Badanie warstwy granicznej metodą spektroskopowej emisji podczas badania materiału ablacyjnego w plazmatronie

Ogólnym celem tej procedury eksperymentalnej jest scharakteryzowanie reakcji materiału i zjawisk interakcji powierzchni gazów w ablacyjnych materiałach ochrony termicznej i przepływach o wysokim NTP w celu dostarczenia danych do opracowania i walidacji modelu numerycznego. Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania w dziedzinie badania gruntu materiałów ochrony termicznej, takie jak sposób rozkładu materiału i wpływ na warstwę wiązania reaktywnego. Główną zaletą tej techniki jest to, że stosujemy tylko metody optyczne, które dają szerokie spektrum informacji i które można stosunkowo łatwo ustandaryzować do analizy materiałowej.

Ogólnie rzecz biorąc, osoby początkujące w testowaniu naziemnym w plazmie ven-tun-ele będą miały trudności z powodu złożoności technik pomiarowych. Z demonstracją wizualną będzie to pomocne. Implikacje tej techniki mają zostać rozszerzone na wiele materiałów osłon termicznych, takich jak kompozyty ceramiczne, a zwłaszcza fenole węglowe pirolizujące.

Najpierw wyrównaj układ optyczny za pomocą pionowego i poziomego lasera liniowego, ustawiając wszystkie elementy na tej samej wysokości co próbka testowa i ustawiając soczewkę prostopadle do linii stagnacji próbki. Zogniskuj ścieżkę optyczną, umieszczając soczewkę w obliczonej odległości od badanej próbki, a światłowód kończy się w obliczonej odległości od soczewki. Oświetl punkt stagnacji próbki za pomocą ołówkowej lampy kalibracyjnej Mercury i umieść końce światłowodu w miejscu najlepiej ostrego obrazu.

Po wyrównaniu systemu światłowodu soczewki wyślij punkt laserowy przez końce światłowodu po stronie spektrometru i obserwuj skupiony laser po stronie próbki za pomocą białego arkusza papieru, aby potwierdzić prawidłowe położenie i ogniskowanie przed badaną próbką. Zapobiegaj przedostawaniu się jakiejkolwiek emisji, z wyjątkiem tej z punktu ogniskowego, do końców światłowodu, otaczając ścieżkę optyczną, na przykład czarnym kartonem. Wyślij wiązkę laserową przez światłowody, aby sprawdzić, czy żadne światło emitowane przez końcówkę światłowodu nie jest w stanie dotrzeć bezpośrednio do soczewki.

Następnie obserwuj badaną próbkę za pomocą kamery o dużej prędkości lub HSC prostopadłej do powierzchni próbki. Użyj dostępu do systemu soczewek próbki w celu poziomego i pionowego wyrównania optyki kamery, upewniając się, że środek pola widzenia HSC pokrywa się ze środkiem soczewki i punktem stagnacji próbki. Zsynchronizuj HSC i spektrometry emisyjne z cyfrowym generatorem opóźnień lub DDG.

Wyzwalaj zapis HSC pojedynczym szczytem napięcia z DDG i wyzwalaj każde nagranie widma z żądaną częstotliwością. Do radiometrii należy użyć dwukolorowego pirometru do obserwacji temperatury powierzchni w połączeniu z oknem kwarcowym w komorze testowej. Aby skonfigurować oprogramowanie HSC, ustaw czas wysokiej ekspozycji na 90 milisekund, aby wyrównać i ustawić ostrość HSC przed eksperymentem z próbką testową na miejscu i wykonać obraz przed testem.

Zmień czas ekspozycji w eksperymencie. Ustaw post-trigger na maksimum i ustaw odpowiednią szybkość nagrywania, aby pokryć cały eksperyment. Po ustawieniu początkowej liczby F na 16, należy ustawić DDG na żądaną częstotliwość powtarzania, z jaką widma powinny być rejestrowane przez spektrometry.

Następnie skonfiguruj oprogramowanie do akwizycji spektrometru. Po upewnieniu się, że układ optyczny jest prawidłowo ustawiony, zrób zdjęcie tła z każdym instrumentem i zapisz je. Następnie uruchom urządzenie plazmowe i doprowadź je do żądanego stanu testowego.

Następnie rozpocznij nagrywanie z kamery HD. Następnie rozpocznij nagrywanie pirometrów. Weź wolne widmo strumieniowe ze wszystkimi spektrometrami w celu porównania kalibracji.

Po zakończeniu skróć czas integracji z 200 milisekund do 50 milisekund, aby zapobiec nasyceniu. Uruchom HSC i spektrometry za pomocą DDG, naciskając wyzwalacz i ustawiając tryb z zewnętrznego na wewnętrzny. Następnie wstrzyknąć próbkę testową do strumienia plazmy.

Po zakończeniu testowania zatrzymaj DDG. Po zapisaniu obrazów HSC zatrzymaj akwizycję pirometru. Następnie wyślij punkt laserowy przez stronę spektrometru po stronie spektrometru końca światłowodu.

Obserwuj ostrość lasera za pomocą HSC i zapisz ten obraz, aby zaznaczyć pozycję spektrometru. Po powtórzeniu poprzedniego kroku dla każdego spektrometru, umieść szachownicę w pozycji badanej próbki i zapisz obraz za pomocą HSC w celu kalibracji. Po usunięciu badanej próbki należy zanotować jej masę.

Po zrobieniu zdjęć próbki przechowuj ją w magazynie próbki, aby chronić kruchą, zwęgloną warstwę złożoną z utlenionych włókien. W tym momencie należy przeprowadzić kalibrację intensywności każdego układu optycznego, umieszczając wolframową lampę wstęgową w ognisku każdego układu optycznego w komorze testowej. Zapisz widmo lampy kalibracyjnej.

Następnie obserwuj czasy wstrzykiwania i wyrzucania próbki w pliku wideo HSC, aby prawidłowo oszacować czas testu. Obserwuj położenie pikseli w punkcie stagnacji próbki testowej podczas wstrzykiwania z pliku wideo HSC. Wyeksportuj wcześniej wykonane obrazy i znajdź piksele lokalizacji sondowania spektrometru jako jasne punkty na obrazie, wskazujące pozycje X i Y.

Następnie otwórz plik zawierający wektor długości fali skalibrowanych widm i zidentyfikuj oraz zidentyfikuj indeksy wierszy odpowiadające odpowiednim długościom fal. Wykreślić spektralnie zintegrowaną emisję każdego ze spektrometrów w funkcji odległości spektrometru od powierzchni. Aby uzyskać lepszą interpretację wyników, wykonaj wielomianowe dopasowanie danych i wykreśl wyniki.

Do analizy SEM należy wybrać jedno dobrze obserwowalne włókno z systemem SEM. Oszacuj grubość i długość pierwotnego włókna węglowego za pomocą narzędzi dostarczonych przez oprogramowanie systemu SEM zgodnie z instrukcjami producenta. Przetnij kruchy materiał za pomocą skalpela.

Następnie oszacuj głębokość, na jaką włókna są przerzedzane, porównując grubość włókien poddanych ablacji z grubością włókien pierwotnych. Wyniki pokazują, że pomiar recesji przechyłu suwmiarki na ogół skutkował większymi wartościami niż te wykonane za pomocą obrazowania HSC. HSC ustaliło, że tempo recesji w plazmie powietrznej nie różniło się znacząco, prawdopodobnie ze względu na reżim ablacji kontrolowanej dyfuzją.

Zintegrowane intensywności przyjmowania CN wykreślone w zależności od odległości od powierzchni ablacji wykazują dobrą zgodność w odniesieniu do siebie. Widma eksperymentalne fioletu CN przy niskim i wysokim ciśnieniu porównano z widmami symulowanymi w celu uzyskania temperatur gazów. Oszacowane temperatury wykazały duże odchylenie od równowagi termicznej przy niskim ciśnieniu.

Uzyskane temperatury przy niskim ciśnieniu wynosiły 8200 kelwinów dla translacji temperatury rotacji i 21 000 kelwinów dla temperatury wibracyjnej elektronu w pobliżu ściany, przy czym ta ostatnia zmniejszała się przez warstwę graniczną. Jest to przeciwieństwo stanu równowagi w całej warstwie granicznej przy wyższym ciśnieniu. Mikrowykresy wykazały, że utlenianie węgla w plazmie powietrznej doprowadziło do powstania sopla lodu w ablowanych włóknach o głębokości utlenienia około 0,2 milimetra.

Podczas niektórych testów ablacyjnych zaobserwowano jasne iskrzenie, które może być spowodowane odrywaniem się gorących włókien od powierzchni. Ablacja w plazmie azotowej doprowadziła do silnej degradacji włókien wzdłuż ich powierzchni, co doprowadziło do powolnej recesji materiału przez azotowanie. Chociaż uczestnictwo jest pozytywne, ważne jest, aby pamiętać, że eksperymentalne obliczenia numeryczne dżetów plazmy są niezbędne do zrozumienia uzyskanych danych.

Metodę tę można łatwo przeprowadzić również na materiałach pirolizujących, aby odpowiedzieć na dodatkowe pytania, takie jak inne pirolizy dren-sen, odgazowanie zmienia się w czasie i jak różni się jego skala czasowa od procesów ablacji powierzchniowej. Po jej opracowaniu technika ta utorowała drogę naukowcom zajmującym się inżynierią lotniczą i kosmiczną do opracowania modeli ablacji materiałów kompozytowych. Wykorzystaj dane doświadczalne dotyczące reakcji materiału w fazie gazowej.

Nie zapominaj, że praca z laserami i materiałami z włókna węglowego może być niebezpieczna, a podczas wykonywania tej procedury należy podjąć środki ostrożności, takie jak fartuchy laboratoryjne, rękawice, okulary.