Investigación capa de emisión espectroscópica de límites durante el ablativo de Ensayo de Materiales en Plasmatron

El objetivo general de este procedimiento experimental es caracterizar la respuesta del material y los fenómenos de interacción entre la superficie del gas y los materiales de protección térmica ablativa y los flujos altos de NTP para proporcionar datos para el desarrollo y la validación de modelos numéricos. Este método puede ayudar a responder preguntas clave en el campo de las pruebas de suelo de materiales de protección térmica, como cómo se descompone el material y cómo se ve afectada la capa de enlace reactivo. La principal ventaja de esta técnica es que solo aplicamos métodos ópticos, que dan un amplio espectro de información y que se pueden estandarizar con relativa facilidad para el análisis de materiales.

Por lo general, las personas nuevas en las pruebas sobre el terreno en plasma ven-tun-ele tendrán dificultades debido a la complejidad de las técnicas de medición. Con una demostración visual, será una ayuda. Las implicaciones de esta técnica están destinadas a extenderse a muchos materiales de protección térmica, como los compuestos cerámicos, y especialmente los fenólicos de carbono pirolizantes.

En primer lugar, alinee el sistema óptico utilizando un láser de línea vertical y horizontal llevando todos los componentes a la misma altura que la muestra de prueba y alineando la lente perpendicular a la línea de estancamiento de la muestra. Enfoque la trayectoria óptica colocando la lente a la distancia calculada de la muestra de prueba y la fibra óptica termina a la distancia calculada de la lente. Ilumine el punto de estancamiento de la muestra con una lámpara de calibración de mercurio estilo lápiz y coloque los extremos de la fibra en la ubicación de la imagen mejor enfocada.

Una vez que el sistema de fibra de la lente esté alineado, envíe un punto láser a través de los extremos de la fibra del lado del espectrómetro y observe el láser enfocado en el lado de la muestra con una hoja de papel blanco para confirmar la posición y el enfoque correctos frente a la muestra de prueba. Evite cualquier emisión, excepto la del punto focal que ingresa a la fibra óptica, terminando encerrando la ruta óptica, por ejemplo, con cartón negro. Envíe un rayo láser a través de las fibras ópticas para comprobar que ninguna luz emitida por el extremo de la fibra pueda llegar directamente a la lente.

A continuación, observe la muestra de ensayo con una cámara de alta velocidad o HSC perpendicular a la superficie de la muestra. Utilice el acceso al sistema de lentes de muestra para la alineación horizontal y vertical de la óptica de la cámara, asegurándose de que el centro de campo de visión del HSC coincida con el centro de la lente y el punto de estancamiento de la muestra. Sincronice el HSC y los espectrómetros de emisión con un generador de retardo digital o DDG.

Dispare la grabación HSC con un solo pico de voltaje desde el DDG y active cada grabación de espectro con la frecuencia deseada. Para la radiometría, utilice un pirómetro de dos colores para observar la temperatura de la superficie en combinación con una ventana de cuarzo en la cámara de prueba. Para configurar el software HSC, establezca el tiempo de exposición alta en 90 milisegundos para alinear y enfocar el HSC antes del experimento con la muestra de prueba en su lugar y tome una imagen previa a la prueba.

Cambie el tiempo de exposición del experimento. Ajuste el disparo posterior al máximo y establezca la velocidad de grabación correcta para cubrir todo el experimento. Después de establecer el número F inicial en 16, ajuste el DDG a la velocidad de repetición deseada a la que los espectrómetros registrarán los espectros.

A continuación, configure el software de adquisición del espectrómetro. Después de confirmar que el sistema óptico está colocado correctamente, tome una imagen de fondo con cada instrumento y guárdela. Después de esto, encienda la instalación de plasma y llévela a la condición de prueba deseada.

A continuación, inicie la grabación de la cámara HD. A continuación, inicie el registro de los pirómetros. Tome un espectro de flujo libre con todos los espectrómetros para la comparación de la calibración.

Cuando termine, reduzca el tiempo de integración de 200 milisegundos a 50 milisegundos para evitar la saturación. Dispare el HSC y los espectrómetros a través del DDG pulsando trigonometría y configurando el modo de externo a interno. A continuación, inyecte la muestra de prueba en el flujo de plasma.

Una vez completada la prueba, detenga el DDG. Después de guardar las imágenes HSC, detenga la adquisición del pirómetro. Después de esto, envíe un punto láser a través del lado del espectrómetro del extremo de fibra óptica del lado del espectrómetro.

Observe el enfoque láser con HSC y guarde esta imagen para marcar la posición del espectrómetro. Después de repetir el paso anterior con cada espectrómetro, coloque un tablero de ajedrez en la posición de la muestra de prueba y registre la imagen con el HSC para su calibración. Una vez que se haya extraído la muestra de prueba, registre su peso.

Después de tomar fotografías de la muestra, guárdela en el almacenamiento de muestras para proteger la capa quebradiza carbonizada compuesta de fibras oxidadas. En este punto, realice una calibración de intensidad de cada sistema óptico colocando una lámpara de cinta de tungsteno en el foco de cada óptica de colección dentro de la cámara de prueba. Registre el espectro de la lámpara de calibración.

A continuación, observe los tiempos de inyección y expulsión de la muestra en el archivo de vídeo HSC para obtener una estimación correcta del tiempo de prueba. Observe la ubicación de los píxeles del punto de estancamiento de la muestra de prueba en la inyección desde el archivo de vídeo HSC. Exporte las imágenes tomadas anteriormente y encuentre los píxeles de las ubicaciones de sondeo del espectrómetro como puntos brillantes en la imagen que indican las posiciones X e Y.

A continuación, abra el archivo que contiene el vector de longitud de onda de los espectros calibrados e identifique e identifique los índices de fila correspondientes a las longitudes de onda relevantes. Trace la emisión espectralmente integrada de cada uno de los espectrómetros en función de las distancias del espectrómetro desde la superficie. Para una mejor interpretación de los resultados, realice un ajuste polinómico de los datos y represente los resultados.

Para el análisis SEM, seleccione una sola fibra observable bien con el sistema SEM. Estime el grosor y la longitud de la fibra de carbono virgen con las herramientas proporcionadas por el software del sistema SEM de acuerdo con las instrucciones del fabricante. Corta el material quebradizo con un bisturí.

A continuación, estime la profundidad a la que se adelgazan las fibras comparando el grosor de las fibras ablacionadas con el grosor de las fibras vírgenes. Los resultados muestran que la medición de la recesión del balanceo de la pinza generalmente resultó en valores más grandes que los realizados por imágenes HSC. El HSC determinó que las tasas de recesión en el plasma aéreo no difirieron mucho, probablemente debido a un régimen de ablación controlado por difusión.

Las intensidades de admisión de CN integradas trazadas a lo largo de la distancia desde la superficie de ablación muestran una buena concordancia entre sí. Los espectros experimentales de CN violeta a baja y alta presión se compararon con espectros simulados para obtener las temperaturas de los gases. Las temperaturas estimadas arrojaron una alta desviación del equilibrio térmico a baja presión.

Las temperaturas recuperadas a baja presión fueron de 8200 Kelvin para la traducción de la temperatura de rotación y de 21.000 kelvin para la temperatura electrónica vibratoria cerca de la pared, disminuyendo esta última a través de la capa límite. Esto contrasta con la condición de equilibrio en toda la capa límite a una presión más alta. Las micrografías demostraron que la oxidación del carbono en el plasma aéreo dio lugar a una forma de carámbano de las fibras ablacionadas con una profundidad de oxidación de alrededor de 0,2 milímetros.

Se observaron chispas brillantes durante algunas pruebas de ablación que podrían ser causadas por grupos de fibras calientes que se desprenden de la superficie. La ablación en el plasma de nitrógeno condujo a fibras altamente degradadas a lo largo de su superficie, lo que condujo a una lenta recesión del material por nitruración. Si bien la asistencia es positiva, es importante recordar que el cálculo experimental y numérico de los chorros de plasma es necesario para la comprensión de los datos adquiridos.

Este método se puede realizar fácilmente también en materiales pirolizantes para responder a preguntas adicionales: al igual que otros pirolizados de dren-sen, la desgasificación varía con el tiempo y cómo su escala de tiempo es diferente de los procesos de ablación de superficies. Tras su desarrollo, esta técnica allanó el camino para que los investigadores en ingeniería aeroespacial desarrollaran modelos para la ablación de materiales compuestos. Utilice datos experimentales sobre la respuesta del material en la fase gaseosa.

No olvide que trabajar con láseres y materiales de fibra de carbono puede ser peligroso, y se deben tomar precauciones como batas de laboratorio, guantes y anteojos al realizar este procedimiento.