. Je s nimi snadná manipulace a lze tak provést částečné sestavení modulů finální konstrukce mimo hlavní staveniště a dopravit je na místo již v celcích. Chemická odolnost: Kompozity odolávají dlouhodobě řadě chemikálií, nekorodují a nemusí se dodatečně natírat ani jinak povrchově chránit. Elektrická nevodivost: Kompozitní konstrukce se nemusí zemnit a jsou vhodné pro aplikace, kde může dojít k úrazu elektrickým proudem nebo bleskem. Jako vynikající elektrický izolant mají profily PREFEN navíc velmi nízkou teplotní vodivost. Povrchová rezistivita je standardně v řádu Ω, volitelně až 10 6 Ω. Elektromagnetická transparentnost: Materiály typu PREFEN jsou transparentní pro elektromagnetické vlnění v širokém spektru frekvencí. Odolnost vůči ultrafialovému záření: UV záření jako součást slunečního záření je nebezpečné všem organickým materiálům. V kompozitních materiálech PREFEN je použita trojnásobná ochrana (UV stabilizátory, polyesterová podpovrchová rouška, případně i polyuretanový nátěr, který eliminuje nežádoucí barevné změny). Hygienická nezávadnost: Materiál PREFEN má atest pro styk s pitnou vodou. Snadná obrobitelnost: Kompozity se dobře opracovávají, jejich řezný odpor je podobný jako při zpracování tvrdého dřeva a navíc při obrábění nevznikají nebezpečné ostré hrany a třísky jako u oceli. Dlouhodobá tepelná odolnost a rozměrová stálost: Podle typu použité pryskyřice (100 až 180) C. Koeficient teplotní roztažnosti profilů je menší než u oceli a mnohem menší než u hliníku. Nehořlavost: Pomocí retardéru hoření lze vyrobit materiál se zlepšenými požárními vlastnostmi, standardně stupeň C1 (pro pokročilé aplikace i stupeň B nebo A). Nízká degradace materiálu v čase: Při dodržení všech podmínek je životnost kompozitních profilů PREFEN stejná jako životnost celé stavby. 14

27 5 NEDESTRUKTIVNÍ METODY TESTOVÁNÍ POLYMERNÍCH KOMPOZITŮ Obor nedestruktivního testování (NDT) využívá neinvazivní metody založené na různých fyzikálních principech k vyhodnocování strukturální integrity kontrolovaných materiálů, struktur nebo konstrukcí. Zkoušený předmět přitom nesmí být danou zkouškou poškozen a nesmí být ovlivněna schopnost jeho dalšího použití v provozních podmínkách. V současné době se nedestruktivní testování využívá v široké řadě průmyslových odvětví, příkladem může být letectví, doprava, stavebnictví, vojenské a vesmírné aplikace, kontrola jaderných elektráren, kontrola ropovodů a plynovodů a mnoho dalších. Úroveň poškození různorodých materiálů (včetně VPK) můžeme nedestruktivním způsobem posoudit na základě vyhodnocování jejich tepelných, radioaktivních, akustických, optických, elektrických, mechanických a jiných vlastností a charakteristik. Přitom je nezbytné mít neustále na vědomí, že každá NDT technika je charakteristická svými výhodami a možnostmi použití v různých průmyslových aplikacích, ale současně žádná z nich není zcela dokonalá a dostatečně univerzální. Všechny NDT metody naráží na řadu přirozených omezení, která nejčastěji plynou z použitých fyzikálních principů. Úspěšné vyhodnocení úrovně poškození včetně identifikace mechanismů těchto poruch vyžaduje ve většině případů současné nasazení několika zkušebních metod, což může být často velmi náročný úkol a zároveň je nutné vzít v úvahu i finanční náklady s tím spojené. Z výše uvedených důvodů vyvstává potřeba neustálého zlepšování již zavedených konvenčních NDT technik, stejně jako snaha o vývoj nových moderních zkušebních metod, a to vše za účelem udržení kroku s neustále rostoucími požadavky nových průmyslových aplikací [9], [12]. V následujícím textu jsou stručně popsány nejvíce rozšířené NDT metody, které lze aplikovat i na kontrolu kompozitních materiálů (především VPK). 5.1 Vizuální kontrola Vizuální kontrolu můžeme zařadit mezi jednu z nejstarších NDT technik. Pomocí této metody se zjišťují zjevné vady na povrchu testovaných struktur a je možné odhalit i případné vnitřní defekty, pokud se na zkoumaném povrchu projevují specifickým způsobem. Vizuální kontrola je hojně využívána i v současné době, a to díky její jednoduchosti, časové nenáročnosti a hlavně velmi nízké ceně ve srovnání s ostatními NDT metodami. Vizuální kontrola by měla vždy předcházet nasazení jiných NDT metod. Podezřelé artefakty (defekty) zjištěné na povrchu kontrolovaného objektu naznačují přítomnost možného vnitřního poškození a na základě výsledků vizuální kontroly lze vybrat vhodnou doplňkovou NDT metodu. Vizuální kontrola je specifická tím, že jako jediná umožňuje hodnotit přímo samotné vady (ostatní metody totiž posuzují pouze indikace výskytu možných vad a defektů) [9 14]. Z hlediska přístupnosti kontrolovaných povrchů rozlišujeme vizuální kontrolu na přímou a nepřímou. Přímá vizuální kontrola se provádí pouhým okem, případně pomocí jednoduchých optických pomůcek (lupy, mikroskopy atd.). Během přímé vizuální kontroly není přerušena optická dráha mezi okem pozorovatele a pozorovaným povrchem. Nepřímá vizuální kontrola se používá v případech kontrolovaných povrchů, které nelze přímo pozorovat z důvodu jejich nedostupnosti nebo případné nebezpečnosti [12]. Tento způsob 15

28 kontroly se provádí nejčastěji pomocí endoskopů a systémů, které využívají miniaturní kamery a zdroje světla. V těchto případech probíhá vlastní kontrola prostřednictvím obrazu na monitoru. U VPK vystavených mechanickému namáhání obvykle dochází ke vzniku a vývoji poškození v jejich vnitřní struktuře (nejčastěji ve formě delaminace). To má za následek zanechání jen velmi malého nebo žádného indikátoru poškození na povrchu testovaného objektu, přičemž díky delaminaci může být uvnitř kompozitu přítomno rozsáhlé poškození [9]. Pomocí vizuální kontroly polymerních kompozitů je možné odhalit delaminaci na hranách, různé propadliny a vybouleniny na povrchu včetně povrchových dutin [13]. 5.2 Zkoušení ultrazvukem Zkoušení ultrazvukem je široce využívaná nedestruktivní technika pro vyšetřování úrovně poškození kompozitních materiálů. U homogenních materiálů se běžně využívá provozních ultrazvukových frekvencí v rozsahu 20 khz až 20 MHz (literatura [13] uvádí frekvenční rozsah ultrazvukových metod 50 khz až 100 MHz). Z důvodu vysokého útlumu ultrazvukového signálu v kompozitních (tedy nehomogenních) materiálech je nutné testovací rozsah frekvencí významně redukovat. Nejčastěji se v průmyslových aplikacích používají ultrazvukové frekvence maximálně do 5 MHz (nebo i méně), což má za následek omezení schopnosti registrovat vnitřní poruchy menších rozměrů [14]. Mezi konvenční ultrazvukové metody na zjišťování vnitřních poruch materiálu patří tzv. průchodová a odrazová metoda. Průchodová metoda využívá mechanismu útlumu ultrazvukového vlnění během průchodu materiálem s vnitřními nehomogenitami. Při aplikaci této metody je nutno použít dvě sondy, kdy jedna slouží jako vysílač (budič) a druhá jako přijímač části ultrazvukového vlnění, které prošlo testovaným materiálem. V případě použití průchodové metody potřebuje ultrazvuk urazit pouze poloviční vzdálenost (v porovnání s odrazovou metodou), což snižuje vliv útlumu ultrazvukového impulzu materiálem. Nevýhodou je nutnost zajistit pokud možno dokonalou osovou souměrnost použitých ultrazvukových sond a také volný přístup k oběma protilehlým povrchům testovaného objektu [12]. Odrazová metoda využívá mechanismu odrazu ultrazvukové vlny od vnitřních defektů a nehomogenit. Tato varianta si vystačí jen s jedním měničem, který slouží současně jako vysílač i přijímač ultrazvukového vlnění, z čehož vyplývá potřeba pouze jednoho dostupného povrchu na testovaném objektu. Z časového intervalu mezi vysláním ultrazvukového impulzu a příchodem tzv. echa lze určit vzdálenost defektu od sondy a z velikosti amplitudy přijatého echa můžeme také částečně odhadnout velikost detekované poruchy. Pro úspěšnou detekci vnitřních nehomogenit je nutné, aby se tyto poruchy nacházely v jisté minimální vzdálenosti od ultrazvukového měniče. V opačném případě totiž není možné rozeznat echo (odražené od této poruchy) od vyslaného impulzu. Mezi další nevýhody této metody lze uvést skutečnost, že ultrazvuk musí překonat dvojnásobnou vzdálenost, než je samotná vzdálenost defektu (zvyšuje se vliv útlumu) [12]. Existuje několik variant ultrazvukových technik, kdy každá z nich je specifická svými vlastnostmi a omezeními. Plně automatizované metody pro měření velkých ploch využívající obě konvenční metody (průchodovou a odrazovou) jsou označovány jako 16

29 C-scan. Jejich princip spočívá v počítačem řízeném pohybu ultrazvukových měničů a následném záznamu a analýze lokálního ultrazvukového signálu [13]. Všechny průmyslově využívané a etablované ultrazvukové metody nejsou z principiálních důvodů schopné detekovat vnitřní mikroporuchy u VPK (mikrotrhliny v matrici, poruchy vyztužujících vláken). Dobře detekovatelným mechanismem poruchy při ultrazvukovém zkoušení VPK jsou delaminace, které jsou většinou svým měřítkem větší ve srovnání s vlnovou délkou ultrazvukového signálu. 5.3 Termografie Mezi termografické metody řadíme takové bezkontaktní NDT metody, které využívají teplotně citlivé snímací zařízení pro měření teploty a teplotních gradientů na povrchu kontrolovaných struktur během jejich zahřívání, nebo naopak ochlazování. Moderní termografické systémy nejčastěji využívají k detekci vyzářeného tepla infračervenou kameru, která je již několik desetiletí nejvíce rozšířeným snímacím zařízením tohoto typu. Současná technologie umožňuje výrobu infračervených kamer s velmi vysokou citlivostí, díky čemuž dokáží detekovat i nepatrné teplotní rozdíly. Přítomnost poškození v kontrolovaném objektu může být infračervenou kamerou vizualizována díky rozdílné absorpci a rozptylu tepelného záření v poškozených a nepoškozených oblastech [9], [14]. Termografické metody lze rozdělit na tzv. aktivní a pasivní metody. V případě pasivní termografie se jedná především o monitorování objektů, nejčastěji v rámci preventivní údržby [15]. Příkladem pasivní metody může být situace, kdy je teplotní gradient produkován a kontinuálně udržován aplikováním cyklické zátěže (monotónní zatěžování tlakem nebo tahem produkuje pouze omezené množství tepla). Energie generovaná při cyklickém zatěžování je rozptýlena ve formě tepla. Čím větší je velikost mechanického napětí a deformace, tím větší bude množství generovaného tepelného záření. Jelikož porušené oblasti během aplikované mechanické zátěže vystupují jako koncentrátory napětí, množství tepla generovaného během cyklického zatěžování a odlehčování bude výrazně vyšší v poškozených oblastech [9]. Aktivní metody naopak k tepelnému vybuzení materiálů využívají externí zdroje tepelného záření, které zahřívají povrch kontrolovaného objektu (horkovzdušná pistole, flash-lampa, xenonová výbojka, teplý proudící vzduch atd.) [9], [14]. Termografie je bezkontaktní, bezpečná a rychlá nedestruktivní technika, kterou je možné využít i k vyhodnocování strukturální integrity různých druhů polymerních kompozitů. Nejlépe detekovatelným typem poruchy u VPK prostřednictvím infračervené termografie je podpovrchová delaminace, dutiny a nejrůznější povrchové a podpovrchové defekty [13]. Stejně jako ostatní NDT techniky, i termografie vykazuje několik nevýhodných vlastností. V první řadě závisí efektivita této metody především na tepelné vodivosti kontrolovaných struktur. Dalším problémem mohou být případy, kdy povrch testovaného objektu obsahuje odlišné druhy materiálů. Různá teplotní emisivita přítomných materiálů způsobuje velké problémy při interpretaci získaných výsledků (lze částečně potlačit pomocí vhodných nátěrů). V neposlední řadě jsou tyto metody velmi náchylné na tepelný šum pozadí. Teplotní odchylky detekované pomocí termografie tedy nemusí nutně znamenat, že se jedná o poruchy, které by měly mít významný vliv na 17

30 strukturální integritu polymerních kompozitů. Z uvedených důvodů by se termografie měla používat vždy ve spojení s jinou NDT metodou, která by byla schopná ověřit zjištěné anomálie [9]. 5.4 Radiografie Technika prozařování předmětů rentgenovým zářením a jejich zobrazení na rentgenový film se nazývá radiografie. Radiografie našla uplatnění jak v medicíně, tak i v průmyslových aplikacích. Jedná se o velmi účinnou metodu určenou především k zobrazení vnitřních objemových vad prozařovaných materiálů. Princip této NDT techniky je založen na zeslabování intenzity primárního svazku při průchodu rentgenového záření materiálem. Oblastí materiálu s objemovou vadou prochází toto záření snáze a na radiografický film za prozařovaným předmětem tak dopadne intenzivnější záření. Po vyvolání snímku se oblasti s objemovou vadou zobrazí tmavší v porovnání se zbytkem prozařovaného materiálu [9]. Ve srovnání s ultrazvukovým zkoušením zajišťuje radiografie výrazně lepší rozlišení získaného obrazu vnitřní struktury prozařovaného materiálu, jelikož vlnová délka rentgenového záření je podstatně nižší než v případě ultrazvukových vln a umožňuje také nedestruktivní kontrolu tlustších vzorků. Radiografie našla široké uplatnění při vyhodnocování strukturální integrity polymerních kompozitů nedestruktivním způsobem. Pomocí této metody lze u VPK identifikovat různé typy poškození jako jsou delaminace, rozsáhlejší poruchy vláken, dutiny v materiálu, trhliny v matrici a oblasti s přebytkem, nebo nedostatkem pryskyřice [9], [13]. Radiografie však také vykazuje několik nevýhodných vlastností při její aplikaci v průmyslových podmínkách. Významnou roli zde hraje i otázka financí, jelikož zdroje tohoto typu záření jsou cenově nákladné na pořízení, údržbu i provoz. Rentgenové záření je navíc zdraví nebezpečné, a proto musí mít obsluha rentgenu dostatečnou kvalifikaci pro práci s radioaktivními zdroji [9], [14]. Limitující je zde i nutnost dostatečné dostupnosti obou protilehlých povrchů prozařovaného objektu. Obtížná může být také identifikace různých typů poruch u polymerních kompozitů. Výsledky radiografického testu mohou sice ukazovat na přítomnost jistých defektů, nicméně nám poskytují jen velmi málo relevantních informací o daném poruchovém mechanismu. Z důvodu spolehlivého vyhodnocení stavu poškození je i v případě radiografie doporučeno její použití v kombinaci s dalšími nedestruktivními technikami [9]. 5.5 Moderní optické NDT metody Laserová interferometrie Optické interferometrické metody v oblasti nedestruktivního testování materiálů jsou založeny na interferenci optických vln a jejich účelem je integrální zviditelnění velmi malých tvarových deformací povrchů těles, které jsou způsobeny povrchovými a vnitřními defekty [15]. Tyto moderní metody využívají pro záznam nejčastěji CCD kamery a následně dochází k číslicovému zpracování získaných signálů. V oblasti NDT se na rozdíl od standardní interferometrie nevyhodnocují interference vlnoploch vzniklých ve stejném čase na různých místech, ale interference vlnoploch šířících se ze stejného místa 18

31 v odlišných časových okamžicích (nejčastěji před a po mechanickém zatížení předmětu). Posun nového interferometrického obrazu poukazuje na nedokonalosti vnitřní struktury kontrolovaných materiálů (na povrchu se objevují propadliny nebo vybouleniny), což u kompozitních materiálů svědčí o možné přítomnosti nespojitostí, delaminaci, porozitě, přítomnosti cizích objektů nebo poškození nárazem [13]. První NDT metodou založenou na interferenci optických vln byla holografická interferometrie [15] Holografická interferometrie Jedná se o optickou zobrazovací metodu založenou na interferometrickém posuvu fází paprsků odražených od povrchu objektu, která umožňuje především studium mechanických a tepelných deformací povrchů, vibrací, malých posuvů objektů apod., a to s přesností na zlomky vlnové délky použitého záření. Při použití světelného záření dosahuje přesnost měření deformací povrchů až 10-4 mm [16]. Pro pořízení hologramu je nezbytné použít koherentní svazek záření (např. He-Ne laserem). Při záznamu hologramu spolu interferují svazek světla dopadající a rozptýlený od předmětu (tzv. signálový nebo předmětový svazek) se svazkem světla dopadajícím přímo na záznamové médium (referenční svazek) [16]. Po vyvolání je hologram umístěn do původní polohy a po jeho osvětlení referenčním světelným svazkem dochází na jemné interferenční struktuře hologramu k difrakci světla a vzniku rekonstruované vlny, která vytvoří virtuální prostorový obraz objektu [15]. Obecně při záznamu holografického interferogramu dochází nejdříve k pořízení hologramu v počátečním stavu předmětu (bez zatížení). Po působení mechanické zátěže je objekt umístěn do původní polohy a je pořízen další hologram v odlišném deformačním stavu. Následuje vyvolání výsledného hologramu a po jeho osvětlení referenčním svazkem je možné přes hologram pozorovat oba deformační stavy předmětu. Jednotlivé vlnoplochy mezi sebou interferují, což se projeví vznikem interferenčních proužků na zobrazovaném předmětu. V místech s větším množstvím interferenčních proužků došlo k větší deformaci předmětu a naopak v místech malé deformace nalezneme méně širších proužků [16]. Existuje několik modifikací holografické interferometrie, například metoda dvojí expozice, dále metoda kontinuálního osvitu, sendvičová metoda, metoda živých proužků (metoda v reálném čase) a holografická interferometrie se dvěma vlnovými délkami. Při použití metody dvojí expozice se na jedno záznamové médium naexponují dva hologramy stejného objektu při různých deformačních stavech, kdežto modifikovaná metoda živých proužků umožňuje pomocí jednoho hologramu počátečního stavu předmětu pozorovat změny interferenčního obrazce přímo v reálném čase (sledování dynamických dějů a jejich záznam kamerou). Všechny modifikované metody holografické interferometrie mají své přednosti, ale také nedostatky. Podrobný popis jednotlivých metod a jejich specifických charakteristik včetně vzájemného srovnání lze nalézt v literatuře [15], [16]. Základní nevýhodou holografické interferometrie je požadavek na zcela stabilní mechanické prostředí (především stabilitu optické soustavy), což omezuje její masové využití v průmyslových aplikacích a je dodnes používána převážně v laboratorních podmínkách [15]. 19

32 5.5.3 Interferometrické metody na bázi koherenční zrnitosti Koherenční zrnitost je fyzikální jev, který vzniká při odrazu koherentního světla od drsného (zrnitého) povrchu. Podstatou toho jevu je interference světelných vln šířících se v důsledku odrazu nebo rozptylu od velkého počtu mikroskopických plošek tvořících povrch předmětu. Pole koherenční zrnitosti je tedy výsledkem interference množství koherentních sférických vln generovaných bodovými zdroji na povrchu předmětu [17], [18]. Výslednou strukturu koherenční zrnitosti lze pozorovat ve formě hustého rozmístění světlých a tmavých skvrnek například na vhodně umístěném stínítku v prostoru před zkoumaným předmětem. Tento jev, původně v holografické interferometrii považovaný za parazitní šum, našel později široké aplikační využití v řadě oborů, například v optice, astronomii, medicíně a biologii [17]. Zajímavé aplikace koherenční zrnitosti lze nalézt také v mechanice, jedná se především o využití tohoto jevu pro stanovení drsnosti povrchu předmětu nebo pro měření malých deformací na jeho povrchu. V současné době existuje několik metod pro měření deformace předmětu založených na jevu koherenční zrnitosti. Nejčastěji používané jsou především korelační měřicí metody a interferometrické metody na bázi korelační zrnitosti. Metoda korelace polí koherenční zrnitosti je založena na předpokladu, že v průběhu deformace předmětu generujícího pole koherenční zrnitosti dochází k posunutí a částečným změnám tohoto pole. Výsledný posun pole koherenční zrnitosti se stanovuje statisticky, a to prostřednictvím korelační analýzy struktur koherenční zrnitosti detekovaných během deformace předmětu. Tyto struktury jsou nejčastěji detekovány prostřednictvím lineárních nebo maticových snímačů (CCD nebo CMOS) a výstupní signály ze senzorů jsou dále vzájemně korelovány v počítači. Výsledkem korelací jsou pak informace o stavu deformace sledovaného předmětu nebo struktury [17], [18]. Interferometrické metody na bázi koherenční zrnitosti jsou principiálně založeny na interferenci pole koherenční zrnitosti generovaného odrazem laserového svazku od povrchu tělesa a jiným referenčním polem, nejčastěji právě referenčním laserovým svazkem. Výslednou informaci o deformaci předmětu poskytuje interferogram získaný z rozdílu interferenčních obrazců zaznamenaných detektorem v různých deformačních stavech objektu (nejčastěji před a po jeho deformaci). Mezi zástupce těchto metod patří zejména metoda DSPI (Digital Speckle Pattern Interferometry), která je moderní variantou starší metody označované jako ESPI (Electronic Speckle Pattern Interferometry). ESPI pracuje s informacemi v analogovém formátu, které se dále vyhodnocovaly pomocí televizní obrazovky. V případě DSPI jsou výsledné informace získány digitalizací optických informací (nejčastěji z CCD kamery) a k následnému počítačovému zpracování naměřených dat se využívají pokročilé metody zpracování signálů (filtrace signálů, korelace, dekorelace, 3D zobrazení atd.) [17]. Zajímavou modifikaci výše uvedených principů představuje střihová interferometrie na bázi koherenční zrnitosti, označovaná v zahraniční literatuře jako ESPSI (Electronic Speckle Pattern Shearing Interferometry), nebo jednoduše Shearography. Princip této metody je analogický k metodám ESPI a DSPI s tím rozdílem, že referenční pole není tvořeno referenčním laserovým svazkem. V tomto specifickém případě je referenční pole reprezentováno samotnou předmětovou vlnou (pole koherenční zrnitosti generované předmětem), která je podrobena tzv. střihu. Střih optických vln lze provést například tím 20

33 způsobem, že je předmětová vlna rozdělena děličem na dvě kopie, přičemž jedna z nich je zrcadlem úhlově odchýlena. Obě tyto vlny jsou následně podrobeny jejich vzájemné interferenci [17]. Výsledná informace o deformaci předmětu je poté získána podobným způsobem, jako v případě metody DSPI (digitalizace a počítačové zpracování signálů). Ze získaného interferogramu se v případě shearografie vyhodnocuje směrový gradient deformace povrchu (je totiž velmi obtížné kvantifikovat amplitudy deformací nebo kmitů) [15]. Vzhledem k tomu, že u této metody není zapotřebí žádný referenční paprsek, odpadá zde také potřeba vibračně izolovaného měřicího prostředí, která byla nutností u výše popsaných metod. Citlivost této metody, tedy deformace roviny povrchu předmětu, se pohybuje řádově v nanometrech. Jedná se o moderní NDT metodu často vyžívanou v průmyslových aplikacích (letectví, automobilový průmysl, kontrola tlakových nádob atd.) především pro rychlou celoplošnou lokalizaci defektů [15]. Každý typ poruchového mechanismu v kompozitech má při použití této metody svůj specifický výsledný obraz. V současné době jsou již k dispozici komerčně dostupné přenosné testovací systémy pro oblast NDT založené právě na této metodě [9]. 5.6 Metody akustické a elektromagnetické emise Obě uvedené metody lze zařadit mezi pasivní nedestruktivní metody, jelikož jejich detekované signály jsou generovány fyzikálními procesy přímo ve vnitřní struktuře testovaných materiálů. Není tedy zapotřebí vysílat žádné mechanické nebo elektromagnetické vlny do testovaného materiálu, jedná se pouze o detekci vzniku a následného rozvoje trhlin a defektů uvnitř materiálu (tzv. aktivní poruchy). K vybuzení vnitřních lokálních zdrojů emitujících měřitelné akustické nebo elektromagnetické signály je zapotřebí jistý externí stimul, nejčastěji změna mechanické zátěže, teploty atd. Kombinaci těchto metod lze s výhodou použít především pro kontinuální monitorování úrovně poškození u mechanicky zatěžovaných kompozitních dílců a struktur a pro sledování odezvy zatěžovaných materiálů na aplikovanou mechanickou zátěž v reálném čase. Jelikož je tato disertační práce zaměřena právě na využití elektromagnetické a akustické emise pro diagnostiku moderních kompozitních materiálů pro konstrukční účely, jsou podrobnému popisu a aplikačním možnostem zmíněných metod věnovány následující samostatné kapitoly. 21

34 6 METODA ELEKTROMAGNETICKÉ EMISE 6.1 Historický vývoj metody EME Při vzniku a v průběhu následného šíření mikrotrhliny v materiálu může docházet k řadě elementárních procesů, které vedou k odchýlení od rovnovážného stavu. Tyto procesy jsou reprezentovány především přerušením chemických a fyzikálních vazeb, pohybem atomů, molekul, elektronů a iontů v těsné blízkosti čela trhliny a lokálním ohřevem v důsledku plastické deformace. V průběhu několika posledních desetiletí bylo během řady laboratorních experimentů pozorováno, že při mechanickém zatěžování pevných látek dochází k emisi elektronů a kladných iontů, neutrálních částic, fotonů ve viditelném spektru, elektromagnetickému vyzařování v rozsahu od desítek Hz až po gamma záření a ke vzniku akustické emise [19 23]. Tyto rozličné druhy emisí vykazují některé společné charakteristiky, což může odkazovat i na společné mechanismy jejich vzniku [19]. Dickinson a jeho skupina se dlouhodobě věnovali systematickému studiu těchto jevů na velkém množství materiálů a zmíněnou emisi nejrůznějších částic doprovázejících deformaci a lomové poruchy materiálů nazvali souhrnným pojmem fraktoemise (FE Fracto-Emission) [19 23]. Obecně lze konstatovat, že fraktoemise je způsobena vysokou koncentrací energie uložené v malém objemu materiálu během šíření trhliny [21]. Fraktoemise je rozšířeným jevem a její aplikace do materiálového výzkumu může pomoci identifikovat chemické a fyzikální procesy probíhající na atomárním měřítku před vnikem mikrotrhlin a v průběhu jejich šíření studovaným materiálem [22]. Elektromagnetická emise v oblasti rádiových frekvencí tvoří jednu z velmi důležitých složek fraktoemise pro materiálový výzkum ve fyzice, stejně jako pro strojírenské obory. V případě emise elektromagnetického záření při vzniku trhlin v mechanicky namáhaných materiálech se v zahraniční literatuře nejčastěji používá označení EMR (Electromagnetic Radiation). V rámci této disertační práce se zkratka EMR nahrazuje pojmem elektromagnetické emise (EME), přičemž je důležité zdůraznit, že se oba tyto pojmy používají k pojmenování stejného fyzikálního procesu. Jev EME, jehož fyzikální původ nesouvisí s klasickým piezoefektem, patrně jako první pozoroval a popsal Stepanov v roce 1933 při svých experimentech s mechanickým zatěžováním iontových krystalů (především NaCl a KCl) [24]. Starší odkazy na tuto práci a související prvotní experimenty lze nalézt v literatuře [25]. Tomuto významnému objevu ovšem předcházelo ještě teoretické a experimentální studium jiného fyzikálního jevu. Ve 30. letech minulého století se věnovalo značné úsilí studiu elektrických jevů doprovázejících plastickou deformaci iontových krystalů, kde lze zanedbat vliv piezoefektu. V roce 1926 Joffe a Zechnowitzer [26] pozorovali nárůst iontové vodivosti při plastické deformaci krystalů NaCl. Později, v roce 1928, podrobněji studovali tento jev Gyulai a Hartly [27]. Jejich experiment spočíval v tlakovém namáhání krystalů přírodní kamenné soli umístěných mezi dvě elektrody. Tyto elektrody byly zapojeny do elektrického obvodu společně s baterií a vhodným elektrometrem. Během mechanického zatěžování takto připravených krystalů pozorovali výrazný nárůst vodivosti, a to úměrně velikosti působícího zatížení. Nárůst iontové vodivosti v průběhu deformace iontových krystalů se v zahraniční literatuře označuje podle autorů jako Gyulai-Hartly effect. Tento jev byl podrobně analyzován za různých podmínek a ukázalo se, že je závislý na několika 22

35 faktorech (velikosti aplikované zátěže, časové délce působícího zatížení, teplotě vzorků, koncentraci a typu nečistot, tvaru a tloušťce vzorků atd.) [25]. Na předchozí poznatky navázal právě A. V. Stepanov, který ve svých experimentech s iontovými krystaly taktéž pozoroval změnu vodivosti během plastické deformace. Zatímco Gyulai a Hartly se snažili využít tento jev ke studiu mechanismu vodivosti v iontových krystalech, Stepanov na jeho základě studoval mechanismus plastické deformace [25]. Velký zájem v řadách tehdejších fyziků ovšem vyvolal Stepanov zveřejněním své publikace v roce 1933, ve které popsal odlišný jev pozorovaný ve svých experimentech [24]. Jednalo se o vznik elektrického potenciálu na povrchu deformovaných vzorků, a to při absenci vnějšího elektrického pole (tzv. Stepanov effect). Stepanov tento jev nejenom objevil, ale také studoval jeho základní vlastnosti. Podle jeho představy mohlo být důvodem pro vznik náboje na povrchu krystalu tření krystalických vrstev o vnitřní nehomogenity a nečistoty, ale také vznik mikrotrhlin ve vnitřní struktuře materiálu [25]. Pozdějším výsledkem zkoumání tohoto jevu za nejrůznějších podmínek byl předpoklad, že vznik potenciálu na stěnách deformovaných vzorků souvisí s pohybem nabitých dislokací, přičemž polarita a velikost takto vniklého potenciálu závisí na řadě faktorů, jako například na koncentraci a typu nečistot, na způsobu a rychlosti deformace, na rozměrech a teplotě vzorků a na dalších faktorech uvedených v literatuře [25] a [28]. V následujícím období zmíněné poznatky nenašly žádné praktické využití a výzkum v této oblasti pokračoval převážně na zatěžovaných vzorcích krystalů alkalických halidů. Během těchto raných experimentů bylo pozorováno, že tvorba nových mikrotrhlin stimuluje vznik EME a postupně byly zkoumány různé aspekty související s tímto jevem [29], [30]. Následovalo velké množství experimentů, ve kterých byla pozorována EME při mechanickém zatěžování nejrůznějších materiálů (piezoelektrické, amorfní, krystalické, kovové, kompozity, horniny, led a mnoho dalších). Stručný přehled výsledků výzkumu EME v různých typech materiálů včetně řady odkazů na adekvátní literaturu lze nalézt například v [29], [31]. Záznam signálů EME v průběhu tlakového namáhání horninových vzorků byl také často doprovázen měřením signálů akustické emise. Vhodná kombinace těchto dvou nedestruktivních metod testování zatěžovaných materiálů prokázala, že signály EME jsou skutečně detekovány ve stejném okamžiku, kdy dochází k formování mikrotrhlin [29], [30]. V průběhu sedmdesátých a osmdesátých let minulého století probíhal intenzivní výzkum EME především v souvislosti se zatěžováním hornin, a to s ohledem na možnosti využití tohoto jevu pro predikci zemětřesení, vulkanických aktivit, nebo při předcházení náhlých závalů a výbuchů v podzemních dolech [29], [30], [32 36]. Z nejrůznějších částí světa bylo hlášeno velké množství případů, kdy před příchodem zemětřesení docházelo k rušení rádiové komunikace a atmosférické luminiscenci [32]. Byla provedena řada měření (velká část v Japonsku a tehdejším USSR), která prokázala, že amplituda detekované aktivity EME v radiofrekvenčním rozsahu výrazně narůstá několik hodin nebo dokonce dní před příchodem zemětřesení a prudce klesá právě v momentu jeho příchodu nebo bezprostředně po něm. Spektrum této anomální EME má široký frekvenční rozsah (jednotky Hz až stovky khz) a její amplituda se pohybuje db nad úrovní obvyklého šumu pozadí [29], [30], [32]. 23

36 V souvislosti s predikcí náhlých závalů v podzemních dolech bylo zaznamenáno několik případů kombinovaného monitorování rizikových oblastí prostřednictvím EME a nízkofrekvenční AE. Extrémně silné signály EME byly v těchto případech detekovány i více než hodinu před vlastním závalem, což poskytlo značnou časovou výhodu v porovnání s první varovnou indikací prostřednictvím nízkofrekvenční AE [33]. Výskyt varovných signálů EME ve větším časovém odstupu od první detekce výraznější aktivity AE potvrzuje i literatura [30]. V řadě podzemních dolů se v současné době využívají výstražné mikroseismické systémy založené na principu detekce signálů AE z nejvíce rizikových oblastí. Tato metoda však vykazuje několik nevýhodných vlastností (připevnění senzorů na povrch monitorovaných hornin, množství a délka propojovacích kabelů, filtrace detekovaných signálů za účelem potlačení okolního akustického šumu, potřeba sofistikovaného záznamového a vyhodnocovacího systému atd.). Tyto systémy navíc nejsou dostatečně mobilní a univerzální, často produkují falešné poplachy a většinou nejsou schopné poskytnout dostatečný časový interval potřebný k adekvátní reakci na možné nebezpečí [33]. Naopak monitorování aktivity EME při běžných pracovních podmínkách v podzemních dolech je mnohem jednodušší a bezpečnější v porovnání s monitorováním aktivity AE [30], [33]. Antény pro detekci EME nevyžadují přímý kontakt se zatěžovanými horninovými masivy a záznam, zpracování a vyhodnocování aktivity EME je ve většině případů taktéž výrazně jednodušší. Praktické využití jevu EME pro predikci seismických a vulkanických aktivit nebo při předcházení podzemních závalů je v současné době limitováno především skutečností, že doposud nebyl uspokojivě objasněn a kvantitativně popsán samotný mechanismus vzniku elektromagnetické emise v horninách. Přesto výzkum tohoto jevu neustále pokračuje a i v současné době lze nalézt odkazy na praktické aplikace EME v souvislosti s predikcí možných katastrofických událostí [36]. Další perspektivní oblastí bylo zkoumání EME doprovázející dynamické procesy v ledu a sněhu [37 40]. Je totiž dobře zdokumentováno, že při sesuvu ledovců a lavin, šíření prasklin ve zmrzlé půdě a ledových pokryvech vodních ploch dochází během těchto událostí (a dokonce dostatečně dlouho před nimi) k abnormální elektromagnetické emisi ve středním radiofrekvenčním rozsahu [38]. Existuje proto praktický zájem o kontinuální elektromagnetické monitorování rizikových oblastí, které jsou náchylné na katastrofické posuny obrovských mas sněhu a ledu. Tato problematika je aktuální převážně v severních zeměpisných šířkách, kde extrémně silné signály EME související s dynamickými procesy ve všudypřítomných masách ledu a sněhu způsobují časté problémy s navigací [38]. Množství velmi zajímavých výsledků přineslo také experimentální studium EME spojené s plastickou deformací a vznikem trhlin v kovových materiálech [31], [41], [42]. Experimenty poukázaly na fakt, že tyto materiály mají značně odlišné vlastnosti v porovnání s nekovovými materiály. Magnetická a elektromagnetická odezva na plastickou deformaci kovových materiálů vykazuje další dodatečné vlastnosti [31]. Při namáhání vzorku uhlíkové oceli tahem bylo například pozorováno generování poměrně vysokého přechodného magnetického pole (v řádech desetin Tesla). Stejný jev byl pozorován i v původně demagnetizovaných feromagnetických materiálech (při absenci jakéhokoliv externího magnetického pole, včetně zemského), kdy si porušené vzorky i přesto udržovaly magnetizaci po několik dnů. Velikost takto uchované magnetizace 24

37 přitom závisela na rozměrech a tvaru použitých vzorků. Detailní informace o zmíněných experimentech a odpovídající závěry lze nalézt v literatuře [31]. 6.2 Zdroje elektromagnetické emise Mechanismy vzniku EME mohou být velmi různorodé a jejich studium bylo předmětem zájmu mnoha autorů, kteří se zabývali touto problematikou již od prvních laboratorních pozorování EME. Mnoho fyzikálních jevů bylo vyhodnocováno jako možné zdroje EME, a to především v laboratorních experimentech souvisejících s předpovědí katastrofických událostí, jako jsou zemětřesení a sopečné erupce. Odkazy na tyto experimenty a podrobný přehled možných zdrojů EME v souvislosti s výzkumem hornin lze nalézt v literatuře [36]. I přes dlouholeté teoretické a experimentální studium těchto jevů za nejrůznějších podmínek a pro velké množství materiálů, nejsou ani v současné době jednotlivé zdroje EME a jejich vzájemné interakce zcela pochopeny. Díky interakci možných zdrojů a jevů souvisejících s EME je totiž v některých případech velmi obtížné správně identifikovat a vyhodnotit hlavní zdroj EME [36]. V následujícím textu je stručně popsáno pouze několik potenciálních zdrojů EME, které by se mohly projevovat při mechanickém zatěžování materiálů použitých při experimentech v rámci řešení předkládané disertační práce. Mezi tyto materiály patří především polymerní kompozity vyztužené skleněnými vlákny, vzorky betonu s různým typem kameniva, ale také vzorky žuly. a) Piezoelektrický jev Piezoelektrický jev je schopnost určitých krystalů generovat elektrické napětí při jejich deformování, popřípadě jev opačný, kdy dochází k deformování krystalů při aplikaci elektrického napětí. Tento jev se může vyskytovat pouze u krystalů, které nemají střed symetrie [43]. Jelikož krystal křemene, který vykazuje piezoelektrické vlastnosti, je důležitým horninotvorným minerálem, lze očekávat výskyt piezoelektrického jevu i při mechanickém zatěžování horninových vzorků. Výsledný piezoelektrický efekt je ovšem silně závislý na krystalografické orientaci jednotlivých krystalů [44]. V horninách vystavených působení mechanického napětí tedy zcela jistě dochází k výskytu piezoelektrického jevu, nicméně náhodná orientace křemenných krystalů v celkovém objemu materiálu vyruší lokální piezoelektrické napětí, což zabrání vzniku detekovatelné EME [36], [44]. Elektromagnetická emise byla navíc pozorována i u odlišných materiálů, jako je ocel, sklokeramické materiály, horniny bez piezoelektrických minerálů atd., takže celkový příspěvek piezoelektrického jevu k detekované EME nemůže být příliš významný [36]. I přes tuto kritiku bylo v minulosti prezentováno několik modelů vysvětlujících vznik elektrických signálů u mechanicky namáhaných horninových vzorků právě v důsledku piezoelektrického jevu [45]. Odkazy na uvedenou problematiku lze nalézt v [36], [46]. b) Stepanovův jev a pohyb nabitých dislokací Stepanovův jev představuje jistou analogii k piezoelektrickému efektu. V tomto případě má výsledná polarizace také původ v působícím mechanickém napětí (deformaci), nicméně není vyžadován piezoelektrický materiál. Podrobné studium tohoto jevu, který jako první pozoroval a popsal A. V. Stepanov v roce 1933, prokázalo jeho souvislost s pohybem nabitých dislokací [25], [28]. Jak je podrobněji rozebráno v kapitole 6.4.1, 25

38 všechny mechanismy spojující výskyt EME s pohybem dislokací byly později zpochybněny v literatuře [29], [47]. Hlavním argumentem je především zanedbatelný vliv pohybu dislokací v křehkých materiálech, což je v rozporu s množstvím experimentálních dat, ve kterých je pozorován nárůst intenzity a amplitudy detekované EME s rostoucí křehkostí materiálů. c) Kontaktní elektrizace a triboelektrický jev Přenos elektrického náboje mezi tělesy (elektrizace) a triboelektrický jev obecně popisují mechanismus, který generuje náboje podél kontaktních ploch rozdílných materiálů. Kontaktní elektrizace nastane, pokud jsou dva odlišné materiály přivedeny do styku, zatímco o triboelektrickém jevu se hovoří v souvislosti se třením podél povrchu mezi dvěma materiály [36]. Oddělením obou materiálů, jejichž povrchy byly v kontaktu, dochází často k transportu náboje z jednoho povrchu na druhý. Výsledkem tohoto procesu je nabití obou oddělených povrchů nábojem stejné velikosti, ale opačné polarity. Aplikace uvedeného mechanismu na materiály použité v rámci této disertační práce (vzorky žuly, betonu a polymerních kompozitů se skleněnými vlákny) vede k předpokladu, že vznik trhlin na rozhraní mezi jednotlivými fázemi v kompozitních materiálech by mohlo mít za následek zformování elektrického dipólu a následně vznik EME. V případě triboelektrického jevu dochází ke generování náboje v důsledku zahřívání způsobeného třením mezi dvěma povrchy. Velikost vzniklého náboje závisí především na vlastnostech materiálu, drsnosti povrchů, rychlosti tření, teplotě atd. Tímto procesem může být také generována plazma (elektrické výboje), což by mělo za následek vznik EME [36]. Modely vzniku EME založené na elektrických výbojích (viz kapitola 6.4.2) obecně naráží na problém s frekvenčním spektrem takto generovaných signálů, které by mělo mít charakter bílého šumu a mělo by být materiálově nezávislé [29], [47]. Tento předpoklad je však v rozporu s experimentálně pozorovanými vlastnostmi detekovaných signálů EME. Oba výše uvedené mechanismy ovšem nejsou schopny vysvětlit původ EME v monokrystalech, kovech, sklokeramických materiálech a dalších případech, ve kterých zcela chybí potřebné kontaktní plochy mezi dvěma odlišnými materiály [36]. d) Vznik mikrotrhlin Mikrotrhliny se vyskytují ve všech křehkých materiálech a modely vzniku EME související právě se vznikem mikrotrhlin v zatěžovaných materiálech jsou schopny vysvětlit významné charakteristiky signálů EME pozorovaných jednak v laboratorních experimentech, ale také při měřeních v terénu [36]. Jelikož vznikající mikrotrhliny nejsou obecně náhodně orientované (jejich orientace je naopak silně závislá na aplikovaném mechanickém napětí), mohou tyto trhliny působit jako zdroj silně směrového elektromagnetického záření [36]. Uvedený mechanismus generování EME podpořily také závěry experimentů s horninovými vzorky, jejichž odezva na mechanické zatěžování byla současně monitorována prostřednictvím akustické a elektromagnetické emise. Výsledky současného záznamu obou typů emisí prokázaly, že signály EME jsou skutečně detekovány ve stejném okamžiku, kdy dochází k formování mikrotrhlin [29], [30]. Vznik mikrotrhlin a jejich šíření zatěžovaným materiálem je podle řady autorů hlavním zdrojem detekované EME v křehkých materiálech [29], [36], [47]. 26

39 Podle teorie o poruchách materiálů uvedené v literatuře [30], lze proces porušení hornin rozdělit na dvě fáze. V první fázi dochází k hromadění vznikajících mikrotrhlin a druhá fáze spočívá v jejich shlukování následovaném celkovým selháním (destrukcí) zatěžovaného materiálu. Předpokládá se, že EME je iniciována již v první fázi, která předchází finální destrukci materiálu [30]. Tato vlastnost detekovaných signálů EME poukazuje na možnost jejich využití k predikci celkové destrukce zatěžovaného materiálu. Následující kapitola shrnuje vlastnosti signálů trhlinami generované EME získané během řady experimentálních pozorování. 6.3 Vlastnosti signálů trhlinami generované EME Logickou snahou dalšího výzkumu EME (zejména v laboratorních podmínkách) je parametrizace typických signálů EME, tedy nalezení vhodných parametrů v časové i ve frekvenční oblasti, které by následně umožnily vytěžit z těchto signálů informace o procesech probíhajících při vzniku a šíření mikrotrhlin v zatěžovaných materiálech. Elektromagnetická emise se obvykle vyskytuje ve formě individuálních krátkých pulzů nebo shluků těchto pulzů, které mohou být způsobeny různými mechanismy a ve kterých lze jednotlivé pulzy z detekovaných shluků spojovat s individuálními trhlinami [36], [48], [49]. Během růstu trhliny materiálem dochází k porušování nových vazeb mezi atomy a jejich příspěvek je přidán k výsledné EME. Z tohoto základního předpokladu lze usoudit, že amplituda detekovaného pulzu EME bude narůstat do té doby, dokud dochází k růstu trhliny a při jejím zastavení začíná amplituda sledovaného pulzu klesat [48 50]. Tento poznatek je podpořen také řadou laboratorních experimentů provedených v posledních několika desetiletích, které prokázaly, že amplituda detekovaných signálů EME, stejně jako jejich počet (intenzita), prudce narůstá těsně před kompletní destrukcí zatěžovaných vzorků a ve frekvenční oblasti jsou zaznamenané signály omezeny na úzké frekvenční pásmo [36]. Každý navržený mechanismus vzniku EME proto musí být schopen vysvětlit toto specifické chování, ale také různé tvary časových průběhů měřených signálů EME. Typický tvar časových průběhů detekovaných pulzů EME může být popsán jejich maximální amplitudou (často je myšlena maximální amplituda obálky signálu), dominantní frekvencí, časovým intervalem mezi počátkem pulzu a maximální amplitudou, příslušnou dobou náběhu nebo útlumu a jinými pomocnými parametry (např. definovanou energií atd.) [48 50]. Podle řady autorů souvisí maximální amplituda signálů EME s plochou trhliny [48 51]. Několik experimentů ovšem odkazuje i na závislosti detekované amplitudy EME na materiálových vlastnostech, jako je elasticita a pevnost testovaných vzorků, stejně tak i na rychlosti zatěžování. Odkazy na tyto experimenty lze nalézt v literatuře [36]. V kovech byla navíc pozorována závislost maximální amplitudy na teplotě vzorků [24]. Maximální amplituda také výrazně závisí na faktorech souvisejících se způsobem detekce EME. V případě použití antény se jedná především o prostorový úhel antény vůči orientaci trhliny, útlum vyzařování mezi trhlinou a anténou a v neposlední řadě také na frekvenčně závislé účinnosti použité antény [48 50]. U kapacitního snímače je maximální amplituda detekované EME ovlivněna především orientací stěn trhliny vůči elektrodám deskového kondenzátoru [51]. Maximální amplituda signálů EME není tedy příliš vhodným parametrem pro porovnání rozměrů detekovaných trhlin z různých laboratorních měření. 27

40 Rabinovitch a jeho skupina odvodili, že časový interval mezi počátkem pulzu EME a dosažením jeho maximální amplitudy bude úměrný počtu porušených atomových vazeb a tím i délce trhliny (s předpokladem, že rychlost trhliny bude téměř konstantní) a že frekvence pulzu EME je nepřímo úměrná šířce trhliny [48 50]. Autoři dále uvádí, že z podílu těchto dvou specifických parametrů lze odvodit plochu trhliny, nebo alespoň porovnat plochy různých mikrotrhlin. Tento specifický parametr EME umožňuje podle autorů přímo vypočítat plochu trhliny, a to nezávisle na výše uvedených negativních faktorech souvisejících s maximální amplitudou EME [50]. Získané výsledky také ukázaly, že existuje obecný (materiálově nezávislý) vztah mezi frekvencí a amplitudou měřených signálů EME, kdy je amplituda nepřímo úměrná frekvenci a tím i šířce trhliny [36]. Jiní autoři (Koktavý a kolektiv [51], Mori a Obata [52]) také potvrdili, že frekvence signálů EME závisí na rozměrech trhliny, ovšem podle jejich závěrů souvisí s délkou trhliny a nikoliv s její šířkou, jak uvádí Rabinovitch a spol. Přestože výše uvedený souhrn dosažených laboratorních výsledků popisuje významné parametry měřených signálů EME a jejich vztah k materiálovým vlastnostem, je třeba k nim přistupovat s určitou mírou opatrnosti. Jednotlivá měření totiž byla prováděna na různých experimentálních pracovištích, byly použity odlišné snímače EME (nejčastěji kapacitní snímače ve formě deskového kondenzátoru nebo specializované antény), studium EME probíhalo také často v různých frekvenčních pásmech a v neposlední řadě bylo studium EME zaměřeno na odlišné materiály. Z uvedených důvodů je tedy zřejmé, že je velmi složité vzájemně porovnávat takto získané výsledky a vyvozovat z nich jednoznačné závěry. 6.4 Modely vzniku trhlinami generované EME Elektrickým a elektromagnetickým jevům souvisejícím s deformací a tvorbou trhlin v zatěžovaných materiálech se v posledních desetiletích věnovalo značné úsilí, nicméně vlastní mechanismy odpovědné za tyto jevy se zdají být odlišné pro různé druhy materiálů. Ucelený přehled dosažených výsledků (experimenty i návrhy adekvátních modelů) lze nalézt například v literatuře [31]. Prvotní pokusy objasnit původ EME při vzniku trhliny nebyly bohužel schopny vysvětlit všechny pozorované vlastnosti detekovaných signálů EME. Kompletní přehled a především kritika jednotlivých modelů je přehledně popsána v literatuře [29], [47]. Autoři zde kriticky analyzovali experimentální pozorování EME nahromaděné během posledních desetiletí a společně s výsledky prací jiných autorů demonstrovali nedostatky u všech do té doby navržených modelů, které se pokoušely vysvětlit EME vznikající při tvorbě trhlin v zatěžovaných materiálech. Sami zde také prezentovali svou vlastní představu o mechanismu vzniku EME, pomocí něhož lze (podle tvrzení autorů) vysvětlit dosud pozorované vlastnosti signálů EME Model vzniku EME v důsledku pohybu dislokací Jeden z možných mechanismů vzniku EME je založen na principu pohybu dislokací v důsledku deformace a vzniku trhlin v zatěžovaných materiálech [41]. Za stabilních podmínek jsou dislokace obklopeny bodovými poruchami (defekty), čímž se zachovává nábojová neutralita. Během procesu zatěžování dochází při vzniku a šíření mikrotrhlin k lokálním změnám rozložení mechanického napětí v materiálu. V důsledku toho se 28

41 nerovnoměrně rozložené dislokace a s nimi související vodivostní elektrony stávají nestabilní a začínají se přeskupovat a migrovat směrem k více stabilní konfiguraci v rámci nového režimu zatížení [36]. Při tomto procesu může dojít k náhlému zastavení pohyblivých dislokací. Vodivostní elektrony spojené s těmito dislokacemi budou taktéž zastaveny a zachyceny vzhledem ke kladným iontům. Proces zbrzdění vodivostních elektronů je podobný mechanismu brzdného záření, jehož důsledkem by byl právě vznik EME [41]. Brzdné záření je elektromagnetické záření produkované zpomalením nabité částice při interakci s jinými nabitými částicemi (např. elektron odchýlený v elektrickém poli kladného atomového jádra). Pohybující se částice tak ztrácí svou kinetickou energii, která se přemění na foton (energie musí být zachována). Uvedený model dále předpokládá, že při každém přechodovém stádiu elasticko-plastické deformace (vznik trhliny) musí docházet ke změnám distribuce vodivostních elektronů v mikroskopickém systému, a tím i ke vzniku oscilujícího elektrického dipólu [41]. Tento mechanismus tedy vysvětloval experimentálně pozorovanou skutečnost, že se EME objevuje pouze při přechodných deformačních procesech, jako je právě vznik mikrotrhlin. Autor publikace [53] (Molotskii, 1980) dále poukázal na to, že maximální frekvence takto generovaných signálů by v případě relativně pomalého pohybu dislokací měla být řádově 1 khz. Uvedený odhad mezní frekvence je ovšem v rozporu s experimentálně měřenými daty, kdy je frekvence detekovaných signálů EME i o několik řádů vyšší [47], [53], [54]. Molotskii proto usuzoval, že mechanismus zrychlování vodivostních elektronů pohyblivými dislokacemi nemůže být příčinou vzniku EME v kovech [47], [54]. Molotskii naopak označil jako zdroj EME růst celkové délky dislokací a jejich rychlosti během přechodových procesů v materiálu [53]. Vzhledem k tomu, že se dislokace chovají jako elektrické dipóly, povede tento mechanismus ke změnám dipólového momentu, což je doprovázeno vznikem EME [36], [47]. V literatuře [55] lze nalézt další mechanismus vzniku EME založený na pohybu dislokací, který předpokládá, že samotné dislokace se pohybují výrazně rychleji než bodové poruchy kompenzující elektrické náboje, což má za následek formaci elektrických dipólů a tím i vznik EME. Všechny mechanismy spojující výskyt EME s pohybem dislokací byly zpochybněny v literatuře [29], [47]. Základním problémem je podle autorů především skutečnost, že vliv pohybu dislokací je téměř zanedbatelný při vzniku trhlin v křehkých materiálech a tento mechanismus tedy nemůže vysvětlit vznik EME ve skle, sklokeramických, geologických, kompozitních a jiných materiálech. Naopak je známa řada laboratorních experimentů, které spolehlivě prokázaly, že aktivita EME (včetně amplitudy detekovaných signálů) narůstá s rostoucí křehkostí materiálů a klesá s přechodem od křehkých k tažným vlastnostem, což je v přímém rozporu s mechanismem pohyblivých dislokací [56] Generování EME v důsledku elektrických výbojů Jiný mechanismus vzniku EME představil Finkel a kolektiv v roce 1975 při analýze výsledků experimentů s kamennou solí, kde zjistili, že na obou stěnách postupující trhliny je vytvořena mozaika oblastí elektrických nábojů opačné polarity. Takové přerozdělení náboje během formování trhliny může vytvořit elektrostatické pole řádově až 10 7 V/m (literatura [54] uvádí dokonce až 10 9 V/m) a případné elektrické výboje mezi nabitými oblastmi (neutrální v celkovém měřítku) byly označeny za možný zdroj EME. 29

42 Odkazy na experimenty vedoucí ke zformulování zmíněného modelu včetně jeho pozdější kritiky lze nalézt v literatuře [29], [47], [54]. Mechanismus generování EME v důsledku elektrických výbojů byl ovšem zpochybněn v několika publikacích [29], [47]. Hlavním argumentem proti byla skutečnost, že frekvenční spektrum záření z těchto výbojů by mělo mít charakter bílého šumu (konstantní výkon v celém sledovaném frekvenčním spektru) a zároveň by nemělo záviset na mechanických vlastnostech studovaného materiálu. Tato základní teoretická představa byla opět v rozporu s dosavadními experimentálními výsledky. Detekované signály EME, získané z mnoha experimentálních pracovišť po celém světě, ve frekvenční oblasti rozhodně nevykazují charakter bílého šumu. Jejich frekvenční spektrum je naopak velmi výrazně lokalizováno do okolí jedné frekvence a obecně je časový průběh měřených signálů EME silně závislý na vlastnostech daného materiálu [29], [47], [54]. Uvedený závěr potvrzují i experimentální výsledky získané během zatěžování moderních kompozitních materiálů v rámci řešení předkládané disertační práce Mechanismus vzniku EME založený na pohybu hrotu trhliny Další model navrhl Gershenzon a jeho skupina, kteří se věnovali studiu EME při šíření trhlin způsobených štípáním krystalů LiF pomocí nože, kdy se čelo rostoucí trhliny šířilo ve směru zářezu. Starší odkazy na tyto experimenty a popis navrženého mechanismu lze opět nalézt v literatuře [29], [47], [54]. Ve svých experimentech pozorovali pohyb elektrického náboje současně s pohybem čela postupující trhliny. Jejich model předpokládal, že elektrické náboje jsou koncentrovány v okrajových zónách trhliny, přičemž jeden hrot trhliny se nabíjí kladným a druhý záporným nábojem [50]. Takto vzniklé náboje, oddělené celkovou délkou trhliny, se chovají jako elektrický dipól. Časový vývoj trhliny (růst celkové délky trhliny během jejího šíření materiálem) vytváří časově proměnný dipólový moment, který je zároveň zdrojem detekované EME. Autoři dále předpokládali, že uvedený nabíjecí mechanismus má příčinu v pohybu nabitých dislokací společně s čelem (hrotem) postupující trhliny [29], [54]. Pozdější kritika tohoto modelu byla založena na několika argumentech [30]. Jak již bylo uvedeno výše, transport náboje prostřednictvím dislokací není schopen obecně vysvětlit původ EME v různých typech materiálů. Dalším argumentem byla skutečnost, že v případě krystalů alkalických halidů je rychlost pohyblivých dislokací menší než rychlost trhliny, takže nabité dislokace nemohou být důvodem pro tento mechanismus nabíjení čelních oblastí rostoucí trhliny. V neposlední řadě podle kritiků uvedeného modelu neexistuje žádný známý mechanismus, který by preferoval jednu čelní oblast trhliny jako zápornou a druhou jako kladnou a ne přesně naopak [29], [47] Kapacitní model vzniku EME Kapacitní model vzniku EME je založen na principu pohybu nabitých stěn trhliny během jejího formování a dalšího časového vývoje [50]. Ve snaze zjistit, zda pohyb nabitých stěn trhliny může generovat signály EME s vhodnými charakteristikami (srovnatelnými s měřenými signály), provedli Miroshnichencko a Kuksenko v roce 1980 zajímavý experiment [57]. Autoři použili akustickou vlnu emitovanou mechanicky zatěžovaným materiálem k řízení pohybu desek speciálně vyrobeného nabitého deskového 30

43 kondenzátoru, přičemž EME generovaná pohybem kondenzátoru byla monitorována pomocí antény. Vzhledem k tomu, že anténou detekovaný tvar signálů EME byl srovnatelný s tvarem signálů získaných přímým měřením, dospěli autoři experimentu k závěru, že vznik EME může mít původ právě v podobném pohybu nabitých stěn trhliny [29], [57]. Stejné experimentální porovnání generovaných signálů EME bylo provedeno u více druhů materiálů, jako jsou například sklo, krystaly alkalických halidů a několik vzorků hornin [50]. Kapacitní model založený na představě pohybu nabitých stěn trhliny naznačuje také jistou souvislost mezi EME a výskytem akustické emise. Nicméně v literatuře [47] byl zpochybněn i předpoklad, že jev AE vždy doprovází signály EME. Autoři zde odkazují na výsledky experimentálních měření, kde kromě poruch doprovázených současným výskytem signálů EME a AE, byly zaznamenány i obě možné varianty, ve kterých jeden ze signálů chyběl. Při řešení této disertační práce bylo získáno velké množství časových průběhů signálů EME při mechanickém zatěžování nejrůznějších druhů moderních kompozitních materiálů. Z dostupných výsledků lze jednoznačně potvrdit, že ne každá událost AE je doprovázena detekovaným signálem EME, nicméně nebyl zaznamenán případ, ve kterém by EME nebyla doprovázena také časově zpožděným signálem AE. Jinou verzi kapacitního modelu později (1995) představili O Keefe a Thiel při experimentech se zatěžováním vzorků ledu [58]. Jimi navržený model je založený na představě, že při formování trhliny dochází k vytvoření deskového kondenzátoru, jehož desky tvoří dvě oddělené stěny trhliny. Jakmile se trhlina otevře, dochází k rozdělení náboje prostřednictvím roztržení vazeb mezi atomy materiálu. Po zformování počátečního náboje na stěnách trhliny další vzájemné oddělování (vzdalování) stěn trhliny snižuje kapacitu, což má za následek růst napětí napříč trhlinou (náboj musí být zachován) [58]. Tento model počítá s přítomností nevykompenzovaného (zbytkového) náboje na každé stěně trhliny po jejich vzájemném oddělení. V homogenním nepolarizovaném materiálu lze předpokládat stejný počet záporných a kladných elektrických nábojů na každé stěně trhliny a tím i nulový zbytkový náboj. Výskyt nevykompenzovaného elektrického náboje může pocházet především z předpolarizace materiálu nebo z aplikace různých fyzikálních gradientů [36], [58]. Tímto fyzikálním gradientem by podle autorů mohla být teplota, deformace, gradient koncentrace nečistot nebo jiná externí pole. Důsledkem navrženého modelu je skutečnost, že výsledný nevykompenzovaný náboj na stěnách trhliny produkuje kompenzační proudy, které tečou podél stěn, ale také mezi stěnami postupující trhliny. Jedině proud tekoucí hrotem rostoucí trhliny je schopen přispívat k vyzářené elektromagnetické emisi, jelikož příspěvky elektromagnetického záření ze všech ostatních proudů tekoucích podél stěn trhliny se navzájem vyruší [36], [58]. V literatuře [58] lze dále nalézt analytická řešení a simulace navrženého modelu pomocí metody konečných prvků, a to pro případ jednorozměrné a dvourozměrné trhliny postupující zatěžovaným materiálem (vzorky ledu). V případě jednorozměrné trhliny byl jeden konec trhliny otevřený a na druhém konci byla vytvořena vodivá cesta kolem hrotu trhliny. Ve dvourozměrné simulaci byla modelována plošná (čtvercová) trhlina se dvěma hranami otevřenými, zatímco zbývající dvě hrany umožňovaly průchod kompenzačních proudů, což v reálných podmínkách odpovídá trhlině postupující z rohu zatěžovaného 31

44 vzorku. Simulované výsledky byly v obou případech srovnatelné s experimentálně měřenými časovými průběhy signálů EME [58] Model založený na povrchových oscilacích Autoři předchozí kritiky jednotlivých modelů navrhli a popsali vlastní model vysvětlující jev EME při mechanickém zatěžování nejrůznějších druhů materiálů [29], [47], [59]. Nosnou myšlenkou jejich modelu je představa, že EME vzniká jako důsledek oscilací nosičů náboje způsobeného uvolněním mechanické energie rostoucí trhlinou (na hrotu rostoucí trhliny dochází k porušení vazeb mezi atomy). Atomy na obou stranách takto přerušených vazeb jsou vychýleny do nerovnovážných pozic vzhledem k jejich ustálenému stavu a budou dále oscilovat kolem těchto poloh. Linie oscilujících atomů se pohybují společně díky jejich propojení s atomy v jejich okolí. Jsou to právě oscilace stimulované těmito procesy na obou stěnách zformované trhliny, které vedou ke vzniku EME [29], [47]. Výsledné vibrace na stěně trhliny lze popsat jako povrchové oscilační vlny (SVW Surface Vibrational Waves), kde se kladné náboje společně pohybují jedním směrem od stěny trhliny, zatímco záporné náboje se pohybují v opačném směru, přičemž dochází k exponenciálnímu útlumu těchto oscilací směrem do materiálu (podobně jako v případě Rayleighovy vlny). Podobná vlna se v daném čase šíří i na druhé stěně trhliny. Je zde nutné upozornit, že rozdělení náboje může probíhat v podélném nebo příčném směru vůči stěnám trhliny. Amplituda vln je tlumena v důsledku interakce s objemovými fonony a výsledné oscilující elektrické dipóly jsou zdrojem EME [59]. Podle autorů, jimi navržený mechanismus vzniku EME odstraňuje nedostatky předchozích modelů. Nejsou v něm zahrnuty dislokace, díky čemuž může být aplikován na křehké i amorfní materiály a současně je také nezávislý na módu rostoucí trhliny (tahem nebo smykem) a způsobu zatěžování. Tento model dále předpokládá nábojovou neutralitu stěn trhliny. Ta je zajištěna samotným mechanismem SVW, ve kterém dochází pouze k oscilaci vznikajících dipólů, což samo o sobě nevyžaduje žádný mechanismus nabíjení stěn trhliny opačnými náboji jako u některých výše popsaných modelů. Navržený mechanismus je nezávislý také na měřítku trhliny. Byl ověřen jednak v řadě laboratorních experimentů, ale i při studiu signálů EME detekovaných v podzemních dolech a postupně se ověřuje jeho aplikovatelnost i pro účely predikce zemětřesení. SVW model umožňuje extrahovat z detekovaných signálů EME parametry samotné trhliny, jako je její délka, šířka, celková plocha nebo rychlost šíření trhliny [29], [47], [59]. Výsledné oscilující dipóly SVW modelu jsou orientovány kolmo a paralelně ke stěnám trhliny a mohou tedy vysvětlit emisi jak podélných, tak i příčných vln elektromagnetického záření [36] Model oscilujících dipólů Rabinovitch a kolektiv poprvé prezentovali výše popsaný model založený na povrchových oscilacích v roce 2003 [47]. Podstatou navrženého mechanismu je vznik EME v důsledku oscilujících dipólů vytvořených ionty, které se pohybují společně jako povrchová vlna na obou stranách trhliny. Pomocí jimi navržené numerické fitovací funkce [48 50] dosáhli velmi dobré shody s experimentálně měřenými průběhy EME, nicméně nevyužili numerickou simulaci k ověření mechanismu povrchových oscilací. Na jejich práci navázali právě autoři modelu oscilujících dipólů (Chen a Huang) v literatuře [60] 32

45 a [61] z roku Tento model zaměřený na vznik EME v horninách předpokládá, že EME je iniciována vibracemi elektricky nabitých horninových zrn (fragmentů) na hrotech trhliny. Šíření trhliny v horninách uvede do pohybu (rozkmitá) horninové fragmenty na hrotech trhliny. Ionty spojené s vibrujícími fragmenty se pohybují společně s nimi, čímž je produkováno množství oscilujících dipólů. Třením a jinými brzdícími mechanismy dochází k tlumení kmitů horninových fragmentů, což se projeví tlumenými oscilacemi dipólů souvisejících s jednotlivými fragmenty. Tlumené oscilace dipólů jsou tedy možným zdrojem EME. K ověření navrženého modelu autoři využili linii oscilujících dipólů k simulaci procesu formování eliptické trhliny v žulových vzorcích [60], [61]. Popsaný mechanismus předpokládá růst trhliny podél dlouhé osy simulované elipsy a vibrační směr horninových fragmentů paralelně s její krátkou osou. Autoři také převzali myšlenku, že vznik trhliny je doprovázen vznikem kladných a záporných iontů na opačných stěnách trhliny, podobně jako v případě kapacitního modelu. Pro potřeby simulace dále rozdělili celou trhlinu na množství drobných nabitých fragmentů, kde vibrace každého fragmentu odpovídá oscilujícímu dipólu. K simulaci formování trhliny v horninách použili linii oscilujících elektrických dipólů oddělených konstantní vzdáleností podél hlavní osy eliptické trhliny (středy všech oscilujících dipólů jsou umístěny na dlouhé ose elipsy). Elektromagnetické signály emitované během procesu formováním trhliny byly v provedených simulacích detekovány na malé kruhové anténě umístěné v určité vzdálenosti od vznikající trhliny [60], [61]. Uvedený model oscilujících dipólů jeho autoři využili k simulaci elektromagnetické emise z experimentů, které provedl Rabinovitch na vzorcích žuly. Získané výsledky byly v souladu s provedenými experimenty. Na základě výsledků simulací bylo také potvrzeno, že šířka trhliny je nepřímo úměrná frekvenci detekovaných signálů EME. Autoři ve svých závěrech tvrdí, že použitím modelu oscilujících dipólů společně s rovnicemi popisujícími základní parametry trhliny, které navrhl Rabinovitch a kolektiv [48 50], je možné kvantitativně analyzovat a simulovat jev EME při vzniku trhlin v horninách [60], [61]. 33

46 7 METODA AKUSTICKÉ EMISE Z historického hlediska byl pojem akustická emise nejdříve používán v souvislosti s laboratorním studiem plastické deformace kovů v období 50. let 20. století. Byl tak označován fyzikální jev generování akustických šumových signálů (popraskávání nebo akustický šum) uvnitř materiálu během jeho plastické deformace. Uvedené signály byly monitorovány a podrobně studovány především za účelem získaní informací o mechanismu plastické deformace [62]. Průkopníkem v této oblasti se stal německý fyzik Joseph Kaiser, který se jako první věnoval systematickému studiu akustické emise. Obecně se pojmem akustická emise označují elastické napěťové vlny, které jsou generovány v důsledku dynamického (náhlého) uvolnění mechanického napětí uvnitř materiálu nebo působením různých procesů na jeho povrchu [62], [63]. Metodou AE je potom myšlena komplexní metodika detekce signálů AE na povrchu tělesa a jejich následného zpracování a vyhodnocování. 7.1 Přednosti a omezení metody akustické emise Schopnost detekovat, monitorovat a lokalizovat iniciaci a rozvoj porušení v mechanicky zatěžovaných materiálech řadí metodu akustické emise mezi nedestruktivní metody zkoušení materiálů. Jedná se současně o tzv. pasivní NDT metodu, jelikož nevnáší do testované struktury žádné aktivní buzení, ale pouze pasivně monitoruje probíhající procesy. V porovnání s ostatními konvenčními NDT metodami (viz kapitola 5) má metoda AE potenciál poskytnout principiálně odlišnou a zároveň nezávislou informaci o procesech probíhajících v zatěžovaných materiálech a strukturách [63]. Z výše uvedených důvodů se metoda AE často používá jako doplňková NDT metoda v řadě průmyslových aplikací. Mezi její přednosti patří následující užitečné vlastnosti [12], [64], [65]: Metoda AE umožňuje kontinuálně sledovat a vyhodnocovat degradační procesy u kontrolovaných systémů a struktur, jejichž monitorování může probíhat i za plných provozních podmínek. Převážná část konvenčních NDT metod naopak často vyžaduje odstavení provozu testovaného systému. Jedná se o integrální metodu, jejíž praktická aplikace vyžaduje za příznivých podmínek použití pouze několika vhodných senzorů k monitorování a kontrole rozsáhlých oblastí, včetně míst jiným metodám nepřístupných. Senzory AE jsou připevněny na povrch testované struktury a zůstávají zde po celou dobu testování. Není zde vyžadována dostupnost protilehlých povrchů, což je častý požadavek u jiných konvenčních NDT metod. Metodu AE lze s výhodou využít k lokalizaci zdrojů akustické emise (místa vzniku emisní aktivity). Metoda AE není ovšem zcela dokonalá a univerzální. Z fyzikálních principů metody AE vyplývá také řada omezení, která jsou uvedena níže [12], [64], [65]: Metoda AE není principiálně schopna detekovat již vzniklé (statické, neaktivní) defekty a vyžaduje dodatečný stimul nutný pro rozvoj procesů, které se následně stávají zdroji AE. 34

47 Díky fyzikální povaze zdrojů akustické emise (vznik trhlin je náhodný a nevratný proces) nejsou prováděné zkoušky zcela reprodukovatelné. Opakovaně zatěžované vzorky nebudou vykazovat stejnou aktivitu detekovaných signálů AE při definovaném způsobu zatěžování. Z důvodu velmi nízkých úrovní signálů AE je k jejich úspěšnému měření potřeba použít velmi citlivé snímače a nízkošumové předzesilovače. Metoda AE je citlivá na úroveň okolního (především akustického) šumu, který by mohl převyšovat nastavenou spouštěcí úroveň v měřicím systému AE. Při nuceném zvýšení spouštěcí hladiny nad jistou mez totiž dochází k výraznému snížení citlivosti dané zkoušky a testování metodou AE již není dále efektivní. Značné problémy jsou také s fyzikální interpretací měřených signálů AE. 7.2 Historický vývoj metody AE Akustická emise doprovází řadu procesů v přírodě a s jejími projevy se tak lidstvo setkává již od počátku své historie. Lidé jsou vlastním sluchem schopni vnímat akustickou emisi v oblasti slyšitelných frekvencí (přibližně 20 Hz až 20 khz). Uvedené jevy tedy mohli lidé pozorovat například při deformaci a praskání dřeva, pukání skal, praskání ledu atd. Toto slyšitelné praskání zpočátku využívali především jako jistý druh varovného systému pro predikci závalů, lavin a jiných nebezpečí. Postupem času se lidé naučili vědomě a cíleně využívat slyšitelnou akustickou emisi i pro hodnocení kvality svých výrobků. Pouhým posloucháním akustické emise při chlazení hliněné keramiky v pecích mohli hrnčíři už v období kolem roku 6500 př.n.l. poměrně přesně odhadovat kvalitu svých výrobků, aniž by na jejich povrchu bylo možné vidět zjevné znaky poškození [66]. Intenzivní akustická emise tak sloužila jako indikátor špatné kvality vyráběné keramiky. V pozdějším historickém období byla slyšitelná akustická emise zaznamenána také u kovových materiálů. Jednalo se především o cín, který pod vlivem mechanické deformace vydává zvuky často označované jako pláč cínu [67]. Soustavnému studiu akustické emise se začala věnovat významnější vědecká pozornost teprve v první polovině dvacátého století (od 30. do 50. let), kdy bylo možné využít první elektronické převodníky (snímače) pro detekci a záznam signálů AE. Hlavní pozornost byla v tomto období zaměřena především na monitorování signálů AE vyvolaných deformačními procesy v kovech [67]. První zpráva o vědecky plánovaném experimentu s akustickou emisí pochází z roku 1933, kdy probíhalo setkání výzkumného institutu o zemětřesení na Univerzitě v Tokiu. Profesor Fuyuhiko Kishinouye navrhl a provedl řadu experimentů vedoucích k zesílení a záznamu signálů AE (s využitím oscilografu) při ohybovém namáhání dřevěných vzorků. Tyto experimenty měly být využity především ke studiu mechanismů vzniku zlomů v zemské kůře, které jsou příčinou zemětřesení [68]. V roce 1936 publikovali Friedrich Forster a Erich Scheil jejich první experimenty s drátovými vzorky vysoce niklované oceli uskutečněné díky tomu, že Forster (jako jeden z prvních) sestavil elektrodynamický senzor určený k transformaci mechanických vibrací na měřitelné elektrické napětí [68]. 35

48 Za významný mezník v oboru akustické emise je všeobecně považován rok 1950, kdy Joseph Kaiser publikoval výsledky své disertační práce, ve které zkoumal projevy akustické emise během tahových zkoušek kovových materiálů [69]. Jako první identifikoval mechanické vlny při plastických deformacích a rovněž prokázal nevratnost celého procesu. Při rostoucím mechanickém zatěžování materiálů dochází v jejich vnitřní struktuře ke vzniku a šíření mikrotrhlin, což se projevuje vznikem akustické emise. Pokud dochází k uvolnění mechanické zátěže a následně k jejímu opětovnému postupnému nárůstu, nebude v testovaném materiálu docházet ke vzniku dodatečné AE, dokud aplikovaná mechanická zátěž nedosáhne předchozí maximální úrovně. Teprve poté může opět docházet ke vzniku nových, nebo k šíření již existujících poruch, a tím i ke vzniku dalších událostí AE. Tato nevratná vlastnost AE se označuje jako Kaiserův jev a je široce využívána při zjišťování informací o velikosti předchozí maximální úrovně mechanického napětí aplikovaného na testovanou strukturu [67]. Následující období (od 50. do 70. let minulého století) bylo charakteristické značným výzkumným úsilím v oboru akustické emise. První rozsáhlý výzkum v oblasti AE po publikování Kaiserovy práce provedl B. H. Schofield v roce 1954 a stal se tak průkopníkem ve zkoumání problematiky AE v USA. Schofield se zabýval možnostmi využití AE v oblasti materiálového inženýrství, ale také studiem zdrojů akustické emise. Při svých experimentech dospěl k závěru, že AE je především objemovým a ne povrchovým jevem [70]. Zájem o výzkum akustické emise v USA významně podpořil také C. A. Tatro, který kolem sebe vytvořil početnou skupinu vědeckých pracovníků zabývajících se problematikou AE. Tatro a jeho skupina studovali základní fyzikální proces generování akustické emise a provedli řadu rozsáhlých laboratorních studií AE převážně v kovových materiálech. Jako jeden z prvních předvídal plnohodnotné začlenění metody AE mezi konvenční metody nedestruktivního testování [67], [70]. S rozvojem znalostí v oboru AE vznikla také řada pokusů o využití akustické emise pro monitorování strukturální integrity v leteckém průmyslu a v jaderných zařízeních. Navzdory omezeným schopnostem tehdejšího přístrojového vybavení, kdy nebyla k dispozici moderní vysokorychlostní vzorkovací zařízení, bylo přesto dosaženo významného pokroku v pochopení jevů souvisejících s akustickou emisí. Většina tehdejších experimentálních měření se prováděla pomocí obyčejných RMS voltmetrů, případně jednoduchých čítačů detekovaných událostí AE [67]. H. L. Dunegan přišel v roce 1964 s převratnou myšlenkou provádět měření akustické emise ve frekvenční oblasti, která leží nad pásmem slyšitelných frekvencí (tedy v ultrazvukové oblasti frekvencí), což vedlo k výrazné eliminaci okolního šumu při prováděných experimentech. Dunegan také navrhl (v roce 1963) využít metodu AE ke zkoušení vysokotlakých nádob a v roce 1969 založil první obchodní společnost, která se dodnes specializuje na výrobu profesionálních zařízení a aparatur pro měření a vyhodnocování signálů AE [66], [70]. Rozvoj metody AE mezi roky 1967 až 1980 byl podpořen vznikem významných mezinárodních organizací a pracovních skupin zaměřených na problematiku akustické emise. V roce 1967 byla založena pracovní skupina pro akustickou emisi AEWG (AE Working Group). Následovalo založení Japonské komise pro akustickou emisi JCAE (Japanese Committee on AE) v roce 1969 a Evropské pracovní skupiny pro akustickou emisi EWGAE (European Working Group on AE) v roce

49 Tyto organizace sdružovaly pracovníky v oboru AE a umožnily sdílení a výměnu relevantních informací v mezinárodním měřítku, což vedlo ke sjednocení výzkumného úsilí v oboru AE [66], [68]. Od roku 1980 došlo ke značnému pokroku ve vývoji přístrojového vybavení pro detekci, záznam a vyhodnocování signálů AE. První vysokorychlostní digitizéry narážely především na pomalou přenosovou rychlost dat, stejně jako na pomalou rychlost zápisu na tehdejší paměťová média. Tato zařízení tak byla schopna zaznamenat pouze jednu nebo maximálně několik jednotek detekovaných událostí AE za sekundu. Limitována byla taktéž kapacita pro ukládání dat u tehdejších počítačů, což bránilo záznamu většího množství událostí AE během jednoho měření. Navzdory všem omezením se dostupná zařízení hojně využívala zejména v laboratorních aplikacích, a to především pro studium jednotlivých událostí AE [67]. Bouřlivý rozvoj výpočetní techniky a přístrojového vybavení odstartovaný počátkem 90. let minulého století posunul možnosti detekce, záznamu, zpracování a vyhodnocování signálů AE na zcela jinou úroveň. Moderní vzorkovací moduly a zařízení nabízejí neustále vyšší přenosové rychlosti zpracovávaných dat. Podobným tempem narůstá i kapacita a přístupová rychlost k moderním uložištím dat. V současné době (při dostatečném kapitálu) lze zakoupit specializovaná zařízení, která umožňují kontinuální vícekanálový záznam signálů AE (řádově se jedná o stovky událostí AE za sekundu), jejich zpracovávání a vyhodnocování v reálném čase. Nezanedbatelným vývojem prošla také počítačová podpora matematického zpracování signálů, stejně jako možnosti využití moderních vývojových prostředí a jejich nástaveb (MATLAB, LabVIEW atd.). Nedestruktivní testování metodou AE se v současnosti používá prakticky ve všech průmyslových odvětvích na celém světě, a to pro zkoušení různých typů materiálů a konstrukcí při jejich mechanickém namáhání. 7.3 Úvod do teorie akustické emise Podle většiny odborné literatury lze kompletní proces vzniku AE, její detekce, zpracování a vyhodnocování rozdělit na několik samostatných částí. Studium problematiky související s jednotlivými fázemi celého procesu je klíčové pro správnou fyzikální interpretaci měřených dat u konkrétních aplikací metody AE. Přenosovou trasu AE nejlépe charakterizuje následující řetězec [12], [62]: zdroj AE, šíření elastických napěťových vln tělesem od zdroje k místu detekce, detekce těchto vln prostřednictvím vhodného snímače na povrchu tělesa (transformace na elektrický signál AE), přenos a zpracování elektrického signálu AE vhodným měřicím systémem, zobrazení, zpracování a vyhodnocení měřených signálů AE Zdroje akustické emise Samotný proces vzniku akustické emise začíná s mechanickým napětím v namáhaném tělese. Toto napětí představuje míru vnitřních sil, které vznikají v tělese jako důsledek pružné deformace vyvolané vnějšími silami, které na těleso působí. Odezvou 37

50 tělesa na působící mechanické napětí je měřitelná změna jeho tvaru neboli deformace. Tělesa se mohou deformovat elasticky (pružně) nebo plasticky (trvale). O elastické deformaci hovoříme v případech, kdy po odlehčení deformace vymizí a těleso znovu nabývá původní tvar a objem. Pokud působící mechanické napětí v zatěžovaném materiálu překročí jistou mez (tzv. mez elasticity), dochází již k trvalým tvarovým změnám materiálu a vzniku mikrotrhlin [71]. Zdrojem energie akustické emise je energie akumulovaná v elastickém napěťovém poli vzniklém následkem mechanického zatěžování materiálu. Akustická emise je generována náhlou změnou napětí uvnitř materiálu ve formě krátkého pulzu elastické a kinetické energie, která se dále šíří materiálem ve formě elastické vlny. Vzniklá emisní událost má tedy impulsní charakter, čemuž odpovídá širokopásmové spektrum měřeného signálu AE ve frekvenční oblasti. Množství uvolněné energie AE, a tomu odpovídající amplituda vzniklé elastické vlny, je závislé především na velikosti (rozloze) a rychlosti zdrojové události AE. Pokud dojde k náhlé a rozsáhlé změně mechanického napětí ve zdrojové události AE, ponesou tímto zdrojem vyzářené elastické vlny větší část původní energie, čemuž odpovídá i jejich větší amplituda. Rychlost napěťových změn v materiálu při vzniku AE (resp. parametr označovaný jako doba náběhu) má také vliv na frekvenční šířku pásma detekovaných signálů AE. Je ovšem potřeba vzít v úvahu i změny ve frekvenčním spektru způsobené přenosovou funkcí použitých senzorů, ale také fyzikálními jevy při šíření akustických vln materiálem (útlum, absorpce, disperze, rozptyl, mnohonásobné odrazy atd.). Při zanedbání těchto jevů platí nepřímá úměra mezi šířkou pásma signálů AE a rychlostí napěťových změn, které danou událost vyvolaly. V případě vzniku a šíření trhlin v materiálech platí, že amplituda signálu AE je úměrná ploše nově vzniklého povrchu a rychlosti trhliny [67], [72]. Zdrojem AE může být libovolný fyzikální jev generující akustickou emisi. Existuje nepřeberné množství fyzikálních procesů, jejichž důsledkem jsou emitovány napěťové elastické vlny v materiálech. Příkladem může být plastická deformace, vznik mikrotrhlin, růst a šíření trhliny materiálem, proces svírání/rozevírání trhliny, únik kapalného nebo plynného média pod tlakem skrze trhlinu nebo netěsnost, tření, fázové transformace a další [62], [63]. Zdroje AE můžeme rozdělit podle časových průběhů detekovaných signálů na nespojité (diskrétní, praskavé) a spojité. Zdroje nespojité AE produkují diskrétní signály, které jsou charakteristické jasně vymezeným počátkem a koncem a jejich amplituda převyšuje měřené šumové pozadí. Nespojitou emisi produkují velmi rychlé děje uvnitř materiálu a jejím typickým zdrojem je například rozvíjející se trhlina. Spojitý signál AE je vyvolán událostmi, které se v čase vzájemně překrývají. Během detekce spojitého signálu AE můžeme sledovat změny jeho frekvence a amplitudy, ale není možné v tomto signálu jednoznačně rozeznat počátky a konce jednotlivých zdrojových událostí. Mezi fyzikální procesy generující spojitou emisi lze zařadit například nejrůznější úniky kapalného nebo plynného média z potrubí, plastickou deformaci nebo kavitaci [67]. Tato disertační práce se zaměřuje výhradně na detekci a vyhodnocování diskrétních signálů AE. Z hlediska aktivity zdrojů AE se rozlišují zdroje primární (cílové) a sekundární (často rušivé zdroje). Primární zdroje, na jejichž monitorování je většina průmyslových aplikací zaměřena, jsou specifické tím, že jejich aktivita pochází z nových a zároveň 38

51 nevratných změn v zatěžovaném materiálu. Aktivace těchto zdrojů je následkem působení lokálních napětí, která jsou vyšší než mechanické napětí přítomné v nezatíženém, původně vyrobeném materiálu. Mezi primární zdroje lze zařadit právě i vznik mikrotrhlin a jejich následný růst. Aktivita sekundárních zdrojů může pocházet z materiálů, které nebyly součástí původního výrobku, jako jsou například produkty způsobené korozí. Odlišný mechanismus představují sekundární zdroje AE, které mají svůj původ v opakovaných procesech, jako například tření mezi stěnami již vzniklé trhliny, kdy nedochází k novým trvalým změnám v materiálu. Aktivita sekundárních zdrojů AE je pro praktické aplikace převážně rušivým jevem, nicméně je možné nalézt i takové aplikace, ve kterých může být detekce sekundárních zdrojů přínosem (například lokalizace výrazně poškozených oblastí materiálu). Sekundární emise je tedy rozdílná od provozního rušení a všech ostatních nežádoucích šumových signálů, které vždy představují výraznou komplikaci při praktických aplikacích [72]. Hlavními zdroji akustického šumu jsou především tření, nárazy, mechanické a strukturní vibrace, které mohou pocházet z okolního prostředí prováděného experimentu. Zdroje tření jsou často stimulovány konstrukčním řešením samotného procesu mechanického zatěžování materiálu, jako je například tření mezi čelistmi lisu a povrchem deformovaného tělesa, posouvání pohyblivých konektorů a součástí nebo pohyb uvolněných šroubů. Mezi rázové zdroje lze zařadit provozní rušení produkované okolními stroji, případně v otevřených prostorech i povětrnostní vlivy jako je déšť, vítr nebo létající objekty. Zdrojem nežádoucích mechanických a strukturních vibrací mohou být například zapnuté motory a hydraulické systémy [67], [72]. Pro správnou interpretaci detekovaných signálů AE je eliminace všech závažných zdrojů rušení naprosto klíčová Šíření akustických vln v pevných látkách Problematika šíření akustických vln v pevných látkách konečných rozměrů je velmi komplexní a její podrobný teoretický rozbor by byl nad rámec této disertační práce. Existuje množství odborné literatury, která se věnuje této problematice, a v následujícím textu jsou rozebrány pouze její základní aspekty potřebné pro pochopení procesů významně ovlivňujících měřené signály AE. Jak již bylo uvedeno v předchozí kapitole, akustická emise je vyvolána nevratnými dislokačními a degradačními procesy v materiálu. Energie uvolněná během těchto procesů se transformuje na mechanický napěťový impulz, který se dále šíří materiálem ve formě elastických vln. Podle způsobu kmitání částic prostředí, kterým vlnění postupuje, se rozlišují dva základní objemové režimy (módy) vlnění. Elastické napěťové vlny se mohou šířit prostředím jako vlny podélné (longitudální) nebo příčné (transverzální). V podélných vlnách částice prostředí kmitají ve směru šíření vlny a v důsledku střídavého oddalování a přibližování částic vznikají v daném prostředí tahové a tlakové síly. Podélné vlny se mohou šířit v dostatečně pružném tuhém, kapalném i plynném prostředí. V případě příčných vln kmitají částice prostředí kolmo na směr šíření vlny a v rovině kmitání zachovávají stále stejný směr. Šíření příčných vln je omezeno pouze na prostředí schopné přenášet smykové síly. Díky tomuto omezení se mohou příčné vlny šířit pouze v pevných látkách, přičemž rychlost jejich šíření je pro konkrétní materiál vždy menší (přibližně o polovinu) než rychlost vln podélných [12]. 39

52 Zdroje AE generují podélné i příčné vlny, které se dále šíří materiálem, dokud nedorazí na jeho povrch, kde dochází k částečnému odrazu dopadající vlny, její transformaci na jeden nebo více módů vlnění a vlna se následně šíří převážně ve formě povrchové vlny. Povrchová Rayleighova vlna je samostatný typ vlny, který se šíří po povrchu materiálu a proniká do hloubky přibližně jedné vlnové délky. Částice prostředí kmitají, podobně jako u příčné vlny, v rovině kolmé na směr šíření vlny s tím rozdílem, že nezachovávají stále stejný směr kmitání, ale opisují v této rovině elipsu. Rayleighova vlna je dále specifická tím, že je bezdisperzní a má daleký dosah [12]. Rayleighovy vlny kopírují povrch materiálu a jsou velmi citlivé na vady na jeho povrchu. Z těchto důvodů je lze s výhodou použít i pro kontrolu oblastí, které jsou pro ostatní režimy vlnění nedosažitelné, což je často využíváno například při nedestruktivním zkoušení ultrazvukem. Senzory AE jsou umístěny na povrchu zkoušeného objektu a jimi detekované signály proto obsahují i významnou složku tvořenou právě povrchovými vlnami. Dalším významným typem povrchových vln jsou vlny deskové, které se šíří pouze v tenkých materiálech, jejichž tloušťka je srovnatelná s vlnovou délkou (jedná se především o velmi tenké kovy). Deskové vlny lze dále dělit na dilatační a ohybové. V obou uvedených případech kmitají částice prostředí na povrchu stejně jako u povrchových vln. Odlišností od Rayleighových vln je ovšem kmitání částic prostředí ve středu tloušťky dostatečně tenkého materiálu. U dilatačních deskových vln tyto částice kmitají ve směru šíření vlny (analogie s podélnými vlnami), zatímco u ohybové deskové vlny ve směru kolmém na šíření vlny (analogie s příčnými vlnami). Rychlost tohoto typu vlnění je závislá na tloušťce materiálu a frekvenci vlnění [12]. Z hlediska detekovatelnosti primárních zdrojů AE je u konkrétních aplikací AE vždy potřeba správně odhadnout pokles amplitudy elastických vln se vzdáleností od zdroje (útlum). K odhadu velikosti útlumu se v praxi často používá základní kalibrační zdroj AE, tzv. Pen Test. Tato forma testu reprezentuje náhlé skokové odlehčení síly působící kolmo na povrch tělesa, což má za následek vznik ostrého pulzu AE s širokým spektrem frekvencí (rovné spektrum do cca desítek MHz). Pen Test se používá pro měření útlumu a rychlosti šíření vln v daném materiálu, ke kalibraci snímačů AE, případně k vyjádření intenzity zdrojů AE v poměru k Pen Testu [12], [62] Útlum akustických vln se vzdáleností od zdroje Rozlišujeme čtyři základní mechanismy útlumu akustických vln v důsledku jejich šíření pevným prostředím [12], [67], [72]. Prvním mechanismem je geometrický rozptyl energie způsobený rozptylem počáteční energie pulzu AE do stále větší plochy v rostoucí vlnoploše. Jelikož celková energie musí být zachována, dochází k poklesu amplitudy vlnění, a to nepřímo úměrně ke vzdálenosti od zdroje AE. Pro objemové módy vlnění je pokles amplitudy úměrný r -1, kde r je vzdálenost od zdroje AE. Uvedený vztah odpovídá snižování amplitudy akustické vlny o 50 % při každém zdvojnásobení její vzdálenosti od zdroje AE. V případě šíření povrchových vln je pokles amplitudy úměrný r -1/2, což odpovídá mírnějšímu snižování jejich amplitudy (o 30 % při každém zdvojnásobení vzdálenosti) [67], [72]. Dalším významným mechanismem útlumu je absorpce a vnitřní tření, kdy uvnitř materiálu dochází k absorpci elastické a kinetické energie procházející akustické vlny 40

53 a jejich následné přeměně na energii tepelnou. Absorpce je navíc frekvenčně závislá, přičemž vyšší frekvence vykazují (díky kratší vlnové délce) větší ztráty způsobené absorpcí. Závislost útlumu akustických vln způsobeného absorpcí na vzdálenosti od zdroje AE je logaritmická (konstantní velikost útlumu v decibelech na jednotku vzdálenosti) [67], [72]. Z výše uvedeného rozboru vyplývá, že geometrický rozptyl představuje dominantní mechanismus útlumu akustických vln pro místa velmi blízká zdroji AE. S rostoucí vzdáleností od zdroje AE začíná naopak ve většině případů převažovat útlum způsobený absorpcí. Absorpce se tak výrazně podílí na velkých ztrátách energie akustických vln šířících se do velké vzdálenosti od původního zdroje AE [67], [72]. Třetím mechanismem poklesu intenzity AE je disperze (rozpad pulzu), kdy při šíření vln složených z více frekvenčních složek disperzním prostředím dochází k jejich distorzi, resp. změně tvaru. Jednotlivé frekvenční složky obsažené ve vzniklém vlnění se šíří disperzním materiálem různou rychlostí. Důsledkem disperze je snižování amplitudy a rozšiřování původně ostrého pulzu s rostoucí vzdáleností šíření vlny [12]. Další významnou příčinou útlumu je odraz (rozptyl) na rozhraní struktur a geometrických nehomogenit v materiálu, jako jsou například hranice zrn v betonu nebo výztuž v kompozitech. Při šíření akustické vlny materiálem může docházet na rozhraních s různými elastickými vlastnostmi k rozptylu, odrazu a navíc i konverzi módu dopadajícího vlnění. Odraz a lom akustických vln na rozhraních podléhá stejným zákonům jako v případě vln elektromagnetických. Úhel odrazu se rovná úhlu dopadu a pro lom platí Snellův zákon. Na rozdíl od elektromagnetického vlnění může docházet u akustických vln i ke zmiňované konverzi režimu dopadajícího vlnění. Dopadající podélná vlna tak může produkovat nejenom podélné vlny vzniklé odrazem a lomem na rozhraní, ale i vlny příčné a naopak. Uvedené jevy jsou zvláště významné především v kompozitních materiálech, a to díky jejich komplexní struktuře [67]. Při měření signálů AE na vzorcích s konečnými rozměry a komplexní vnitřní strukturou je detekovaný signál určen superpozicí signálu, který se šířil přímo od zdroje AE a všemi dalšími odrazy a změnami režimu vlnění, které nastaly během jeho šíření od zdroje AE až po senzor umístěný na povrchu testovaného vzorku. V závislosti na velikosti vzorku a jeho vnitřní struktuře může výsledná superpozice těchto signálů vyprodukovat časový průběh detekovaného signálu, který bude výrazně odlišný od signálu generovaného zdrojem AE (nejčastěji ostrý pulz) [67] Detekce akustických vln na povrchu tělesa Po vzniku a následném šíření materiálem mohou být elastické napěťové vlny detekovány prostřednictvím vhodných snímačů umístěných na povrchu testované struktury. Primárním úkolem snímačů AE je transformace mechanické energie elastických vln na měřitelný elektrický signál. Nejpoužívanějším typem snímačů AE jsou v současné době snímače založené na piezoelektrickém jevu. Aktivním prvkem těchto snímačů je piezokeramický krystal, který se běžně vyrábí ze speciálního materiálu, jakým je například barium-titanátová, zirkonátová a niobátová piezokeramika. Piezokeramický krystal je z obou stran opatřen elektrodou a ve výsledné konstrukci snímače je chráněn ochrannou vrstvou. Nevýhodou uvedeného typu snímače je silné zvlnění frekvenční charakteristiky v závislosti na rezonančních vlastnostech použitého krystalu [73]. Při deformaci 41

54 piezoelementu způsobené dopadající elastickou vlnou dochází na jeho elektrodách ke vzniku elektrického napětí velmi nízké úrovně. Výstupní elektrický signál je silně závislý na charakteristikách použitého snímače AE. Z hlediska frekvenční odezvy snímačů se piezoelektrické snímače dělí na rezonanční a širokopásmové. U rezonančních snímačů je kladen důraz na nízké tlumení přirozené rezonanční odezvy použitého piezoelektrického elementu. Tento typ snímače je specifický vysokou citlivostí na jeho rezonanční frekvenci (a jejím blízkém okolí). Mimo zvolenou frekvenční oblast ovšem dochází ke strmému poklesu citlivosti snímače. Z uvedených důvodů se rezonanční snímače označují také jako úzkopásmové. U většiny těchto snímačů se vybrané rezonanční frekvence pohybují v rozsahu 100 khz až 1 MHz. Častým případem jsou také rezonanční snímače, jejichž odezva obsahuje více rezonančních frekvencí (oblastí s vysokou citlivostí) v širokém frekvenčním rozsahu [67]. V případě širokopásmových snímačů se na piezoelektrický element připevňuje tlumič (tlumící hmota), který sice rozšiřuje šířku pásma snímače, ovšem pouze za cenu výrazného snížení citlivosti snímače v důsledku zatížení krystalu [73]. Širokopásmové snímače se tak svou frekvenční odezvou, byť pouze v omezeném frekvenčním rozsahu, více přibližují charakteristikám ideálního snímače. Širokopásmové snímače jsou také schopné při použití pokročilých metod zpracování signálů poskytnout více potenciálních informací o vznikajících událostech AE. Je ovšem nutné vzít v úvahu i skutečnost, že většina užitečných informací o sledovaných procesech se nachází ve spodní části spektra, kde se významně projevuje i šumová problematika spojená především s provozním rušením. Díky tomu se často v praktických aplikacích AE doporučuje používat vysokofrekvenční rezonanční snímače AE, případně zařadit vhodné filtry do přenosové cesty mezi snímačem a měřicím systémem AE [72]. Pro uchycení snímače na povrch testovaného tělesa se běžně používá tenká vrstva akustického vazebného prostředí, jehož přítomnost se také výrazně projevuje na citlivosti snímače. Přítomnost vzduchu mezi kontaktními plochami snižuje odpor prostředí (ve kterém se šíří akustické vlnění) až o pět řádů oproti přímému styku obou povrchů. Kvalitní vazebné prostředí vykazuje v tomto směru až o čtyři řády vyšší hodnoty než pouze vzduchová mezera [74]. Při výběru vhodného vazebného prostředí je potřeba zohlednit několik faktorů jako je teplota povrchu, již zmiňovaný tvar povrchu a v neposlední řadě i snadná manipulace se snímači, a to především z hlediska jejich opětovného upevňování a následného odstraňování z povrchu testovaného vzorku. Citlivost použitého snímače je navíc významně ovlivněna charakteristikou povrchu, na který je snímač připevněn. Umístěním snímače na drsný nebo nerovný povrch dochází k výraznému snížení citlivosti snímače, podobně jako při jeho umístění na povrch tělesa přes korozní vrstvu nebo vrstvu povrchového nátěru [12] Přenos elektrického signálu AE a jeho zpracování měřicím systémem AE Elektrický signál detekovaný na elektrodách piezoelementu v použitém snímači je velmi slabý (elektrické napětí v řádech mv) a je tedy nutné v bezprostřední blízkosti snímače AE umístit předzesilovač s vhodnými parametry. Primárním úkolem předzesilovačů AE je zesílení elektrického signálu AE, jeho základní frekvenční filtrace a impedanční přizpůsobení na následující kabelovou trasu. Při výběru vhodného předzesilovače AE jsou kladeny nároky především na nízkou úroveň vlastního šumu, 42

55 vysokou vstupní impedanci, dostatečné zesílení (obvykle 40 db až 60 db) a vyhovující šířku pásma zpracovávaného signálu (alespoň 1 MHz). Z důvodu eliminace rušení na kabelové trase je vhodné umístit nízkošumové předzesilovače co možná nejblíže použitým piezoelektrickým snímačům. Poměrně rozšířenou variantou jsou také předzesilovače integrované přímo do konstrukce samotného snímače AE. Na přenosové trase mezi předzesilovačem a měřicím systémem AE mohou být umístěny další aktivní prvky, jako jsou zesilovače a filtry, jejichž úkolem je dodatečná úprava přenášeného elektrického signálu před jeho zpracováním v použitém měřicím systému AE. K sestavení kabelové trasy se obvykle používají koaxiální kabely [12]. Koncovým prvkem přenosové trasy elektrického signálu AE je vhodný měřicí systém AE. V ideálním případě by měl tento systém umožňovat kontinuální vícekanálový záznam signálů AE po celou dobu trvání experimentu, a to s dostatečným dynamickým rozsahem a šířkou pásma zpracovávaného signálu a bez přidání dodatečného elektronického šumu [67]. Ideální měřicí systém (podobně jako ideální snímač AE) se v praktických aplikacích nevyskytuje, nicméně díky značnému rozvoji sdělovací a výpočetní techniky během několika posledních desetiletí je možné se tomuto idealizovanému případu stále více přibližovat. K digitalizaci elektrického signálu AE na vstupu měřicího systému jsou používány analogově-digitální (A/D) převodníky s dostatečnou vzorkovací frekvencí. Moderní vysokorychlostní digitizéry nabízejí neustále vyšší vzorkovací frekvence integrovaných A/D převodníků a podobným tempem narůstá i přístupová rychlost k záznamovým médiím a jejich kapacita. Slabým místem moderních měřicích systémů AE je především omezená rychlost přenosu dat po sběrnici mezi vzorkovacím modulem a výpočetní a záznamovou jednotkou (nejčastěji externí PC), ve které dochází k ukládání dat a dalšímu zpracování, vyhodnocování a zobrazování měřených signálů AE. Možnosti plně kontinuálního záznamu dat jsou tedy limitovány počtem současně měřených kanálů AE a požadovanou vzorkovací frekvencí. Většina průmyslových aplikací metody AE si ovšem vystačí i s mnohem úspornějším režimem měření, kdy při překročení volitelné úrovně napětí na spouštěcím kanále dochází u všech aktivních kanálů k záznamu časových realizací definované délky a poté měřicí systém opět čeká na další překročení zvolené napěťové úrovně na spouštěcím kanále. Oba uvedené režimy mají své přednosti a omezení, které jsou podrobněji rozebrány v kapitole Vyhodnocení měřených signálů AE K popisu časového průběhu nespojitého signálu AE se běžně používá několik základních parametrů, jejichž obecná definice vychází z normy ČSN EN Tato problematika, včetně přesné definice parametrů navržených pro popis měřených signálů AE v rámci této disertační práce, je podrobně rozebrána v kapitole

56 8 METODIKA MĚŘENÍ ELEKTROMAGNETICKÉ EMISE V kapitole 6 byly popsány možné procesy a mechanismy doprovázející vznik mikrotrhlin v mechanicky zatěžovaných materiálech, jejichž důsledkem je vznik časově proměnného elektromagnetického pole, které je možné detekovat prostřednictvím vhodně navržených snímačů. Ústavy fyziky FEKT a FAST VUT Brně se již řadu let zabývají problematikou generování EME v mechanicky zatěžovaných pevných látkách, a to především ve VPK se skelnou výztuží a betonových vzorcích s různým typem a velikostí použitého kameniva. Výsledkem dlouhodobé spolupráce bylo také získání a úspěšné řešení grantových projektů s názvy Elektromagnetická emise a její aplikace ve stavebnictví a geofyzice ( , GA103/97/0899), Elektromagnetická a akustická emise v pevných látkách ( , GA103/01/1058), Detekce trhlin v pevných látkách pomocí elektromagnetické emise ( , GP102/02/D073), Akustická a elektromagnetická emise v materiálovém výzkumu ( , GA103/06/0708) a Využití elektromagnetické a akustické emise ve výzkumu moderních kompozitních materiálů pro konstrukční aplikace ( , GAP104/11/0734). 8.1 Navržený model vzniku elektromagnetické emise V rámci řešení problematiky generování EME byl navržen a dále rozpracován model vzniku EME během mechanického zatěžování kompozitních materiálů, který je založený na pohybu nabitých stěn trhliny při jejím vzniku a následném časovém vývoji [75], [76], [77]. Tento model vychází z předpokladu, že vznik mikrotrhlin ve vnitřní struktuře namáhaných materiálů je doprovázen nerovnoměrným přerozdělením elektrického náboje na formujících se stěnách nově vznikající trhliny. Trhlinu malých rozměrů je tedy možné charakterizovat elektrickým dipólem (stěny trhliny se nabíjejí opačnými náboji) a samotný proces vzniku trhliny lze poté charakterizovat časovou změnou elektrického dipólového momentu, přičemž libovolný dipól s časově proměnným dipólovým momentem vždy generuje elektromagnetické pole. S rostoucí plochou nově vznikající trhliny lze protilehlé stěny trhliny popsat jako elektrickou dvojvrstvu, která je souborem jednotlivých elementárních dipólů s definovanou plošnou hustotou dipólového momentu. V navrženém modelu je tedy za elementární zdroj generovaného elektromagnetického pole při vzniku trhlin v mechanicky zatěžovaných materiálech považován právě časově proměnný elektrický dipól související s pohybem nabitých stěn formující se trhliny [76], [77]. Uvedený model lze aplikovat i na moderní kompozitní materiály pro konstrukční aplikace, které jsou hlavním předmětem zájmu předkládané disertační práce Primární parametry zdroje elektromagnetické emise V souladu s navrženým modelem je tedy za elementární zdroj generovaného elektromagnetického pole při formování trhliny považován časově proměnný elektrický dipól, který lze charakterizovat elektrickým dipólovým momentem p( t) q( t) l ( t), (8.1) 44

57 kde elektrické náboje opačné polarity q(t) a q(t) reprezentují náboje na stěnách vznikající trhliny a l (t) je polohový vektor kladného náboje vůči zápornému. Při vyhodnocování měřených signálů EME je primárním parametrem pro popis procesů souvisejících s rozvojem trhliny časový průběh celkového elektrického dipólového momentu p c n k 1 q k l k, (8.2) který je dán součtem všech k aktivních elektrických dipólových momentů v porušené oblasti materiálu. 8.2 Detekce a měření signálů elektromagnetické emise Hlavním úkolem snímačů trhlinami generované EME je transformace parametrů generovaného elektromagnetického pole, kterými jsou vektor intenzity elektrického pole E a magnetické indukce B, na měřitelné elektrické veličiny (elektrické napětí nebo proud) na výstupu snímače. Obecně lze použít dva typy snímačů, a to kapacitní nebo indukční. Kapacitní snímač se používá ke snímání intenzity elektrického pole, zatímco indukční snímač pro snímání magnetické indukce generovaného elektromagnetického pole. Při měření extrémně slabých signálů EME je potřeba věnovat pozornost důkladnému odstínění měřeného vzorku od vnějších rušivých polí. Dále je nutné vzít v úvahu i frekvenční rozsah signálů EME detekovaných prostřednictvím těchto snímačů, který se může pohybovat řádově až do 10 7 Hz [76]. Indukční snímač je konstruován ve tvaru cívky, která buď obepíná zatěžovaný vzorek, nebo je umístěna v jeho blízkosti. Napětí indukované v této cívce je úměrné velikosti náboje a jeho zrychlení, orientaci stěn trhliny vůči poloze snímací cívky, počtu závitů cívky a permeabilitě případného feritového jádra. Při důsledné analýze obou typů snímačů, uvedené v literatuře [76], vyšly najevo některé negativní vlastnosti indukčního snímače, jako menší citlivost, zkreslení časového průběhu signálu EME, selektivita snímače, a v neposlední řadě také malá citlivost detekování trhlin vznikajících v oblasti středu cívky Kapacitní snímač pro měření elektromagnetické emise Pro méně rozměrné vzorky pravoúhlého tvaru lze v laboratorních podmínkách použít kapacitní snímač ve formě deskového kondenzátoru, jehož dielektrikem je přímo vzorek zatěžovaného materiálu. Kapacitní snímač je dále zapojen do série se zatěžovacím odporem, resp. obecnou zatěžovací impedancí pro zvýšení citlivosti měřicího obvodu. Vlastní provedení použitého kapacitního snímače je vidět na obr. 8.1 a obr Jedna z měřicích elektrod je vždy pevná, zatímco druhá je pohyblivá a umožňuje tak umístění vzorků různé tloušťky mezi obě elektrody. Pevné uchycení vzorků mezi elektrodami snímače je poté zajištěno pomocí čtyř šroubů. Pohyblivá elektroda je vodivě spojena s vnější kovovou konstrukcí snímače, která zajišťuje jeho stabilitu a navíc slouží i jako částečné stínění vnějších elektromagnetických polí. Do vnější konstrukce snímače jsou také na určitých místech vyvrtány otvory umožňující snadné připevnění senzorů AE k povrchu testovaných vzorků, což splňuje požadavek na vícekanálový kontinuální záznam 45

58 signálů EME a AE. Kovová konstrukce kapacitního snímače musí být vždy správně uzemněna, což je nejčastěji zajištěno vodivým spojením s kostrou hydraulického lisu. Maximální možná tloušťka experimentálních vzorků se liší podle typu testovaného materiálu. Pro polymerní kompozitní materiály typu PREFEN (v některých případech i vzorky žuly) byl použit kapacitní snímač z obr. 8.1 s maximální možnou vzdáleností 3 cm mezi elektrodami. Pro mnohem rozměrnější betonové bloky s různým druhem kameniva byl vyroben speciálně přizpůsobený kapacitní snímač z obr. 8.2, který umožňuje měření signálů EME na betonových blocích do maximální tloušťky 10 cm. Obr. 8.1 Kapacitní snímač použitý pro měření vzorků polymerních kompozitů. Obr. 8.2 Kapacitní snímač použitý pro měření rozměrnějších betonových bloků Teorie snímání elektrického pole kapacitním snímačem Předpokládejme kapacitní snímač ve formě dvou paralelních vodivých elektrod s plochou S a vzájemnou vzdáleností d. Mezi tyto elektrody je vložen testovaný vzorek s relativní permitivitou r a celková kapacita uvedeného snímače je C 0. Předpokládejme dále, že v zatěžovaném materiálu dojde ke vzniku trhliny, přičemž protilehlé stěny nově vznikající trhliny lze popsat jako elektrickou dvojvrstvu nesoucí náboje Q a +Q. Během vzniku a následného časového vývoje trhliny jsou na vodivých deskách snímače indukovány elektrické náboje a vhodně navrženým zatěžovacím obvodem ZO začne protékat proud i 1 (t). Na vstupních svorkách zatěžovacího obvodu tak vzniká napětí u 1 (t) a na jeho výstupních svorkách můžeme měřit napětí u(t), které je vhodnou veličinou pro vyhodnocování EME. Výše popsaný zjednodušený model kapacitního snímače s obecným zatěžovacím obvodem ilustruje obr Mikrotrhlina - detail Q p c Q C 0 d r Mechanicky zatěžovaný materiál Nastavitelný deskový kondenzátor S i ( t 1 ) u 1( t ) ZO u(t) ZO - Zatěžovací Obvod Obr. 8.3 Zjednodušený model kapacitního snímače s obecným zatěžovacím obvodem. 46

59 Teorie snímání elektrického pole kapacitním snímačem byla podrobně rozebrána v literatuře [75], [76], [77]. Autor zde řešil problematiku určení velikosti proudu indukovaného na výstupu snímače v případě pohybu elektrického náboje mezi jeho elektrodami, a to pomocí Greenova recipročního teorému a zákona zachování energie. V obou případech dospěl ke stejnému závěru, ze kterého přímo vyplývá možnost nahrazení kapacitního snímače ekvivalentním zdrojem proudu a paralelně připojeným kondenzátorem o kapacitě shodné se snímacím kondenzátorem. Hodnota ekvivalentního zdroje proudu byla nejprve vyšetřována pro případ pohybu elementárního náboje q rychlostí v ve vakuu mezi elektrodami snímače. Velikost indukovaného proudu při tomto zjednodušení je dána vztahem i qe1 v, (8.3) kde v případě snímače ve formě deskového kondenzátoru o vzdálenosti desek d platí E 1 0 E1 n, (8.4) u d 1 0 přičemž n je jednotkový vektor ve směru normály k elektrodám snímače (viz obr. 8.4). Dosazením vztahu (8.4) do rovnice (8.3) lze zdrojovou veličinu i vyjádřit jako 1 i qv cos, (8.5) d kde α je úhel mezi vektory v 0 a n. Rozšířením úvahy na pohyb dvojice nábojů +q a q rychlostmi v a v (dipól) byl pro obecnou orientaci dipólu vůči elektrodám snímače (viz obr. 8.4) odvozen vztah dp i E1. (8.6) dt Dosazením za E 1 podle rovnice (8.4) lze pro případ dipólu vyjádřit velikost indukovaného proudu ve tvaru 1 dp i cos, (8.7) d dt kde α je úhel mezi vektorem p a normálou k elektrodám snímače. C 0 E q v S i 1 ( t) q E 1 v p d n 0 u ( t 1 ) u(t) Obr. 8.4 Zjednodušený model kapacitního snímače s obecným zatěžovacím obvodem [77]. 47

60 Po započtení příspěvku všech aktivních elektrických dipólů v porušené oblasti materiálu (vyjádřených dipólovým momentem p c ) a předpokladu, že dielektrikem snímacího kondenzátoru je testovaný materiál s relativní permitivitou r, je možné nahradit kapacitní snímač s obecným zatěžovacím obvodem z obr. 8.3 náhradním elektrickým obvodem podle obr. 8.5, kde proud související se vznikem trhliny je reprezentován proudovým zdrojem r dp i c cos, (8.8) d dt kapacita paralelně připojeného kondenzátoru je S C0 0 r (8.9) d a R 0 představuje svodový odpor dielektrika [A1]. Ze vztahu (8.8) je zřejmé, že velikost indukovaného proudu je velmi citlivá na orientaci stěn zformované trhliny vůči elektrodám deskového kondenzátoru. Kapacitní snímač je nejcitlivější na detekci plošných trhlin, jejichž stěny jsou orientovány paralelně k deskám snímače. Pokud naopak dojde ke zformování stěn trhliny kolmo na snímací elektrody, není tento typ snímače schopen registrovat pohyb nabité trhliny. Citlivost kapacitního snímače (a tím i měřená úroveň detekovaných signálů EME) je tedy obecně úměrná kosinu úhlu mezi normálou ke stěně trhliny a normálou k elektrodám snímače [76]. Odvozený vztah (8.8) je možné také vyjádřit ve zjednodušeném tvaru dp i r cn, (8.10) d dt kde p cn je velikost normálové složky celkového dipólového momentu trhliny p c. Rovnice (8.10) popisuje transformaci zdrojové veličiny p cn (t) v materiálu o relativní permitivitě r na ekvivalentní zdroj proudu i(t) v náhradním elektrickém obvodu podle obr Při přechodu do frekvenční oblasti lze závislost mezi obrazy uvedených veličin zapsat jako r I( j) jpcn (j), (8.11) d což lze také formálně vyjádřit přenosovým systémem z obr. 8.6, kde výsledná přenosová funkce mezi sledovanými veličinami má tvar I(j) r K ip (j) j. P cn (j) d (8.12) Obr. 8.5 Náhradní elektrické schéma kapacitního snímače s obecným ZO. Obr. 8.6 Přenosový systém mezi sledovanými veličinami kapacitního snímače. 48

61 8.2.3 Kompletní blokové schéma měřicího kanálu EME Pro detekci a záznam signálů EME byl navržen a realizován měřicí systém, jehož blokové schéma je uvedeno na obr. 8.7 (a). Základem měřicího kanálu EME je kapacitní snímač se vzorkem zatěžovaného materiálu, který byl podrobně popsán v předchozí kapitole. V souladu s navrženým modelem je měřenou veličinou časově proměnné elektrické napětí, které vzniká na výstupu zatěžovacího obvodu a závisí na velikosti náboje na stěnách trhliny, rychlosti pohybu nabitých stěn trhliny, elektrické vodivosti daného materiálu a jeho relativní permitivitě r. Alternativou může být měření a vyhodnocování elektrického proudu indukovaného na výstupu kapacitního snímače, k čemuž je ovšem nutné použití citlivého proudového měřiče. Zatěžovací obvod je v tomto konkrétním případě realizován prostřednictvím vhodné zatěžovací impedance, která zvyšuje citlivost kapacitního snímače a umožňuje základní filtraci měřených signálů. Jedná se především o filtraci nízkofrekvenční oblasti spektra, kde se vyskytuje řada rušivých zdrojů, zejména mechanické otřesy a vibrace způsobené chodem hydraulického motoru lisu při mechanickém zatěžování vzorků. V Z O R E K BNC spojka a) Kompletní blokové schéma měřicího kanálu EME. Zatěžovací impedance Koax. kabel Nízkošumový předzesilovač Řídicí jednotka Zesilovač EME s bankou filtrů Sběr dat Kapacitní snímač b) Náhradní elektrické schéma měřicího obvodu. C SP C F C K PA31 AM22 Banka Filtrů Vzorkovací jednotka i(t) C 0 R 0 R Z R F R P C P f DM 30 Hz f HM 1,2 MHz National Instruments Obr. 8.7 a) Kompletní blokové schéma měřicího kanálu EME, b) Náhradní elektrické schéma jednotlivých částí měřicího obvodu. Z fyzikální podstaty měřených signálů EME je zřejmé, že signály detekované na výstupních svorkách zatěžovací impedance budou mít v drtivé většině případů extrémně nízkou úroveň. K zesílení těchto slabých signálů je nutné zařadit do měřicího kanálu EME nízkošumový předzesilovač napětí s vhodnými parametry. Použitý předzesilovač musí splňovat náročné požadavky na dostatečnou šířku zpracovávaného pásma, úroveň zesílení (zisk v db), vysokou vstupní impedanci a v neposlední řadě také co nejnižší vlastní šumové napětí. Z hlediska odstranění vnějších rušivých vlivů je také nutné minimalizovat vlastní kapacitu přívodních koaxiálních kabelů, a to především mezi výstupem kapacitního snímače a zatěžovací impedancí a na přenosové cestě ke vstupu předzesilovače. V laboratorních podmínkách byla proto vždy snaha použít pro tyto náchylné přenosové trasy co nejkratší přívodní koaxiální kabely. Zatěžovací impedance byla ve většině případů 49

62 (pokud to daný experiment dovolil) připojena k výstupu kapacitního snímače pouze prostřednictvím průmyslové BNC spojky. Do přenosové větve EME je dále kaskádně zapojen nízkošumový zesilovač s bankou filtrů, jehož primárním úkolem je uživatelsky volitelná filtrace měřeného signálu a v případě potřeby i jeho dodatečné zesílení. Takto upravený signál je dále přiváděn na vstup vzorkovací jednotky, která umožňuje digitalizaci měřených analogových signálů. Data v digitální podobě jsou následně zpracována řídicí jednotkou (PC) a uložena na dostupné paměťové médium. Technická specifikace jednotlivých součástí popsaného měřicího kanálu EME bude podrobně diskutována v kapitole Náhradní elektrické schéma měřicího obvodu Náhradní elektrické schéma měřicího obvodu EME vychází z obr. 8.7 (b) a jeho hlavním účelem je popsat transformaci elektrického proudu generovaného při vzniku trhliny na elektrické napětí měřené na vstupních svorkách použitého předzesilovače. Náhradní elektrický obvod se skládá z několika bloků, které odpovídají jednotlivým částem obecného blokového schématu měřicího kanálu EME z obr. 8.7 (a). Zdrojovou veličinou je časově proměnný proud i(t), pro který byl odvozen vztah (8.10). Kapacitní snímač je zde reprezentován kapacitou C 0 a svodovým odporem dielektrika R 0. Parazitní kapacity přívodních koaxiálních kabelů, resp. průmyslových BNC spojek, jsou do náhradního elektrického obvodu započteny prostřednictvím kapacit C K, resp. C SP. Zatěžovací impedance je tvořena Π článkem složeným z kombinace rezistorů R Z, R F a kapacity C F. Vstupní impedance použitého předzesilovače je v náhradním elektrickém obvodu reprezentována kapacitou C P a rezistorem R P. Měřenou veličinou je pak časově proměnné elektrické napětí u(t) na vstupních svorkách zvoleného předzesilovače EME. Náhradní elektrický obvod lze dále zjednodušit podle obr. 8.8, kde C C 0 C, C 1 CP CK, R R R R R 0 Z a 0 Z R R R F P 1. RF RP SP Obr. 8.8 Zjednodušené náhradní elektrické schéma měřicího obvodu EME. Pro další analýzu zjednodušeného náhradního obvodu je nejprve nutné sestavit základní obvodové rovnice vycházející z Kirchhoffových zákonů. Pro uzly J 1, J 2 a smyčku L 1 (viz obr. 8.8) platí rovnice 50

63 51 J 1 : 0 F i i i i R C, (8.13) J 2 : F C i R i i, (8.14) L 1 : 0 1 F u u u. (8.15) Ze vztahu (8.14) je možné vyjádřit proud tekoucí kondenzátorem C F ve tvaru t u C u R t u C i d d 1 d d 1 1 F F F. (8.16) Následnou úpravou lze časovou derivaci napětí na kondenzátoru C F zapsat jako t u C C u R C t u d d 1 d d F 1 F 1 F. (8.17) Časovou derivací obvodové rovnice (8.15) a následným dosazením vztahu (8.17) lze vyjádřit časovou derivaci napětí u 1 ve tvaru u R C t u C C t u F 1 F d d 1 d d (8.18) a odtud i proud tekoucí kondenzátorem C jako u R C C t u C C CC t u C i C F 1 F 1 1 d d d d. (8.19) Z obvodové rovnice (8.13) zbývá vyjádřit proud odporem R, který má po dosazení rovnic (8.16) a (8.19) upravený tvar u R R C C t u C C C CC i u R i R 1 F 1 1 F d d 1. (8.20) Časovou derivací této rovnice a dosazením vztahu (8.18) do její levé části dostaneme t u R R R C CR t u R C CR C R CC t i R u R C t u C C d d d d d d 1 d d 1 1 F F 1 F 1 F 1. (8.21) Po několika úpravách předchozího vztahu získáme nehomogenní lineární diferenciální rovnici druhého řádu s konstantními koeficienty, která má tvar t i F Du t u B t u A d d d d d d 2 2, (8.22) kde F 1 F 1 C C CC CC R A, F 1 F 1 C C R R C C B, 1 1 R D, F RC F. Pomocí odvozené diferenciální rovnice je možné z měřeného výstupního napětí u(t) zpětně zjistit časovou závislost obecné zdrojové veličiny i(t) na vstupu popisovaného elektrického obvodu. V případě kapacitního snímače EME je velikost zdrojového proudu určena vztahem (8.10) a po jeho dosazení do pravé části diferenciální rovnice (8.22) dostává tato rovnice výsledný tvar

64 2 2 d u du d pcn A B Du H, (8.23) 2 2 dt dt dt r kde H RCF a ostatní koeficienty A, B a D zůstávají ve stejném tvaru jako v případě d vztahu (8.22). Výsledná diferenciální rovnice (8.23) umožňuje z měřeného napětí u(t) na vstupních svorkách předzesilovače zpětně určit časový průběh primární zdrojové veličiny p cn (t) související s formující se trhlinou. Při přechodu do frekvenční oblasti lze transformaci obrazů sledovaných veličin U(jω) a P cn (jω) vyjádřit přenosovým systémem z obr. 8.9, kde přenosová funkce K ip (jω) je určena výrazem (8.12) a pro hledanou přenosovou funkci K up (jω) platí vztah K up ip ui ui. (8.24) d r j K j K j j K j Obr. 8.9 Přenosový systém mezi sledovanými veličinami u(t) a p cn (t). P řenosovou funkci K ui (jω) je možné matematicky vyjádřit pomocí zjednodušení náhradního obvodu podle obr. 8.10, kde jednotlivé části obvodu byly nahrazeny impedancemi Z 0, Z 1 a Z 2. Obr Zjednodušení náhradní obvodu pro výpočet přenosové funkce K ui (jω). Řešení v tomto případě vychází ze základní rovnice U1 IZ, (8.25) kde Z je vstupní impedance obvodu (mezi body A a B), pro kterou platí 0 ( Z1 Z 2 ) Z Z. (8.26) Z Z Z

65 Výstupní napětí je dáno vztahem a hledaný přenos lze tedy obecně vyjádřit jako U U I Z Z 1 1 U1 IZ (8.27) Z1 Z 2 Z1 Z 2 Z 0 ( Z1 Z 2 ) Z1. (8.28) Z 0 Z1 Z 2 Z1 Z 2 R R1 Dosazením za jednotlivé impedance Z 0, Z1 1 jcr 1 jc1r, 1 Z 2 1 jc do rovnice (8.28) a následných úpravách dostáváme hledanou přenosovou funkci ve tvaru K ui j U I 2 1 RR 1 jc RR CC CC C C jcr C R C R C R 1 F 1 F F 1 F F F. (8.29) Výstupní filtrace měřeného signálu EME V předchozí kapitole byla popsána transformace elektrického proudu generovaného při vzniku trhliny na elektrické napětí u(t) měřené na vstupních svorkách předzesilovače EME. Z důvodu extrémně slabých signálů souvisejících se vznikem EME bylo ve většině prováděných experimentů nutné zapojit do kaskády s použitým předzesilovačem ještě dodatečný napěťový zesilovač. Při výběru vhodného zesilovače byla zvolena varianta umožňující uživatelsky měnit šířku pásma přenášeného signálu, a to prostřednictvím nastavitelné dolní a horní mezní frekvence zabudovaného filtru typu pásmové propusti. Podle výrobcem udávané specifikace zesilovače EME je uživatelsky nastavitelná pásmová propust tvořena horní a dolní propustí druhého řádu. Tato skutečnost byla také ověřena experimentálním měřením přenosové funkce uvedeného zesilovače. Popsanou pásmovou propust lze tedy při jistém zjednodušení nahradit přenosovým systémem z obr K u u (jω) f u(t) U(jω) K HP2 (jω) K DP2 (jω) u f (t) U f (jω) Obr Obecný přenosový systém pásmové propusti u zesilovače EME. Přenosovou funkci použitého zesilovače EME tak lze matematicky vyjádřit jako K u f u j K j K j, (8.30) HP2 kde K HP2 (jω) a K DP2 (jω) jsou přenosové funkce horní, resp. dolní propusti druhého řádu, u kterých lze (na základě předchozího zjednodušení) předpokládat přenosy ve tvarech HP DP2 2 2 HP K HP2 j, 2 2 (8.31) 1 2 j HP 53

66 j 2 1 K DP2, 2 (8.32) 1 2 j DP DP 1 1 ve kterých HP a DP. Veličiny f HM a f DM reprezentují uživatelsky 2 f HM 2 f DM zvolenou horní, resp. dolní mezní frekvenci pásmové propusti. Po dosazení veličin ze vztahů (8.31) a (8.32) do rovnice (8.30) dostáváme hledanou přenosovou funkci ve výsledném tvaru K u u f 2 HP HP2 DP2, (8.33) 1 L 2 j M K j K j j kde L a DP HP 4 DP HP DP HP DP HP 2 M. DP HP DP HP Kompletní přenosový systém měřicího kanálu EME Po započtení vlivu použité pásmové propusti na měřené signály lze kompletní K j přenosový systém sestaveného kanálu EME popsat podle obr. 8.12, kde u f u reprezentuje přenosovou funkci použitého zesilovače EME s bankou filtrů a K j je přenosová funkce popisující transformaci zdrojové veličiny p cn (t) na elektrické napětí u f (t) měřené na výstupu kompletního měřicího kanálu EME, pro kterou platí K u p f ip ui uf u ui uf u. (8.34) d r j K j K j K j j K j K j u f p Obr Kompletní přenosový systém měřicího kanálu EME. Pro simulaci a vykreslení hledaných přenosových funkcí je potřeba správně určit velikost jednotlivých veličin a obvodových prvků vystupujících v rovnicích (8.12), (8.29) a (8.33). V případě vyztužených polymerních kompozitů typu PREFEN je výrobcem udávaná hodnota relativní permitivity ε r rovna 5,6 a tloušťka d nejčastěji měřených vzorků se pohybuje v rozmezí (4 až 10) mm. V případě kompletní přenosové funkce na obr byly pro pilotní simulace použity hodnoty d = 10 mm, kapacita C 0 = 25 pf a svodový odpor dielektrika R 0 byl pro zjednodušení zanedbán. Hodnoty parazitní kapacity BNC spojky a přívodního koaxiálního kabelu byly určeny jako C SP = 19 pf a C K = 111 pf. Zatěžovací impedance je tvořena kombinací rezistorů R Z = 2,71 MΩ, R F = 2,56 MΩ 54

67 a kapacity C F = 294 pf ve formě Π článku (viz obr. 8.7). Takto definovaná zatěžovací impedance je fyzicky umístěna ve stíněné krabičce opatřené na vstupu i výstupu přívodními BNC konektory. Výrobcem deklarovaná vstupní impedance použitého předzesilovače EME je paralelní kombinací R P = 10 MΩ a C P = 20 pf. Pro účely simulace hledaných přenosových funkcí podle obr byla dále započtena horní a dolní mezní frekvence pásmové propusti v zesilovači EME jako f DM = 30 Hz a f HM =1,2 MHz. Po dosazení výše uvedených proměnných do rovnic (8.12), (8.29) a (8.33) je možné zobrazit kteroukoliv z pěti přenosových funkcí definovaných podle obr Příkladem mohou být teoreticky odvozené přenosové funkce K ui (jω) a K u f p j, jejichž modulové charakteristiky jsou uvedeny na obr a obr Překvapivým výsledkem je zde především výsledný tvar kompletní přenosové funkce měřicího kanálu EME, jehož modul je vidět na obr Z tohoto grafu je patrné, že ve sledovaném rozsahu frekvencí, tedy přibližně od 1 khz do 1 MHz, je tento přenos konstantní K ui (j) / K uf p (j) / F-1.m f / Hz f / Hz Obr Modul přenosové funkce K ui (jω). Obr Modul kompletní přenosové funkce měřicího kanálu EME. 8.3 Experimentální měření náhradních parametrů kapacitního snímače EME Zajímavé výsledky přineslo také podrobnější studium vlivu experimentálně měřených náhradních parametrů kapacitního snímače na výsledný tvar přenosové funkce K ui (jω) a tím i na celkový přenos měřicího kanálu EME. Náhradní parametry kapacitního snímače (kapacita C 0 a svodový odpor dielektrika R 0 ) byly získány pomocí RLC metru HP-Agilent E4980A s frekvenčním rozsahem 20 Hz až 2 MHz. Měření bylo provedeno pro pět druhů kompozitního materiálu PREFEN s odlišnou tloušťkou připravených vzorků a se specifickou kombinací polymerní matrice a použité skelné výztuže (viz legenda u následujících grafů). Konkrétně se jednalo o kombinace epoxid-ar sklo (Ep-AR), epoxid-e sklo (Ep-E), vinylester-e sklo (Vin-E) a polyester-e sklo (Pol-E) ve dvou provedeních o tloušťce přibližně 4,3 mm a 9,1 mm. Pro každý vzorek bylo měření automaticky pětkrát zopakováno a v grafech na obr a obr je vždy vynesen aritmetický průměr z jednotlivých měření. 55

68 C 0 / F Ep-AR(1) - 4,50 mm Ep-AR(2) - 4,50 mm Ep-E(1) - 4,25 mm Ep-E(2) - 4,30 mm Pol-E(1) - 9,10 mm Pol-E(2) - 9,10 mm Pol-E(3) - 5,90 mm Pol-E(4) - 5,92 mm Vin-E(1) - 20,38 mm Vin-E(2) - 22,60 mm f / Hz Obr Náhradní parametr C 0 kapacitního snímače pro různé materiály typu PREFEN. R 0 / f / Hz Ep-AR(1) - 4,50 mm Ep-AR(2) - 4,50 mm y = 1,90E10*f (-0,86) Ep-E(1) - 4,25 mm Ep-E(2) - 4,30 mm y = 7,55E11*f (-1,12) Pol-E(1) - 9,10 mm Pol-E(2) - 9,10 mm y = 3,42E11*f (-0,99) Pol-E(3) - 5,90 mm Pol-E(4) - 5,92 mm y = 1,11E12*f (-1,09) Vin-E(1) - 20,38 mm Vin-E(2) - 22,60 mm y = 1,55E12*f (-1,02) Obr Náhradní parametr R 0 kapacitního snímače pro různé materiály typu PREFEN. Z grafu na obr je patrné, že s výjimkou vzorků epoxid-ar sklo lze kapacitu C 0 u vybraných kompozitních materiálů ve sledovaném rozsahu frekvencí považovat téměř za konstantní. Frekvenční závislost svodového odporu R 0 pro jednotlivé materiály ilustruje graf na obr Pro další analýzu je nejprve vhodné změřené frekvenční závislosti odporu R 0 přibližně proložit mocninnou funkcí v obecném tvaru y b Ax, (8.35) kde A a x reprezentují číselné hodnoty veličin R 0 a f, a následně pro každý materiál vyčíslit hodnotu parametrů A a b. Součástí legendy u grafu z obr jsou proto i výsledné rovnice regrese, a to vždy pro vzorek daného materiálu označeného indexem (2). Získané rozmezí parametrů A (1, až 1, ) a b (0,86 až 1,12) pro kompozitní vzorky typu PREFEN umožňuje odhadnout, zda je možné při měření tohoto typu materiálu zanedbat odpor R 0. 56

69 Na obr je simulován vliv parametru A na výsledný tvar přenosové funkce K ui (jω) pro čtyři zvolené hodnoty b a kapacitu C 0 = 25 pf. Je zde vidět průběh této přenosové funkce pro případ celkového zanedbání odporu R 0 (pouze R Z ), při dosazení za A = a následně při postupném snižování velikosti A o jeden řád. Z uvedených grafů vyplývá, že k výraznější změně výsledného tvaru sledované přenosové funkce, oproti jejímu průběhu v případě zanedbání odporu R 0, dochází až při hodnotách b > 1,2, přičemž velikost této odchylky při konstantním parametru b dále narůstá s klesající hodnotou A. Snižování velikosti b pod úroveň 1,0 naopak nemá na přenosovou funkci žádný vliv, a to ani při změně A v celém sledovaném rozsahu. Z prezentovaných simulací je tedy zřejmé, že experimentálně změřená frekvenční závislost odporu R 0 pro nejčastěji měřené vzorky kompozitního materiálu PREFEN nijak neovlivňuje výsledný tvar sledované přenosové funkce K ui (jω), a můžeme proto tento odpor v dalších úvahách a výpočtech zanedbat K ui (j) / b = 1,0 K ui (j) / b = 1, pouze R z A = 1E13 A = 1E12 A = 1E11 A = 1E f / Hz pouze R z A = 1E13 A = 1E12 A = 1E11 A = 1E f / Hz K ui (j) / b = 1,4 K ui (j) / b = 1, pouze R z A = 1E13 A = 1E12 A = 1E11 A = 1E f / Hz pouze R z A = 1E13 A = 1E12 A = 1E11 A = 1E f / Hz Obr Vliv sledovaných parametrů na výsledný tvar přenosové funkce K ui (jω). Výše uvedené simulace byly provedeny pro pevně nastavenou hodnotu kapacity C 0 = 25 pf. Experimentálně zjištěné rozmezí kapacity C 0 pro různé druhy kompozitního materiálu PREFEN (viz obr. 8.15) je přibližně (15 až 35) pf. Pro další úvahy je tedy vhodné také ověřit, jakým způsobem ovlivňuje velikost kapacity C 0 výsledný tvar přenosové funkce K ui (jω). Graf na obr vlevo ilustruje změnu sledované přenosové funkce v závislosti na kapacitě C 0 v rozsahu čtyř řádů a při pevně nastavených parametrech A = a b = 1,0. Graf na obr vpravo se potom zaměřuje na zkreslení přenosové 57

70 funkce při změně kapacity C 0 v experimentálně zjištěném intervalu (10 až 40) pf. Z tohoto grafu je patrné, že zkreslení sledované přenosové funkce je v daném rozmezí velikosti kapacity C 0 zanedbatelné. Při výpočtech kompletní přenosové funkce kanálu EME se tedy nejčastěji dosazuje právě hodnota C 0 = 25 pf, která leží ve středu experimentálně zjištěného intervalu pro vzorky různých druhů materiálu PREFEN K ui (j) / b = -1,0; A = 1E11 C 0 = 1E-12 F K ui (j) / b = -1,0; A = 1E11 C 0 = 1E-11 F 10 2 C 0 = 1E-11 F C 0 = 1E-10 F 10 2 C 0 = 2E-11 F C 0 = 3E-11 F C 0 = 1E-09 F f / Hz C 0 = 4E-11 F f / Hz Obr Vliv velikosti kapacity C 0 na výsledný tvar přenosové funkce K ui (jω). Pozornost byla také věnována změnám náhradních parametrů kapacitního snímače po aplikaci dlouhodobé mechanické zátěže na vzorek testovaného materiálu tvořícího dielektrikum kapacitního snímače. Za tímto účelem byly nejprve změřeny parametry R 0 a C 0 u kapacitního snímače s nově připraveným referenčním vzorkem PREFEN E02 (polyester-e sklo, tloušťka d = 5,9 mm), který ještě nebyl mechanicky namáhán. Poté byl tento vzorek vždy na jednu hodinu vystaven definované mechanické zátěži, konkrétně (40 a 47) kn. Mezi jednotlivými zatěžovacími cykly byly opět změřeny náhradní parametry kapacitního snímače pomocí RLC metru HP-Agilent E4980A. Výsledky tohoto experimentu jsou uvedeny na obr a obr , , C 0 / F 24,5 24,0 R 0 / ,5 Reference F = 40kN F = 47kN 23, f / Hz y = 6E12*f (-1.2) Reference F = 40kN F = 47kN f / Hz Obr Frekvenční závislost kapacity C 0 s rostoucím poškozením vzorku E02. Obr Frekvenční závislost odporu R 0 s rostoucím poškozením vzorku E02. 58

71 Z grafu na obr je patrné, že s rostoucím poškozením vzorku způsobeného jeho dlouhodobým mechanickým zatěžováním lehce narůstá i sledovaná kapacita C 0. Vzhledem k měřítku na ose y je ovšem tento nárůst kapacity prakticky zanedbatelný. Frekvenční závislost svodového odporu R 0 v popsaném experimentu ilustruje graf na obr I v tomto případě lze považovat vliv rostoucího poškození vzorku při jeho mechanickém zatěžování za zanedbatelný. 59

72 9 EXPERIMENTÁLNÍ PRACOVIŠTĚ V průběhu řešení předkládané disertační práce byla sestavena a zprovozněna dvě plně automatizovaná pracoviště pro měření signálů EME a AE během mechanického zatěžování vzorků moderních kompozitních materiálů. Jednotlivá pracoviště byla průběžně modifikována podle dostupného hardwarového vybavení na UFYZ FEKT a částečně i UFYZ FAST [A2], [A3]. Postupně vznikala také řada sofistikovaných podpůrných programů, nejčastěji v moderních vývojových prostředích LabVIEW nebo MATLAB. Základní varianta software určeného pro obsluhu měřicích systémů jednotlivých pracovišť umožňuje vícekanálový záznam emisních signálů, jejich základní zpracování a uložení na dostupná paměťová média v řídicím PC [A4], [A5]. 9.1 Obecná struktura automatizovaného pracoviště Obecná struktura automatizovaného pracoviště pro měření signálů EME a AE vychází z následujícího blokového schématu (obr. 9.1). Obr. 9.1 Obecná struktura automatizovaného pracoviště pro měření EME a AE. Základní součástí měřicího pracoviště je hydraulický lis určený pro aplikaci externí mechanické zátěže na vzorky testovaných materiálů. Pro měření síly, kterou hydraulický lis působí na namáhaný vzorek, je použit velmi přesný tenzometr. Nejvhodnější umístění tenzometru je pod zatěžovaným vzorkem, co nejpřesněji v ose čelistí lisu. Z důvodu eliminace vnějších rušivých polí je součástí kostry lisu také stíněná krabice s otevíratelnými dvířky, ve které je dostatek prostoru pro umístění kapacitního snímače EME s měřeným vzorkem, zatěžovací impedance, předzesilovačů signálů EME a AE, tenzometru, piezoelektrických senzorů AE a případně i vhodných snímačů deformace. K potlačení vnějšího rušení přispívá také napájení použitých nízkošumových předzesilovačů prostřednictvím baterie (12 V), která je taktéž součástí stíněného pracovního prostoru hydraulického lisu. 60

73 Výzkumné laboratoře Ústavu fyziky FEKT a Ústavu fyziky FAST VUT v Brně se dlouhodobě zabývají problematikou teoretického a experimentálního studia šumu v elektronických materiálech, součástkách a zařízeních a jsou tedy vybaveny specializovanými přístroji pro studium fluktuačních jevů v pevných látkách. Z dostupného přístrojového vybavení těchto laboratoří byly použity zejména nízkošumové předzesilovače S3 SEDLAK PA15 sloužící k zesílení signálů AE, nízkošumové předzesilovače S3 SEDLAK PA31 speciálně navržené pro měření slabých signálů EME a zesilovače AM22 s bankou filtrů určené pro dodatečné zesílení a filtraci měřených signálů EME a AE. Kanál elektromagnetické emise Měřicí kanál EME vychází z blokového schématu podle obr. 8.7 v kapitole K zesílení velmi slabých signálů EME je využit nízkošumový předzesilovač PA31, který nabízí šířku pásma zpracovávaného signálu v rozmezí 20 Hz až 10 MHz, vysokou vstupní impedanci 10 MΩ / 20 pf, nastavitelný zisk 6/20/40 db a výrobcem udávané šumové napětí asi 1,8 nv / Hz na kmitočtu 1 khz. Do měřicí větve EME je dále zařazen zesilovač AM22, který umožňuje nastavit zisk v rozsahu 10 až 80 db. Tato varianta zesilovače byla zvolena především kvůli možnosti uživatelsky zvolit šířku pásma přenášeného signálu, a to prostřednictvím nastavitelné dolní a horní mezní frekvence zabudovaného filtru typu pásmové propusti. Výrobcem udávané šumové napětí je přibližně 13 nv / Hz na kmitočtu 1 khz. Celkové zesílení kanálu EME je nejčastěji 60 db. Kanál akustické emise Pro snímání signálů akustické emise se využívají piezoelektrické snímače od různých výrobců. Použité snímače splňují požadavky na frekvenční pásmo signálů AE (alespoň do 1 MHz) a ke vzorku se připevňují nejčastěji pomocí včelího vosku. Tato varianta zajišťuje dobrý akustický kontakt mezi vzorkem a snímačem a umožňuje snadné mechanické přichycení snímačů na vzorek a jejich následné odstranění. Signály AE jsou přivedeny na vstup nízkošumového zesilovače PA15 s šířkou pásma 3 Hz až 1 MHz, což je dostatečné pro měřené signály AE. Mezi další parametry tohoto zesilovače patří vysoká vstupní impedance 10 MΩ / 40 pf, nastavitelný zisk 0/20/40 db a šumové napětí asi 2 nv / Hz na kmitočtu 1 khz. Do kanálu AE byl dále zařazen zesilovač AM22, a to především z důvodu filtrace provozního akustického rušení způsobeného chodem motoru hydraulického lisu, případně rušení z okolního prostředí. Celkové zesílení kanálu AE je nejčastěji 40 db a šířka přenášeného pásma signálů v rozmezí 30 khz až 1 MHz. Sběr dat a ovládání hydraulického lisu Zesílené signály z aktivních kanálů EME a AE jsou dále přivedeny na vstup vzorkovací jednotky určené k digitalizaci měřených analogových signálů. Data v digitální podobě jsou následně zpracována v řídicím PC a uložena na dostupná paměťová média. V případech, kdy si vystačíme s poměrně nízkou vzorkovací frekvencí (cca do 5 MHz), je výhodné použít univerzální vzorkovací moduly pro sběr dat, které nabízejí různý počet analogových nebo digitálních vstupů a výstupů. Nevyužité vstupy a výstupy těchto modulů lze totiž s výhodou využít pro řízení hydraulického lisu a sběr dat z dodatečných senzorů. 61

74 9.2 Pracoviště UFYZ FEKT Pracoviště na Ústavu fyziky FEKT disponuje ručním hydraulickým lisem AUTOTECH s dosažitelnou zatěžovací silou až 200 kn. Ruční varianta zatěžování neumožňuje plynulé, počítačem kontrolovatelné regulování mechanické zátěže a navíc zde není zaručena ani časová stálost nastavované síly. Výhodou je naopak minimalizace elektromagnetického a akustického rušení, které je vždy přítomné při motorovém pohonu lisu. Pro měření působící síly je zde použit velmi přesný tenzometr HBM C2. V aktivním stavu musí být napájen stejnosměrným napětím 5 V a na jeho výstupu je generováno elektrické napětí, které je přímo úměrné aplikovanému zatížení (1 mv ~ 20 kn) s přesností 0,1 % při zatížení v rozmezí 490 N až 490 kn. Pilotní měření signálů EME a AE na tomto pracovišti byla realizována prostřednictvím klasických laboratorních přístrojů. Tenzometr HBM C2 byl napájen ze zdroje Agilent E3631A a napětí na jeho výstupu (úměrné aplikované zátěži) bylo měřeno multimetrem Agilent 34410A. Zobrazení detekovaných signálů probíhalo nejdříve pomocí analogového osciloskopu, později byly měřené signály přivedeny na vstup čtyřkanálového digitálního osciloskopu TiePie Handyscope HS4 připojeného k PC přes USB rozhraní. Detekované signály byly průběžně zobrazovány na monitoru řídicího počítače a ukládány do textových souborů pro pozdější zpracování. Nevýhodou popsaného měřicího systému byla především malá datová propustnost mezi digitálním osciloskopem a vnitřní pamětí počítače, což umožňovalo zaznamenat a uložit pouze nepatrný zlomek generovaných událostí, a to zejména v pokročilejší fázi mechanického zatěžování testovaných vzorků. Ve snaze sestavit pracoviště, které umožňuje kontinuální vícekanálový záznam signálů EME a AE, jejich zpracovávání a vyhodnocování v reálném čase, bylo potřeba nahradit klasické laboratorní přístroje (osciloskopy, multimetry, zdroje) flexibilním modulárním systémem s dostatečným výkonem pro splnění těchto technicky náročných požadavků. Výsledkem této snahy bylo navržení, zakoupení a sestavení měřicího systému založeného na moderním průmyslovém standardu popsaném v následující kapitole Průmyslový PXI standard PXI (PCI extensions for Instrumentation) je v současné době jednou z nejvíce rozšířených modulárních platforem pro měřicí, řídicí, regulační a automatizační systémy. Následuje stručný výčet charakteristických vlastností tohoto standardu [78]: jedná se o otevřený standard mnoha výrobců, je založen na běžně používaných technologiích, kombinuje klasickou PCI sběrnici a specializovanou synchronizační sběrnici, umožňuje jednoduchou integraci různých funkcí (osciloskop, generátor, multimetr, přepínač atd.) do jednoho modulárního systému, podporuje propojení se stávajícími platformami (PCI, GPIB, VXI, VME, CardBus, PCMCIA, Ethernet atd.), specializovaná synchronizace (časování, spouštění a synchronizaci definuje samotný PXI standard, což garantuje jednoduchou synchronizaci modulů od různých výrobců), 62

75 nabízí vysokou přenosovou rychlost (PXI obsahuje PCI sběrnici, tedy 32-bitové přenosy s taktem 133 MHz, což odpovídá přenosové rychlosti 132 MB/s), softwarová podpora operačního systému Microsoft Windows včetně aplikačních rozhraní (Visual Basic, Visual C/C++, Measurement Studio, LabWindovs/CVI), případně vývojové prostředí LabVIEW od firmy National Instruments, podpora real-time operačních systémů pro časově kritické aplikace (specializované vestavné kontrolery), nabízí vysoký výkon a přijatelnou cenu jednotlivých modulů. Obecnou hardwarovou architekturu PXI standardu tvoří tři základní komponenty [78]: Skříň (chassis): Definuje pevnou strukturu pro vkládané moduly, zajišťuje jejich napájení, vzájemné propojení a komunikaci. Komerčně nabízené skříně jsou dostupné v provedeních s různým počtem slotů, vlastním napájením a vzduchovým chlazením. Systémový kontroler: Jedná se nejčastěji o vzdálené kontrolery, které umožňují řízení navrženého PXI systému ze stolních počítačů, serverů nebo přenosných počítačů. V případě náročných průmyslových aplikací je dostupná i varianta vysoce výkonných vestavných kontrolerů s integrovaným Microsoft nebo real-time operačním systémem. Periferní moduly: Firma National Instruments v současné době nabízí přes 200 různých PXI modulů (osciloskopické, napájecí, multimetrické atd.). Jelikož se jedná o otevřený průmyslový standard, je na trhu dále k dispozici více než 1500 modulů od zhruba sedmdesáti dalších výrobců [78]. Pozdějším rozšířením je PXI Express standard, který je založený na PCI Express technologii a využívá všech jejích výhod, což se projevuje především ve výrazném nárůstu dostupné přenosové šířky pásma z původních 132 MB/s u PCI, až k maximální možné hodnotě 8 GB/s v případě PCI Express technologie. To představuje více než šedesátinásobný nárůst dostupné přenosové rychlosti, a to při současném zachování softwarové i hardwarové kompatibility s původními PXI moduly [79]. Komerčně dostupné PXI Express skříně proto často nabízejí několik tzv. hybridních slotů, které umožňují připojení starších PXI modulů do moderních PXI Express systémů Navržený modulární PXI systém Modulární systém vhodný pro účely experimentálního pracoviště na UFYZ FEKT musel být schopen poskytnout kontinuální vícekanálový záznam signálů EME a AE, stejnosměrné napájení tenzometru, kontinuální čtení úrovně napětí z výstupu tenzometru a do budoucna zajistit i případné řízení hydraulického lisu a sběr dat z dodatečných senzorů [A2]. Celý systém byl navíc navrhován s ohledem na maximální možnou mobilitu měřicí sestavy. Důležitým požadavkem byla možnost řízení celého systému z přenosného počítače, což je užitečné zejména v případech, kdy chceme využít měřicí systém mimo laboratoře na našem ústavu. Navržený PXI systém obsahuje součásti (obr. 9.2 až obr. 9.7), jejichž stručný popis je uveden níže. Následující obrázky jsou pouze ilustrativní a byly převzaty z volně dostupných materiálů na 63

76 5 slotů pro libovolné PXI moduly, přenosová rychlost 110 MB/s, integrovaný vzdálený kontroler, řízení přes PCI Express kartu (PC) nebo NI ExpressCard-8630 (notebook), vlastní chladicí systém. Obr. 9.2 Skříň s pěti sloty NI PXI Obr. 9.3 Osciloskopická karta NI PXI Vysokorychlostní osciloskopická karta, současný kontinuální záznam až osmi vstupních kanálů, 12-bitové rozlišení, přenosová rychlost 60 MS/s, 512 MB vnitřní paměti, vstupní rozsah ±25 mv až ±15 V. Obr. 9.4 Multimetrická karta NI PXI /2 - číslicový digitální multimetr, 1,8 MS/s digitální převodník, integrovaný LCR metr, flexibilní rozlišení 10 až 23 bitů, napěťový rozsah ±100 mv až ±300 V, napěťová citlivost až 100 nv, proudový rozsah ±20 ma až ±1 A, proudová citlivost až 1 µa. Obr. 9.5 Modul NI PXI Programovatelná měřicí zdrojová jednotka (SMU), izolovaný výstup s rozsahem ±6 V až ±20 V, ±200 µa až ± 2 A, 18-bitové rozlišení, proudová citlivost až 10 na, napěťová citlivost až 100 µv, práce ve všech čtyřech kvadrantech. Obr. 9.6 NI ExpressCard Přímé řízení PXI systému z notebooku prostřednictvím PCMCIA rozhraní, nevyžaduje dodatečné programování, přenosová rychlost 110 MB/s. 64

77 Obr. 9.7 Multifunkční karta NI PXI Multifunkční vzorkovací jednotka, 16-bitové rozlišení, 32 analogových vstupů, vícekanálové měření do 1 MS/s, jednokanálové měření do 1,25 MS/s, 4 analogové výstupy (2,8 MS/s), 48 digitálních I/O kanálů, 32-bitový čítač Blokové schéma pracoviště na UFYZ FEKT Blokové schéma pracoviště na UFYZ FEKT je uvedeno na obr Struktura měřicích kanálů EME a AE, včetně použitého přístrojového vybavení, je podrobně popsána v kapitole 9.1. Hydraulický ruční lis Elektromagnetické stínění F LabVIEW Zesilovač EME Předzesilovač EME Řídicí jednotka ExpressCard MB/s Zesilovač AE 1 až N kanálů AE Zesilovač AE Předzesilovač AE Předzesilovač AE Baterie 12V Z L SAE V Z O R E K Tenzometr Skříň PXI-1033 Modulární PXI systém SAE - Senzor Akustické Emise Obr. 9.8 Blokové schéma pracoviště na UFYZ FEKT. Jádro sestavené aparatury tvoří skříň NI PXI-1033, která je vybavena vlastním chlazením a pěti sloty, do kterých lze vkládat libovolné PXI moduly. Uvedená skříň umožňuje využít celkovou šířku pásma až 110 MB/s. Dále obsahuje integrovaný MXI (Measurement extensions for Intrumentation) vzdálený kontroler, který poskytuje transparentní spojení s řídicím PC, z jehož pohledu se připojený PXI systém jeví jako rozšířená PCI sběrnice. Řízení celého systému lze provádět pouze vzdáleně, a to prostřednictvím klasického PC (PCI-Express karta), nebo přenosného počítače (NI ExpressCard-8630). Skříň je také plně podporována grafickým vývojovým prostředím LabVIEW. V současnosti jsou pro plnou funkčnost navrženého systému využity 3 sloty. Základem je vysokorychlostní osciloskopická karta NI PXI-5105, která umožňuje kontinuální záznam až osmi kanálů EME a AE. Napájení tenzometru zajišťuje měřicí zdrojová jednotka NI PXI-4130 a napětí z výstupu použitého tenzometru je snímáno 65

78 multimetrickou kartou NI PXI Volitelným modulem je multifunkční karta NI PXI-6259, která byla zakoupena pro doplňkové účely (již zmiňované řízení hydraulického lisu a sběr dat z dodatečných senzorů). Řízení jednotlivých modulů navrženého PXI systému je řešeno prostřednictvím software vytvořeného v moderním grafickém vývojovém prostředí LabVIEW. Tento program zajišťuje kontinuální záznam kanálů EME a AE, zachycení typických událostí v jednotlivých kanálech a jejich uložení na pevný disk v řídicím PC. Informace o sestaveném pracovišti lze nalézt také v literatuře [A4], [A5]. Několik typických událostí EME a AE je uvedeno na obr ,4 24,0 0,2 12,0 U EME / mv 0,2 0,0 EME 16,0 8,0 U AE / mv U EME / mv 0,1 0,0 EME 8,0 4,0 U AE / mv -0,2 0,0-0,1 0,0 AE -0,4-8, AE -0,2-4, t / s t / s 0,4 9,0 0,2 EME 18,0 U EME / mv 0,2 6,0 EME 0,0 3,0-0,2 0,0 AE -0,4-3, t / s U AE / mv U EME / mv 0,0 12,0-0,2 6,0-0,4 0,0 AE -0,6-6, t / s U AE / mv Obr. 9.9 Ukázka typických průběhů měřených signálů EME a AE Charakteristiky vyhodnocované během měření Zatěžovací charakteristika: Multimetrická karta poskytuje kontinuální záznam stejnosměrného napětí z výstupu tenzometru. Získané napětí je přepočítáno na odpovídající zatěžovací sílu (1 mv ~ 20 kn) a výsledná charakteristika je postupně vykreslována do příslušného grafu. Uživatel tak může při ručním ovládání lisu sledovat aplikovanou zatěžovací charakteristiku. Histogram četnosti výskytů událostí ve spouštěcím kanále: Díky referenčním hodinám v osciloskopické kartě je možné jednoduše určit čas výskytu dané události vztažený k okamžiku spuštění měření (není potřeba používat systémový čas z řídicího PC). Uživatel tak může sledovat odezvu zatěžovaného materiálu na aplikovanou mechanickou zátěž v reálném čase. Obě výše popsané charakteristiky jsou pro větší přehlednost vykreslovány do společného grafu (viz obr. 9.10). Na obr lze vidět kolísání nastavené mechanické zátěže u ručního hydraulického lisu AUTOTECH za necelých 5 minut měření. 66

79 F / kn Mechanická zátěž: ruční lis AUTOTECH Počet událostí AE: Vzorek: Extren E08 Destrukce vzorku F = 33 kn Intenzita událostí AE / s -1 F / kn Maximum: F = 27,80 kn Rozdíl: F = 0,84 kn (3,02%) Minimum: F = 26,96 kn Intenzita událostí AE / s t / s t / s Obr Charakteristiky vyhodnocované během měření, pracoviště UFYZ FEKT. Obr Kolísání mechanické zátěže u ručního lisu AUTOTECH, pracoviště UFYZ FEKT. 9.3 Pracoviště UFYZ FAST Jak již bylo uvedeno v úvodu kapitoly 9.2, hlavní nevýhodou pracoviště sestaveného na UFYZ FEKT je ruční hydraulický lis určený k mechanickému zatěžování testovaných vzorků. Tento lis neumožňuje plynulé řízení mechanické zátěže, což znemožňuje na daném pracovišti sledovat, zda detekované parametry měřených signálů EME a AE vykazují při definovaném průběhu aplikované zátěže určitý zřejmý trend. Pracoviště na UFYZ FAST naopak disponuje motorovým hydraulickým lisem, u něhož bylo možné nastavovat mechanickou zátěž pomocí potenciometru na ovládacím panelu lisu. Vhodným zásahem do ovládacího panelu lisu (hardwarovým i softwarovým) bylo umožněno externí softwarové řízení a plynulá regulace nastavované zatěžovací charakteristiky [A3] Blokové schéma pracoviště na UFYZ FAST Sestavené pracoviště vychází z blokového schématu na obr Základní součástí je hydraulický lis FRÖWAG poskytující mechanickou zátěž vzorků v rozsahu (10 až 110) kn. Napětí z výstupu tenzometru (úměrné působící síle) je přivedeno na vstup multifunkční vzorkovací karty NI PCI-6014, která zajišťuje kontinuální záznam aplikované mechanické zátěže během celého experimentu. Nastavení požadované síly je zajišťováno prostřednictvím externího modulu dodaného výrobcem hydraulického lisu. V původní konfiguraci bylo k řízení lisu použito napětí z výstupu potenciometru umístěného na čelním panelu lisu. Tato varianta umožňovala pouze ruční, nepříliš plynulou změnu mechanické zátěže. K softwarovému řízení lisu z dostupného PC byl následně využit jeden z analogových výstupů multifunkční karty NI PCI-6014, který je schopen plynule nastavovat napětí na vstupu externího řídicího modulu, a to na základě uživatelsky definovaného průběhu zatěžovací charakteristiky. K tomuto účelu bylo nutné nejprve ručně proměřit závislost mechanické zátěže na nastaveném řídicím napětí. Před začátkem samotného experimentu si uživatel může prostřednictvím manuálního přepínače zvolit mezi ruční nebo softwarovou variantou řízení hydraulického lisu. 67

80 Obr Blokové schéma plně automatizovaného pracoviště na UFYZ FAST. Struktura a přístrojové vybavení u měřicích kanálů EME a AE je stejné jako v případě pracoviště na UFYZ FEKT. Zesílené signály z obou kanálů jsou přivedeny na vstup dvoukanálové osciloskopické karty NI PCI-6111 a uloženy do paměti počítače pro další zpracování. Pro náročnější experimenty, kdy je vyžadován záznam z více senzorů AE (lokalizace vznikajících poruch), lze s výhodou využít mobilní PXI systém z kapitoly 9.2.2, který umožňuje kontinuální záznam až osmi sledovaných kanálů [A6 A8]. Sestavená aparatura obsahuje součásti (obr až obr. 9.16), jejichž stručný popis je uveden níže. Použité obrázky byly opět převzaty z volně dostupných materiálů na Obr Osciloskopická karta NI PCI Kontinuální záznam ze dvou analogových vstupních kanálů, přenosová rychlost 5 MS/s na kanál, 12-bitové rozlišení, vstupní rozsah ±0,2 V až ±42 V, 2 analogové výstupy (4 MS/s), výstupní rozsah ±10 V, 8 digitálních I/O kanálů. Obr Multifunkční karta NI PCI analogových vstupů, přenosová rychlost 200 ks/s na kanál, 16-bitové rozlišení, vstupní rozsah ±50 mv až ±10 V, 2 analogové výstupy (10 ks/s), výstupní rozsah ±10 V, 2 digitální I/O kanály. 68

81 Obr Konektorový blok NI BNC Obr Konektorový blok NI SCB-68. V kombinaci s možností softwarového řízení mechanické zátěže lisu byly na tomto pracovišti použity také citlivé snímače deformace, které průběžně zaznamenávají informaci o deformaci (zkrácení) zatěžovaného vzorku. Díky tomu může uživatel v reálném čase sledovat pracovní diagram namáhaného materiálu, tedy závislost aplikované síly na aktuální deformaci vzorku. Na základě získaného pracovního diagramu můžeme vyhodnotit, v jaké fázi zatěžovaní (oblast elastické nebo plastické deformace) docházelo ke vzniku detekovaných událostí EME a AE. Snímače deformace, tzv. úchylkoměry, jsou v současnosti komerčně dostupné v nejrůznějších variantách, které se liší především provedením (analogové nebo digitální), rozsahem měření, ale hlavně požadovanou citlivostí (nejčastěji setinové nebo tisícinové). K pilotním měřením na sestaveném pracovišti byl použit digitální úchylkoměr MITUTOYO (obr. 9.17), v té době dostupný na UFYZ FAST. Jeho výhodou je velmi rychlá přenosová rychlost dat, nevýhodou naopak malá citlivost (pouze 0,01 mm). Komunikace mezi tímto snímačem a řídícím PC je zajištěna prostřednictvím rozhraní RS 232. Uvedená citlivost se později ukázala být nedostatečná pro účely prováděných experimentů, a proto byl tento úchylkoměr nahrazen citlivějším modelem SYLVAC (obr. 9.18) s přesností 0,001 mm a přenosem dat pomocí rozhraní OPTO RS 232. Následující obrázky byly převzaty z volně dostupných materiálů na Obr Digitální úchylkoměr MITUTOYO. Obr Digitální úchylkoměr SYLVAC Charakteristiky vyhodnocované během měření Zatěžovací charakteristika a pracovní diagram: Na základě kontinuálního záznamu napětí z výstupu tenzometru a velikosti deformace vzorku z výstupu digitálního úchylkoměru je uživateli během měření průběžně vykreslována zatěžovací charakteristika a pracovní diagram namáhaného materiálu. Histogram četnosti výskytů událostí ve spouštěcím kanále: Na obrazovce monitoru je také průběžně vykreslován histogram četnosti výskytů typických událostí ve spouštěcím kanále (nejčastěji kanál AE). K určení doby výskytu dané události od spuštění měření je v tomto případě využito systémového času z řídicího PC. 69

82 Výše popsané charakteristiky jsou během měření zobrazovány v samostatných grafech a uživatel tak má dostatek relevantních informací o aktuálním stavu prováděného experimentu. Po ukončení měření a zpracování naměřených dat je možné (pomocí programu v prostředí MATLAB) vykreslit různé kombinace uvedených charakteristik do společných grafů, a to pro data z libovolného aktivního kanálu. Nejčastěji vyhodnocované grafické výstupy z experimentů prováděných na pracovišti UFYZ FAST jsou uvedeny na obr a obr Použitá data jsou výsledkem měření aktivity signálů EME a AE při lineárně rostoucí mechanické zátěži aplikované na betonový blok (pracovní označení R6D) se specifickou skladbou a velikostí kameniva v kompozitní struktuře testovaného betonu. Graf na obr znázorňuje vývoj aplikované mechanické zátěže a počet detekovaných událostí AE v čase. Na obr je vidět průběh aplikované síly versus deformace (zkrácení) vzorku a zároveň počet detekovaných událostí AE v závislosti na rostoucí deformaci vzorku. F / kn Vzorek: R6D (betonový blok) Spouštěcí kanál: AE Maximální síla: 77,56 kn Doba zatěžování: 7199,98 s N AE / - F / kn Vzorek: R6D (betonový blok) Počet událostí AE: N AE / t / s ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 d / mm Obr Aplikovaná mechanická zátěž a počet detekovaných událostí AE v čase, vzorek R6D. Obr Aplikovaná síla vs. deformace a počet detekovaných událostí AE, vzorek R6D. 9.4 Podporované režimy měření a) Kontinuální režim s nastavitelnou spouštěcí úrovní: V tomto režimu měření uživatel nejprve zvolí spouštěcí kanál, ve kterém je po startu obslužného programu kontinuálně hlídána měřená úroveň napětí. Při překročení volitelné úrovně napětí na tomto kanále dochází u všech aktivních kanálů k záznamu časových realizací definované délky (např vzorků) a poté měřicí systém opět čeká na další překročení zvolené napěťové úrovně. Délku zaznamenávaných časových realizací je možné měnit podle povahy prováděného experimentu v uživatelském nastavení obslužného programu. Výhodou uvedeného režimu jsou poměrně nízké nároky na hardwarovou konfiguraci řídicího PC a na dostupnou přenosovou rychlost mezi vzorkovací jednotkou a vnitřní pamětí počítače. Tato měřicí varianta je ovšem velmi citlivá na správnou volbu spouštěcí úrovně. Při nastavení nízké úrovně dochází k neustálému záznamu rušivého šumového pozadí v daném kanálu a měření se tak blíží vlastnostem plně kontinuálnímu režimu. Volbou velmi vysoké spouštěcí úrovně naopak dochází k záznamu pouze výrazných signálů EME nebo AE a tím i k výraznému poklesu výsledné efektivity měření. Z uvedených důvodů je tedy vhodné před začátkem experimentu proměřit šumové 70

83 pozadí na spouštěcím kanále a poté nastavit (s určitou rezervou) spouštěcí úroveň nad maximální zjištěnou hodnotu šumového pozadí. Tuto úlohu lze řešit i softwarově a zachovat tak plně automatizovaný koncept měření. b) Plně kontinuální režim: Plně kontinuální režim je vhodné použít v případech, kdy nás zajímá kompletní záznam signálů z aktivních kanálů a ne pouze vybrané časové realizace. U této varianty měření jsou kladeny vysoké nároky na hardwarovou konfiguraci řídicího PC (dostatečná velikost paměti RAM, rychlost zápisu dat na pevné disky), ale i samotné vzorkovací jednotky (velikost vnitřní paměti a maximální přenosová rychlost). Další nevýhodou je celková velikost naměřených dat, která se může při větším počtu aktivních kanálů, vysoké vzorkovací frekvenci a delší době měření pohybovat řádově ve stovkách GB až jednotkách TB. Takto velké množství dat již není možné běžně zobrazovat, ručně zpracovávat nebo vyhodnocovat a je tedy vždy nutné vytvořit dodatečný software, který by celý proces zpracování velkého objemu dat automatizoval. Plně kontinuální režim bez omezení bylo možné realizovat pouze v případě sestaveného PXI systému, a to především díky velké vnitřní paměti u osciloskopické karty NI PXI-5105 (512MB) a specializované MXI sběrnici s přenosovou rychlostí až 110 MB/s. Při kontinuálním záznamu všech osmi vstupních kanálů osciloskopické karty s nejčastěji používanou vzorkovací frekvencí 5 MS/s na kanál a 12-bitovým rozlišením, je minimální potřebná přenosová rychlost měřicího systému rovna 80 MB/s. 71

84 10 ANALÝZA MĚŘENÝCH SIGNÁLŮ EME A AE Díky automatizaci celého procesu měření signálů EME a AE je možné v rámci jednoho experimentu získat velké množství (řádově až tisíce) jejich časových realizací. Pro účely další vyhodnocování měřených emisních signálů je proto vhodné provést jejich popis pomocí vhodně zvolených parametrů jak v časové, tak i ve frekvenční oblasti Analýza signálů akustické emise v časové oblasti K popisu časového průběhu nespojitého signálu AE se běžně používá několik základních parametrů (obr. 10.1), jejichž obecná definice vychází z normy ČSN EN Rozhodovací úroveň je uživatelsky nastavená hodnota měřeného elektrického napětí, která definuje počátek a konec vyhodnocované emisní události. Počátek události AE je definován jako časový okamžik prvního překročení rozhodovací úrovně. Konec události je určen obdobně, tedy jako časový okamžik posledního překročení rozhodovací úrovně, přičemž pro počátek a konec události AE může být tato úroveň nastavena rozdílně. Doba trvání je definována jako časový interval mezi prvním a posledním překmitem přes rozhodovací úroveň, zatímco dobou náběhu je myšlen časový interval mezi počátkem události a okamžikem dosažení maximální amplitudy signálu. Obr Základní parametry používané k popisu nespojitého signálu AE. Kromě výše uvedených základních parametrů se pro detekovanou událost AE často vyhodnocuje také její maximální amplituda, efektivní hodnota, energie, počet přechodů (překmitů) přes zvolenou rozhodovací úroveň, průměrná frekvence překmitů v době trvání emisní události a další uživatelsky navržené doplňkové parametry. Typické signály AE jsou charakteristické kvaziharmonickým časovým průběhem a pojmem amplituda je v tomto konkrétním případě myšlena absolutní hodnota maximální okamžité úrovně signálu v detekované časové realizaci Parametry navržené pro popis časových průběhů signálů AE Výsledkem v této oblasti byl návrh jedenácti parametrů vycházejících z obecných definic inspirovaných normou ČSN EN , vývoj odpovídajících algoritmů a jejich implementace do stávajícího software na pracovištích UFYZ FEKT i UFYZ FAST [A4], [A9]. Uživatel tak může na všech aktivních kanálech AE v reálném čase sledovat časový 72

85 průběh zaznamenané realizace včetně vypočtené obálky a tabulku s rychlým přehledem všech nalezených parametrů (obr. 10.2) START TIME STOP TIME U AE / mv START TRESHOLD STOP TRESHOLD MAXIMUM TIME t / s Obr Ukázka zpracování typických událostí AE v reálném čase obslužným programem. Definice a anglické značení parametrů navržených pro vyhodnocování signálů AE s nulovou střední hodnotou napětí je uvedeno níže. 1) Špičková amplituda (Peak Amplitude): Jedním ze základních parametrů k popisu časového průběhu detekované události AE je její špičková amplituda, která je získána ze vztahu xmax xmin xm [V], (10.1) 2 kde x MAX a x MIN je maximální, resp. minimální hodnota signálu ve vyhodnocované časové realizaci o definovaném počtu vzorků (nejčastěji 3500 nebo 5000 vzorků). 2) Počátek události AE (Start Time): K nalezení počátku události je nutné nejdříve odhadnout šumové pozadí události x N1 z prvních deseti procent vzorků naměřené realizace (maximální hodnota z těchto vzorků). Dále nalezneme maximální amplitudu signálu 0 max xmax, MIN x x [V]. (10.2) Práh počátku události AE (Start Treshold) je poté vypočten podle vzorce x x x 100 kde P je uživatelsky volitelná hodnota udávaná v %, která se může měnit v závislosti na povaze měření (experimentálně nastavena na hodnotu 5). Začátek události je určen jako čas t 1 prvního překročení prahu x T1 v obálce signálu. 3) Konec události AE (Stop Time): 0 N1 T1 P xn1 [V], (10.3) Nejdříve je vypočítán práh konce události AE (Stop Treshold) podle vzorce x x x N2 T2 P xn2 [V], (10.4) 73

86 kde x N2 je odhadnuto z posledních deseti procent vzorků naměřené realizace (opět se jedná o maximální hodnotu z těchto vzorků). Parametr P lze taktéž uživatelsky měnit v pokročilém nastavení obslužného programu, přičemž jeho výchozí experimentálně nastavená hodnota je 12. Konec události je poté definován jako čas t 2 prvního poklesu obálky signálu pod práh x T2. 4) Doba trvání události AE (Event Duration): Po nalezení počátku a konce události AE ( t 1 a t 2 ) je doba trvání události jednoduše určena jejich rozdílem 5) Doba náběhu (Rise Time): Doba náběhu je definována jako t t R E t2 t1 [s]. (10.5) t t [s], (10.6) kde t MA (Maximum Time) je čas dosažení maximální amplitudy signálu x 0. 6) Počet přechodů v době trvání události AE (Count): MA Veličina N 0 udává počet přechodů přes nulovou úroveň v době trvání události t E. 7) Počet přechodů v době náběhu (Count to Peak): Veličina N 1 udává počet přechodů přes nulovou úroveň v časovém intervalu t R. 8) Průměrná frekvence přechodů (Average Frequency): Jedná se o průměrnou frekvenci přechodů přes nulovou úroveň během doby trvání události AE podle vztahu 9) Efektivní hodnota události AE (Event RMS): f N avg [Hz]. 2 t (10.7) E Efektivní hodnota detekované události je získána ze vztahu 1 1 N 2 x i N i0 x [V], (10.8) RMS kde N je počet vzorků signálu AE v době trvání události t E. 10) Energie události AE (Event Energy): Energie události je definována jako N 1 2 x i i0 E t [V 2 s], (10.9) E kde Δt je vzorkovací perioda a N je, stejně jako v případě výpočtu efektivní hodnoty, počet vzorků signálu AE v době trvání události t E. 74

87 11) Dominantní frekvence události AE (Event Dominant Frequency): Z časového průběhu události AE je vypočteno výkonové spektrum pomocí rychlé Fourierovy Transformace (FFT) a z něj je poté odečtena odpovídající dominantní frekvence detekované události Analýza signálů elektromagnetické emise v časové oblasti Pro popis časových průběhů měřených signálů EME je potřeba definovat vhodné parametry s ohledem na značnou variabilitu těchto náhodných signálů. Na obr. 9.9 byly prezentovány čtyři ukázky typických průběhů EME, přičemž je nutné zdůraznit, že časová variabilita tohoto typu signálu je daleko vyšší a je vždy odrazem aktuálních procesů spojených se vznikem a následným rozvojem detekované poruchy ve vnitřní struktuře zatěžovaného materiálu. Napěťová úroveň šumového pozadí v měřicím kanálu EME vzhledem k maximální amplitudě detekovaného signálu je během prováděných experimentů také často vyšší než v případě vybraných průběhů z obr. 9.9 a případná parametrizace měřených signálů EME se tak stává daleko obtížnějším problémem. Z metodiky měření elektromagnetické emise popsané v kapitole 7 dále vyplývá, že některé parametry definované normou ČSN EN pro akustickou emisi nemají pro signály EME téměř žádný fyzikální význam Parametry navržené pro popis časových průběhů signálů EME Z výše uvedených důvodů se v současné verzi měřicího programu při nalezení události EME automaticky vyhodnocují pouze následující parametry: Počátek, konec a doba trvání události EME: Postup je stejný jako v případě hledání těchto parametrů v událostech AE s tím rozdílem, že není k dispozici obálka zachycené realizace. Počátek a konec události EME se tedy určí jako čas prvního, resp. posledního překročení uživatelsky nastavené prahové hodnoty. Zvolené prahové hodnoty přitom mohou být stejné nebo odlišné. Maximální hodnota: Nalezení absolutní hodnoty maximální okamžité úrovně signálu v časové realizaci. Efektivní hodnota a energie události: Opět stejný algoritmus jako v případě signálů AE. Dominantní frekvence: Na základě spektrální analýzy časového průběhu zaznamenaného signálu je určena jeho dominantní frekvence, což má smysl především u kvaziharmonických průběhů EME. Časové zpoždění mezi signály EME a AE (doplňkový parametr): Časové zpoždění mezi oběma emisními signály lze jednoduše vypočítat z nalezených počátků událostí v kanálech EME a AE. Při znalosti rychlosti šíření mechanického vlnění ve studovaném materiálu můžeme ze zjištěného časového zpoždění určit také vzdálenost detekované poruchy od daného snímače AE a v případě vícekanálového záznamu signálů AE i přibližně lokalizovat místo jejího výskytu. 75

88 Vyhodnocované parametry detekovaných událostí EME i AE jsou během měření postupně ukládány do samostatných textových souborů. Pro účely vyhodnocení těchto parametrů byl vytvořen jednoduchý program (prostředí MATLAB), který slouží k načtení textových souborů a umožňuje uživateli zobrazit vzájemné korelace mezi vybranými parametry, popřípadě jejich vývoj v čase nebo v závislosti na působící mechanické zátěži či velikosti deformace (zkrácení) namáhaného vzorku [A4], [A9]. Získané textové soubory je možné otevřít a dále zpracovávat i v programu MS EXCEL Ukázka zpracování měřených dat v časové oblasti V této kapitole je pro ilustraci uvedeno několik grafických výstupů z podpůrného programu vytvořeného speciálně pro účely zpracování velkého objemu dat z prováděných experimentů, jejich následnou analýzu a vyhodnocení. Použitá data byla vybrána z rozsáhlého souboru experimentálních výsledků měření signálů elektromagnetické a akustické emise během aplikace lineárně rostoucí mechanické zátěže na vzorky kompozitních materiálů typu PREFEN a na betonové bloky s různou velikostí kameniva. Jako první jsou prezentovány výsledky zatěžování dvou kompozitních vzorků materiálu PREFEN v kombinacích vinylesterová polymerní matrice a skelná výztuž typu E sklo (vzorek VE1) a polyesterová matrice se skelnou výztuží typu E sklo (vzorek PE1). Celkové rozměry uvedených vzorků byly srovnatelné, přibližně 10 mm 51 mm 72 mm, a oba vzorky byly zatěžovány lineárně rostoucí silou v rozsahu (15 až 100) kn s konstantním nárůstem 12,5 N/s Zpracované výstupy ze zatěžování vzorku VE1 (vinylester-e sklo) Zatěžovací charakteristika Na obr je nejdříve uvedena závislost mechanické zátěže na velikosti řídicího napětí u regulovatelného hydraulického lisu FRÖWAG. Z uvedeného obrázku je patrné, že v rozmezí přibližně (20 až 100) kn je převodní charakteristika použitého hydraulického lisu lineární, což umožňuje jednoduchou softwarovou regulaci mechanické zátěže na základě předem definovaného časového průběhu. Základním grafickým výstupem při vyhodnocování experimentálních dat je měřená zatěžovací charakteristika, tedy závislost aplikované síly na čase. Tato charakteristika umožňuje rychle zhodnotit, zda měřený průběh zatěžování odpovídal uživatelskému zadání. Příkladem může být obr. 10.4, kde je zobrazen lineární průběh zatěžování vzorku VE1 v rozsahu cca (20 až 90) kn. Je zde také vidět oblast výraznější nelinearity v počáteční fázi zatěžování, která je typická pro hydraulický lis na UFYZ FAST. Do společného grafu je dále vynesena i odezva daného vzorku na aplikovanou mechanickou zátěž ve formě četnosti výskytu typických událostí EME nebo AE ve spouštěcím kanále. Každý sloupec histogramu z obr tak reprezentuje celkový počet událostí AE detekovaných během časového intervalu 30 s. Zjednodušené pracovní diagramy Výrazně vyšší vypovídací hodnotu o průběhu vyhodnocovaného měření mají grafické výstupy uvedené na obr Jejich základem je opět průběh aplikované síly, tentokrát ovšem v závislosti na rostoucí deformaci vzorku. Uvedený typ grafického 76

89 vyhodnocení prováděných experimentů bude v rámci této disertační práce označován jako zjednodušený pracovní diagram. Termínem zjednodušený je vyjádřena skutečnost, že na obou jeho osách jsou vynášeny přímo měřené veličiny, tedy síla F z použitého tenzometru a deformace d vyjadřující míru zkrácení namáhaného vzorku měřená prostřednictvím úchylkoměru. V tomto zjednodušeném případě tak nedochází k přepočtu přímo měřených veličin na jinou normovanou veličinu, nejčastěji mechanické napětí σ a poměrné zkrácení ε. Zjednodušený pracovní diagram namáhaného materiálu nám umožňuje přibližně vymezit oblasti elastické a plastické deformace vzorku v celém rozsahu zatěžování. Na základě získaných informací je možné podrobněji studovat, jak se daná forma deformace projevuje na aktivitě detekovaných signálů ve sledovaných kanálech EME a AE, případně jejich parametrech v časové a frekvenční oblasti. Z uvedených důvodů jsou do společných grafů vykreslovány i četnosti výskytu typických událostí EME a AE v závislosti na rostoucí deformaci. Každý sloupec v těchto histogramech představuje celkový počet typických událostí detekovaných v kanálech EME nebo AE během nárůstu deformace o 5 µm. F / kn Převodní charakteristika U F Hydraulický lis: FRÖWAG Pracoviště: UFYZ FAST Linearní závislost: (20 až 100) kn U / V Obr Závislost mechanické zátěže na řídicím napětí (hydraulický lis FRÖWAG). F / kn Vzorek: VE1 (vinylester-e sklo) Spouštěcí kanál: AE Maximální síla: 91,61 kn Doba zatěžování: 6381,97 s t / s Obr Zatěžovací charakteristika a četnost událostí AE, vzorek VE1. N AE / Vzorek: VE1 (vinylester-e sklo) Počet událostí AE: Vzorek: VE1 (vinylester-e sklo) Počet událostí EME: F / kn N AE / - F / kn N EME / ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 d / mm ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 d / mm Obr Zjednodušené pracovní diagramy a četnosti událostí AE a EME, vzorek VE1. V průběhu zatěžování vzorku VE1 (obr. 10.5) lze vysledovat menší skokovou změnu v měřené velikosti deformace doprovázenou výrazným nárůstem detekovaných událostí AE i EME. Je zde možné pozorovat také výrazný nárůst detekovaných událostí AE v pokročilé fázi zatěžování, který zřejmě souvisí se vznikem trhlin ve vnitřní struktuře namáhaného materiálu, což je následně doprovázeno rozvojem plastické deformace 77

90 vzorku. Na postupný rozvoj plastické deformace lze usuzovat i z průběhu zjednodušeného pracovního diagramu vzorku VE1 (jeho postupného zakřivení) ve finální fázi zatěžování, po které následovala jeho celková destrukce. Maximální hodnoty sledovaných veličin před zničením vzorku byly F = 91,62 kn a d = 0,99 mm. Vyhodnocování sledovaných parametrů signálů AE U každého experimentu je dále zobrazen průběh čtyř základních parametrů pro popis signálů AE v závislosti na rostoucí deformaci vzorku v důsledku působení mechanické zátěže. Následující grafy jsou převzaty přímo z uživatelského rozhraní programu pro zpracování naměřených dat a jsou zde tedy zachovány i originální anglické názvy jednotlivých parametrů. Každý bod vykreslovaný v těchto závislostech reprezentuje průměrnou hodnotu sledovaného parametru vypočtenou ze všech událostí AE detekovaných během nárůstu deformace o 5 µm. Celkový počet emisních událostí, ze kterých se daný bod vypočítává (průměruje), lze odečíst z histogramů uváděných ve společných grafech se zjednodušenými pracovními diagramy. Průběhy sledovaných parametrů akustické emise pro vzorek VE1 jsou uvedeny na obr Event Duration / s ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 d / mm Rise Time / s ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 d / mm Peak Amplitude / mv ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 d / mm Dominant Frequency / khz ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 d / mm Obr Průměrné hodnoty sledovaných parametrů signálů AE, vzorek VE1. Průměrné hodnoty parametrů doba trvání události AE a doba náběhu nevykazují během zatěžování žádný zřejmý trend a jejich střední hodnotu lze považovat za konstantní (doba trvání 140 µs a doba náběhu 25 µs). U průměrných hodnot parametrů špičková amplituda a dominantní frekvence lze naopak pozorovat mírný nárůst v závislosti na rostoucí deformaci vzorku Zpracované výstupy ze zatěžování vzorku PE1 (polyester-e sklo) Grafické výstupy ze zatěžování vzorku PE1 (obr. 10.7) reprezentují specifickou skupinu prováděných experimentů, ve kterých nedochází v zadaném rozsahu zatěžování ke 78

91 zničení vzorku, nebo je automatizovaný proces měření předčasně ukončen uživatelem. Z lineárního průběhu nastavované síly v závislosti na rostoucí deformaci lze usoudit, že rozsah porušení vzorku byl příliš malý na to, aby se projevil na výraznějším zakřivení této charakteristiky. Dále zde lze sledovat poměrně významnou aktivitu měřených signálů akustické emise, a to především v oblasti od d = 0,42 mm F / kn Vzorek: PE1 (polyester-e sklo) Počet událostí AE: N AE / - F / kn Vzorek: PE1 (polyester-e sklo) Počet událostí EME: N EME / ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 d / mm ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 d / mm Obr Zjednodušené pracovní diagramy a četnosti událostí AE a EME, vzorek PE1. Zajímavé výsledky přineslo také vykreslení průměrných hodnot čtyř vybraných parametrů popisujících časový průběh událostí AE detekovaných v průběhu mechanického zatěžování vzorku PE1 (obr. 10.8). Ve všech čtyřech případech je vidět výrazné zvlnění charakteristik v oblasti přibližně od d = 0,4 mm, kde nastává zvýšený nárůst událostí AE. Z dostupných dat o průběhu měření není ovšem zpětně možné jednoznačně identifikovat mechanismus, který by mohl tak významným způsobem ovlivnit zaznamenané časové průběhy signálů akustické emise. Nepomohla zde ani podrobná analýza dat z kanálu EME, jelikož počet detekovaných událostí EME výrazně narůstá až v pokročilejší fázi zatěžování, resp. během plastické deformace zatěžovaného vzorku. Event Duration / s ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 d / mm Rise Time / s ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 d / mm Peak Amplitude / mv ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 d / mm Dominant Frequency / khz ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 d / mm Obr Průměrné hodnoty sledovaných parametrů signálů AE, vzorek PE1. 79

92 V případě vzorku PE1 je tedy nutné zvážit i přítomnost vnějších rušivých vlivů, které mohly náhle změnit charakter měřených signálů AE jak v časové, tak i ve frekvenční oblasti. Rušivé signály AE jsou generovány například v důsledku špatného uchycení vzorku mezi čelisti lisu (tření mezi kontaktními plochami), což se může projevit až v určité fázi mechanického zatěžování. Zdrojem rušení v kanále akustické emise se často stává také samotný senzor AE, nedostatečně připevněný k povrchu vzorku, kdy během měření dochází k jeho pozvolnému uvolňování, případně úplnému odpadnutí senzoru. Popsaný mechanismus je rovněž doprovázen náhlým zvýšením počtu detekovaných událostí AE s parametry odlišnými od signálů, které souvisejí s odezvou zatěžovaného materiálu na aplikovanou mechanickou zátěž. Po uchycení senzoru AE k povrchu vzorku pomocí zahřátého včelího vosku je proto vhodné daný senzor ještě pevně zafixovat prostřednictvím tenkého proužku pásky s vysokou lepicí silou (např. Pattex). Z výše uvedeného rozboru lze konstatovat, že podrobná analýza sledovaných parametrů měřených signálů AE může v řadě případů poskytnout cenné informace o průběhu mechanického zatěžování materiálů, případně o přítomnosti vnějších rušivých vlivů, které uživatel není schopen během experimentu zaregistrovat. Je zde nutné zdůraznit, že během prováděného experimentu má jeho obsluha jen omezené možnosti opticky kontrolovat aktuální stav namáhaného vzorku a správnou funkci všech použitých senzorů, jelikož samotné měření probíhá v uzavřené stíněné krabici (z důvodu bezpečnosti a elektromagnetického stínění). Obsluha daného experimentu je tak závislá především na plně automatizovaném režimu měření a na charakteristikách vykreslovaných v reálném čase na monitoru řídicího PC (viz kapitola 9) Zpracované výstupy ze zatěžování vzorku R5F (betonový blok) Pro srovnání jsou v této kapitole ještě uvedeny výsledky z mechanického namáhání betonového bloku R5F s celkovými rozměry 100 mm 100 mm 80 mm, který byl zatěžován lineárně rostoucí silou v rozsahu (10 až 80) kn s konstantní nárůstem 11 N/s [A10]. Z grafů na obr je patrné, že přibližně od d = 0,42 mm začíná docházet ke strmému nárůstu počtu detekovaných událostí AE i EME, který byl doprovázen i postupným zakřivováním průběhu zjednodušeného pracovního diagramu zatěžovaného vzorku. Maximální hodnoty sledovaných veličin před celkovou destrukcí betonového bloku byly F = 76,80 kn a d = 0,76 mm Vzorek: R5F (betonový blok) Počet událostí AE: Vzorek: R5F (betonový blok) Počet událostí EME: F / kn N AE / - F / kn N EME / ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 d / mm ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 d / mm Obr Zjednodušené pracovní diagramy a četnosti událostí AE a EME, vzorek R5F. 80

93 U vzorku R5F lze na obr dále pozorovat i výrazné zvýšení průměrné hodnoty doby trvání a doby náběhu měřených událostí AE, což souvisí s rozdílnými rozměry vzorků typu PREFEN a testovaných betonových bloků. Odsud je také patrné, že průměrné hodnoty parametru doba trvání nevykazují v průběhu zatěžování žádný zřejmý trend, zatímco průměrné hodnoty parametrů doba náběhu, špičková amplituda událostí AE a dominantní frekvence jsou různou měrou závislé na rostoucí úrovni deformace vzorku Event Duration / s Rise Time / s Peak Amplitude / mv 200 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 d / mm ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 d / mm Dominant Frequency / khz 20 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 d / mm ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 d / mm Obr Průměrné hodnoty sledovaných parametrů signálů AE, vzorek R5F Vyhodnocování sledovaných parametrů signálů elektromagnetické emise Na následujících obrázcích jsou uvedeny průměrné hodnoty dvou sledovaných parametrů u signálů EME v závislosti na rostoucí deformaci vzorků VE1 (obr ) a R5F (obr ). Z důvodu omezeného počtu detekovaných událostí EME během procesu zatěžování (řádově stovky) není primárním účelem vykreslovaných charakteristik sledovat trend ve vývoji jednotlivých parametrů, ale spíše jejich velikost a rozložení v zobrazeném měřítku. Max. Value / mv ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 d / mm Dominant Frequency / khz ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 d / mm Obr Průměrné hodnoty sledovaných parametrů signálů EME, vzorek VE1. 81

94 Při srovnání grafických výstupů z obou obrázků lze vidět výrazně vyšší průměrné hodnoty parametru maximální amplituda u vzorku VE1 oproti betonovému bloku R5F. To je dáno jednak větší vzdáleností snímacích elektrod kapacitního snímače pro měření rozměrných betonových bloků, ale také rozdílnými mechanismy vzniku trhlin v polymerních kompozitních materiálech vyztužených skelnými vlákny a v kompozitní struktuře testovaného betonu. V případě vzorku VE1 je také patrné, že maximální úroveň měřených signálů EME (včetně zesílení 60 db) často dosahovala limitní hodnoty 2000 mv související s nastaveným napěťovým rozsahem u použité vzorkovací jednotky. Z uvedených obrázků dále vyplývá, že průměrné hodnoty parametru dominantní frekvence naopak nevykazují žádné významné rozdíly mezi oběma měřenými vzorky. Je potřeba vzít také v úvahu, že v případě signálů EME se dominantní frekvence počítá z celé zaznamenané časové realizace o definovaném počtu vzorků a ne pouze z časového intervalu mezi nalezeným počátkem a koncem události jako u akustické emise. Max. Value / mv ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 d / mm Dominant Frequency / khz ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 d / mm Obr Průměrné hodnoty sledovaných parametrů signálů EME, vzorek R5F. V některých případech je výhodné zobrazit do grafu hodnoty zvoleného parametru ze všech signálů detekovaných na daném kanále a ne jenom jejich průměry v definovaném intervalu veličiny na ose X (čas, aplikovaná síla nebo deformace). Příkladem jsou následující obrázky, kde je vždy uvedena závislost dominantní frekvence signálů AE a EME na rostoucí deformaci vzorků VE1 (obr ) a R5F (obr ). V případě signálů AE měřených na kompozitním vzorku VE1 jsou zřetelné dva významné shluky v okolí frekvencí 35 khz a 330 khz. U betonového bloku R5F lze také vidět dva výrazné shluky v okolí frekvencí 40 khz a 335 khz, navíc je zde patrné i široké pásmo často detekovaných dominantních frekvencí v rozmezí 100 khz až 220 khz. Překvapivým závěrem je skutečnost, že v obou uvedených příkladech mají dominantní frekvence měřených signálů EME tendenci shlukovat se do stejných frekvenčních oblastí jako u signálů AE, a to navzdory řádově menšímu počtu detekovaných signálů v kanálu EME oproti kanálu AE. Podrobnému studiu obou měřených signálů ve frekvenční oblasti je věnována celá následující kapitola. Většina parametrů definovaných pro popis signálů EME a AE v časové oblasti ovšem nevykazuje při tomto typu zobrazení tendenci zformovat se do výraznějších shluků jako v případě dominantních frekvencí na analyzovaných obrázcích. Vykreslení řádově tisíců náhodně rozložených bodů do jednoho grafu tak nemá pro vyhodnocování měřených signálů EME a AE významný přínos a častěji jsou používány průměrné hodnoty daného parametru v definovaném intervalu nezávislé veličiny na ose X. 82

95 Dominant Frequency / khz ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 d / mm a) AE Dominant Frequency / khz ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 d / mm b) EME Obr Dominantní frekvence signálů AE a EME, vzorek VE1. Dominant Frequency / khz ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 d / mm a) AE Dominant Frequency / khz ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 d / mm b) EME Obr Dominantní frekvence signálů AE a EME, vzorek R5F Analýza signálů EME a AE ve frekvenční oblasti Speciálnímu případu, kdy stěny trhliny konají po rozevření tlumený kmitavý pohyb, odpovídá tlumený kmitavý průběh snímaného napětí signálu EME (viz příslušné časové průběhy na obr a obr ). U těchto specifických realizací je vhodné provést spektrální analýzu obou měřených signálů, což může přinést další důležité informace o tvorbě trhliny a jejím časovém vývoji. Vznik trhliny v mechanicky zatěžovaném materiálu je obecně náhodný proces. K popisu náhodných signálů ve frekvenční oblasti se obvykle používá spektrální výkonová hustota (PSD), jejíž výpočet vychází z rychlé Fourierovy transformace. Pro výpočet odhadu PSD existuje množství různých metod, z nichž se pro praktické účely jeví jako nejvhodnější způsob skupina tzv. neparametrických metod odhadu PSD (periodogram, Bartlettova metoda a Welchova metoda). Uvedené metody jsou jednoduché na výpočet a přitom poskytují uspokojivé výsledky [80]. Z důvodu reprodukovatelnosti a vzájemného srovnávání výsledků bylo potřeba zvolit jednu metodu a blíže specifikovat její parametry. Navržená metodika spektrální analýzy kmitavých signálů EME a AE vychází z Welchovy metody odhadu PSD s níže popsanými parametry [A11], [A12]: Prvním parametrem je vhodná volba použitého časového okna (tzv. váhovací funkce). Časových oken existuje velké množství a volba závisí vždy na konkrétním řešeném problému. Pro navrženou metodiku bylo zvoleno časové okno typu Hanning. Tato volba se jeví jako nejlepší kompromis mezi chybou v odhadu 83

96 frekvence a amplitudy jednotlivých spektrálních složek a počtem složek, na které se jediná spektrální čára původního signálu rozpadne (důsledkem aplikovaného časového okna). Z hlediska rozlišitelnosti frekvenčně blízkých složek spektra je žádoucí, aby jejich počet byl co možná nejmenší. V případě použití jiné váhovací funkce, než je okno obdélníkové, nemají data ve zpracovávaném segmentu stejnou váhu, což lze kompenzovat jejich vzájemným překrytím. Dá se odvodit, že pro časové okno typu Hanning je tato funkce vyrovnána již při vzájemném překrytí 66,7 % (2/3 délky segmentu) [81]. V konkrétních případech tedy bylo voleno překrytí minimálně 75 %. Jako poslední parametr bylo nutné zvolit délku segmentů, na které je zpracovávaný záznam rozdělen. Jako kompromisní řešení problematiky frekvenčního rozlišení vs. velikost rozptylu výsledného odhadu PSD byla délka segmentu experimentálně nastavena na 512 vzorků (pro záznamy o délce 5000 vzorků a vzorkovací frekvenci 5 MHz). Frekvenční rozlišení je tedy rovno 9,76 khz, což se jeví jako dostačující pro účely následné analýzy. Zvolené řešení je navíc přijatelné i z hlediska výpočetní náročnosti celého procesu spektrální analýzy. Další výhodou navržené metodiky je i skutečnost, že díky segmentaci zpracovávané realizace lze sledovat a vzájemně porovnávat dominantní frekvence signálů EME a AE během celého procesu vzniku trhliny a jejího následného vývoje. Výše popsaná metoda výpočtu odhadu PSD byla aplikována na rozsáhlý soubor měřených signálů EME a AE, a to především na specifickou skupinu časových realizací, kdy signál EME vykazuje tlumený kvaziharmonický průběh. Z vykreslených průběhů spektrální výkonové hustoty obou signálů lze snadno určit jejich dominantní frekvence. Pro přesné určení výrazných frekvenčních složek ze studovaných průběhů PSD je nutné vzít v úvahu i frekvenční rozlišení použité metody výpočtu odhadu PSD, kdy jsou jednotlivé frekvenční složky odečítány s přesností ±9,76 khz. Dalším úkolem v této oblasti bylo sledování závislosti nalezených dominantních frekvencí na čase. Vhodným nástrojem pro časově-frekvenční analýzu studovaných signálů je tzv. spektrogram, který umožňuje sledovat vývoj spektra v čase. Příkladem kompletní časově-frekvenční analýzy specifických průběhů EME a AE jsou příslušné grafy na obr a obr Struktura těchto obrázku je následující: a) Průběhy signálů EME a AE v rámci zaznamenané časové realizace o délce 1 ms, b) detail počátků obou signálů a časové zpoždění mezi nimi, c) spektrogram AE, d) průběh spektrální výkonové hustoty AE, e) spektrogram EME, f) průběh spektrální výkonové hustoty EME. Na základě získaných výsledků lze studované signály rozdělit do dvou charakteristických skupin. Do první skupiny (skupina I) jsou zařazeny detekované události, u kterých má spektrum EME (s výjimkou počátku) pouze jednu dominantní složku, jejíž frekvence se v čase prakticky nemění. Spektrogram AE je naopak charakteristický větším množstvím výraznějších frekvenčních složek, přičemž u složek s vyššími frekvencemi 84

97 dochází zpravidla k jejich postupnému útlumu v čase. Podrobným studiem časových realizací ze skupiny I bylo dále zjištěno, že v některých případech jsou dominantní frekvence obou signálů EME a AE shodné, zatímco zbývající část je naopak specifická rozdílnými dominantními frekvencemi obou emisních signálů. 0.2 EME EME 12.0 U EME / mv U AE / mv U EME / mv U AE / mv -0.4 AE t / µs -0.4 AE t / µs a) Kompletní časové realizace EME a AE. b) Detail počátků EME a AE. f / MHz f / MHz 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, ,2 0,4 0,6 0,8 1 t / ms 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 c) Spektrogram AE ,2 0,4 0,6 0,8 1 t / ms e) Spektrogram EME db db Su / V 2.s Su / V 2.s ,2 0,4 0,6 0,8 1 f / MHz d) PSD signálu AE ,2 0,4 0,6 0,8 1 f / MHz f) PSD signálu EME. Obr Časově-frekvenční analýza signálů EME a AE, skupina I, vzorek VE1. Do druhé kategorie (skupina II) spadají zaznamenané realizace, u nichž obsahuje spektrum EME kromě dominantní frekvence také několik dalších výraznějších složek, které jsou navíc často také jistými násobky odečtené dominantní frekvence. Ve spektru signálu AE je v tomto konkrétním případě rovněž možné rozlišit více frekvenčních složek, 85

98 a to opět v jisté vazbě na odečtenou dominantní frekvenci. Podobně jako u skupiny I, byly i zde zaznamenány průběhy jak se shodnou, tak i s rozdílnou dominantní frekvencí signálů EME a AE. U realizací ze skupiny II lze navíc podrobněji studovat souvislost mezi zjištěnými výraznými frekvencemi obou signálů, což může dále přispět k pochopení procesů, při kterých dochází ke vzniku kmitavých průběhů se specifickými parametry. 0.6 EME EME U EME / mv AE t / µs U AE / mv U EME / mv AE t / µs U AE / mv a) Kompletní časové realizace EME a AE. b) Detail počátků EME a AE. f / MHz f / MHz 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, ,2 0,4 0,6 0,8 1 t / ms 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 c) Spektrogram AE ,2 0,4 0,6 0,8 1 t / ms e) Spektrogram EME db db Su / V 2.s Su / V 2.s ,2 0,4 0,6 0,8 1 f / MHz d) PSD signálu AE ,2 0,4 0,6 0,8 1 f / MHz f) PSD signálu EME. Obr Časově-frekvenční analýza signálů EME a AE, skupina II, vzorek VE1. 86

99 10.5 Spojitá elektromagnetická a akustická emise Dosud prezentovaná metodika zpracování a následného vyhodnocování EME a AE vychází z předpokladu, že typické události obou emisních signálů detekované během mechanického zatěžování vzorků mají diskrétní charakter a je u nich tedy možné vizuálně (nebo pomocí software) určit jejich počátek a konec v rámci zaznamenané časové realizace. Příkladem mohou být časové průběhy měřených emisních signálů na obr. 9.9 v kapitole 9. Tomuto předpokladu byl přizpůsoben i vytvořený obslužný software, který v rámci zaznamenaného úseku signálu pevné délky automaticky vyhledává počátek typické emisní události na daném kanálu a v případě jeho nalezení jsou následně určeny i zbývající parametry definované pro popis signálů EME a AE v časové oblasti (viz kapitoly a ). Počet vzorků zaznamenaných po překročení zadané úrovně napětí na spouštěcím kanále byl nastaven na základě experimentálních zkušeností na hodnotu 3500, případně Při nejčastěji používané vzorkovací frekvenci 5 MHz jsou tedy zpracovávány časové realizace o délce 750 µs, resp. 1 ms. Takto nastavený časový interval se jeví jako dostatečný pro kompletní záznam delších průběhů AE měřených na objemnějších betonových vzorcích a zároveň během něj nedochází (v širokém rozsahu zatěžování) k častějšímu výskytu více typických událostí v rámci zpracovávaného časového průběhu. V případě několikanásobného výskytu kratších událostí v jedné časové realizaci může totiž použitý algoritmus špatně vyhodnotit hledané parametry u první nalezené události. Navíc dochází k započítání pouze jednoho výskytu typické události na daném kanále, což by ve výsledku mohlo zkreslovat vyhodnocování průběhu prováděného experimentu. Z vyhodnocování velkého množství experimentálních dat bylo zjištěno, že několikanásobné výskyty typických událostí ve zpracovávané časové realizaci se objevují až ve velmi pokročilé fázi mechanického zatěžování. V prezentovaných zjednodušených pracovních diagramech se jedná o oblast výrazné plastické deformace vzorku, typicky těsně před jeho celkovou destrukcí. Z uvedených důvodů je v případech zničení vzorku manuálně zvolena hranice (čas, velikost síly nebo deformace), za kterou jsou již měřená data odstraněna z procesu automatického zpracování a následného vyhodnocování. Pro podrobnější studium časových průběhů spojitých signálů EME a AE během probíhající destrukce namáhaných kompozitních materiálů bylo realizováno několik specificky navržených experimentů. Vybrané vzorky byly nejprve zatěžovány standardním způsobem, tedy lineárně rostoucí silou s konstantním nárůstem 12 N/s a s ocelovými trámečky umístěnými mezi vzorkem a čelistmi lisu. Po dosažení výraznější plastické deformace vzorků došlo k manuálnímu ukončení automatizovaného procesu měření, čímž se zabránilo jejich celkové destrukci. Další fáze spočívala v opětovném mechanickém namáhání dříve poškozených vzorků podle stejné zatěžovací charakteristiky, tentokrát ovšem bez ocelových trámečků a s odlišným nastavením základních parametrů u použité vzorkovací jednotky. Při mechanickém zatěžování již porušených materiálů typu PREFEN začnou postupně převažovat jejich závažné vnitřní poruchové mechanismy, jako je například delaminace, které jsou typicky doprovázeny extrémně silnými signály EME a AE a jejich postupným přechodem z diskrétní do spojité formy detekovaných časových průběhů. Aby nedocházelo k omezení amplitudy měřených signálů ve druhé fázi zatěžování, byl vstupní napěťový rozsah u osciloskopické karty NI PCI-6111 nastaven na maximální hodnotu ±10 V. Pro případnou analýzu měřených spojitých průběhů byla také 87

100 nastavena délka zaznamenávaných časových realizací na maximální hodnotu vzorků, což při vzorkovací frekvenci 5 MHz představuje časový interval o délce 100 ms. Následující grafické výstupy prezentují průběh a ukázky výsledků výše popsaných experimentů na jednom konkrétním příkladu. Na obr jsou nejprve uvedeny zjednodušené pracovní diagramy z první i druhé fáze mechanického zatěžování vzorku PE2 (kombinace polyester-e sklo) PRVNÍ FÁZE ZATĚŽOVÁNÍ F = 45,37 kn F = 45,55 kn DRUHÁ FÁZE ZATĚŽOVÁNÍ F / kn Vzorek: PE2 (polyester-e sklo) Maximální deformace: 0,56 mm Maximální síla: 86,53 kn F / kn Vzorek: PE2 (polyester-e sklo) Maximální deformace: 5,62 mm Maximální síla: 46,81 kn ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 d / mm a) První fáze zatěžování d / mm b) Druhá fáze zatěžování. Obr Zjednodušené pracovní diagramy z první a druhé fáze zatěžování vzorku PE2. Na zjednodušeném pracovním diagramu z druhé fáze zatěžování vzorku PE2 lze postupně sledovat rychlou skokovou změnu měřené deformace při aplikované síle F = 31 kn, po které následovalo dočasné zpevnění materiálu ukončené až další skokovou změnou deformace při F = 45 kn, v jejímž důsledku došlo vzápětí také k celkové destrukci namáhaného vzorku. Na následujících obrázcích je vidět ukázka časových průběhů spojitých signálů EME (obr ) a AE (obr ) o délce 100 ms zaznamenaných na počátku výrazné skokové změny deformace, která předcházela zničení vzorku PE U EME / mv t / ms Obr Ukázka spojitého signálu EME, vzorek PE2, F = 45,37 kn. 88

101 10 U AE / mv t / ms Obr Ukázka spojitého signálu AE, vzorek PE2, F = 45,37 kn. Na obr jsou dále pro ilustraci uvedeny dva vybrané detaily ze spojitého signálu EME prezentovaného výše. Z časové realizace v části (a) je patrné, že v tomto konkrétním případě lze ještě vizuálně rozlišit počátky a konce jednotlivých typických událostí EME v rámci zobrazeného časového průběhu, nicméně softwarové vyhledávání a parametrizace individuálních událostí by už byly poměrně komplikované. V části (b) je vidět detail nejvíce intenzivní elektromagnetické emise, která svou amplitudou významně převyšuje zbývající události v zaznamenané realizaci. U EME / mv 0,5 0-0, t / ms a) U EME / mv ,2 43,4 43,6 43,8 44 t / ms b) Obr Detaily spojitého signálu EME, vzorek PE2, F = 45,37 kn. Spojité signály EME (obr ) a AE (obr ) byly detekovány v pokročilejší fázi skokové změny deformace před zničením vzorku. Při porovnání signálu EME se spojitým signálem z obr je u něj na první pohled zřejmý nárůst intenzity událostí EME včetně jejich amplitudy. Ve zjednodušeném pracovním diagramu na obr (b) jsou šipkami přesně vyznačeny body, ve kterých došlo k záznamu obou uvedených spojitých signálů EME. Maximální hodnoty sledovaných veličin před zničením vzorku byly v tomto případě F = 46,81 kn a d = 5,62 mm. 89

102 3 2 1 U EME / mv t / ms 20 Obr Ukázka spojitého signálu EME, vzorek PE2, F = 45,55 kn. 10 U AE / mv t / ms Obr Ukázka spojitého signálu AE, vzorek PE2, F = 45,55 kn. Na obr jsou pro ilustraci zobrazeny také dva náhodně vybrané detaily z výše uvedeného spojitého signálu EME. V obou případech je zjevné, že zde již není ani vizuálně možné jednoznačně rozlišit jednotlivé události EME, jelikož se jejich časové průběhy vzájemně více či méně překrývají U EME / mv 1 0 U EME / mv t / ms , , ,5 24 t / ms a) b) Obr Detaily spojitého signálu EME, vzorek PE2, F = 45,55 kn. 90

103 11 VYHODNOCENÍ PRIMÁRNÍCH PARAMETRŮ MIKROTRHLIN V kapitole 8.2 byly postupně analyzovány jednotlivé části měřicího kanálu EME podle náhradního elektrického schématu na obr. 8.7 a byly zde také teoreticky odvozeny odpovídající přenosové funkce (8.12), (8.29), (8.33). Výsledná rovnice (8.34) umožňuje transformaci časově proměnného napětí z výstupu měřicího kanálu EME na primární sledovanou veličinu, kterou je časová změna celkového elektrického dipólového momentu souvisejícího s registrovanou mikrotrhlinou. Pro tyto účely je ovšem nezbytné znát velmi přesně hodnoty všech fyzikálních veličin a obvodových prvků vystupujících v dílčích přenosových funkcích, což může být poměrně obtížné vzhledem ke složitosti kompletního přenosového systému kanálu EME. Problémem je především odhad parazitních parametrů jednotlivých komponent, zkreslení signálů způsobené přenosovými koaxiálními kabely a přívody, charakteristiky použitého zesilovače a integrované banky filtrů, ale také frekvenční závislost náhradních parametrů kapacitního snímače diskutovaná v kapitole 8.3. Doposud navíc nebylo bráno v úvahu zkreslení signálu způsobené použitou vzorkovací jednotkou. Aby nedocházelo k matoucímu přidávání většího počtu rozlišujících indexů k popisu sledovaných veličin v následujících rovnicích a schématech, bude od této kapitoly dále pod symbolem p vždy explicitně myšlena velikost normálové složky celkového elektrického dipólového momentu trhliny p, a to v souladu s teoretickými odvozeními z části c 11.1 Experimentální ověření přenosové funkce měřicího kanálu EME Z výše uvedených důvodů vyvstala potřeba pro rozpracování univerzálního postupu k experimentálnímu ověření matematicky odvozených přenosových funkcí sestaveného měřicího kanálu EME [A1]. Základem navrženého řešení je experimentální měření modulu přenosové funkce K u f i j definované na základě přenosového systému z obr. 8.12, a to prostřednictvím zdroje proudu připojeného přímo ke svorkám kapacitního snímače (viz obr. 11.1). Zdroj proudu byl realizován pomocí napěťového generátoru Agilent 33220A zapojeného do série s odporem R S = 600 MΩ. Obr Náhradní elektrické schéma experimentálního měření přenosové funkce kanálu EME. Ze známého časového průběhu napětí u 0 (t) na výstupu generátoru (např. bílý šum definované úrovně), resp. jeho spektrální výkonové hustoty S ( ), je možné určit průběh spektrální výkonové hustoty proudu přivedeného ke svorkám snímače EME podle vztahu 91 u 0

104 S ( ) Si ( ), (11.1) u0 2 ZS kde Z S je impedance paralelního spojení odporu R S určeného pro realizaci zdroje proudu a parazitní kapacity C S. Uvedenou impedanci lze matematicky vyjádřit ve tvaru kde m R S Z S, (11.2) 1 j S 1 S a f m reprezentuje mezní frekvenci RC členu tvořeného sériovým 2 f odporem R S a parazitní kapacitou C S. Analýzou získaných výsledků bylo zjištěno, že mezní frekvence RC členu f m je přibližně 8 khz, což při R S = 600 MΩ určuje velikost parazitní kapacity C S na hodnotu asi 33 ff. Odezvou měřicího kanálu EME na vstupní proud i(t) je časově proměnné napětí u f (t) detekované na vstupu použité vzorkovací jednotky. Z měřeného časového průběhu výstupního napětí u f (t), resp. jeho spektrální výkonové hustoty S u f ( ), lze určit modul hledané přenosové funkce podle vztahu Su ( ) f K u j f i. (11.3) S ( ) Dosazením přenosových funkcí (8.12) a (11.3) do rovnice K uf p r j K j K j j K j i ip uf i uf i, (11.4) d která vychází ze vztahu (8.34), lze vzájemně srovnávat moduly experimentálně zjištěných přenosových funkcí a jejich teoreticky odvozené varianty získané dosazením jednotlivých veličin a obvodových prvků do rovnic (8.12), (8.29) a (8.33). Hodnoty všech dosazovaných proměnných jsou uvedeny v kapitole Ze získaných výsledků (viz obr a obr. 11.3) je patrné, že v tomto konkrétním případě bylo dosaženo velmi dobré shody mezi experimentálně měřenými a matematicky odvozenými průběhy sledovaných přenosových funkcí [A1]. K uf i (j) / f / Hz Teoretická simulace Experimentálně změřeno K uf p (j) / F-1.m f / Hz Teoretická simulace Experimentálně změřeno Obr Modul přenosové funkce ze vstupního proudu generovaného trhlinou na napětí získané na výstupu měřicího kanálu EME. Obr Modul přenosové funkce z dipólového momentu trhliny na napětí získané na výstupu měřicího kanálu EME. 92

105 Na základě výše uvedeného rozboru byla pro prováděné experimenty navržena následující metodická doporučení: a) Před samotným mechanickým zatěžováním vzorků kompozitních materiálů je vhodné vždy nejprve experimentálně ověřit průběh matematicky odvozené přenosové funkce pro zvolenou konfiguraci měřicího kanálu EME. To ve výsledku umožňuje poměrně snadnou verifikaci dosazovaných veličin a obvodových prvků vystupujících nejenom v přenosové funkci (8.34), ale současně i v diferenciální rovnici (8.23). Při znalosti všech koeficientů vystupujících v uvedené diferenciální rovnici a napětí u(t) na vstupních svorkách předzesilovače EME je možné zpětně vyhodnotit časové průběhy primární veličiny související s registrovanou trhlinou (kap. 11.3). Experimentálně zjištěná přenosová funkce měřicího kanálu EME navíc umožňuje z napětí u f (t) měřeného na jeho výstupu jednoduše vyhodnotit také spektrální výkonovou hustotu sledované primární veličiny (kap. 11.2). b) Z hlediska volby vhodného časového průběhu referenčního budícího signálu na výstupu generátoru G (obr. 11.1) se nejvíce osvědčilo použití signálu ve formě bílého šumu definované úrovně. Oproti jiným alternativám, jako je například jednotkový skok, nabízí tato varianta nejlepší šířku pásma pro účely následného zpracování signálů. c) Experimentální měření přenosové funkce kanálu EME před začátkem zatěžování vzorků lze navíc využít i pro eliminaci vlivu jednotlivých obvodových prvků sestaveného přenosového systému na výsledný tvar měřených signálů EME. Díky tomu je možné do budoucna uvažovat také s implementací vhodných algoritmů pro automatickou korekci zaznamenané EME jak v časové, tak i ve frekvenční oblasti Vyhodnocení spektrální výkonové hustoty elektrického dipólového momentu Ze znalosti experimentálně zjištěné přenosové funkce j K u f p pro zvolenou konfiguraci měřicího kanálu EME a spektrální výkonové hustoty časových realizací výstupního napětí S ( ) je možné zpětně vyhodnocovat spektrální výkonovou hustotu u f celkového elektrického dipólového momentu S p (ω) souvisejícího s registrovanou trhlinou. Uvedenou transformaci lze provést podle vztahu Su ( ) f S p ( ). (11.5) K uf p j 2 Pro následné zpracování byly použity časové průběhy spojitých signálů EME měřených v pokročilé fázi zatěžování kompozitního vzorku PE2 (polyester-e sklo). Podrobnější informace o průběhu mechanického zatěžování vzorku PE2 jsou uvedeny v kapitole 10.5, kde je daný experiment podrobně rozebírán v souvislosti s detekcí spojitých signálů EME a AE se specifickou délkou záznamu (v tomto případě 100 ms). Příkladem zpracovávaných signálů EME jsou časové realizace z obr a obr , ve kterých je možné sledovat množství individuálních událostí EME ve formě náhodných pulzů (vznik trhlin je náhodný proces). Na obr jsou uvedeny průběhy spektrální 93

106 výkonové hustoty vybraných signálů EME detekovaných při rozdílné úrovni aplikované mechanické zátěže. Pro ilustraci je zde také zobrazena spektrální výkonová hustota vlastního šumového pozadí zaznamenaného na výstupu měřicího kanálu EME před začátkem samotného experimentu, tedy bez působení externí mechanické zátěže. Odpovídající spektrální výkonové hustoty celkového elektrického dipólového momentu porušené oblasti, vypočtené podle vztahu (11.5), lze sledovat na obr S uf / V 2.s F = 40,1 kn F = 45,1 kn F = 45,5 kn pozadí S p / C 2.m 2.s F = 40,1 kn F = 45,1 kn F = 45,5 kn f / Hz Obr Spektrální výkonová hustota napětí na výstupu kanálu EME, vzorek PE f / Hz Obr Spektrální výkonová hustota dipólového momentu trhliny, vzorek PE2. Z obou grafů je dále patrné, že hodnota spektrální výkonové hustoty se s rostoucím namáháním vzorku zvyšuje, což souvisí především s rostoucí intenzitou a detekovanou úrovní elektromagnetické emise v rámci zaznamenané časové realizace. Na základě výsledků získaných během řady prováděných experimentů nebyly zaznamenány další významnější změny specifického průběhu výkonových spektrálních charakteristik v důsledku většího poškození zatěžovaného vzorku Vyhodnocení časových průběhů elektrického dipólového momentu Kromě spektrální výkonové hustoty celkového elektrického dipólového momentu registrované trhliny S p (ω) lze z časových realizací EME zaznamenaných na výstupu měřicího kanálu EME zpětně vyhodnotit také jeho časový průběh p(t). K tomuto účelu je možné využít přenosovou funkci (8.34), nicméně při samotné realizaci požadované transformace na konkrétním souboru měřených dat vyšlo najevo několik problémů souvisejících především s numerickým řešením dílčích transformací mezi frekvenčními a časovými obrazy veličin vystupujících ve vztahu (8.34). Z uvedených důvodů byla nakonec pro vyjádření hledané transformace navržena metodika, která je založená na numerickém řešení diferenciální rovnice (8.23) odvozené v kapitole Blokové schéma popisující přechod mezi časovými průběhy sledovaných veličin U EME (t) a p(t) je uvedeno na obr Jako první dochází k základnímu předzpracování signálů elektromagnetické emise zaznamenaných na výstupu měřicího kanálu EME. Jedná se zejména o úpravy související s eliminací nežádoucích součástí detekovaných signálů, které by mohly výrazněji znehodnotit následné operace s těmito signály (především samotný proces numerického integrování). 94

107 Obr Blokové schéma pro vyjádření transformace mezi U EME (t) a p(t). Diferenciální rovnice (8.23) popisuje souvislost mezi primární zdrojovou veličinou trhliny p(t) a napětím u(t) detekovaným na vstupních svorkách předzesilovače EME. Po dvojím integrování obou stran uvedené diferenciální rovnice dostáváme nejprve vztah dp dt a následně výsledný tvar A H du dt B H u( t) D H u( t)dt (11.6) A B D p( t) u( t) u( t)dt u( t)dt dt, (11.7) H H H kde koeficienty rovnice (A, B, D a H) jsou určeny pomocí obvodových prvků uvedených v náhradním elektrickém schématu měřicího obvodu EME podle obr. 8.8 v kapitole V případě koeficientu H je také zohledněna souvislost mezi zdrojovými veličinami i(t) a p(t) vyplývající ze vztahu (8.10). Pravá strana rovnice (11.7) je dána součtem tří členů, a to detekovaným napětím u(t) a jeho průběhem po první a druhé časové integraci. Numerické řešení této rovnice, stejně jako samotného procesu transformace mezi časovými průběhy veličin U EME (t) a p(t) podle obr. 11.6, bylo realizováno prostřednictvím pomocného software v prostředí MATLAB. Ukázka popsané transformace je uvedena na obr. 11.7, kde jsou vidět tři vybrané detaily časových průběhů U EME (t) a p(t) o délce 6 ms, které byly získány během pokročilé fáze zatěžování kompozitního vzorku PE2. V souladu s navrženým modelem generování EME (viz kap. 8.1) předpokládáme, že během procesu mechanického zatěžování vzorku dochází v jeho vnitřní struktuře ke vzniku trhlin, které mohou mít náhodně orientované elektrické dipólové momenty vzhledem k elektrodám kapacitního snímače. Pokud v určitém čase zrovna nedochází ke vzniku trhliny, lze očekávat jistou konstantní měřenou úroveň celkového elektrického dipólového momentu (zanedbáváme náhodné fluktuace vlivem tepelného pohybu). V okamžiku vzniku trhliny se tento celkový elektrický dipólový moment mění v čase, a to v důsledku vzájemného pohybu nabitých stěn rozvíjející se trhliny. Po ustálení pohybu nabitých stěn trhliny je celkový elektrický dipólový moment opět konstantní, jeho velikost je však odlišná od stavu před začátkem procesu vzniku sledované trhliny (předpokládáme, že se aktivní trhlina úplně neuzavře). Z výše uvedeného rozboru tedy vyplývá, že v případě vzniku jednotlivých izolovaných trhlin v namáhaném materiálu můžeme předpokládat přibližně schodovitý průběh celkového elektrického dipólového momentu (náhodně rostoucí nebo klesající podle polarity náboje na stěnách trhliny) s případnými překmity, 95

108 nebo naopak s jeho postupným ustalováním na jednotlivých konstantních hodnotách. Tomuto předpokladu odpovídají i následující vybrané časové průběhy U EME (t) a p(t). 1,0 EME 0,6 U EME / mv 0,0-1,0 0,3 0,0 p / 1E-15 C.m p -2,0-0,3 13,5 14,5 15,5 16,5 17,5 18,5 19,5 t / ms a) 1,2 0,6 EME 0,8 0,6 U EME / mv 0,0-0,6-1,2-1,8 p t / ms 0,4 0,2 0,0-0,2 p / 1E-15 C.m b) 1,8 1,2 EME 0,8 0,6 U EME / mv 0,6 0,0-0,6-1,2 p t / ms 0,4 0,2 0,0-0,2 p / 1E-15 C.m c) Obr Vybrané detaily časových průběhů U EME (t) a p(t), vzorek PE2, F = 45,42 kn. 96

109 12 ZDROJE EME VE VLÁKNOVÝCH POLYMERNÍCH KOMPOZITECH Pro pochopení procesů, při kterých dochází ke vzniku elektromagnetické emise během mechanického zatěžování vláknových polymerních kompozitů, je vhodné se nejprve zaměřit na podrobné studium jevu EME v průběhu namáhání jednotlivých složek těchto moderních materiálů, tedy použité matrice a zvolené vláknové výztuže. Za tímto účelem byla připravena sada vzorků samostatných polymerních matric nejčastěji využívaných při výrobě pultruzí tažených kompozitních materiálů PREFEN. K dispozici byla také řada vzorků používané vláknové výztuže ve formě textilie, plošných rohoží, případně delších svazků vláken daného typu výztuže. Následující experimenty bylo možné realizovat především díky spolupráci s firmou PREFA KOMPOZITY, a.s., která nám poskytla uvedenou sadu vzorků z jednotlivých materiálů používaných při komerční výrobě kompozitních materiálů PREFEN Studium elektromagnetické emise v polymerní matrici Z dodaných kusů materiálů určených pro tvorbu matrice u VPK byly připraveny menší vzorky ve tvaru kvádru (obr. 12.1) o rozměrech přibližně 40 mm 70 mm 10 mm, což je limitováno rozměry a provedením kovového držáku, který je součástí kapacitního snímače EME (obr. 8.1). Testovanými materiály byly vinylester, polyester a epoxid, přičemž jejich zatěžování probíhalo v celém rozsahu hydraulického lisu (15 až 100) kn s konstantním nárůstem síly. Ve většině případů byl proces zatěžování ukončen až po celkové destrukci vzorku. Zjednodušené pracovní diagramy polymerních materiálů z jedné sady prováděných měření jsou uvedeny na obr F / kn MATRICE VINYLESTER 20 POLYESTER EPOXID d / mm Obr Vzorky materiálů pro tvorbu matric u VPK před jejich zatěžováním. Obr Zjednodušené pracovní diagramy materiálů pro tvorbu matric u VPK. Prezentované zjednodušené pracovní diagramy dobře ilustrují jednak vysokou plasticitu materiálů používaných pro tvorbu matrice u VPK, ale také vzájemné rozdíly v materiálových vlastnostech vinylesterové, polyesterové a epoxidové matrice. Z výsledků měření aktivity EME a AE během mechanického zatěžování čtyř kompletních sad vzorků samostatných polymerních matric bylo vyvozeno několik zajímavých závěrů. Prvním překvapivým výstupem je experimentálně ověřená skutečnost, že i přes výraznou plastickou deformaci testovaných polymerních materiálů byla intenzita detekovaných 97

110 událostí AE i EME velmi nízká. V porovnání se zatěžováním vzorků kompozitních materiálů z předcházející kapitoly se jedná o pokles o jeden až dva řády, tedy desítky až maximálně jednotky stovek událostí AE zaznamenaných v celém průběhu prováděných experimentů. Příkladem mohou být výsledky namáhání čtyř vzorků vinylesterové matrice (V1 V4), které byly zatěžovány s lineárně rostoucím přírůstkem síly v hydraulického lisu. Strmost nárůstu aplikované síly byla u každého vzorku odlišná a závisela na uživatelem nastavené maximální zátěži (viz legenda u obr. 12.3). Doba zatěžování byla vždy stejná (7200 s), přičemž u jednotlivých vzorků došlo během této doby buď k jejich celkové destrukci (DV destrukce vzorku), nebo byl naopak proces zatěžování předčasně ukončen (PU předčasné ukončení) a nedošlo tak ke zničení testovaných materiálů. Zjednodušené pracovní diagramy z měření jedné sady vinylesterových matric jsou uvedeny na obr V legendě tohoto grafu je pro jednotlivé vzorky uveden také celkový počet zaznamenaných událostí AE. Rozložení detekovaných událostí AE během procesu zatěžování ilustruje graf na obr. 12.4, kde je vykreslen zjednodušený pracovní diagram vzorku V2 a četnost výskytu událostí AE. Každý sloupec histogramu reprezentuje počet událostí AE zaznamenaných během nárůstu deformace vzorku o 50 µm. Z uvedeného grafu je patrné, že signály AE byly detekovány až během pokročilé fáze zatěžování vzorku (viz výrazné zakřivení průběhu zjednodušeného pracovního diagramu) a k jejich významnějšímu nárůstu došlo těsně před jeho destrukcí. Maximální hodnoty sledovaných veličin před zničením vzorku V2 byly F = 80,92 kn a d = 4,59 mm. F / kn VZORKY VINYLESTEROVÉ MATRICE 30 V1-15,3 N/s (DV) událostí AE V2-13,9 N/s (DV) událostí AE 20 V3-12,5 N/s (PU) - 79 událostí AE V4-11,1 N/s (PU) událostí AE d / mm Obr Zjednodušené pracovní diagramy z měření jedné sady vinylesterových matric. F / kn Vzorek: V2 (vinylester) Počet událostí AE: d / mm Obr Zjednodušený pracovní diagram a četnost výskytu událostí AE, vzorek V N AE / - Překvapivé výsledky přinesla také podrobná analýza časových průběhů měřených signálů EME. I přes velmi nízkou intenzitu detekovaných emisních událostí zde bylo možno rozlišit tři rozdílné mechanismy, v jejichž důsledku docházelo k záznamu výraznějších časových průběhů v kanálu EME. První mechanismus je poměrně častým jevem ve většině prováděných experimentů, nicméně v této práci ještě nebyl uveden. Jedná se o záznam rušivých impulzních signálů indukovaných do kanálů EME a AE z rozvodné sítě. Tento typ rušení lze vizuálně velmi lehce rozlišit od signálů generovaných v důsledku vzniku mikrotrhlin ve vnitřní struktuře namáhaných materiálů. Jak je vidět na obr. 12.5, toto rušení se objevuje ve stejný okamžik na všech aktivních kanálech a je specifické velmi krátkou dobou trvání a velmi podobným 98

111 tvarem časových průběhů detekovaných ve sledovaných kanálech. V případech, kdy je k dispozici pouze malé množství zaznamenaných událostí EME, je nutné tyto rušivé signály (pokud se během daného experimentu vyskytovaly) manuálně vyřadit z dalšího zpracování, aby nedošlo ke zkreslení vyhodnocovaných dat. 0,6 EME 1,5 0,6 EME 1,2 0,0 1,0 0,0 0,8 U EME / mv -0,6-1,2 0,5 0,0 U AE / mv U EME / mv -0,6-1,2 0,4 0,0 U AE / mv -1,8 AE -0, t / µs -1,8 AE -0, t / µs Obr Rušivé impulzní signály indukované do kanálů EME a AE z rozvodné sítě. Časové průběhy z obr reprezentují odlišný mechanismus vzniku signálů detekovaných na kanálu EME. Tento mechanismus se projevuje extrémně silnými signály AE, jejichž amplituda leží mimo obvykle nastavený napěťový rozsah vzorkovací jednotky (viz omezení průběhů AE na obr. 12.6), ale také opožděným výskytem signálu na kanálu EME, který má vždy rozkmitaný charakter. 0,6 EME 60 0,1 EME 60 0,0 40 0,0 40 U EME / mv -0,6-1, U AE / mv U EME / mv -0,1-0, U AE / mv AE AE -1, , t / µs t / µs Obr Ukázka sekundárně generované EME v materiálech pro tvorbu matrice. Zpoždění signálu na kanálu EME vůči detekované akustické emisi je zcela v rozporu se všemi prezentovanými modely trhlinami generované EME v mechanicky zatěžovaných materiálech. Zkušenosti z experimentální části řešení předkládané disertační práce vedly k následujícímu vysvětlení tohoto jevu. V případě extrémně silných signálů AE může docházet k částečnému přenosu intenzivního mechanického kmitání na povrchu vzorku do samotného snímače EME (především do jeho nastavitelné elektrody). Následné rozkmitání nabitých elektrod deskového kondenzátoru by vedlo právě ke vzniku kmitavého průběhu na kanálu EME, a to s určitým časovým zpožděním vůči detekované AE, která danou sekundární elektromagnetickou emisi vyvolala. Uvedené vysvětlení podporuje i viditelná souvislost mezi dominantní frekvencí obou měřených emisních signálů (viz obr. 12.6). 99

112 Výše popsaný mechanismus byl často pozorován při vyhodnocování diskrétních i spojitých emisních signálů zaznamenaných během mechanického zatěžování materiálů určených pro tvorbu matrice. Výskyt tohoto mechanismu naopak nebyl zaznamenán u diskrétních ani spojitých signálů EME a AE měřených při namáhání vzorků VPK, přičemž ale mohlo docházet k jeho maskování v nepřehledném časovém průběhu spojitých emisních signálů během pokročilé plastické deformace vzorků před jejich celkovou destrukcí. Důvod častého výskytu sekundárně generované EME u zatěžovaných materiálů pro tvorbu matrice nejspíše souvisí s odlišnými deformačními a lomovými mechanismy v samotné matrici a ve vzorcích VPK. Primárním účelem experimentů se zatěžováním materiálů samostatných matric bylo určit, jakou měrou přispívá proces vzniku trhlin v matrici k výsledné intenzitě detekovaných událostí EME během namáhaní vzorků VPK, případně zda lze na základě podrobné analýzy zaznamenaných signálů v časové a frekvenční oblasti tento poruchový mechanismus rozpoznat. Překvapivým závěrem v této oblasti je experimentálně ověřená skutečnost, že i přes výraznou plastickou deformaci materiálů matric a jejich následné zničení dochází k záznamu naprosto zanedbatelného množství trhlinami generovaných událostí EME. Při manuálním zpracování výsledků z mechanického zatěžování čtyř připravených souborů vinylesterových, polyesterových a epoxidových matric byly nalezeny pouze řádově jednotky průběhů diskrétních signálů EME a AE (obr. 12.7), které prokazatelně nesouvisí s rušivými mechanismy popsanými v této kapitole. Častější výskyt EME nelze potvrdit ani v případě spojitých signálů zaznamenaných během destrukce vzorků. Případné výskyty EME jsou zde totiž maskovány extrémně silnými signály, které nejspíše souvisejí se specifickými deformačními a lomovými mechanismy v průběhu destrukce vzorků samostatné matrice. U EME / mv 0,1 0,0-0,1-0,2-0,3 AE EME 7,5 5,0 2,5 0,0-2, t / µs U AE / mv U EME / mv 0,7 0,0-0,7-1,4 AE EME t / µs 0 U AE / mv Obr Ukázka diskrétních signálů EME a AE v materiálech pro tvorbu matrice Studium elektromagnetické emise ve vláknové výztuži Pro měření signálů EME při tahovém namáhání vzorků vláknové výztuže testovaných kompozitů je použito zařízení, jehož blokové schéma je uvedeno na obr Vlastní aparatura pro trhání vláknové výztuže je umístěna v kovové schránce z důvodu elektromagnetického stínění. Uvnitř stíněné schránky jsou dvě čelisti, z nichž jedna je pohyblivá a druhá pevná. Mechanické ovládání posunu pohyblivé čelisti (otočný šroub) je vyvedeno mimo schránku. Vláknový vzorek je vložen do skleněné trubice procházející 100

113 skrze kapacitní senzor a na obou koncích je poté pevně uchycen mezi čelisti, které jsou dodatečně uzemněny. Kapacitní senzor se skládá ze dvou elektrod, přičemž jedna z nich je tvořena ocelovým pláštěm s otevíratelným víkem a je uzemněna, zatímco druhá elektroda je od pláště oddělena vhodným dielektrikem. V průběhu měření je v prostoru mezi elektrodami umístěn testovaný vláknový vzorek. Ve vnějším plášti kapacitního snímače jsou dva otvory pro průchod vzorku (často ještě ve skleněné trubici). K pevné čelisti je možno připevnit také piezoelektrický senzor pro snímání akustické emise. Ve stěnách vnější kovové schránky jsou průchodky a konektory pro připojení přenosových kabelů na použité nízkošumové předzesilovače. Při posunu pohyblivé čelisti dojde k přetržení vláknového vzorku a na elektrodách kapacitního snímače je indukován elektrický náboj, který je měřicím zařízením zesílen, digitalizován, vyhodnocen a následně uložen v řídicím PC pro účely dalšího zpracování. V průběhu měření je možné sledovat aktuální detekované signály na obrazovce dvoukanálového osciloskopu, případně již v digitalizované podobě na monitoru u řídicího PC. Obr Aparatura pro trhání vláknové výztuže. Z důvodu velmi malých průřezů jednotlivých vláken byly vzorky testované výztuže připraveny ve formě svazků obsahujících řádově desítky samostatných vláken. Prováděné experimenty byly nejprve zaměřeny na mechanické namáhání vzorků skelné výztuže. Ukázky typických časových průběhů EME zaznamenaných během lomu skleněných vláken jsou uvedeny na obr ,3 EME 0,2 EME U EME / mv 0,0 U EME / mv 0,0-0,2-0, t / µs -0, t / µs Obr Typické průběhy EME zaznamenané při lomu skleněných vláken (E sklo). 101

114 Při porušení skleněných vláken (E sklo) tahovým namáháním byly generovány dosti intenzivní signály EME ve tvaru ostrých impulsů s exponenciálním týlem, a to nejčastěji ve formě samostatných impulzů odpovídajících lomu jednotlivých vláken, nebo jako sled impulzů v případě postupného trhání vláken ve svazku (obr. 12.9). Prostřednictvím uvedené aparatury byly postupně sledovány signály EME generované při lomu skleněných, uhlíkových, kevlarových a čedičových svazků vláken. Současně byl snímán také signál akustické emise, a to pomocí piezoelektrického senzoru připevněného k pevné čelisti sloužící pro uchycení namáhaného svazku vláken. Průřezy samostatných vláken testované výztuže byly přibližně 24 μm (E sklo), 7 μm (uhlík), 5 μm (kevlar) a 15 μm (čedič). Ze získaných experimentálních výsledků jednoznačně vyplývá, že lomové procesy u všech typů studované vláknové výztuže jsou doprovázeny výraznou elektromagnetickou emisí. Samotný proces lomu vláknové výztuže je tedy možné považovat za jeden z významných mechanismů vzniku elektromagnetické emise v případě mechanicky zatěžovaných polymerních kompozitů s vláknovou výztuží. Srovnání typických časových průběhů obou emisních signálů zaznamenaných při lomu různých druhů vláknové výztuže lze vidět na obr ,2 EME 24,0 0,2 EME 9,0 U EME / mv 0,0-0,2 12,0 0,0 U AE / mv U EME / mv 0,0-0,2-0,4 6,0 3,0 0,0 U AE / mv -0,4 AE -12, t / µs -0,6 AE -3, t / µs a) E sklo b) uhlík 1,0 EME 20,0 0,8 EME 8,0 U EME / mv 0,0-1,0 10,0 0,0 U AE / mv U EME / mv 0,0-0,8 4,0 0,0 U AE / mv -2,0 AE -10, t / µs c) kevlar -1,6 AE -4, t / µs c) čedič Obr Typické průběhy EME a AE detekované při lomu různých typů vláknové výztuže. 102

115 12.3 Studium elektromagnetické emise ve vláknovém kompozitu Pro podrobnější studium časových průběhů signálů EME generovaných během mechanického zatěžování vyztužených polymerních kompozitů byla speciálně připravena (ruční výrobou) sada vzorků na bázi polymerní vinylesterové matrice a skelné výztuže typu E sklo. Díky ruční přípravě uvedených vzorků je přesně známo složení výsledného kompozitu a struktura jeho vyztužení Struktura ručně vyrobených vzorků vláknových kompozitů Studovaný kompozitní systém se skládá z vinylesterové pryskyřice vyztužené střídajícími se vrstvami kontinuální tkané výztuže (E sklo, celkem 12 vrstev) a rohože z nasekaných pramenců vláken (E sklo, celkem 12 vrstev). Vrstvy skelné textilie jsou tkané ve dvou na sebe kolmých směrech, zatímco vrstvy netkaných rohoží se skládají z nasekaných pramenců vláken, které jsou náhodně orientované v rovině rohože. Snímky řezu ručně vyrobeným vzorkem pořízené skenovacím elektronovým mikroskopem LYRA3 GM (specifikace viz kapitola 12.4) jsou uvedeny na obr a) Střídání vrstev polymerní matrice, kontinuální tkané výztuže a netkané rohože. b) Struktura vyrobeného kompozitu detail střídání jednotlivých vrstev. Obr Snímky řezu vzorkem ručně vyrobeného kompozitu (vinylester-e sklo). Podrobnější specifikace použitých komponent je uvedena níže. Jako pojivo byla použita epoxy vinylesterová pryskyřice Derakane S, která má ve vytvrzeném stavu pevnost v tahu 73 MPa, modul pružnosti v tahu 3,5 GPa, pevnost v ohybu 133 MPa a modul pružnosti v ohybu 3,8 GPa. Pro výztuž bylo vybráno E sklo s hustotou 2,57 g/cm 3, pevností v tahu 3,5 GPa, modulem pružnosti v tahu 72,4 GPa, modulem pružnosti ve smyku 30 GPa a elektrickou rezistivitou Ω/m. Obsah E skla ve vyrobeném kompozitu je přibližně 60 % váhových. 103

116 Skelná rohož M601 Ahlstrom se skládá z nasekaných pramenců skleněných vláken o délce 50 mm. Jednotlivá vlákna jsou na povrchu chemicky ošetřena za účelem zlepšení adheze polymeru k vláknům (pro vlákna z E skla nejčastěji organické silany). Nasekané pramence vláken jsou vzájemně spojeny práškovým pojivem rozpustným ve styrenu. Skelná rohož M601 je plně kompatibilní s nenasycenou polyesterovou, vinylesterovou a epoxidovou pryskyřicí. Skelná textilie s označením EWR je tkána z kontinuálních (chemicky ošetřených) pramenců vláken typu E sklo, a to ve dvou na sebe kolmých směrech Způsob zatěžování vláknových kompozitů V použité měřicí aparatuře (viz kapitoly 8 a 9) je jako senzor pro detekci signálů EME použit kapacitní snímač ve formě deskového kondenzátoru, jehož dielektrikem je zatěžovaný kompozitní vzorek. Při nevhodné orientaci tohoto typu snímače vzhledem k rovině trhliny dochází k zeslabení nebo dokonce k úplnému znemožnění detekce signálu EME. Nejsilnější signál EME je detekován v případech, kdy jsou stěny trhliny orientovány rovnoběžně s rovinou desek snímacího kondenzátoru. Tvar zkušebního vzorku a jeho okrajové podmínky je proto potřeba volit tak, aby vyvolaná napjatost ve vzorku způsobovala jednoduchý lomový proces, a to nejlépe v rovinách rovnoběžných s deskami kapacitního snímače. Trhlina vznikne v místech s největší koncentrací napětí a výsledná napjatost v tělese (vyvolaná vhodným způsobem zatěžování) určuje další postup šíření trhliny. Při mechanickém zatěžování vláknových kompozitů byla proto zvolena geometrie, při níž působící tlakové zatížení (hydraulický lis) vyvolává příčné tahové namáhání vzorku ve směru kolmém na roviny vyztužujících rohoží. Vzorky ručně vyrobeného vláknového kompozitu v kombinaci vinylester-e sklo byly připraveny ve formě obdélníkové desky o rozměrech 50 mm 70 mm a tloušťce 19 mm. Plocha elektrod snímacího kondenzátoru byla 50 mm 60 mm a vzdálenost mezi nimi odpovídala tloušťce zkoušených vzorků. Přenos tlaku z horní čelisti hydraulického lisu na zkušební těleso byl proveden přes centricky vložený ocelový trámeček se čtvercovým průřezem o délce hrany 6 mm, který byl umístěný na horní ploše vzorku takovým způsobem, aby jeho boční stěny byly rovnoběžné s rovinami vyztužujících rohoží. Tímto uspořádáním prováděných experimentů je ovšem možné téměř vyloučit detekci signálů EME generovaných při přetržení vláken v rohožích (především v případě tkané rohože). Lom vláken by při daném uspořádání bylo možné detekovat prostřednictvím snímacích elektrod umístěných na obou bočních stěnách vzorku, případně na jeho horní a spodní stěně Vyhodnocování typických průběhů generované EME Přestože je tvorba trhlin náhodný proces, při velkém množství zaznamenaných realizací lze v daném experimentu rozdělit měřené signály EME podle tvaru jejich časových průběhů do několika charakteristických skupin. V souladu s navrženým modelem generování EME je možné analýzou vybraných typických průběhů detekované EME posuzovat průběh vzniku trhliny a jejího následného rozvoje. Vyhodnocovat lze obě fáze generace trhliny, tedy její rychlé rozevírání a s tím související tvorbu opačných nábojů na protilehlých stěnách trhliny, ale také následný rozvoj trhliny, kdy můžeme považovat náboj 104

117 za stabilizovaný a uvažovat pouze mechanický pohyb nabitých stěn trhliny nebo exponenciální pokles náboje v důsledku elektrické vodivosti vzorku. Příkladem mohou být vybrané typické průběhy EME generované během mechanického zatěžování vzorku VE4 (polyester-e sklo), které jsou uvedeny na obr Pro každý typický průběh EME je uvedeno také jeho procentuální zastoupení v celkovém souboru 300 zaznamenaných časových realizací. 0,5 EME 0,6 0,3 EME 4,0 U EME / mv 0,0-0,5-1,0 0,4 0,2 0,0 U AE / mv U EME / mv 0,0-0,3 2,0 0,0 U AE / mv -1,5 AE -0, t / µs a) Typ I (4 %) -0,6 AE -2, t / µs b) Typ II (16 %) 0,8 EME 2,0 0,6 EME 1,8 U EME / mv 0,0-0,8 1,0 0,0 U AE / mv U EME / mv 0,0-0,6-1,2 1,2 0,6 0,0 U AE / mv -1,6 AE -1, t / µs -1,8 AE -0, t / µs c) Typ III (9 %) d) Typ IV (22 %) 0,4 EME 2,1 0,3 EME 2,6 U EME / mv 0,0-0,4-0,8 1,4 0,7 0,0 U AE / mv U EME / mv 0,0-0,3 1,3 0,0 U AE / mv -1,2 AE -0, t / µs -0,6 AE -1, t / µs e) Typ V (28%) f) Typ VI (21 %) Obr Vybrané typické průběhy EME generované během zatěžování vzorku VE4. 105

118 12.4 Fraktografie lomových ploch kompozitů Fraktografie se obecně zabývá studiem lomových ploch materiálů. Hlavním úkolem fraktografie lomových ploch je zjistit původ trhliny a příčiny její iniciace [82]. Studium lomové plochy spočívá především v nalezení místa iniciace lomu a podrobné analýze obecných znaků lomu. Křehké lomy většinou začínají z jednoho místa, nicméně v důsledku působení vnějších podmínek může vzniknout i více ohnisek. Obecné znaky lomu poskytují informaci o příčině lomu, lomové energii a rozložení působícího napětí (tzv. stav napjatosti) [82]. Jejich podrobnou analýzou můžeme vyhodnotit například směr šíření trhliny, její následné rozdvojení nebo rozvětvení a z viditelných fragmentačních znaků lze také posuzovat energii působícího mechanického napětí. Vznikající trhlina se obvykle šíří kolmo na směr dominantního působícího napětí, přičemž rovina lomu může být ovlivněna i nepatrnými vadami, jako jsou lokální nehomogenity, příměsy, vnitřní pnutí atd. Počet rozlišitelných fragmentů na lomové ploše koresponduje s působícím napětím, kdy pro nízkoenergetické lomy je specifické minimum různých větvení (minimum fragmentů), zatímco vysokoenergetické lomy po sobě zanechávají velké množství fragmentů, které dokonce nelze v některých případech ani rekonstruovat (rozlišit) [83]. Snímky lomových ploch byly pořízeny skenovacím elektronovým mikroskopem (SEM Scanning Electron Microscope) LYRA3 GM s autoemisní vysocezářivou Schottkyho katodou, který je určený pro snímání vodivých i nevodivých preparátů ve vysokém rozlišení. Systém LYRA3 GM navíc rozšiřuje zobrazovací vlastnosti SEM o možnost modifikace povrchu vzorku prostřednictvím fokusovaného svazku iontů galia (FIB Focused Ion Beam). Rozlišovací schopnost mikroskopu je závislá na zvoleném módu zobrazování a pohybuje se řádově v jednotkách nanometrů. Režim FIB je možné použít jak pro zobrazování povrchu, tak i k tvorbě definovaných lokálních struktur na vzorku (odprašování povrchu). Možnosti odprašování a jejich provedení jsou přitom vždy závislé na parametrech použitého iontového svazku, jako je urychlovací napětí iontů a jejich energie, proud ve svazku a velikosti stopy (svazku). Pomocí SEM byly postupně sledovány lomové plochy jednotlivých složek studovaných kompozitních materiálů a vybraných vzorků vláknových polymerních kompozitů. Jednalo se zejména o svazky skleněných a uhlíkových vláken, dále o vzorky samostatné polyesterové, vinylesterové a epoxidové matrice a v neposlední řadě také o vzorky vláknových polymerních kompozitů v kombinacích vinylester-e sklo a polyester-e sklo Lom skleněných vláken Jedná se o křehký materiál, který je velmi citlivý na přítomnost povrchových nebo objemových defektů. Problémem křehkých materiálů je náchylnost ke katastrofickému lomu, který může nastat i bez plastické deformace. Při jejich lomu se však vytváří zřetelné lomové stopy a znaky lomu, díky čemuž poskytuje faktografická analýza keramiky a skel více kvalitativních informací než v případě kovů nebo polymerů [82]. Sledovaná vlákna z E skla měla průměr přibližně 20 µm. Na lomové ploše skleněných vláken (viz snímky na obr ) lze rozlišit tři výrazné oblasti, tzv. zrcadlo, závoj a hřebeny. Jako zrcadlo je označována plochá a lesklá zóna v místě iniciace lomu. Závoj je matná oblast s nevýraznými stopami navazujícími na zrcadlo a hřebeny mají formu povrchových čar v lokálním směru šíření trhliny [83]. Zrcadlo a závoj jsou obecné znaky lomu související 106

119 s pomalým šířením trhliny, zatímco výskyt hřebenů je spojován s akcelerací trhliny a jejím rychlým šířením [82], [83]. Místo iniciace trhliny lze lokalizovat na okraji zrcadla, s velkou pravděpodobností v místě defektu (póry, granulární defekty, dutiny, prachové částice atd.). Při současném působení tahu i ohybu je oblast dolomení vlákna tvořena příčnými souběžnými zvlněními a vzniklé hřebeny jsou výraznější oproti čistě tahovému namáhání. V některých případech může docházet také k lasturovému lomu. Ten je specifický výraznou oblastí hladkého zrcadla, na kterou navazují souběžné hřebeny na okrajích lomové plochy. Obr Snímky SEM křehký lom skleněných vláken ve VPK, pozlacená lomová plocha Lom uhlíkových vláken Pozornost byla dále věnována lomu uhlíkových vláken s označením T700S TORAY o průměru cca 7 µm. Byla podrobně sledována lomová plocha uvedených vláken po jejich přetržení v důsledku tahového namáhání (viz aparatura z obr. 12.8). Průměr jednotlivých vláken ve svazku se pohyboval v rozmezí od 6,8 µm do 7,4 µm. Lomová plocha vykazuje některé znaky křehkého lomu. Na povrchu lomu lze identifikovat místo iniciace, odkud postupují hřebeny, které charakterizují směr rozvoje lomu. V poslední fázi lomu dochází k větvení lomových čar. Místo iniciace trhliny je spojováno s diskrétními defekty na povrchu a uvnitř uhlíkového vlákna (organické a anorganické příměsy atd.) [84]. U několika svazků uhlíkových vláken došlo před jejich přetržením nejprve k narušení struktury přístupných vláken prostřednictvím fokusovaného svazku iontů galia (součást systému LYRA3 GM). Primárním účelem použití FIB nebylo vytvořit na povrchu vláken přesně definovanou strukturu s hladkými stěnami a specifickou hloubkou odprašování, ale pouze lehce narušit strukturu vláken takovým způsobem, aby při působícím mechanickém namáhání došlo k jejich lomu právě v místě vytvořeného narušení (uprostřed kapacitního snímače EME) a ne v místech pevného uchycení svazku. Tomuto zadání odpovídalo i použité nastavení parametrů FIB, kdy energie svazku byla 30 kev a zvolená clona svazku 50 µm, čemuž měla při zvoleném materiálu narušovaného povrchu (uhlík) odpovídat hloubka odprašování přibližně 500 nm a šířka stopy 400 nm. 107

120 Na snímku z obr je zobrazen náhled na vybraný svazek uhlíkových vláken, ze kterého lze přibližně odhadnout jejich počet ve svazcích speciálně připravených k mechanickému namáhání na trhací aparatuře. Jednotlivé svazky obsahují řádově desítky vláken o průměru cca 7 µm, což dobře ilustrují snímky lomových ploch přetržených vláken na obr (viz měřítka pořízených snímků). Na obr jsou vidět dva detaily narušené struktury vláken při uvedeném nastavení FIB a z měřítka na těchto snímcích lze odhadovat, že se hloubka a šířka vytvořeného narušení poměrně přesně blížila předpokládaným hodnotám. Na snímku z obr je ještě pro úplnost vidět i detail finálního narušení struktury přístupných vláken prostřednictvím FIB, a to ve formě dvou zářezů napříč nataženým svazkem uhlíkových vláken. Obr Snímek SEM náhled na vybraný svazek uhlíkových vláken před lomem. Obr Snímek SEM ukázka finálního narušení struktury vláken na povrchu svazku. Obr Snímky SEM detaily narušené struktury vláken. 108

121 Lomová plocha narušených uhlíkových vláken po přetržení svazku má výrazně jiný vzhled, je rovinná s rovnoměrným jemně zrnitým povrchem (viz obr ). Z pořízených snímků je patrné, že lom je iniciován rovnoměrně v bodech na povrchu drážky a postupuje do středu vlákna. Obr Snímky SEM lomové plochy narušených uhlíkových vláken po přetržení svazku Lomová plocha samostatné vinylesterové matrice Studium lomových ploch bylo prováděno také na vzorcích různých druhů polymerní matrice. Příkladem může být vzorek samostatné vinylesterové matrice obdélníkového průřezu, který byl použit při studiu elektromagnetické emise generované během jeho tlakového zatěžování (kapitola 12.1). Po destrukci vzorku byly lomové plochy studovány pomocí SEM. Lomová plocha opět vykazuje obecné fraktografické znaky lomu křehkých materiálů, což dobře ilustruje snímek na obr Počátek porušení je obklopen plochou hladkou oblastí (zrcadlo) související s pomalou rychlostí šíření čela trhliny. Akcelerace trhliny je doprovázena formováním matné oblasti s nevýraznými stopami (závoj), která bezprostředně navazuje na oblast zrcadla. Jedná se o přechodnou zónu mezi pomalým a rychlým růstem trhliny a lze v ní také pozorovat počátky hřebenovité struktury. Po dosažení konečné rychlosti trhliny se začínají objevovat silně zvrásněné povrchy s výraznými hřebeny. Lomové plochy materiálů určených pro tvorbu matrice u VPK jsou dále specifické poměrně častým výskytem útvarů ve formě ostrých výčnělků v některých oblastech na hranici lomu. Tyto struktury mají tvar jehly o délce přibližně 1 mm a průměru asi 60 µm u kořene a 1 µm ve špičce (viz obr ). Jedná se zřejmě o důsledek řetězové struktury polymeru. 109

122 Obr Snímek SEM lomová plocha vinylesterové matrice, křehký lom. Obr Snímek SEM ostré výčnělky vznikající při lomu vinylesterové matrice Lomová plocha vláknového kompozitu vinylester-e sklo Pro studium lomové plochy vyztužených polymerních kompozitů byla využita ručně vyrobená sada vzorků na bázi polymerní vinylesterové matrice a skelné výztuže typu E sklo. Vzorky kompozitního materiálu byly zatěžovány v tlaku, přičemž prostřednictvím ocelových trámečků 6 mm 6 mm byl vyvozen příčný tah. Podrobnější informace o složení studovaného kompozitu a způsobu jeho zatěžování jsou uvedeny v kapitole Po destrukci vzorků byly na jejich lomové ploše pozorovány následující typy porušení: a) Lom v matrici Jedná se především o tvorbu trhlin a lom matrice v prostoru mezi vyztužujícími vlákny. V oblastech mezi vlákny, případně mezi obnaženými lůžky po vláknech, se vytvářejí trhliny v matrici orientované kolmo na vlákna a vznikají tak útvary ve formě specifických hrbolků, které jsou v zahraniční literatuře označovány jako cusps [85]. Jejich sklon míří proti směru růstu trhliny a samotná existence těchto útvarů dokazuje, že v dané oblasti existovalo smykové napětí rovnoběžné s vlákny [85]. Dále lze na lomové ploše nalézt také plošné kohézní trhliny matrice v rovinách rovnoběžných s vlákny. Snímek na obr zachycuje oblast s výraznými trhlinami a lomem matrice. Při podrobnějším zkoumání zde lze rozlišit také hřebenovou strukturu specifických hrbolků v prostoru mezi obnaženými lůžky po vláknech. Jak již bylo popsáno v kapitole 12.1, deformaci a lom matrice nelze ve studovaných kompozitních strukturách považovat za významný zdroj generované EME. Snímek na obr zase dobře ilustruje situaci, kdy došlo k zastavení šířící se trhliny v matrici při styku hrotu trhliny s vyztužujícím vláknem a trhlina dále postupuje po rozhraní mezi matricí a tímto vláknem. Uvedený typ poruchy ve vláknových polymerních kompozitech lze naopak, stejně jako porušení vazby mezi vláknem a matricí, považovat za jeden z významných zdrojů detekované EME. 110

123 Obr Snímek SEM trhliny a lom matrice, obnažená lůžka po vláknech. Obr Snímek SEM šíření trhliny po rozhraní mezi matricí a vláknem. b) Lom vláken Na lomové ploše je možné pozorovat jednak lom samostatných holých vláken vytažených z matrice (obr ), ale také lom svazku vláken zabudovaného v matrici (obr ). Při lomu svazku vláken dochází k šíření trhliny v laminátu v rovině přibližně kolmé k hlavní lomové ploše. Lomová plocha vláken odpovídá popisu v kapitole V několika oblastech docházelo také k drcení vláken nebo k vzájemnému vybočení obou částí svazku po lomu. U některých svazků vláken bylo navíc pozorováno i roztřepení konců vláken [85]. Na základě experimentálních výsledků z kapitoly 12.2 lze proces lomu vláken označit za významný zdroj detekované EME ve VPK. Obr Snímek SEM lom samostatných holých vláken vytažených z matrice. Obr Snímek SEM lom svazku vláken zabudovaného v matrici. 111

124 c) Porušení vazby mezi matricí a vláknem Adhezní vazba mezi vláknem a matricí velmi výrazně ovlivňuje jak mechanické vlastnosti kompozitu, tak i generaci elektromagnetického pole při tvorbě trhlin na rozhraní vlákno-matrice. Z podrobnější analýzy snímků lomové plochy lze konstatovat, že její velká část obsahovala buďto téměř obnažená vlákna, nebo holá lůžka po vláknech, což velmi pravděpodobně souvisí s nedostatečnou chemickou úpravou povrchu vláken za účelem zvýšení jejich adheze k matrici. Tuto situaci dobře ilustruje snímek na obr , ze kterého je zřejmé, že jak přetržené konce vláken vytažených z matrice, tak i částečně odhalená a dosud neporušená vlákna jsou téměř plně obnažená a na jejich povrchu nejsou zřetelné žádné výrazné zbytky matrice. Podobně lze usuzovat i ze snímku na obr , na kterém je naopak (především v jeho horní polovině) vidět naprosto holá a hladká lůžka po oddělených vláknech, tedy bez typických faktografických artefaktů signalizujících dobrou adhezi vláknové výztuže k polymerní matrici. V dolní části snímku je ještě možné sledovat dvě plně obnažená vlákna, opět bez jakýchkoliv zbytků vytržené matrice na jejich povrchu. Obr Snímek SEM obnažená vlákna (nedostatečná chemická úprava). Obr Snímek SEM holá lůžka po vláknech (špatná adheze k matrici). d) Delaminace V kompozitních strukturách často dochází k delaminaci mezi jednotlivými vrstvami namáhaného laminátu. Výskyt delaminace potvrzují i snímky lomových ploch vzorků studovaného kompozitu pořízené po jejich celkové destrukci. Zkoumané delaminační plochy byly převážně hladké, což svědčí o slabé vazbě na rozhraní vlákno-matrice. Snímek na obr byl vybrán jako ukázka situace, kdy dochází k postupnému oddělování jednotlivých vláken ve svazku od matrice, což může být počátečním znakem delaminace (postupně by mohlo dojít k vzájemnému oddělení jednotlivých vrstev laminátu). Snímek na obr reprezentuje případ poměrně hladké delaminační plochy na rozhraní matrice a tkané skelné výztuže. Je zde dobře vidět zřetelný otisk od zcela odlouplé vrstvy tohoto typu skelné výztuže (kontinuální pramence vláken tkané ve dvou na sebe kolmých směrech). 112

125 Obr Snímek SEM počáteční znak delaminace, oddělování vláken od matrice. Obr Snímek SEM hladká delaminační plocha, otisk tkané rohože v matrici. e) Výskyt dutin v matrici Na zkoumané lomové ploše byl dále zaznamenán také častý výskyt dutin kulového tvaru v polymerní matrici, a to od průměrů řádově (10 1 až 10 2 ) µm. Tento fakt svědčí o nedostatečném vytěsnění vzduchu z kompozitní struktury během výroby. Je zde ovšem znovu potřeba zdůraznit, že se jednalo o vzorky ručně vyrobeného kompozitu a ne o referenční vzorky průmyslově vyráběných kompozitních profilů pro konstrukční účely. Snímek na obr zachycuje malou oblast lomové plochy s četným výskytem těchto dutin a na obr je vidět detailní snímek vybrané dutiny v polymerní matrici. Obr Snímek SEM výskyt dutin v matrici (špatné vytěsnění vzduchu). Obr Snímek SEM detailní snímek vybrané dutiny v matrici. 113

126 13 SHRNUTÍ VÝSLEDKŮ DISERTAČNÍ PRÁCE Jako první byl představen model vzniku EME při tvorbě trhlin v mechanicky zatěžovaných kompozitních materiálech, ve kterém je za elementární zdroj generovaného elektromagnetického pole považován časově proměnný elektrický dipól související s pohybem nabitých stěn nově vznikající trhliny. V souladu s navrženým modelem je primárním parametrem pro účely vyhodnocování měřených signálů EME průběh velikosti normálové složky celkového dipólového momentu trhliny p cn (t), resp. její časová derivace. Pozornost byla věnována také problematice detekce a měření signálů trhlinami generované EME. Pro detekci emisních signálů v laboratorních podmínkách byl pro méně rozměrné vzorky pravoúhlého tvaru zvolen kapacitní snímač ve formě deskového kondenzátoru, jehož dielektrikem je přímo vzorek zatěžovaného materiálu. Byla postupně rozebrána teorie snímání elektrického pole kapacitním snímačem, ze které vyplývá možnost jeho nahrazení elektrickým schématem s ekvivalentním zdrojem proudu a paralelně připojeným kondenzátorem o kapacitě shodné se snímacím kondenzátorem. Pro transformaci primárních parametrů trhliny na velikost ekvivalentního zdroje proudu souvisejícího se vznikem trhliny byl odvozen vztah (8.10) a na jeho základě byla mezi sledovanými veličinami kapacitního snímače vyjádřena také přenosová funkce K ip (jω) podle rovnice (8.12). Dále bylo popsáno kompletní blokové schéma sestaveného měřicího kanálu EME včetně jeho náhradního elektrického obvodu, ve kterém byly uváženy reálné parametry jednotlivých částí měřicí soustavy. Podrobnou analýzou náhradního elektrického obvodu byla sestavena diferenciální rovnice, která umožňuje z měřeného napětí u(t) na vstupních svorkách použitého předzesilovače EME zpětně určit časový průběh velikosti celkového elektrického dipólového momentu formující se trhliny p c (t), resp. velikosti jeho normálové složky p cn (t) kolmé k elektrodám kapacitního snímače. Popsaná transformace sledovaných veličin byla také matematicky vyjádřena prostřednictvím přenosové funkce K up (jω) podle vztahu (8.24). Po započtení vlivu pásmové propusti na měřené signály (dodatečný zesilovač EME) byl nakonec sestaven kompletní přenosový systém měřicího kanálu EME a určeny velikosti všech fyzikálních veličin a obvodových prvků vystupujících v dílčích přenosových funkcích výsledného vztahu (8.34). Na základě dosazených hodnot je možné matematicky simulovat a vykreslit jednotlivé přenosové funkce popsaného systému (viz obr. 8.12). Podstatným výsledkem v této oblasti je především konstantní průběh modulu kompletní přenosové funkce měřicího kanálu EME j 1 khz do 1 MHz. K v rozsahu frekvencí od Zajímavé výsledky přineslo také experimentální měření náhradních parametrů kapacitního snímače EME, jehož dielektrikum tvořily různé druhy kompozitního materiálu PREFEN. Náhradní parametry kapacitního snímače (kapacita C 0 a svodový odpor dielektrika R 0 ) byly měřeny RLC metrem HP-Agilent E4980A ve frekvenčním rozsahu 20 Hz až 2 MHz. Ze získaných výsledků a následných simulací byl ověřen předpoklad, že frekvenční závislost svodového odporu R 0 pro nejčastěji měřené vzorky kompozitního materiálu PREFEN nijak neovlivňuje výsledný tvar kompletní přenosové funkce měřicího kanálu EME a je tedy možné tento odpor v dalších úvahách a výpočtech opravdu zanedbat. Velikost měřené kapacity C 0 se pohybovala v intervalu (10 až 40) pf a následné simulace u f p 114

127 prokázaly, že zkreslení sledované přenosové funkce je v daném rozmezí měřené kapacity taktéž zanedbatelné. Do výpočtů a simulací byla proto dosazována hodnota C 0 = 25 pf. V experimentální části disertační práce byla nejprve popsána obecná struktura pracoviště určeného pro vícekanálové měření signálů EME a AE během mechanického zatěžování vzorků testovaných kompozitních materiálů a byly také blíže specifikovány parametry použitého přístrojového vybavení, které je potřebné pro realizaci měřicích kanálů EME a AE. Na základě navrženého konceptu měřicí aparatury byla postupně sestavena a zprovozněna dvě plně automatizovaná pracoviště využívající dostupné přístrojové vybavení na Ústavu fyziky FEKT a částečně i Ústavu fyziky FAST VUT v Brně. Značná pozornost byla dále věnována podrobnému popisu obou pracovišť, srovnání jejich výhod a principiálních omezení a technické specifikaci všech použitých komponent. Významným výsledkem v experimentální části bylo zejména navržení, sestavení a zprovoznění měřicího systému založeného na moderním průmyslovém PXI standardu, který je v současné době jednou z nejvíce rozšířených modulárních platforem pro měřicí, řídicí, regulační a automatizační systémy. Základním prvkem navrženého systému je vysokorychlostní osciloskopická karta určená speciálně pro kontinuální záznam až osmi kanálů EME a AE s dostatečnou vzorkovací frekvencí, bitovým rozlišením a vhodným napěťovým rozsahem. Možné využití zbývajících modulů je dostatečně univerzální jak pro účely řízení externě aplikované mechanické zátěže (ovládání hydraulického lisu, stejnosměrné napájení tenzometrů a jiných komponent), tak i pro kontinuální sběr dat z použitých senzorů (tenzometry, úchylkoměry atd.). Řízení dostupných modulů je řešeno prostřednictvím obslužného programu vytvořeného v moderním grafickém vývojovém prostředí LabVIEW. Pro zajištění maximální mobility uvedeného měřicího systému byla zprovozněna také varianta jeho kompletního řízení prostřednictvím přenosného počítače. Sestavený PXI systém byl díky jeho flexibilitě častokrát využíván i při řešení řady výzkumných projektů mimo výzkumné laboratoře našeho ústavu. Vhodným zásahem do obslužného software je totiž možné pružně reagovat na odlišné požadavky a parametry prováděných měření a přizpůsobovat se tak specifickým podmínkám jednotlivých experimentů. Základní verze software vytvořeného pro automatizovaná měření na sestavených pracovištích zajišťuje především kontinuální monitorování (nebo záznam) kanálů EME a AE, zachycení typických událostí v jednotlivých kanálech a jejich uložení na pevný disk v řídicím PC, kontinuální sběr dat z použitých senzorů a případné řízení mechanické zátěže. Kromě časových průběhů detekovaných emisních signálů jsou v uživatelském rozhraní programu průběžně vykreslovány také vhodné doplňkové charakteristiky, jako například průběh aplikované mechanické zátěže, zjednodušené pracovní diagramy namáhaného materiálu nebo histogram četnosti výskytů typických událostí ve spouštěcím kanále. Na základě vykreslovaných charakteristik může uživatel v reálném čase sledovat průběh prováděných experimentů, ale také predikovat celkovou destrukci namáhaných vzorků a v případě potřeby včas ukončit proces jejich zatěžování. Řídicí software byl vytvořen ve vývojovém prostředí LabVIEW, zatímco následné zpracování a především vykreslování získaných charakteristik je řešeno v prostředí MATLAB. 115

128 V návaznosti na vytvořený software byly popsány dva podporované režimy měření signálů EME a AE implementované do řídicích algoritmů u jednotlivých pracovišť. Základní variantou je kontinuální režim s nastavitelnou spouštěcí úrovní, který je specifický poměrně nízkými nároky na hardwarovou konfiguraci měřicího systému, jednoduchým zpracováním detekovaných časových realizací v kanálech EME a AE (s volitelnou délkou záznamu) a přijatelnou velikostí naměřených dat ukládaných na dostupná paměťová média. V případě sestaveného PXI systému je možné využít také plně kontinuální režim měření, který umožňuje dlouhodobý kontinuální záznam signálů z aktivních kanálů a jejich uložení na pevný disk v řídicím PC. Tento režim je výhodné použít v případech, kdy nás zajímají kompletní průběhy měřených signálů a ne pouze vybrané časové realizace definované délky. Nevýhodou je ovšem problematické zpracování velkého množství takto získaných dat a vysoké nároky na hardwarovou konfiguraci měřicího systému včetně řídicího PC. Za účelem analýzy velkého množství zaznamenaných časových realizací EME a AE v průběhu prováděných experimentů byl navržen soubor parametrů vhodných pro popis obou emisních signálů jak v časové, tak i ve frekvenční oblasti. V případě signálů AE bylo definováno celkem 11 parametrů převážně inspirovaných normou ČSN EN Pro popis časových průběhů měřených signálů EME bylo potřeba definovat vhodné parametry s ohledem na značnou variabilitu těchto náhodných signálů. Parametrizace měřených signálů EME je navíc obtížnější také díky tomu, že některé parametry definované výše uvedenou normou pro AE nemají pro signály EME téměř žádný fyzikální význam. Výsledkem byl návrh celkem sedmi parametrů zvolených pro popis detekovaných realizací EME. Následoval vývoj odpovídajících algoritmů pro průběžné vyhodnocování získaných parametrů obou emisních signálů a jejich implementace do stávajícího obslužného software na jednotlivých pracovištích. Dále byly prezentovány nejčastěji využívané grafické výstupy z podpůrného programu (prostředí MATLAB) vytvořeného speciálně pro účely zpracování velkého objemu dat z prováděných experimentů, jejich následnou analýzu a vyhodnocení. Jako základní grafické výstupy při vyhodnocování experimentálních dat byly zvoleny tzv. zjednodušené pracovní diagramy, tedy závislost aplikované síly na rostoucí deformaci vzorku. Zjednodušený pracovní diagram namáhaného materiálu umožňuje vymezit oblasti elastické a plastické deformace vzorku v celém rozsahu jeho zatěžování. Na základě získaných informací je možné podrobněji studovat, jak se daná forma deformace projevuje na aktivitě detekovaných signálů ve sledovaných kanálech, případně jejich parametrech v časové a frekvenční oblasti. Z uvedených důvodů jsou do společných grafů vykreslovány i četnosti výskytu typických událostí EME a AE v závislosti na rostoucí deformaci, a to ve formě histogramu, ve kterém každý sloupec reprezentuje celkový počet emisních událostí detekovaných během uživatelsky definovaného nárůstu deformace. Podobně lze vyhodnocovat i vývoj vybraných parametrů navržených pro popis obou emisních signálů v závislosti na rostoucí délce zatěžování, působící síle nebo deformaci vzorku. Speciálnímu případu, kdy stěny trhliny konají po rozevření tlumený kmitavý pohyb, odpovídá tlumený kmitavý průběh snímaného napětí signálu EME. U těchto specifických realizací je vhodné provést spektrální analýzu obou měřených signálů, což může přinést další důležité informace o tvorbě trhliny a jejím časovém vývoji. Pro účely studia emisních 116

129 signálů ve frekvenční oblasti byla rozpracována metodika spektrální analýzy vycházející z Welchovy metody odhadu PSD, která byla aplikována na rozsáhlý soubor měřených signálů EME a AE, a to především na specifickou skupinu časových realizací, kdy signál EME vykazuje tlumený kvaziharmonický průběh. Z vykreslených průběhů PSD obou emisních signálů lze snadno určit jejich dominantní frekvence. Dalším úkolem v této oblasti bylo sledování závislosti nalezených dominantních frekvencí na čase. Vhodným nástrojem pro časově-frekvenční analýzu studovaných signálů je tzv. spektrogram, který umožňuje sledovat vývoj spektra v čase. Na základě získaných výsledků lze měřené signály rozdělit do dvou charakteristických skupin podrobněji popsaných v kapitole Byla rozpracována metodika pro ověření průběhu matematicky odvozené přenosové funkce pro zvolenou konfiguraci měřicího kanálu EME, kterou je vhodné provést vždy před mechanickým zatěžováním studovaných vzorků. Ověření je prováděno na základě experimentálního měření modulu přenosové funkce kanálu EME prostřednictvím zdroje proudu (s definovaným časovým průběhem) připojeného přímo ke svorkám kapacitního snímače. Bylo dosaženo velmi dobré shody mezi experimentálně měřenými a matematicky odvozenými průběhy sledovaných přenosových funkcí, což ve výsledku umožňuje poměrně snadnou verifikaci dosazovaných veličin a obvodových prvků vystupujících nejenom v přenosové funkci (8.34), ale současně i v diferenciální rovnici (8.23). Experimentálně zjištěná přenosová funkce měřicího kanálu EME umožňuje z napětí měřeného na jeho výstupu jednoduše vyhodnotit spektrální výkonovou hustotu sledované primární veličiny (celkového dipólového momentu), a to na základě odvozeného vztahu (11.5). Z podrobné analýzy řady spojitých signálů EME detekovaných při rozdílné úrovni aplikované mechanické zátěže vyplývá, že hodnota spektrální výkonové hustoty primární veličiny se s rostoucím namáháním vzorku zvyšuje. To souvisí především s rostoucí intenzitou a detekovanou úrovní EME v rámci zaznamenané časové realizace. Dále lze konstatovat, že kromě rostoucí úrovně spektrální výkonové hustoty nedochází v důsledku většího poškození zatěžovaného vzorku k dalším významnějším změnám specifického průběhu výkonových spektrálních charakteristik. Z časových realizací EME zaznamenaných na výstupu měřicího kanálu EME je možné zpětně vyhodnotit také časový průběh celkového elektrického dipólového momentu. Pro vyjádření této transformace byla navržena metodika, která je založena na numerickém řešení diferenciální rovnice (8.23) odvozené v kapitole V souladu s navrženým modelem generování EME předpokládáme, že během procesu mechanického zatěžování vzorku dochází v jeho vnitřní struktuře ke vzniku trhlin, které mohou mít náhodně orientované elektrické dipólové momenty vzhledem k elektrodám kapacitního snímače. Pokud v určitém čase zrovna nedochází ke vzniku trhliny, lze očekávat jistou konstantní měřenou úroveň celkového elektrického dipólového momentu (zanedbáváme náhodné fluktuace vlivem tepelného pohybu). V okamžiku vzniku trhliny se tento celkový elektrický dipólový moment mění v čase, a to v důsledku vzájemného pohybu nabitých stěn rozvíjející se trhliny. Po ustálení pohybu nabitých stěn trhliny je celkový elektrický dipólový moment opět konstantní, jeho velikost je však odlišná od stavu před začátkem procesu vzniku sledované trhliny (předpokládáme, že se aktivní trhlina úplně neuzavře). Z výše uvedeného rozboru tedy vyplývá, že v případě vzniku jednotlivých izolovaných trhlin v mechanicky namáhaném materiálu můžeme předpokládat přibližně schodovitý 117

130 průběh celkového elektrického dipólového momentu (náhodně rostoucí nebo klesající podle polarity náboje na stěnách trhliny) s případnými překmity, nebo naopak s jeho postupným ustalováním na jednotlivých konstantních hodnotách. Tomuto předpokladu odpovídají i vybrané časové průběhy U EME (t) a p(t) prezentované na obr Značná pozornost byla věnována také podrobnému studiu možných zdrojů EME ve vláknových polymerních kompozitech. Za tímto účelem byla připravena sada vzorků samostatných polymerních matric a nejčastěji používané vláknové výztuže. Následně bylo zkoumáno chování jednotlivých složek studovaných kompozitních materiálů během jejich mechanického namáhání. Překvapivým závěrem v této oblasti je experimentálně ověřená skutečnost, že i přes výraznou plastickou deformaci materiálů matric (polyester, vinylester, epoxid) a jejich následné zničení docházelo k detekci naprosto zanedbatelného množství trhlinami generovaných událostí EME. Lomové procesy v matrici tedy nelze považovat za jeden z významných mechanismů vzniku EME ve studovaných polymerních kompozitech. Pro měření signálů EME při tahovém namáhání vzorků vláknové výztuže byla sestavena specializovaná trhací aparatura, která je podrobně popsaná v kapitole Prostřednictvím uvedené aparatury byly postupně sledovány signály EME generované při lomu skleněných, uhlíkových, kevlarových a čedičových svazků vláken. Ze získaných experimentálních výsledků jednoznačně vyplývá, že lomové procesy u všech typů studované vláknové výztuže jsou doprovázeny výraznou elektromagnetickou emisí. Samotný proces lomu vláknové výztuže je tedy možné považovat za jeden z významných mechanismů vzniku EME v případě mechanicky zatěžovaných polymerních kompozitů s vláknovou výztuží. Byla provedena důkladná fraktografická analýza lomových ploch vláknových polymerních kompozitů po jejich destrukci. Pro tyto účely byla speciálně připravena (ruční výrobou) sada vzorků na bázi polymerní vinylesterové matrice a skelné výztuže typu E sklo. Díky ruční přípravě uvedených vzorků je přesně známo složení výsledného kompozitu a struktura jeho vyztužení. Pomocí skenovacího elektronového mikroskopu LYRA3 GM byly postupně zobrazeny nejčastější poruchové mechanismy nalezené na lomových plochách studovaných kompozitních struktur. Následovalo podrobné studium pořízených snímků za účelem identifikace významných zdrojů detekovatelné EME zaznamenané v průběhu mechanického zatěžování testovaných vzorků. Komentované výstupy z této oblasti jsou uvedeny v kapitole

131 14 ZÁVĚR A VLASTNÍ PŘÍNOS AUTORA Prezentovaná disertační práce shrnuje výsledky výzkumu autora v oblasti rozvoje metod nedestruktivní diagnostiky. Práce se zaměřuje především na studium jevu elektromagnetické emise v mechanicky namáhaných kompozitních materiálech určených pro konstrukční účely, a to zejména ve specifické skupině vláknových polymerních kompozitů se skelnou výztuží, které v současnosti nalézají stále větší uplatnění v řadě průmyslových aplikací. Přestože metoda EME nabízí významný aplikační potenciál v oblasti sledování rozvoje porušení v zatěžovaných pevných látkách, jejímu rozšíření na uvedenou skupinu moderních kompozitních materiálů bylo dosud věnováno poměrně málo pozornosti. Předkládaná práce tak nabízí ucelený přehled výsledků výzkumu možného využití metody EME pro diagnostiku kompozitních materiálů. Jako perspektivní se jeví především kombinace pasivních metod EME a AE, čehož lze s výhodou využít pro diagnostiku a průběžné monitorování namáhaných materiálů a konstrukcí, predikci jejich celkového selhání, podrobnější studium vznikajících defektů a zpřesnění metod jejich lokalizace. Následuje stručný souhrn vybraných výsledků, které reprezentují vlastní přínos autora k rozvoji řešené problematiky. Za nejvýznamnější vlastní přínos v teoretické části disertační práce lze považovat popis kompletního kanálu EME s kapacitním snímačem prostřednictvím dílčích přenosových funkcí, které reprezentují postupnou transformaci primárních parametrů trhliny (zejména jejího elektrického dipólového momentu) na elektrické veličiny měřené v různých částech sestaveného přenosového systému. Důsledná analýza jednotlivých transformací v časové i frekvenční oblasti totiž umožnila vytvořit metodiku vhodnou pro vyhodnocování primárních parametrů trhliny na základě měřených průběhů EME. Díky tomu je možné dále sledovat a vyhodnocovat vývoj primární veličiny související s registrovanou mikrotrhlinou, a ne pouze průběhy EME ve formě elektrického napětí detekovaného na výstupu přenosového systému, které jsou běžně hlavním předmětem zájmu u jiných autorů zabývajících se danou problematikou. Významným výstupem v praktické části řešené problematiky je zejména sestavení a zprovoznění dvou automatizovaných pracovišť pro měření generovaných emisních signálů, včetně realizace kompletní softwarové podpory potřebné pro účely záznamu, zpracování a následného vyhodnocování velkého množství měřených experimentálních dat. Velkým přínosem pro další výzkum v této oblasti je také zprovoznění mobilní varianty měřicího systému založeného na moderním průmyslovém PXI standardu, který je navržen primárně pro náročnější aplikace vyžadující kontinuální vícekanálový záznam studovaných emisních signálů (nejčastěji pro účely lokalizace detekovaných mikrotrhlin). Vhodným zásahem do řídicího software lze navržený systém snadno doplnit o možnost sběru dat z dodatečných senzorů, případně jej využít pro řízení nejrůznějších procesů v rámci prováděných experimentů (např. průběhu aplikované mechanické zátěže). Zásadním příspěvkem k postupnému rozvoji metod nedestruktivní diagnostiky je rozšíření metody EME také na specifickou skupinu vláknových polymerních kompozitů. V této oblasti byla značná pozornost věnována podrobnému studiu 119

132 potenciálních zdrojů EME ve studovaných kompozitních strukturách a jejich samostatných složkách (materiály pro tvorbu matrice a vzorky použité vláknové výztuže). Na základě výsledků z řady prováděných experimentů byl potvrzen předpoklad, že významnými zdroji detekované EME ve studované skupině vláknových polymerních kompozitů jsou lomové procesy v použité vláknové výztuži, zatímco deformace a lom matrice k výsledné četnosti EME již nijak výrazně nepřispívají. Uvedený závěr je podpořen také důkladnou fraktografickou analýzou lomových ploch zatěžovaných kompozitních vzorků po jejich celkové destrukci. Na sledovaných lomových plochách byly identifikovány rozsáhlé oblasti s již zmiňovanými významnými zdroji EME, které mohou mít zásadní vliv jak na četnost, tak i měřenou úroveň detekované EME. Na základě výše uvedeného rozboru a stručného shrnutí dosažených výsledků uvedeného v předchozí kapitole lze konstatovat, že vytyčené cíle předkládané disertační práce byly splněny. Dosažené výsledky slouží jako prostředek pro získání nových poznatků o procesech probíhajících v mechanicky zatěžovaných pevných látkách a jejich možném využití pro diagnostiku moderních kompozitních materiálů a konstrukcí. Další perspektivní oblastí rozvoje řešené problematiky by mohlo být především studium jevu EME založené na detekci emisních signálů prostřednictvím specializovaných indukčních snímačů a antén. Variantu detekce signálů EME kapacitním snímačem lze totiž využít převážně pro účely základního výzkumu jevu EME v laboratorních podmínkách. Rozšíření metodiky měření elektromagnetické emise o možnost snímání generovaných signálů pomocí systému vhodně zvolených indukčních snímačů a antén může naopak nalézt významné uplatnění také v aplikační sféře. K tomuto účelu by bylo nejprve potřeba adekvátně přizpůsobit jednotlivé součásti měřicího kanálu EME a následně znovu popsat kompletní přenosovou funkci sestaveného systému. Pro kontinuální záznam signálů EME z více typů navržených indukčních snímačů a antén by bylo možno využít již několikrát zmiňovaný PXI systém, stejně tak lze využít i stávající softwarový balík určený pro automatické zpracování a vyhodnocování velkého množství měřených dat. Pro pilotní experimenty v této oblasti již byla na UFYZ FEKT pořízena také sada vhodných antén včetně přizpůsobeného předzesilovače. V oblasti základního výzkumu by bylo vhodné se podrobněji zaměřit na možné využití jevu EME pro studium mechanismu vzniku a rozvoje trhlin v kompozitních materiálech a strukturách. Vyhodnocování parametrů registrovaných trhlin na základě detekovaných časových průběhů EME může významně přispět ke správné fyzikální interpretaci měřených experimentálních dat a získané poznatky lze následně využít zejména v oboru materiálového inženýrství. 120

133 Použitá literatura Jednotlivé zdroje jsou citovány dle aktuální normy ČSN ISO 690, která vstoupila v platnost 1. dubna Pro tyto účely byl využit generátor citací podporovaný VUT v Brně, který je dostupný na webových stránkách [1] JANČÁŘ, J. Úvod do materiálového inženýrství polymerních kompozitů. 1. vyd. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta chemická, 2003, 194 s. ISBN [2] VNOUČEK, M. Kompozitní materiály [online]. Západočeská univerzita v Plzni, 2009, [cit ]. Výukový materiál pro předmět Strojírenské materiály. Dostupné z: [3] JANOVEC, J., J. CEJP a J. STEIDL. Perspektivní materiály. 3. přeprac. vyd. Praha: České vysoké učení technické, 2008, 143 s. ISBN [4] KROČOVÁ, B. Částicové kompozity vyztužené krátkými vlákny. Brno, s. Diplomová práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta chemická, Ústav chemie materiálů. Vedoucí práce Ing. Petr Poláček, Ph.D. [5] MACHALOVÁ, V. Řezné síly při frézování vláknově vyztužených kompozitů. Brno, s. Diplomová práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, Ústav strojírenské technologie. Vedoucí práce doc. Ing. Anton Humár, CSc. [6] MINSTER, J. Aplikace vláknových polymerních kompozitů ve stavebnictví [online]. Ústav teoretické a aplikované mechaniky AV ČR [cit ]. pdf dokument. Dostupné z: [7] PREFA-KOMPOZITY. Vlastnosti výrobků: příručka [online] [cit ]. Dostupné z: [8] REJMANOVÁ, L. Využití odpadů krátkých čedičových vláken pro kompozitní materiály. Liberec, s. Diplomová práce. Technická univerzita v Liberci, Fakulta textilní. Vedoucí práce Ing. Vladimír Kovačič. [9] ZHANG, Z. and M. RICHARDSON Chapter 20: Nondestructive testing of composite materials. BOUDENNE, A. Handbook of multiphase polymer systems. Hoboken, NJ: Wiley, 2012, p ISBN [10] AGARWAL, B. D. a L. J. BROUTMAN. Vláknové kompozity. 1. vyd. Praha: SNTL, 1987, 294 s. Strojírenská literatura. ISBN [11] PREFA-KOMPOZITY. Katalog výrobků [online] [cit ]. Dostupné z: [12] KOPEC, B. Nedestruktivní zkoušení materiálů a konstrukcí: (Nauka o materiálu IV). 1. vyd. Brno: Akademické nakladatelství CERM, 2008, 571 s. ISBN [13] KOŘÍNEK, Z. Kompozity: lamináty [online]. [cit ]. pdf dokument. Dostupné z: [14] KAPADIA, A. Non-destructive testing of composite materials [online]. National Composites Network Best Practice Guide on NDE Techniques for Composites, 52 p. [cit ]. Dostupné z: [15] KREIDL, M. Technická diagnostika: senzory, metody, analýza signálu. 1. vyd. Praha: BEN, 2006, 406 s. ISBN [16] ČERNECKÝ, J. a E. PIVARČIOVÁ. Holografia a jej technické aplikácie [online]. [cit ]. Výukový web. Dostupné z: [17] HORVÁTH, P. a P. ŠMÍD. Koherenční zrnitost a její vybrané aplikace. 1. vyd. Olomouc: Univerzita Palackého v Olomouci, 2012, 57 s. ISBN

134 [18] HRABOVSKÝ, M., P. HORVÁTH a Z. BAČA. Koherenční zrnitost v optice. 1. vyd. Olomouc: Univerzita Palackého v Olomouci, 2001, 304 s. ISBN [19] DICKINSON, J. T., M. K. PARK, E. E. DONALDSON and L. C. JENSEN. Fractoemission accompanying adhesive failure. Journal of Vacuum Science and Technology. 1982, vol. 20, issue 3, p ISSN [20] DICKINSON, J. T., A. JAHAN-LATIBARI and L. C. JENSEN. Electron emission and acoustic emission from the fracture of graphite/epoxy composites. Journal of Materials Science. 1985, vol. 20, issue 1, p ISSN [21] DICKINSON, J. T., E. E. DONALDSON and M. K. PARK. The emission of electrons and positive ions from fracture of materials. Journal of Materials Science. 1981, vol. 16, issue 10, p ISSN [22] DICKINSON, J. T. Chapter 10: Fracto-emission. SUMMERSCALES, J. Non-destructive testing of fibre-reinforced plastics composites. New York, NY, USA: Sole distributor in the USA and Canada, Elsevier Science Pub. Co., 1990, p ISBN [23] MA, Zhen-Yi and J. T. DICKINSON. Fracto-emission from embedded interfaces. Journal of Applied Physics. 1991, vol. 70, issue 9, p ISSN [24] STEPANOW, A. W. Über den mechanismus der plastischen deformation. Zeitschrift für Physik A: Hadrons and Nuclei. 1933, vol. 81, issue 7-8, p ISSN [25] URUSOVSKAYA, A. A. Electric effects associated with plastic deformation of ionic crystals. Soviet Physics Uspekhi. 1969, vol. 11, issue 5, p ISSN [26] JOFFE, A. and E. ZECHNOWITZER. Die elektrische Leitfähigkeit im Einkristall und in Kristallaggregaten. Zeitschrift für Physik A: Hadrons and Nuclei. 1926, vol. 35, issue 6, p ISSN [27] GYULAI, Z. and D. HARTLY. Elektrische Leitfähigkeit verformter Steinsalzkristalle. Zeitschrift für Physik A: Hadrons and Nuclei. 1928, vol. 51, issue 5-6, p ISSN [28] CAFFYN, J. E. and T. L. GOODFELLOW. The movement of charged dislocations in sodium chloride. Proceedings of the Physical Society. 1962, vol. 79, issue 6, p ISSN [29] BAHAT, D., A. RABINOVITCH and V. FRID. Tensile fracturing in rocks: tectonofractographic and electromagnetic radiation methods. New York: Springer, 2005, 569 p. ISBN [30] FRID, V. Rockburst hazard forecast by electromagnetic radiation excited by rock fracture. Rock Mechanics and Rock Engineering. 1997, vol. 30, issue 4, p ISSN [31] MISRA, A., R. C. PRASAD, V. S. CHAUHAN and B. SRILAKSHMI. A theoretical model for the electromagnetic radiation emission during plastic deformation and crack propagation in metallic materials. International Journal of Fracture. 2007, vol. 145, issue 2, p ISSN [32] FRID, V., D. BAHAT, J. GOLDBAUM and A. RABINOVITCH. Experimental and theoretical investigations of electromagnetic radiation induced by rock fracture. Israel Journal of Earth Sciences. 2000, vol. 49, issue 1, p ISSN [33] FRID, V. and K. VOZOFF. Electromagnetic radiation induced by mining rock failure. International Journal of Coal Geology. 2005, vol. 64, issue 1-2, p ISSN [34] FUJINAWA, Y. and K. TAKAHASHI. Electromagnetic radiations associated with major earthquakes. Physics of the Earth and Planetary Interiors. 1998, vol. 105, issue 3-4, p ISSN

135 [35] MORGOUNOV, V. A. and S. A. MALZEV. A multiple fracture model of pre-seismic electromagnetic phenomena. Tectonophysics. 2007, vol. 431, issue 1-4, p ISSN [36] KRUMBHOLZ, M. Electromagnetic radiation as a tool to determine actual crustal stresses: applications and limitations. Göttingen, p. Ph.D. thesis. Georg-August-Universität zu Göttingen. Supervisor Prof. Dr. Sharon Webb. [37] PETRENKO, V. F. Electromechanical Phenomena in Ice. CRREL Special Report 96-2, 1996, 40 p. [38] SHIBKOV, A. A., M. A. ZHELTOV, V. V. SKVORTSOV, R. Y. KOLTSOV and A. V. SHUKLINOV. Electromagnetic emission under uniaxial compression of ice: I. Identification of nonstationary processes of structural relaxation by electromagnetic signals. Crystallography Reports. 2005, vol. 50, issue 6, p ISSN [39] SHIBKOV, A. A., R. Y. KOLTSOV and M. A. ZHELTOV. Electromagnetic emission under uniaxial compression of ice: II. Analysis of the relationship between an electromagnetic signal and the dynamics of charged dislocation pile-ups. Crystallography Reports. 2006, vol. 51, issue 1, p ISSN [40] SHIBKOV, A. A. and A. A. KAZAKOV. Electromagnetic emission under uniaxial compression of ice: III. Dynamics and statistics of dislocation avalanches and cracks. Crystallography Reports. 2009, vol. 54, issue 2, p ISSN [41] MISRA, A. A physical model for the stress-induced electromagnetic effect in metals: Materials Science & Processing. Applied Physics A. 1978, vol. 16, issue 2, p ISSN [42] MISRA, A. and A. KUMAR. Some basic aspects of electromagnetic radiation during crack propagation in metals. International Journal of Fracture. 2004, vol. 127, issue 4, p ISSN [43] Piezoelektrický jev. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001 [cit ]. Dostupné z: [44] FREUND, F. Charge generation and propagation in igneous rocks. Journal of Geodynamics. 2002, vol. 33, issue 4-5, p ISSN [45] YOSHIDA, S., M. UYESHIMA and M. NAKATANI. Electric potential changes associated with slip failure of granite: Preseismic and coseismic signals. Journal of Geophysical Research. 1997, vol. 102, issue B7, p ISSN [46] KYRIAZOPOULOS, A. Mechanical stress induced electrical emissions in cement based materials Ph.D. thesis. Brunel University-United Kingdom, School of Engineering & Design. Supervisor Dr. Cimon Anastasiadis and Mr. Chris Brown. [47] FRID, V., A. RABINOVITCH and D. BAHAT. Fracture induced electromagnetic radiation. Journal of Physics D: Applied Physics. 2003, vol. 36, issue 13, p ISSN [48] RABINOVITCH, A., V. FRID and D. BAHAT. Parametrization of electromagnetic radiation pulses obtained by triaxial fracture of granite samples. Philosophical Magazine Letters. 1998, vol. 77, issue 5, p ISSN [49] RABINOVITCH, A. A note on the amplitude-frequency relation of electromagnetic radiation pulses induced by material failure. Philosophical Magazine Letters. 1999, vol. 79, issue 4, p ISSN [50] RABINOVITCH, A., V. FRID, D. BAHAT and J. GOLDBAUM. Fracture area calculation from electromagnetic radiation and its use in chalk failure analysis. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2000, vol. 37, issue 7, p ISSN

136 [51] KOKTAVY, P., J. PAVELKA and J. SIKULA. Characterization of acoustic and electromagnetic emission sources. Measurement Science and Technology. 2004, vol. 15, issue 5, p ISSN [52] MORI, Y. and Y. OBATA. Electromagnetic Emission and AE Kaiser Effect for Estimating Rock In-situ Stress. Report of the Research Institute of Industrial Technology, Nihon University. 2008, vol. 93, p ISSN [53] MOLOTSKII, M. I. Dislocation mechanism for the Misra effect. Soviet Technical Physics Letters. 1980, vol. 6, issue 1, p ISSN: X. [54] DEVYATKIN, E. A., I. V. SIMONOV and A. A. SIROTIN. On electromagnetic radiation under destruction of ultrathin glass fibers. Mechanics of Solids. 2009, vol. 44, issue 1, p ISSN [55] SLIFKIN, L. Seismic electric signals from displacement of charged dislocations. Tectonophysics. 1993, vol. 224, issue 1-3, p ISSN [56] FRID, V., A. RABINOVITCH and D. BAHAT. Electromagnetic radiation associated with induced triaxial fracture in granite. Philosophical Magazine Letters. 1999, vol. 79, issue 2, p ISSN [57] MIROSHNICHENKO, M. and V. KUKSENKO. Emission of electromagnetic pulses during nucleation of cracks in solid insulators. Soviet physics, Solid state. 1980, vol. 22, p ISSN [58] O'KEEFE, S. G. and D. V. THIEL. A mechanism for the production of electromagnetic radiation during fracture of brittle materials. Physics of the Earth and Planetary Interiors. 1995, vol. 89, issue 1-2, p ISSN [59] RABINOVITCH, A., V. FRID and D. BAHAT. Surface oscillations A possible source of fracture induced electromagnetic radiation. Tectonophysics. 2007, vol. 431, issue 1-4, p ISSN [60] CHEN, Z. and K. M. HUANG. Using the oscillating dipoles model to study the electromagnetic radiation induced by fracture of rocks. Progress in Electromagnetics Research M. 2010, vol. 14, p ISSN [61] CHEN, Z. and K. M. HUANG. A numerical analytic method for electromagnetic radiation accompanying with fracture of rocks. Chinese Physics B. 2010, vol. 19, issue 10, p ISSN [62] PŘIBÁŇ, M. Akustická emise (AE): teorie a praxe provozních kontrol konstrukcí [online] [cit ]. Studijní materiál Učební texty k semináři. Dostupné z: [63] PŘIBÁŇ, M., P. HORA a J. VLACH. Hodnocení a klasifikace závažnosti zdrojů akustické emise z hlediska zajištění bezpečnosti provozu tlakových nádob a potrubí v chemickém průmyslu. In: CHISA vyd. Praha: Ing. Jan Novosad, Procesní inženýrství, 2001, s ISBN [64] GROSSE, C. U. Acoustic Emission Testing: Basics for Research Applications in Civil Engineering. Verlag Berlin Heidelberg: Springer, 2008, 396 p. ISBN [65] Chapter 2: Acoustic Emission. MIX, P. E. Introduction to Nondestructive Testing: A Training Guide. 2nd edition. Hoboken, New Jersey: Wiley-Interscience, 2005, p ISBN [66] BLAHÁČEK, M. Lokalizace zdrojů akustické emise pomocí umělých neuronových sítí. Praha, s. Disertační práce. ČVUT, Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská. Vedoucí práce Ing. Zdeněk Převorovský, CSc. 124

137 [67] PROSSER, W. H. Chapter 6: Acoustic Emission. SHULL, P. Nondestructive Evaluation: Theory, Techniques, and Applications. New York: Marcel Dekker, 2002, p Mechanical engineering (Marcel Dekker, Inc.), 142. ISBN [68] DROUILLARD, T. F. Acoustic emission: The first half century. In: Proceedings of the 12th International Acoustic Emission Symposium. Sapporo (Japan): The Japanese Society for Non-Destructive Inspection, October 1994, p [69] KAISER, J. Untersuchungen über das Auftreten Geräuschen beim Zugversuch. Munich, Germany, Ph.D. thesis. Technische Hochschule München. [70] MURAVIN, B. Physical Principals of Acoustic Emission [online]. February 2011 [cit ]. Acoustic Emission presentations. Dostupné z: [71] PTÁČEK, L. Nauka o materiálu I. Brno: CERM, 2003, 516 s. ISBN [72] FINLAYSON, R. D. Chapter 10: Acoustic Emission Testing. HELLIER, C. J. Handbook of nondestructive evaluation. New York: McGraw-Hill, 2001, p ISBN [73] KEPRT, J. Primární kalibrace snímačů akustické emise. Brno, s. Disertační práce. VUT v Brně, FEKT, Ústav automatizace a měřicí techniky. Vedoucí práce doc. Ing. Petr Beneš, Ph.D. [74] HORT, F. Využití metody akustické emise pro zpřesnění diagnostiky vzniku poškození radiálních ložisek. Brno, s. Disertační práce. VUT v Brně, FSI, Ústav konstruování. Vedoucí práce doc. Ing. Pavel Mazal, CSc. [75] KOKTAVY, P. Experimental study of electromagnetic emission signals generated by crack generation in composite materials. Measurement Science and Technology. 2009, vol. 20, issue 1, p ISSN [76] KOKTAVÝ, P. Využití impulzních náhodných procesů pro diagnostiku materiálů a součástek. Brno, s. Habilitační práce. VUT v Brně, FEKT, Ústav fyziky. [77] KOKTAVÝ, P. Elektromagnetická emise při vzniku trhlin v kompozitních materiálech. Brno: VUTIUM, s. ISBN ; ISSN X. Teze přednášky k profesorskému jmenovacímu řízení. VUT v Brně, FEKT, Ústav fyziky. [78] NATIONAL INSTRUMENTS. PXI: The Industry Standard Platform for Instrumentation [online] [cit ]. Dostupné z: [79] NATIONAL INSTRUMENTS. PXI Express Specification Tutorial [online] [cit ]. Dostupné z: [80] VASEGHI, S. V. Advanced Digital Signal Processing and Noise Reduction. 3rd edition. Chichester: John Wiley, 2006, 480 p. ISBN [81] TŮMA, J. Zpracování signálů získaných z mechanických systémů užitím FFT. Praha: Sdělovací technika, 1997, 174 s. ISBN [82] HRIVŇÁK, I. Fraktografia. Bratislava: Slovenská technická univerzita, Fakulta materiálovotechnologická, 2009, 95 s. skriptum. [83] VODIČKOVÁ, V. Zkoušení materiálových vlastností: Fraktografie dalších technických materiálů [online]. Technická univerzita v Liberci, Fakulta strojní [cit ]. Výukový materiál pro předmět ZMV. Dostupné z: [84] ELICES, M. and J. LLORCA. Fiber fracture. First edition. Oxford: Elsevier Science, 2002, 393 p. ISBN [85] GREENHALGH, E. S. Failure analysis and fractography of polymer composites. Oxford: Woodhead Publishing Limited, 2009, 595 p. ISBN

138 Vybrané autorské publikace související s tématem disertace [A1] [A2] [A3] [A4] [A5] [A6] [A7] [A8] [A9] [A10] [A11] [A12] KOKTAVY, P., T. TRCKA and B. KOKTAVY. Noise diagnostics of composite materials by using spectral characteristics of electromagnetic emission. In 22nd International Conference on Noise and Fluctuations (ICNF). Montpellier, Italy p. Tu-P-1 (4 p.). ISBN TRCKA, T. Characteristics of the improved set-up for electromagnetic and acoustic emission signals continual measurement. In Proceedings of the 16th Conference Student EEICT Brno p ISBN TRCKA, T. Continual measurement of electromagnetic and acoustic emission signals for various loading conditions. In Proceedings of the 17th Conference Student EEICT Brno p ISBN TRCKA, T. and P. KOKTAVY. Electromagnetic and acoustic emission signals continual measurement and real time processing. ElectroScope (3). p ISSN TRCKA, T., P. KOKTAVY and P. TOFEL. Electromagnetic and acoustic emission signals real-time measurement, processing and data evaluation. Key Engineering Materials (print) (1). p ISSN TRCKA, T., J. LANIK and R. MACKU. Comparing the properties of polypropylene fibers contained in ordinary and lightweight concrete using three-point bending tests with stress concentrator and acoustic emission method. Key Engineering Materials (print) (1). p ISSN VESELY, V., O. VODAK, T. TRCKA, J. SOBEK, P. KOKTAVY, Z. KERSNER and B. KOKTAVY. Acoustic emission from quasi-brittle failure of cementitious composites: Experimental measurements and cohesive crack model simulations. Key Engineering Materials (print) (1). p ISSN CSEFALVAY, G., T. TRCKA, O. VODAK and P. SEDLAK. Using acoustic emission in fracture monitoring of cementitious composites. Key Engineering Materials (print) (1). p ISSN KOKTAVY, P., T. TRCKA and B. KOKTAVY. Noise diagnostics of advanced composite materials for structural applications. In 21st International Conference on Noise and Fluctuations (ICNF). Toronto, Kanada p ISBN TRCKA, T., P. KOKTAVY and B. KOKTAVY. Use of electromagnetic and acoustic emission in failure monitoring of cementitious composites. In Fracture Mechanics for Durability, Reliability and Safety. Kazaň p ISBN TRCKA, T., P. KOKTAVY and B. KOKTAVY. Spectral analysis of electromagnetic and acoustic emission stochastic signals. In American Institute of Physics (AIP) conference proceedings. Melville, New York p ISSN X. TRČKA, T. a P. KOKTAVÝ. Problematika transformace signálů elektromagnetické a akustické emise do frekvenční oblasti. Jemná mechanika a optika (2). s ISSN

139 Životopis autora Ing. Tomáš Trčka Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně Technická Brno Tel xtrcka03@stud.feec.vutbr.cz Web: Současná pozice 2008 dosud KVALIFIKACE A PROFESNÍ KARIÉRA Student doktorského studijního programu Fyzikální elektronika a nanotechnologie a technicko hospodářský pracovník na Ústavu fyziky, Fakultě elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně. Kvalifikace Dosažení titulu Ing. v oboru telekomunikační a informační technika, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, VUT V Brně. Dosažení titulu Bc. v oboru teleinformatika, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, VUT V Brně. Profesní kariéra 2008 dosud 2014 dosud Technicko hospodářský pracovník (UFYZ, FEKT VUT v Brně). Technicko hospodářský pracovník (Středoevropský technologický institut VUT, projekt Optoelektronická charakterizace nanostruktur). Odborné aktivity PROFESNÍ AKTIVITY Výzkum v oblasti diagnostiky mechanicky zatěžovaných materiálů prostřednictvím signálů elektromagnetické a akustické emise. Návrh a realizace plně automatizovaných systémů pro měření, zpracování a vyhodnocování experimentálních dat v rámci řešení výzkumných projektů. Aktivní práce na inovaci technického zázemí pro vědu a výzkum na Ústavu fyziky, především návrh a výroba desek plošných spojů a vývoj specializovaného software v moderních vývojových prostředích MATLAB a LabVIEW. V roce 2010 získán CEU certifikát díky absolvování International Measurement University (Trento, Itálie). Členství IMAPS (International Microelectronics And Packaging Society). 127