Palavras-chave: Fotografia Schlieren, Ultrassom, Ondas de Lamb, Compósitos Laminados Fibra- Metal, Detecção de Danos.

COTEQ - 000 UTILIZAÇÃO DA FOTOGRAFIA SCHLIEREN NA VISUALIZAÇÃO DO FEIXE ULTRASSÔNICO E DETECÇÃO DE DANOS EM COMPÓSITOS LAMINADOS FIBRA-METAL Cláudia Teresa T. Farias1, Ivan C. da Silva2, Igor Souza Ribeiro3, Nico F. Declercq 4, João Carlos Machado5, João Marcos A. Rebello6 Copyright 2009, ABENDE, ABRACO e IBP Trabalho apresentado durante a 10ª. COTEQ – Conferência Sobre Tecnologia de Equipamentos As informações e opiniões contidas neste trabalho são de exclusiva responsabilidade do(s) autor(es). Sinopse A utilização da técnica de fotografia Schlieren na visualização do feixe acústico em meios transparentes já é bem aceita e difundida como método de investigação experimental no estudo da interação ótica-acústica com descontinuidades presentes no material a ser inspecionado. Neste trabalho foram obtidas fotografias Schlieren a partir da inspeção ultrassônica com ondas de Lamb em placas de compósitos laminados fibra-metal com e sem defeitos. Os resultados mostram a interferência entre campos leakage dos diferentes tipos de conversão de modo das ondas de Lamb nos defeitos e bordas das placas.

Palavras-chave: Fotografia Schlieren, Ultrassom, Ondas de Lamb, Compósitos Laminados FibraMetal, Detecção de Danos. 1. Introdução Compósitos laminados fibra-metal (LFM) são cada vez mais utilizados por apresentarem, em geral, propriedades mecânicas superiores às ligas do metal isoladamente e menor densidade. Estes materiais foram recentemente lançados no mercado, sendo utilizados principalmente na indústria aeronáutica. Uma grande variedade de modos de deformação pode levar à falha dos compósitos reforçados por fibras. Os principais tipos de danos que reduzem a resistência mecânica do LFM são a ruptura de fibras, o descolamento fibra/matriz e a delaminação (1). É de extrema importância que ____________________________________________________ 1 D. Sc., Química Industrial – IFBA- Campus Salvador / GPEND 2 D. Sc., Engenheiro Eletrônico – IFCampos- Campus Macaé 3 Graduando, Engenharia Elétrica – IFBA- Campus Salvador / GPEND 4 Ph. D., Engenheiro Físico – Georgia Institute of Technology / Campus Georgia Tech Lorraine 5 Ph. D., Engenheiro Eletrônico - UFRJ/COPPE/PEB 6 D. Sc., Engenheiro Metalúrgico - UFRJ/COPPE/PEMM

1

sejam avaliados por métodos não-destrutivos eficazes na detecção de danos comuns a fim de garantir a segurança e a confiabilidade das estruturas que utilizam estes materiais. Entre as várias técnicas disponíveis, as ondas ultra-sônicas guiadas, em especial as ondas de Lamb, oferecem um método que pode ser conveniente na avaliação de materiais compósitos. No estudo da propagação de ondas ultrassônicas de Lamb em chapas de LFM, a técnica de fotografia Schlieren (2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15) pode ser útil provendo informações que auxiliam na caracterização destes materiais bem como na visualização de defeitos. Este método permite o mapeamento das mudanças de índices de refração em meios transparentes, líquidos, gases e sólidos, através da interação entre a irradiação de luz monocromática e o ultrassom, defasados em tempo definido. Quando ondas ultrassônicas de Lamb se propagam em sólidos elásticos (modos de propagação “verdadeiros”) imersos em líquidos, parte da energia sônica vaza para o meio circundante (modos de propagação das ondas leaky Lamb). A figura 1 ilustra o diagrama experimental típico para a obtenção de fotografias Schlieren. Um feixe de luz monocromático é gerado por uma fonte de laser e focalizado através da lente L1 em um furo minúsculo. Após a passagem por L2, a luz é colimada para obter um perfeito feixe de laser paralelo, o qual atravessa um tanque transparente contendo água. Um feixe ultra-sônico incide obliquamente sobre a superfície de uma placa sólida (corpo de prova no interior do tanque). O feixe de laser, após interagir perpendicularmente com o ultra-som, sai do tanque sendo então focalizado por L3, e, em seguida filtrado (black spot) para bloquear toda luz não-difratada. Portanto, somente luz difratada alcança a projeção da tela, e uma visualização do feixe ultrassônico é obtida. A imagem é então capturada por câmera digital e armazenada. Filtro espacial

y

LASER

L1

x

L2

L3

Tanque com água (vista de cima) Quadro de projeção

Y

x

Transdutor

Câmera Digital

z Tanque com água (vista de frente)

Corpo de prova

Figura 1 - Esquema experimental para obtenção de fotografias Schlieren.

Para análise dos feixes acústicos visualizados na fotografia Schlieren, a figura 2 ilustra um feixe ultra-sônico que propaga no líquido e incide na superfície do sólido com um ângulo próximo ao da geração de modos de propagação Lamb, promovendo uma série de fenômenos (4):  deslocamento lateral da posição geométrica do feixe refletido (reflexão não-especular);  presença de uma zona de intensidade nula ou mínima dentro do feixe refletido (campo nulo);  a geração de uma fraca onda leaky próxima ao feixe refletido.

2

O campo nulo, “efeito Schoch” (2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13) é resultante da interferência destrutiva entre o feixe oriundo da reflexão geométrica e o feixe gerado pela onda leaky Lamb. A presença desse campo nulo, foi objeto de estudos de vários pesquisadores nas últimas décadas (14,16). Este fenômeno de interferência teve o seu nome dado por ter sido investigado pelo pesquisador alemão A. Schoch em 1951. Reflexão Especular (geomátrica)

Campo nulo Reflexão não-especular

Feixe Incidente

 Onda Leaky Lamb

i

Líquido

y Onda de Lamb

Corpo de prova

b

x

Líquid o

Feixe transmitido

Figura 2 – Ilustração do efeito Schoch: Campo nulo devido à interferência destrutiva entre as reflexões geométrica e não-especular. O principal objetivo deste trabalho é a aplicação da técnica de fotografia Schlieren como ferramenta didática de visualização e estudo do feixe ultrassônico em regiões com e sem defeito de compósitos laminados fibra-metal.

2. Ensaios 2.1 – Corpos de Prova Os corpos de prova utilizados no trabalho foram LFMs de chapas de alumínio e pré-impregnados (prepreg) de epóxi reforçados por fibras de vidro, num total de seis corpos de prova classificados em: SD - sem defeito; F- fratura de fibra; D - delaminação. Os corpos de prova foram produzidos segundo duas configurações diferentes: laminado com fibras paralelas a direção de laminação do alumínio – CP1, figura 3; e laminado com fibras perpendiculares à direção de laminação do alumínio – CP2. Direção de laminação do alumínio

Alumínio Prepreg 0o Prepreg 0o

Alumínio

Figura 3 – CP1 contendo duas camadas de prepreg com fibras paralelas à direção de laminação do alumínio. 3

Na confecção dos corpos de prova CP1 e CP2 foram utilizados os seguintes materiais:  Chapas de alumínio com dimensões de 100 mm x 100 mm x 0,5 mm, e composição descrita na tabela 1;  Lâminas de pré-impregnado (prepreg) de fibra de vidro S2/epóxi uni-direcional (UD) Hexply® 6376, com dimensões de 100 mm x 100 mm x 0,17 mm fabricadas pela Hexcel Corporation. Os dados das propriedades do prepreg (17) são apresentados na tabela 2. Tabela 1 – Composição química da chapa de Alumínio comercial (18). elemento Al Cu Fe/Si Mg Mn Ti Zn Cr Outros 99,0 0,00%peso 0,05