Plasmatron में पंचमी विभक्ति सामग्री परीक्षण के दौरान उत्सर्जन स्पेक्ट्रोस्कोपी सीमा परत जांच

1Aeronautics and Aerospace Department, von Karman Institute for Fluid Dynamics, 2Research Group Electrochemical and Surface Engineering, Vrije Universiteit Brussel
Published 6/09/2016
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Helber, B., Chazot, O., Hubin, A., Magin, T. E. Emission Spectroscopic Boundary Layer Investigation during Ablative Material Testing in Plasmatron. J. Vis. Exp. (112), e53742, doi:10.3791/53742 (2016).

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Abstract

Introduction

6 अगस्त 2012, नासा के मार्स साइंस लेबोरेटरी (एमएसएल) मिशन को सफलतापूर्वक मंगल की सतह पर एक रोवर उतरा। यह रोवर पहले से ही रसायन शास्त्र और खनिज विश्लेषण के लिए एक स्वचालित नमूना संग्रह प्रणाली शामिल है। लंबे समय के बाद, 12 नवंबर, 2014 को, रोबोट यूरोपीय अंतरिक्ष एजेंसी लैंडर Philae पहले नरम लैंडिंग एक धूमकेतु पर हासिल की। इन उदाहरणों से संकेत मिलता है कि अगले कदम पृथ्वी पर सुरक्षित रूप से मंगल ग्रह का निवासी या क्षुद्रग्रह के नमूने लौटने के लिए की पहचान, विकास, और अर्हता प्राप्त करने के लिए आवश्यक तकनीक होगी। वर्तमान में, पंचमी विभक्ति सामग्री ऐसे नमूने वापसी मिशन की थर्मल प्रोटेक्शन सिस्टम (टीपीएस) है, जो hypervelocity प्रवेश के दौरान गंभीर ताप से अंतरिक्ष यान ढाल के लिए एकमात्र विकल्प है। केमिकल और ablators के भौतिक अपघटन, जन हानि और मंदी के दौर में तापीय ऊर्जा को बदलने whilst शेष ठोस सामग्री वाहन बुनियाद 1,2 insulates। तरीकों के साथ इस प्रोटोकॉल भर में प्रस्तुत किया है, हम चाहते हैंडिजाइन अनिश्चितताओं को कम करने और नए थर्मामीटरों रासायनिक पृथक मॉडल विकसित करके गर्मी ढाल विश्वसनीयता में सुधार लाने के लिए चल रहे प्रयासों पर नए प्रयोगात्मक डेटा के साथ योगदान करने के लिए।

ग्रहों की जांच और अंतरिक्ष वाहनों की पंचमी विभक्ति थर्मल संरक्षण सामग्री (TPM) इंजीनियरों के उच्च प्रदर्शन विशेषताओं को प्राप्त करने के लिए कंपोजिट 3,4 की एक विस्तृत श्रृंखला का उपयोग करें। TPMs आम तौर पर एक कठोर अग्रदूत और एक भरने मैट्रिक्स से बना रहे हैं, एक pyrolyzing के रूप में काम करने के लिए, ablating, और उचित यांत्रिक गुणों के साथ कम वजन में सामग्री इन्सुलेट। उच्च गति प्रविष्टि मिशन, एक कार्बन फाइबर पहिले phenolic राल के साथ गर्भवती से बना है, के लिए झरझरा हल्के ablators के एक नए परिवार के वर्तमान उदाहरण Pica (phenolic गर्भवती कार्बन ablator) नासा 5,6 द्वारा विकसित की है, और यूरोपीय ablator Asterm 7 रहे हैं। उद्योग के सहयोग से अंतरिक्ष एजेंसियों के अलावा, कई अनुसंधान समूहों के लिए एक शैक्षणिक लेव पर शुरू कर दियाएल के निर्माण और नए हल्के ablators की विशेषताएँ हैं, उदाहरण के संदर्भ के लिए 2,8 देखने के लिए - 12।

वायुमंडलीय प्रवेश के दौरान, गर्मी प्रवाह सदमे गर्म गैस से आने वाले के हिस्से गर्मी ढाल के अंदर स्थानांतरित कर रहा है और कुंवारी सामग्री दो तंत्र निम्नलिखित तब्दील हो जाता है: Pyrolysis उत्तरोत्तर, एक कम घनत्व, झरझरा चार में phenolic राल carbonizes का लगभग 50% खोने अपने जन वाष्पीकरण द्वारा pyrolysis गैसों का निर्माण किया। pyrolysis गैसों प्रसार और दबाव उनके अपघटन की वजह से वृद्धि से सामग्री से बाहर ले जाया जाता है। वे सीमा परत में निकास, उड़ाने और अतिरिक्त रासायनिक प्रतिक्रियाओं से गुजरना द्वारा गर्मी विनिमय के लिए एक और बाधा प्रदान करते हैं। ऐसे मैट्रिक्स के लिए phenolic रेजिन के रूप में पॉलिमर के उपयोग से उनके एन्दोठेर्मिक गिरावट प्रकृति का लाभ लेता है, जिससे ऊर्जा को अवशोषित, और अन्य घटकों के लिए एक बंधक के रूप में कार्यरत हैं। दूसरी घटना परिवर्तनचार परत की पृथक, कार्बनीकृत राल और शेष कार्बन फाइबर से बना है। इस तरह के Spallation के रूप में विषम रासायनिक प्रतिक्रियाओं, चरण परिवर्तन और यांत्रिक कटाव, द्वारा पदोन्नत किया है, पूरी तरह से सामग्री की मंदी के लिए अग्रणी।

उपलब्ध उड़ान सामग्री मॉडलिंग 13,14 में पिछले मिशन के दौरान सामग्री के प्रदर्शन पर डेटा, और प्रयासों के बावजूद, अंतरिक्ष यान के लिए गर्मी प्रवाह की भविष्यवाणी एक गंभीर समस्या बनी हुई है। प्लाज्मा पवन सुरंगों में भूमि परीक्षण वर्तमान में थर्मल संरक्षण सामग्री की योग्यता के लिए केवल किफायती विकल्प है। इसके अतिरिक्त, नई बहु पैमाने सामग्री प्रतिक्रिया मॉडल आदेश को ध्यान में सामग्री 15,16 के नए वर्ग के झरझरा सूक्ष्म संरचना लेने के लिए प्रस्तावित कर रहे हैं। उन मॉडलों उनके विकास और सत्यापन के लिए व्यापक प्रयोगात्मक डेटा की आवश्यकता है।

सामग्री लक्षण वर्णन के लिए उपयोग में सुविधाओं के सबसे अधिक चाप से गरम 17 <हैं/ sup> - 20 या प्रेरण 21,22 जलाकर, जो परीक्षण गैस के रूप में हवा के साथ उच्च गैस enthalpies प्रदान करते हैं, वायुमंडलीय reentry के अनुकरण के लिए आदर्श मिलकर। सबसोनिक 1.2MW उपपादन द्वारा मिलकर प्लाज्मा (आईसीपी) वॉन कर्मण संस्थान (vki) पर Plasmatron सुविधा की मशाल दबावों की एक विस्तृत श्रृंखला के लिए एक परीक्षण वस्तु का ठहराव बिंदु सीमा परत में वायुमंडलीय प्रविष्टि के aerothermodynamic पर्यावरण को पुन: पेश करने में सक्षम है और 25 - गर्मी 23 फलाक्सेस। एक व्यापक संख्यात्मक पुनर्निर्माण प्रक्रिया सीमा परत और वास्तविक पुनः प्रवेश उड़ान स्थानीय हीट स्थानांतरण अनुकरण पर आधारित स्थितियों के लिए जमीन-परीक्षण के आंकड़ों के एक्सट्रपलेशन की एक विस्तृत लक्षण वर्णन (LHTS) अवधारणा 26,27 प्रदान करता है।

हम पुनः प्रवेश उड़ान के लिए एक अच्छी तरह से विशेषता प्लाज्मा गैस वातावरण प्रतिनिधि में एक झरझरा कार्बन फाइबर अग्रदूत पर सामग्री लक्षण के लिए एक प्रक्रिया प्रस्तुत करते हैं। प्लाज्मा freestream characterization इस प्रोटोकॉल का हिस्सा नहीं है लेकिन कहीं 28 पाया जा सकता है। घुसपैठ और गैर दखल देने से तकनीकों का एक व्यापक प्रयोगात्मक स्थापना गर्म प्लाज्मा प्रवाह के संपर्क में सामग्री के यथास्थान विश्लेषण के लिए एकीकृत किया गया। उन पृथक प्रयोगों के परिणामों से पहले ही प्रस्तुत किए गए और व्यापक रूप से एक और संदर्भ 28 में चर्चा की। इस प्रोटोकॉल प्रयोगात्मक तकनीक पर विस्तृत जानकारी, सुविधा पर उनकी स्थापना, और डेटा विश्लेषण के लिए प्रक्रियाओं प्रदान करने के लिए है। इस प्रकाशन का लक्ष्य दर्शकों को कई गुना कर रहे हैं: एक तरफ, इस प्रकाशन सामग्री कोड डेवलपर्स और थर्मल संरक्षण सामग्री के इंजीनियरों के लिए सुविधा की विशेषताओं की समझ में सुधार करने के लिए प्रायोगिक तरीकों और प्रक्रियाओं में एक बेहतर समझ प्रदान करने के लिए है। दूसरी ओर, इसी तरह की सुविधाओं के साथ प्रयोगशालाओं की experimentalists डेटा प्रजनन और तुलना के लिए संबोधित कर रहे हैं, और ablat के डेटाबेस का विस्तार करने के लिएएक व्यापक गर्मी प्रवाह और दबाव रेंज के लिए सामग्री प्रतिक्रिया ive।

Protocol

1. सुविधा तैयारी

  1. उपलब्धता और सुविधा विनिर्देशों (इस काम में 3 जांच धारकों) के आधार पर प्रयोग के दौरान ऑप्टिकल मापन के लिए सुविधा के बाहर से परीक्षण के नमूने पर सबसे अच्छा विचार प्राप्त करने के लिए जांच और नमूना धारक काम को परिभाषित करें।
  2. एक pyrolyzing सामग्री का इस्तेमाल किया जाता है, (टी <200 डिग्री सेल्सियस) से पहले प्रारंभिक गिरावट और outgassing को रोकने के लिए शुरू परीक्षण करने के लिए एक ठंडा वातावरण में परीक्षण नमूना रखें।
  3. गर्मी प्रवाह माप और प्लाज्मा के प्रवाह का दबाव माप, गर्मी प्रवाह और Plasmatron सुविधा में Pitot दबाव माप के बारे में जानकारी के संदर्भ में 24 पाया जा सकता है के लिए उपलब्ध जांच धारकों का प्रयोग करें।

2. मापन तकनीक सेटअप

  1. उत्सर्जन स्पेक्ट्रोमीटर सेटअप और संरेखण
    1. परीक्षा के उद्देश्यों और उपलब्ध तंत्र के आधार पर वांछित स्पेक्ट्रोमीटर को पहचानें: संभव setups के कई छोटे, लेकिन व्यापक spe से मिलकर बनता हैबिंदु माप, या उच्च संकल्प spectrographs एक 2 डी सीसीडी सरणी स्थानिक संकल्प लिया माप (centerline या नमूने परीक्षण के सामने प्लाज्मा जेट की त्रिज्या के साथ उदाहरण के लिए) के लिए अनुमति से जुड़ा के लिए ctral दूरी स्पेक्ट्रोमीटर।
    2. चुने स्पेक्ट्रोमीटर विन्यास पर निर्भर करता है, बढ़ाई कि आवश्यक हो जाएगा का निर्धारण और नीचे के रूप में उल्लिखित उपयुक्त लेंस का चयन करें:
      1. इसलिए, 2 मिमी वेतन वृद्धि स्पेक्ट्रोमीटर द्वारा परीक्षण के नमूने के सामने 4 मिमी (उम्मीद सीमा परत की मोटाई) के भीतर तीन स्थानों का निरीक्षण करें। यह फाइबर से प्रत्येक के बीच न्यूनतम दूरी 6 मिमी फाइबर आवरण से (4 मिमी 12 मिमी पर उपज मीटर = 3) तक सीमित होने के कारण मीटर = 3 ऑप्टिकल प्रणाली के लिए एक बढ़ाई में यह परिणाम है।
      2. निर्धारित बनाने के लिए बढ़ाई और पतली लेंस समीकरण द्वारा अपेक्षित लेन्स की फोकल लंबाई:
        एम एस = मैं / एस ओ, मैं और एस के साथ एस + 1 / एस मैं = 1 / एफ, एफ लेंस के फोकल लंबाई होने के साथ।
        नोट: इस प्रोटोकॉल में: एस मैं = एम एक्स एस = 3 x 1000 मिमी = 3,000 मिमी, = 750 मिमी में जिसके परिणामस्वरूप।
      3. दर्पण का उपयोग करता है, तो लेंस और वस्तु के बीच की दूरी (यहां 3,000 मिमी) impractically बड़ी है।
    3. आदेश के रूप में उन्हें करीब एक साथ संभव के रूप में लाने के लिए और एक सुविधाजनक बढ़ते प्रणाली डिजाइन करने के लिए ऑप्टिकल फाइबर के jacketing निकालें। उदाहरण के लिए, फाइबर एक-दूसरे के बगल में झूठ बोल के साथ एक साधारण प्रेस फिट विधानसभा का उपयोग करें।
    4. ऑप्टिकल प्रणाली संरेखित एक ऊर्ध्वाधर और क्षैतिज रेखा लेजर का उपयोग कर (लेंस, दर्पण, ऑप्टिकल फाइबर समाप्त होता है से मिलकर): सभी घटकों को सीधा नमूना के ठहराव लाइन के लिए एक ही ऊंचाई तक ले आओ (परीक्षण के नमूने के रूप में) और लेंस संरेखित (fron में क्षेत्रनमूना की धुरी पर नमूना की नाक) के टी।
    5. परीक्षण के नमूने और ऑप्टिकल फाइबर से दूरी एस पर लेंस रखकर ऑप्टिकल पथ फोकस मैं लेंस से दूरी है पर समाप्त होता है। एक दीपक के साथ नमूना ठहराव बिंदु रोशन और स्थिति फाइबर सबसे अच्छा ध्यान केंद्रित छवि के स्थान पर समाप्त होता है।
      ध्यान दें: एक पेंसिल शैली बुध अंशांकन दीपक परीक्षण के नमूने के सामने तैनात की छवि बनाने में मदद कर सकते हैं: जंगम फाइबर अंत एक ऑप्टिकल फाइबर के लिए एक स्पेक्ट्रोमीटर कनेक्ट और जगह है जहां सबसे मजबूत पारा उत्सर्जन होता है।
    6. एक बार जब लेंस फाइबर प्रणाली गठबंधन किया है, फाइबर समाप्त होता है (स्पेक्ट्रोमीटर पक्ष) के माध्यम से एक लेजर बिंदु (पहले भेजने के लिए और एक सफेद कागज पत्र के साथ नमूना पक्ष पर ध्यान केंद्रित लेजर निरीक्षण सही स्थिति और परीक्षण के नमूने के सामने ध्यान केंद्रित पुष्टि करने के लिए प्रत्येक परीक्षा रन)।
    7. ऑप्टिकल फाइबर में प्रवेश करने से केन्द्र बिन्दु से सिवाय इसके कि किसी भी उत्सर्जन को रोकने एन से समाप्त होता हैकाले गत्ते के साथ ऑप्टिकल पथ बंद। एक लेजर बीम कि कोई प्रकाश, सिवाय इसके कि लेंस से ध्यान केंद्रित किया और दर्पण से परिलक्षित फाइबर संलग्न प्रणाली के भीतर समाप्त हो जाती है तक पहुँच के साथ जांचने। ऐसा करने के लिए, ऑप्टिकल फाइबर के माध्यम से एक लेजर बीम (स्पेक्ट्रोमीटर पक्ष) भेज सकते हैं और जाँच करें कि कोई प्रकाश फाइबर अंत द्वारा उत्सर्जित सीधे लेंस तक पहुंचने के लिए सक्षम है।
  2. हाई स्पीड कैमरा (एचएससी)
    1. सतह के अवलोकन के लिए एक उच्च गति कैमरे का उपयोग करें यदि उपलब्ध हो गर्म, ablating सतह के संयुक्त राष्ट्र के संतृप्त छवियों के लिए कम जोखिम बार के लिए अनुमति देने के लिए।
    2. नमूना की सतह को सीधा एचएससी के साथ परीक्षण के नमूने का निरीक्षण करें। कैमरा प्रकाशिकी की क्षैतिज और ऊर्ध्वाधर संरेखण के लिए लेंस प्रणाली अक्ष - नमूना का प्रयोग करें। यकीन एचएससी के मद्देनजर क्षेत्र के केंद्र लेंस के केन्द्र और नमूना ठहराव बिंदु के साथ मेल खाता बनाओ।
    3. एक डिजिटल देरी जेनरेटर (डीडीजी) के साथ एचएससी और उत्सर्जन स्पेक्ट्रोमीटर सिंक्रनाइज़ करें। ट्रिगर एचएससी एक साथ रिकॉर्डिंगडीडीजी से ही वोल्टेज चोटी और वांछित आवृत्ति (2 हर्ट्ज) प्रयोगों (धारा 3) के दौरान के साथ प्रत्येक स्पेक्ट्रम रिकॉर्डिंग ट्रिगर।
  3. radiometry
    1. परीक्षण के चैम्बर में एक क्वार्ट्ज खिड़की के साथ संयोजन में सतह के तापमान के अवलोकन के लिए एक दो रंग pyrometer का प्रयोग करें।
      नोट: बहुत उच्च लक्ष्य तापमान उम्मीद कर रहे हैं, तो डिवाइस की माप सीमा से अधिक, एक उपयुक्त फिल्टर या कम संप्रेषण की खिड़की के साथ measureable चमक को कम करने पर विचार करें।

3. प्रायोगिक परीक्षण

  1. एक पारंपरिक DSLR कैमरा के साथ तस्वीरें ले लो, और परीक्षण के चैम्बर में स्थापना से पहले कुंवारी परीक्षण के नमूने का वजन (एक क्षमता नियम का उपयोग कर) को मापने के आयाम।
  2. सेटअप एचएससी सॉफ्टवेयर:
    1. उच्च जोखिम समय (90 मिसे) पंक्ति में है और ध्यान केंद्रित एचएससी जगह में परीक्षण नमूने के साथ प्रयोग करने से पहले और एक पूर्व परीक्षण छवि (पोस्ट-ट्रिगर = 1) लेने के लिए सेट।
    2. परिवर्तनप्रयोग (2-10 μsec), और अधिकतम (सभी फ्रेम स्टोर करने के लिए) के लिए सेट के बाद ट्रिगर के लिए जोखिम समय, सेट सही रिकॉर्डिंग दर (एफपीएस) पूर्ण प्रयोग (100 एफपीएस यहां 30-90 सेकंड) कवर करने के लिए।
    3. एफ / 16 के लिए प्रारंभिक F संख्या सेट करें।
  3. (: 2 हर्ट्ज यहाँ) वांछित पुनरावृत्ति दर है जिस पर स्पेक्ट्रा स्पेक्ट्रोमीटर द्वारा दर्ज किया जाएगा करने के लिए उप महानिदेशक सेट करें। पहले ट्रिगर पल्स एचएससी अधिग्रहण शुरू कर देंगे।
  4. सेट अप स्पेक्ट्रोमीटर अधिग्रहण सॉफ्टवेयर (एकीकरण के समय τ ऍक्स्प: उत्सर्जन तीव्रता पर निर्भर करता है, यहाँ: 20-150 मिसे, प्रयोग के दौरान अनुकूलन के लिए यदि आवश्यक हो औसत = 1)।
    1. सुनिश्चित करें कि ऑप्टिकल प्रणाली अभी भी सही ढंग से तैनात है जगह में नमूने के साथ प्रयोग करने से पहले सुनिश्चित करें (कदम 2.1.6 देखें)।
    2. प्रत्येक स्पेक्ट्रोमीटर के साथ पृष्ठभूमि छवि एस बीजी ले लो और इसे बचाने के लिए।
    3. 'बाहरी' सॉफ्टवेयर के लिए ट्रिगर बदलें, सॉफ्टवेयर पर निर्भर करता है (जैसे, SpectraSuite) (अन्य OPTIons रहे हैं: 'बाहरी', और 'सिंक्रनाइज़', विभिन्न प्रयोजनों के साथ)।
    4. जब एक ट्रिगर पल्स प्राप्त करने के लिए प्रत्येक स्पेक्ट्रम बचाओ।
  5. किसी भी ऑप्टिकल पहुँच में एक हाई डेफिनिशन (एचडी) कैमरा स्थापित करें अगर वांछित।
  6. सुरक्षा व्यवस्था में परीक्षण नमूना प्लेस और तीन रोटरी फलक वैक्यूम पंप के एक समूह और एक जड़ें पंप का उपयोग कर परीक्षण के चैम्बर निर्वात।
  7. प्लाज्मा सुविधा शुरू और बिजली इनपुट और वैक्यूम पंप का समायोजन करके गर्मी प्रवाह और दबाव के मामले में वांछित परीक्षण हालत के लिए इसे लाने। गर्मी प्रवाह जांच और Pitot जांच (1.3 चरण) हासिल की शर्तों का पालन करने के लिए (1 मेगावाट / एम 2 और 3 मेगावाट / 15 एचपीए और 200 एचपीए पर एम 2) का प्रयोग करें।
  8. के HD कैमरा और pyrometers रिकॉर्डिंग शुरू।
  9. सभी स्पेक्ट्रोमीटर (अंशांकन तुलना के लिए) के साथ एक मुफ्त उपलब्ध धारा स्पेक्ट्रम लो तो कम एकीकरण समय संतृप्ति (200 मिसे से 50 मिसे) को रोकने के लिए।
  10. उत्प्रेरक एचएससी और उप महानिदेशक के माध्यम से स्पेक्ट्रोमीटर ('Trig' और 'आंतरिक' करने के लिए 'बाहरी' से मोड सेट दबाकर स्थापना के लिए कदम 3.2) देखें।
  11. प्लाज्मा प्रवाह में परीक्षण नमूना इंजेक्षन। इधर, एक वायवीय तंत्र नमूना इंजेक्षन करने के लिए प्रयोग किया जाता है।
  12. यदि आवश्यक हो तो संतृप्ति से बचने के लिए स्पेक्ट्रोमीटर के एकीकरण के समय समायोजित (आदर्श, सेटअप विन्यास के किसी भी परिवर्तन अब बचा जाना चाहिए)।
  13. यदि आवश्यक हो तो सेंसर संतृप्ति को रोकने के लिए एचएससी के एपर्चर समायोजित करें।
  14. वांछित परीक्षा का समय (30 सेकंड या 90 सेकंड) नमूना संरक्षण प्रणाली में बाद टेस्ट नमूना निकालें और प्लाज्मा का प्रवाह बंद।
  15. बंद करो डीडीजी और स्पेक्ट्रोमीटर अधिग्रहण, एचएससी छवियों को बचाने के लिए, और पाइरोमीटर अधिग्रहण बंद करो।
    नोट: पाइरोमीटर छोड़ दो चल रहा है, तो उच्च तापीय क्षमता के साथ एक सामग्री शांत बंद चरण की निगरानी के लिए परीक्षण किया जाता है (CBCF पहिले के लिए आवश्यक नहीं है)।
  16. ऑप्टिकल फाइबर समाप्त होता है (स्पेक्ट्रोमीटर पक्ष) के माध्यम से लेजर बिंदु भेजें और एचएससी के साथ लेजर फोकस निरीक्षण, स्पेक्ट्रोमीटर की स्थिति को चिह्नित करने के लिए इस छवि को बचाने के लिए।प्रत्येक स्पेक्ट्रोमीटर / ऑप्टिकल फाइबर के साथ इस चरण को दोहराएँ।
    ध्यान: यकीन है कि लेजर बनाने के लिए कैमरे के सीसीडी सरणी नुकसान करने के लिए भी मजबूत नहीं है। एक निर्वहन डिवाइस पसंद किया जाता है। वैकल्पिक रूप से, परीक्षण किया नमूना के सामने एक कागज पत्र पर लेजर ओर इशारा करते हुए की एक छवि ले जाया जा सकता है।
  17. परीक्षण के नमूने और जांच के लिए एचएससी के साथ रिकॉर्ड छवि की स्थिति पर एक बिसात रखें।
  18. परीक्षण के नमूने (जैसे, हाइड्रोलिक इंजेक्शन द्वारा) को हटाने, वजन ले, तस्वीरें ले, और नमूना भंडारण में स्टोर भंगुर चार परत ऑक्सीकरण फाइबर (ललाट नमूना की सतह को छूने नहीं है) की रचना की रक्षा के लिए।

4. स्पेक्ट्रोमीटर कैलिब्रेशन

  1. स्पेक्ट्रल अंशांकन
    1. लेंस (जैसे, एक पेंसिल शैली बुध दीपक) का केन्द्र बिन्दु में एक वर्णक्रम अंशांकन दीपक की जगह तरंग दैर्ध्य अंशांकन और ऑप्टिकल प्रणाली के पूर्ण-चौड़ाई साढ़े अधिकतम (FWHM) निर्धारित करने के लिए, उन कदमों के बारे में जानकारी पाया जा सकता है Litera में29 संरचना।
  2. तीव्रता अंशांकन
    1. प्रत्येक ऑप्टिकल प्रकाश संग्रह तंत्र (लेंस) और डब्ल्यू / (एम 2 · एसआर · एनएम) 350 एनएम और 900 एनएम के बीच में स्पेक्ट्रोमीटर क्षमता से मिलकर व्यवस्था की तीव्रता अंशांकन प्रदर्शन करना। परीक्षा कक्ष के अंदर प्रत्येक संग्रह ऑप्टिक के ध्यान में एक टंगस्टन-रिबन दीपक (OSRAM WI 17G) रखकर यह मत करो। अंशांकन दीपक के स्पेक्ट्रम एस कैलोरी रिकॉर्ड, विस्तार और अंशांकन कारक सी प्राप्त:
      सी = एस कैलोरी, वें / (एस कैलोरी, विस्तार - एस बीजी, सीएएल) x τ कैलोरी,
      अंशांकन दीपक की सैद्धांतिक वर्णक्रमीय प्रतिक्रिया के साथ (निर्माता द्वारा प्रदान की) एस कैलोरी, ध, अंशांकन दीपक एस कैलोरी की मापा संकेत, विस्तार, पृष्ठभूमि एस बीजी, काल, और अंशांकन माप के दौरान एकीकरण समय τ कैलोरी </ Em>।

5. डाटा प्रोसेसिंग

  1. भूतल मंदी दर और स्पेक्ट्रोमीटर की जांच कर रही स्थान (एस):
    1. सही समय परीक्षण के आकलन के लिए एचएससी वीडियो फ़ाइल पर नमूना इंजेक्शन और इंजेक्शन बार निरीक्षण करें।
    2. एचएससी वीडियो फ़ाइल से इंजेक्शन पर परीक्षण नमूना ठहराव बिंदु के पिक्सेल स्थान का निरीक्षण करें।
    3. (उदाहरण के लिए प्रारूप झगड़ा) कदम 3.17 में लिया छवि के निर्यात और कई बिसात चौकों फैले माप क्षेत्र में पिक्सल की गणना के द्वारा एचएससी बढ़ाई जांचना। सह-संबंध पिक्सल कंप्यूट: मिमी (आंतरिक और बाह्य कैमरा MATLAB में कैमरा अंशांकन उपकरण बॉक्स का उपयोग कर मापदंडों के एक अधिक विस्तृत लक्षण वर्णन प्राप्त यदि वांछित)।
    4. (उदाहरण के लिए प्रारूप झगड़ा) कदम 3.16 में लिया छवि (ओं) निर्यात और छवि पर चमकीले धब्बों, यह दर्शाता है एक्स और वाई-स्थिति के रूप में स्पेक्ट्रोमीटर की जांच कर रही स्थान (एस) के पिक्सल पाते हैं।
    5. निर्यात एचएससी छवियों (जैसे, Multitiff-एफormat) और बढ़त का पता लगाने के लिए प्रदर्शन (जैसे, मैटलैब निर्माण में समारोह 'धार') का उपयोग करते हुए हर बार कदम मैं (एक्स मैं और y i) में ठहराव बिंदु स्थान को परिभाषित करने के लिए।
    6. सतह से सतह से उनकी दूरी डी (टी) प्राप्त करने के लिए हर बार कदम के लिए स्पेक्ट्रोमीटर की जांच कर रही स्थान (एस) (कदम 5.1.4) की स्थिति से (कदम 5.1.5) की स्थिति घटाएँ।
  2. उत्सर्जन स्पेक्ट्रा प्रोसेसिंग (सभी पोस्ट प्रसंस्करण उदाहरण के लिए Matlab के भीतर किया जा सकता है)।
    1. सभी रिकॉर्ड स्पेक्ट्रम फ़ाइलें (तरंग दैर्ध्य बनाम तीव्रता) निर्यात और जांचना द्वारा प्रत्येक दर्ज स्पेक्ट्रम की तीव्रता प्रतिक्रिया:
      एस exp, काल = (एस ऍक्स्प - एस बीजी) / τ ऍक्स्प एक्स सी,
      प्रायोगिक तौर पर प्राप्त स्पेक्ट्रम एस ऍक्स्प, पृष्ठभूमि फ़ाइल एस बीजी (कदम 3.4.2), प्रयोगात्मक एकीकरण समय के साथ64; ऍक्स्प और अंशांकन कारक सी कदम 4.2.1 के दौरान निर्धारित की।
    2. कई स्पेक्ट्रोमीटर इस्तेमाल कर रहे हैं, तो कदम 3.9 के दौरान लिया freestream स्पेक्ट्रा का उपयोग कर अंशांकन गुणांक सी की वैधता का आकलन करें। सभी calibrated मुक्त धारा स्पेक्ट्रा एक साथ प्लॉट; क्योंकि प्लाज्मा स्पेक्ट्रोमीटर प्रवाह में संग्रह की मात्रा एक दूसरे के बहुत करीब हैं अपनी प्रतिक्रिया लगभग समान होना चाहिए।
    3. (जैसे, MATLAB में .mat फ़ाइल डबल-क्लिक करें) calibrated स्पेक्ट्रा की तरंग दैर्ध्य वेक्टर युक्त फ़ाइल को खोलने और λ तरंग दैर्ध्य के लिए 1 = 370 एनएम और λ 2 = 390 एनएम इसी पंक्ति सूचकांकों की पहचान (वैकल्पिक रूप से, "मिल का उपयोग करें मैटलैब में "कमांड)।
      नोट: उत्पन्न ablators फिनोल pyrolyzing के लिए प्रजातियों ऐसे सी 2 के रूप में भी उपलब्ध हैं, सीएच, एच, राष्ट्रीय राजमार्ग, ओह।
    4. ब्याज के उत्सर्जन संकेत (यहां सीएन बैंगनी उत्सर्जन, 370-390 एनएम) एकीकृत दो मैं के बीचndices 1 और λ 2) हर बार कदम के लिए कदम 5.2.3 से (मैं λ λ 1- 2 (टी))।
    5. पसंद के सॉफ्टवेयर के साथ साजिश प्रेतसंबंधी एकीकृत उत्सर्जन (मैं λ λ 1- 2 (टी)) सतह (कदम 5.1.6) से स्पेक्ट्रोमीटर दूरी के एक समारोह के रूप में प्रत्येक स्पेक्ट्रोमीटर (कदम 5.2.4) (चित्रा 2) के ( उदाहरण के लिए, साजिश (डी (: 1: 3), मैं (: 1: 3), 'एक्स'))।
    6. परिणामों की बेहतर व्याख्या के लिए, डेटा की एक बहुपद फिट प्रदर्शन और परिणाम साजिश (जैसे, MATLAB के polyfit आदेश का उपयोग:
      [पी, ErrorEst] = polyfit (डी (: 1: 3), मैं (: 1: 3,9);
      [फिट, डेल्टा] = polyval (पी, डी (: 1: 3), ErrorEst); साजिश (घ, फिट))
      नोट: स्थान और दर्ज स्पेक्ट्रा के संकल्प पर निर्भर करता है, अणुओं के उत्साहित राज्यों तापमान निर्धारित किया जा सकता है। एक विकिरण सिमुल का प्रयोग करेंव्यावहारिक उपकरण सीएन बैंगनी की प्रयोगात्मक स्पेक्ट्रा और सी 2 हंस प्रणालियों के लिए संख्यात्मक स्पेक्ट्रा फिट करने के लिए। कई ऑनलाइन उपकरण translational, घूर्णी कंपन प्राप्त करने के लिए वर्णक्रम फिटिंग उपकरण, इलेक्ट्रॉनिक और तापमान 30 में शामिल हैं।

6. पोस्ट-परीक्षण के नमूने निरीक्षण

  1. स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (SEM) कार्बन फाइबर और चार परत का क्षरण अध्ययन करने के लिए
    नोट: अपने उच्च विद्युत चालकता के कारण, कोई आगे के इलाज के लिए पूरी तरह से जले कार्बन के नमूनों के मामले में आवश्यक है। चार्ज और छवियों के विरूपण घटित होगा यदि वर्जिन phenolic राल परीक्षण के नमूने के भीतर मौजूद है।
    1. यदि संभव हो तो, चार परत सतह के किसी भी विनाश से बचने की जांच करने के SEM डिवाइस के निर्वात चैम्बर में पूर्ण परीक्षण नमूना रखें।
      नोट: SEM और एक्स-रे Microanalysis का एक विस्तृत विवरण मिश्रित सामग्री साहित्य 31 में दी गई है करने के लिए आवेदन किया है और इस पी में शामिल नहींrotocol।
    2. कार्बन फाइबर आयामों का अध्ययन करने के लिए संदर्भ के रूप में एक कुंवारी (परीक्षण नहीं) सामग्री नमूना का उपयोग करें:
      1. एक एकल, SEM प्रणाली के साथ अच्छी तरह से नमूदार फाइबर का चयन करें।
      2. कुंवारी कार्बन फाइबर की मोटाई और SEM सिस्टम निर्माता के निर्देशों के अनुसार सॉफ्टवेयर द्वारा प्रदान की उपकरणों के साथ फाइबर लंबाई का अनुमान है। उदाहरण के लिए, "मापन के लिए" उपकरण पट्टी खोज और "शासक" का चयन करें तो लक्ष्य वस्तु की शुरुआत और अंत अंक नल (जैसे, एक भी फाइबर का प्रारंभ और अंत अंक)।
        नोट: यह एक जोड़ने लाइन खंड का उत्पादन और दूरी प्रदर्शित किया जाता है। क्रमिक आवश्यक के रूप में इस अभियान का संचालन।
    3. फाइबर तंत्र गिरावट का परीक्षण नमूना पर, उदाहरण के लिए एक प्रतिक्रिया नियंत्रित शासन और / या स्थानीय acti के कारण एक सुई के आकार को पहचानें, एक ऑक्सीजन प्रसार सीमित पृथक व्यवस्था 28 का सुझाव है, फाइबर और स्थानीय हमलों के खड़ा हो सकता है, जबकिसामग्री की अशुद्धियों के कारण साइटों किया है।
    4. एक छुरी का उपयोग कर भंगुर सामग्री में कटौती। में गहराई से जांच और गिरावट गहराई, जिसमें फाइबर वर्जिन फाइबर मोटाई (कदम 6.1.2.2) को ablated फाइबर की मोटाई की तुलना द्वारा पतला कर रहे हैं अनुमान है।
    5. Pyrolyzing ablators पर सतह पर संभव कालिख गठन और कार्बन बयान का पता लगाने, यह अगर नमूना एक ऑक्सीजन-गरीब वातावरण (जैसे, नाइट्रोजन या आर्गन) में परीक्षण किया गया था बढ़ाया जा सकता है।
    6. उपयोग ऊर्जा फैलानेवाला एक्स-रे विश्लेषण (EDX) SEM के साथ-साथ 31 का पता लगाने और सामग्री है कि वृद्धि जेट (जैसे, कैल्शियम और पोटेशियम) को जन्म दे सकती अशुद्धियों की पहचान के लिए।

Representative Results

खुले तौर पर उपलब्ध सामग्री के थोक एक अत्यंत झरझरा कार्बन बंधुआ कार्बन फाइबर पहिले (CBCF) था, एक छोटी फाइबर इन्सुलेशन रेयान से होने वाले (सेलुलोज फाइबर शुद्ध सेल्यूलोज से बना) से मिलकर। कटा हुआ, असंतत वर्जिन कार्बन फाइबर एक मैट्रिक्स phenolic राल की जलकर द्वारा उत्पादित में जुड़े रहते हैं। इस प्रक्रिया के दौरान फाइबर उन्मुख हो जाते हैं और microstructure और गुण anisotropic हैं। सामग्री तो तापमान पर वैक्यूम व्यवहार किया जाता है ऊपर 2,300 कश्मीर इसकी तापमान स्थिरता और outgassing के अभाव सुनिश्चित करने के लिए। सामग्री लंबाई में 50 मिमी के साथ अर्धगोल त्रिज्या 25 मिमी (एचएस) के नमूने परीक्षण के लिए घर में machined किया गया था। नमूने 90% की एक प्रारंभिक porosity के साथ के बारे में 180 किग्रा / एम 3 के एक प्रारंभिक घनत्व है।

Vki Plasmatron सुविधा एयरो थेर्म के प्रजनन के लिए सभी प्रयोगों के लिए इस्तेमाल किया गया हैपुनः प्रवेश प्लाज्मा प्रवाह के odynamic पर्यावरण, एक उच्च तापीय धारिता बनाने, अत्यधिक सबसोनिक गैस प्रवाह अलग। गैस एक तार के माध्यम से प्रेरण द्वारा गरम किया जाता है, एक उच्च शुद्धता प्लाज्मा प्रवाह बना। परीक्षण के चैम्बर और में सीटू पृथक मापन के लिए प्रायोगिक उपकरण की एक योजनाबद्ध का अवलोकन छवि में पाया जा सकता है। 1 (एक) और 1 (ख)। प्रायोगिक परीक्षण की स्थिति और ऐसे एचएससी इमेजिंग और जन हानि से प्राप्त औसतन मंदी दर के रूप में समग्र परिणाम, 1 टेबल में सूचीबद्ध हैं। हम एक दो रंग pyrometer इस्तेमाल किया, एक विस्तृत (0.75-1.1 माइक्रोन) और संकीर्ण (0.95-1.1 माइक्रोन) रोजगार 1 हर्ट्ज अधिग्रहण की दर (1,300-3,300) कश्मीर में तापमान निर्धारण के लिए वर्णक्रम बैंड। दो संकीर्ण तरंगदैर्ध्य बैंड का उपयोग करने के लिए और एक उत्सर्जन तरंग दैर्ध्य के स्वतंत्र होने की धारणा के तहत, सतह के तापमान को अपने उत्सर्जन के ज्ञान के बिना अनुमान लगाया जा सकता है। पाइरोमीटर बताया और एस के ठहराव क्षेत्र में ध्यान केंद्रित किया गयाएक 1 सेमी मोटी क्वार्ट्ज खिड़की के माध्यम से पर्याप्त, ठहराव लाइन के संबंध में 35 डिग्री के कोण पर। साधन एक काले शरीर स्रोत से 3,300 कश्मीर अप करने के लिए calibrated किया गया था।

सतह मंदी 0.2 मिमी के एक संकल्प के साथ एचएससी द्वारा मापा गया था। यह स्पष्ट है कि कैलीपर नियम मंदी माप आम तौर पर 0.45 से 0.9 मिमी से लेकर दो तरीकों के बीच कुल मंदी के दौर में एक अंतर के साथ, एचएससी इमेजिंग द्वारा प्रदर्शन की तुलना में बड़ा मूल्यों में हुई है। इस माप के लिए उच्चतम अनिश्चितता कैलीपर शासन के साथ भंगुर चार परत compressing द्वारा पेश किया गया था। हवा में मंदी दरों 44.6 और 58.4 माइक्रोन / सेकंड के बीच विविध। यह स्पष्ट है कि इसके अलावा हवा प्लाज्मा में एचएससी निर्धारित मंदी दर बहुत शायद एक प्रसार नियंत्रित पृथक व्यवस्था के कारण अलग नहीं किया था। इस शासन में, सतह के तापमान काफी अधिक है सतह पर उपलब्ध ऑक्सीजन की पूरी खपत, और conseq पैदा करने के लिएuently, पृथक सीमा परत 32,33 के माध्यम से ऑक्सीजन के प्रसार के द्वारा प्रतिबंधित है। इसके विपरीत, एक ऑक्सीकरण प्रतिक्रिया नियंत्रित वातावरण में, ऑक्सीजन तेजी से एक सीमा परत की तुलना में यह सतह के तापमान के साथ सतह और पृथक बढ़ जाती है पर सेवन किया जाता है के माध्यम से diffuses। उच्च तापीय धारिता के वातावरण में CBCF सामग्री की मंदी दर भी मैकडोनाल्ड एट अल द्वारा रिपोर्ट कर रहे हैं। (56 माइक्रोन / सेक) 22 और Löhle एट अल। (50 माइक्रोन / सेक) 34। उन मूल्यों हालांकि मैकडोनाल्ड एट अल, हमारे मापन के बीच झूठ बोलते हैं। एक बेलनाकार परीक्षण नमूना आकार और Löhle एट अल इस्तेमाल किया। एक परीक्षण नमूना एक पानी ठंडा जांच में एम्बेडेड।

तीन कम संकल्प स्पेक्ट्रोमीटर गैस चरण के अवलोकन के लिए इस्तेमाल किया गया। (- 1,000 एनएम 200) है कि कई अणुओं और परमाणुओं का पता लगाने के लिए अनुमति देता है, ablat में मौजूद इस यंत्र के लाभ के लिए एक व्यापक वर्णक्रम श्रृंखला की एक तेजी से स्कैनिंग हैआयन विश्लेषण।

एकीकृत सीएन उत्सर्जन तीव्रता, एक दूसरे को (छवि। 2) के संबंध में ablating सतह शो बहुत अच्छा समझौते से दूरी पर साजिश रची। डेटा 'बंद', 'मध्यम', और 'दूर' के साथ नमूना की सतह से उनके संबंधित पदों के अनुसार चिह्नित कर रहे हैं। तीन स्पेक्ट्रोमीटर सतह के सामने ही दूरी से एक बार तय ऑप्टिकल पथ एकत्र प्रकाश ही सीएन बैंगनी उत्सर्जन तीव्रता मापी। सभी तीन स्पेक्ट्रोमीटर के एकीकृत तीव्रता लगभग ablating सतह से पहले 3.4 मिमी मेल खाना। दोनों ही मामलों चलता है कि दर्ज की गई सीएन बैंगनी उत्सर्जन अभी परीक्षण के नमूने के सामने पहुंचा, सीमा परत के माध्यम से घट रहा से पहले। उन परिणामों से हम परिणाम निकालना है कि सामग्री पूरी परीक्षा समय के दौरान हवा में जला बंद बहुत स्थिर था, और है कि दर्ज उत्सर्जन संकेत 5 मिमी सतह के ललाट के भीतर के बारे में 90% गिरा दिया। सीएन बैंगनीप्रयोगात्मक स्पेक्ट्रा तब क्रम गैस तापमान प्राप्त करने के लिए नकली स्पेक्ट्रा की तुलना के लिए इस्तेमाल किया गया। सिंथेटिक स्पेक्ट्रा SPECAIR 2.2 का उपयोग कर प्राप्त कर रहे थे, उत्साहित स्तर की एक बोल्ट्जमान वितरण संभालने और एक कम से कम वर्गों फिटिंग प्रक्रिया translational-बारी-बारी से तापमान टी सड़ांध और कंपन इलेक्ट्रॉनिक तापमान टी vib (छवि। 3) अनुमान लगाने के लिए लागू किया गया था। दो की स्थिति, कम से कम (एक) और उच्च (ख) के दबाव स्पेक्ट्रा सीमा परत में दीवार के पास ले जाया साथ प्रस्तुत कर रहे हैं। अनुमान के अनुसार तापमान कम दबाव पर थर्मल संतुलन से एक उच्च विचलन झुकेंगे (छवि। 3 (क))। एक ही विश्लेषण सतह से कई दूरी के लिए प्रदर्शन किया गया था, बेहतर कम दबाव पर दीवार के पास थर्मल संतुलन से विचलन को दर्शाता हुआ (अंजीर। 4 (क), 15 एचपीए), सीमा परत के माध्यम से equilibrating। पुनः प्राप्त तापमान टी आर लिए 8,200 कश्मीर के क्रम में थेओटी और टी vib दीवार के पास के लिए 21,000 कश्मीर, टी vib सीमा परत के माध्यम से 8,200 कश्मीर के प्रति घटते के साथ। इस उच्च दबाव (छवि। 4 (बी), 200 एचपीए) पर सीमा परत भर में संतुलन हालत के विपरीत है। तापमान सीमा स्पेक्ट्रोमीटर उत्सर्जन तीव्रता के आधार पर 10% की अनिश्चितता पर आधारित थे, फिटिंग प्रक्रिया के लिए उन सीमाओं के भीतर एक सैद्धांतिक स्पेक्ट्रम बदलाव की इजाजत दी।

कम दबाव पर, अणुओं के बीच उत्तेजना हस्तांतरण कम है, जो टकराव सीमा परत किनारे की ओर equilibrating प्रभाव समझा जा सकता है की वजह से कम है। हम सीएन उत्पादन पर कम प्लाज्मा enthalpies, सीएन की उत्तेजना कंपन द्वारा पीछा किया पर आणविक नाइट्रोजन का एक मजबूत प्रभाव मान। अत्यधिक vibrationally उत्साहित नाइट्रोजन की अलग करनेवाला सोखना सतह पर प्रतिक्रियाशील साइटों है कि सीएन उत्पादन करने के लिए नेतृत्व पैदा करने के लिए माना जाता है। Boubertऔर Vervisch कम दबाव 35 पर एक नाइट्रोजन / कार्बन डाइऑक्साइड प्लाज्मा में इस प्रक्रिया का वर्णन है। इस प्रक्रिया के साथ एक्ज़ोथिर्मिक अतिरिक्त ऊर्जा के लिए अग्रणी प्रतिक्रियाओं सीएन की बारी-बारी से और उत्तेजना कंपन में परिवर्तित कर दिया जा रहा है, सतह पर परमाणुओं नाइट्रोजन का एक पूल बना सकते हैं।

Micrographs साबित कर दिया (। अंजीर 5 (क)) एयर प्लाज्मा में कार्बन ऑक्सीकरण के आसपास 0.2 मिमी ऑक्सीकरण गहराई के साथ ablated फाइबर की एक हिमलंब आकार करने के लिए नेतृत्व किया। 38 - पृथक के कारण हिमलंब आकार देने की इस तरह व्यापक रूप से कार्बन-कार्बन मिश्रित सामग्री 36 के लिए साहित्य में सूचना दी है। हिमलंब आकार (खोलने कोण) झरझरा सामग्री की सतह पर प्रतिक्रिया-प्रसार प्रतिस्पर्धा पर निर्भर करता है, और इसलिए, ऑक्सीजन प्रसार के साथ बदलता रहता है। यह लंबाई ऑक्सीजन प्रसार की औसत गहराई के अनुरूप करने के लिए माना जाता है। हिमलंब आकार इसके अतिरिक्त प्रसार-नियंत्रित पृथक पुष्टि करता है। इसके विपरीत, प्रतिक्रियासीमित पृथक ऑक्सीजन गहरी फाइबर संरचना में फ्लोट करने की अनुमति होगी, कार्बन फाइबर के स्थानीय खड़ा निर्माण किया।

तेज स्पार्किंग जो सतह से detaching गर्म फाइबर समूहों की वजह से हो सकता है कुछ पृथक परीक्षण (छवि। 5 (बी)) के दौरान मनाया गया। नाइट्रोजन प्लाज्मा में पृथक उनकी सतह के साथ अत्यधिक अपमानित फाइबर, जो (छवि। 5 (ग)) nitridation द्वारा सामग्री की एक धीमी गति से मंदी का नेतृत्व करने के लिए नेतृत्व किया। के रूप में नाइट्रोजन के लिए कार्बन की जेट कि ऑक्सीजन की तुलना में बहुत कम है, नाइट्रोजन सामग्री में गहरी फैलाना, पूरे फाइबर के साथ गिरावट के लिए अग्रणी में सक्षम है।

आकृति 1
चित्रा 1. Plasmatron और प्रयोगात्मक स्थापना सिंहावलोकन। (क) vki Plasmatron परीक्षण के चैम्बर अवलोकन टी बाहर परीक्षण के नमूने का संकेतवह प्रतिधारण प्रणाली, गर्मी प्रवाह और दबाव जांच, और radiometers, एचएससी, और स्पेक्ट्रोमीटर प्रकाशिकी के लिए ऑप्टिकल तक पहुँचता है। (ख) योजनाबद्ध प्रयोगात्मक स्थापना की। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

तालिका एक
तालिका 1 Plasmatron परीक्षण की स्थिति और कार्बन पहिले नमूनों की प्रयोगात्मक परिणाम है। टेस्ट मामले संदर्भ, परीक्षण गैस, स्थैतिक दबाव पी एस, गतिशील दबाव पी डी, जनरेटर शक्ति पी, मतलब ठंड दीवार गर्मी प्रवाह क्यू सीडब्ल्यू, परीक्षण नमूना जोखिम समय τ, मतलब सतह के तापमान टी एस, मंदी दर आर / τ, और बड़े पैमाने पर नुकसान की दर M / τ।


चित्रा 2. सीमा परत में स्थानिक सीएन बैंगनी उत्सर्जन उत्सर्जन प्रोफाइल पहिले पृथक दौरान तीन आसन्न स्पेक्ट्रोमीटर द्वारा दर्ज की हवा में अच्छी तरह से मेल खाना जब नियत ऑप्टिकल रास्तों ablating सतह के सामने ही दूरी से प्रकाश इकट्ठा कर रहे थे। स्थिर सामग्री जला बंद, और प्रतिक्रियाशील सीमा परत सतह (हालत A1A) के आकार ~ 5 मिमी ललाट। यहां यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए क्लिक करें।

चित्र तीन
चित्रा 3. सीएन बैंगनी तापमान वर्णक्रम फिटिंग विधि से अनुमान लगाया। सीएन बैंगनी स्पेक्ट्रा की सबसे अच्छी फिटिंग SPECAIR 2.2 के साथ गणना के लिए कम से कम वर्गों विधि translational-घूर्णी कंपन और इलेक्ट्रॉनिक Tempe प्रदान कीratures टी सड़ांध और टी vib: (क) हालत A1A: टी सड़ांध = 8,240 कश्मीर ± 400 कश्मीर, टी vib = 21,600 कश्मीर ± 1,700 कश्मीर, टी एलटीई = 12,600 कश्मीर ± 500 कश्मीर (संतुलन सिमुलेशन टी एलटीई तुलना के लिए संकेत); (ख) हालत A1A: टी सड़ांध = 6880 कश्मीर ± 200 कश्मीर, टी vib = 7120 कश्मीर ± 180 लालकृष्ण यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्रा 4
चित्रा 4. सीएन सीमा परत में बैंगनी तापमान प्रोफाइल। ट्रांसलेशनल-घूर्णी कंपन और इलेक्ट्रॉनिक तापमान टी सड़ांध और टी vib नकली से, फिट सीएन बैंगनी स्पेक्ट्राएक थर्मल संतुलन हालत 200 एचपीए (ख) में 15 एचपीए (एक) के एक कम दबाव पर दीवार के पास है लेकिन वर्तमान संतुलन सीमा परत भर से विचलन ablating सतह से चार दूरी पर एक विकिरण सिमुलेशन उपकरण के साथ गणना सुझाव देते हैं। तापमान सीमा [कश्मीर] स्पेक्ट्रोमीटर उत्सर्जन तीव्रता के आधार पर 10% की अनिश्चितता, फिटिंग प्रक्रिया के लिए उन सीमाओं के भीतर एक सैद्धांतिक स्पेक्ट्रम बदलाव की अनुमति पर आधारित थे। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्रा 5
चित्रा 5. स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन micrographs के बाद हवा पृथक (क), इन-सीटू नाइट्रोजन पृथक (ग) के बाद फोटोग्राफ (ख) और micrographs भी शामिल है। (क) पोस्ट एयर-पृथक micrographs में लियाललाट सतह करीब फाइबर सिरे से ऑक्सीकरण की वजह से कार्बन फाइबर के बिंदु को पेश पतले होने ठहराव के लिए, हिमलंब आकार के लिए अग्रणी, ऑक्सीजन प्रसार की गहराई के करीब है 200 माइक्रोन (प्रसार सीमित पृथक); (ख) फोटोग्राफ एक बेलनाकार परीक्षण नमूने के परीक्षण के दौरान पृथक लिया (जोखिम समय: 1/200 सेकंड) उज्ज्वल स्पार्किंग दिखाता है; (ग) मजबूत जंग पूरे फाइबर लंबाई के साथ नाइट्रोजन में मनाया गया। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

Discussion

इस प्रोटोकॉल उच्च तापीय धारिता प्रवाह में थर्मल संरक्षण सामग्री प्रतिक्रिया की सामग्री लक्षण के लिए प्रक्रियाओं का वर्णन करता है और एक गैर pyrolyzing पर प्राप्त नमूना परिणाम प्रस्तुत करता है, ablating कार्बन बंधुआ कार्बन फाइबर (CBCF) अग्रदूत। CBCF सामग्री बहुत ऐसे PICA और Asterm के रूप में कम घनत्व कार्बन phenolic ablators, जो प्रस्तुत तकनीक का परम लक्ष्य कर रहे हैं के लिए कठोर अग्रदूत के समान है। CBCF सामग्री का मुख्य लाभ, अपनी कम कीमत और उपलब्धता खुले हैं, क्योंकि यह नियंत्रण लाइसेंस निर्यात करने के लिए सीमित नहीं है। यह 'लेखक दृष्टिकोण अन्य अनुसंधान संस्थानों आसानी से कच्चे CBCF सामग्री प्राप्त कर सकते हैं के रूप में की प्रस्तुति के लिए चुना गया था। इस प्रकाशन के साथ, लेखकों को एक अपेक्षाकृत सरल मानक प्रक्रिया की परिभाषा परिकल्पना की गई है, अन्य प्रयोगशालाओं के साथ तुलना की सुविधा।

कोर तकनीक सामग्री मंदी ट्रैक करने के लिए एक गैर दखल देने से विधि और टी की जांच कर रहे हैंवह उत्सर्जन स्पेक्ट्रोस्कोपी द्वारा प्रतिक्रियाशील सीमा परत में रसायन शास्त्र। उच्च गति इमेजिंग का आवेदन एक सरल तकनीक है, लेकिन देखभाल और कैमरा प्रणाली के संरेखण की उम्मीद सतह चमक के साथ लिया जाना है। कुछ microseconds के क्रम में एक कम जोखिम के समय कैमरा सेंसर की संतृप्ति से बचने के लिए मदद करता है।

Ablator मंदी के लिए कुछ photogrammetric तकनीक Löhle एट अल। 34 से, साहित्य में रिपोर्ट कर रहे हैं, उदाहरण के लिए। वे उच्च संकल्प पर पूरे ablator सतह की इमेजिंग के कारण हमारी तकनीक से बेहतर हैं। लेखकों 21 माइक्रोन का एक संकल्प है, जो परिमाण हमारे काम में प्रस्तुत तकनीक की तुलना में अधिक के लगभग एक आदेश है राज्य। हालांकि, photogrammetric सेटअप, कैलिब्रेशन, और बाद के प्रसंस्करण की स्थापना के समय लेने (लेखकों रिपोर्ट 1 दिन / परीक्षण) कर रहे हैं, और दो ऑप्टिकल बंदरगाहों के लिए आवश्यक हैं दो स्वतंत्र कैमरों का इस्तेमाल किया जा करने के लिए है। परीक्षण अभियान है कि एक उच्च n आवश्यकतापरीक्षण के नमूने की भूरा रंग इस आवेदन बहुत महंगा बनाते हैं। इस प्रोटोकॉल में प्रस्तुत तकनीक आसानी से स्थापित किया जाता है और बाद के प्रसंस्करण के मौजूदा संख्यात्मक उपकरण के साथ किया जा सकता है। हमारी तकनीक बगल में सतह मंदी के बाद का लक्ष्य उद्देश्य से मुलाकात की। हमारी तकनीक की सटीकता आगे एक उच्च कैमरा संकल्प या ऑप्टिकल प्रणाली के उच्च फोकल लंबाई के साथ बढ़ाया जा सकता है। हालांकि, अगर सामग्री विश्लेषण सतह विवरण के उच्च स्थानिक संकल्प की आवश्यकता है, हम photogrammetric तकनीक के रोजगार के सुझाव देते हैं।

जॉब ऑप्टिकल उत्सर्जन स्पेक्ट्रोस्कोपी (OES) के लिए संरेखण और ऑप्टिकल प्रणाली की जांच के साथ लिया जाना है। इस तकनीक लाइन की दृष्टि माप तक ही सीमित है और जांच कर रही इलेक्ट्रॉनिक रूप से उत्साहित अणुओं और परमाणुओं के लिए विवश है। लेकिन अपनी सादगी और निवेश पर उच्च वापसी के लिए अभी भी ऐसे उदाहरण लेजर प्रेरित प्रतिदीप्ति (LIF) स्पेक्ट्रोस्कोपी है, जो के रूप में और अधिक व्यापक तकनीक पर नियंत्रित करता हैमुश्किल पृथक विश्लेषण के दौरान सतह के पास बाहर ले जाने के लिए। LIF स्पेक्ट्रोस्कोपी सफलतापूर्वक प्लाज्मा freestream 39,40 में जमीन राज्य प्रजातियों की आबादी की जांच करने के लिए लागू किया गया है, सीमा परत में LIF माप अपेक्षाकृत दुर्लभ हैं। एक गर्म हिज्जे गलत नमूना के सामने SiO की माप Feigl 41 से रिपोर्ट कर रहे हैं, लेकिन सतहों ablating के लिए अभी तक प्रदर्शन नहीं किया गया है। ablator का घटता चला सतह सीमा परत में लंबे माप बार पर प्रतिबंध लगाता है। इसके अलावा LIF सिस्टम विशिष्ट घटकों की उच्च संख्या के कारण बहुत महंगे हैं।

पृथक उत्पादों के स्थानिक और लौकिक विकास इस प्रकाशन, जो अपेक्षाकृत बस उत्सर्जन स्पेक्ट्रोस्कोपी द्वारा किया जा सकता है के लिए ब्याज की है। तीन कम संकल्प, व्यापक रेंज स्पेक्ट्रोमीटर कई परमाणुओं और पृथक परीक्षण के दौरान मौजूद अणुओं का पता लगाने के लिए कार्य किया। ऑप्टिकल नैदानिक ​​बेंच एक प्रकाश एकत्रित लेंस के शामिल हैं, दो दर्पणएस, और तीन स्पेक्ट्रोमीटर से प्रत्येक के लिए एक ऑप्टिकल फाइबर। यह ऑप्टिकल सेटअप है कि कोई प्रकाश, लेंस द्वारा ध्यान केंद्रित, सिवाय इसके कि ऑप्टिकल फाइबर पहुँच के लिए महत्वपूर्ण था।

एक pyrolyzing सामग्री का अध्ययन किया जा रहा है, कई तरह के उदाहरण हाइड्रोकार्बन हाइड्रोजन (बामर श्रृंखला, एच α और एच β) का सवाल है, माल है, जो दहन आग की लपटों में सर्वव्यापी हैं से अलग हो रहे हैं, सी 2 (हंस प्रणाली), सीएच, ओह, राष्ट्रीय राजमार्ग 42। ये इस सेटअप के साथ पाया जा सकता है। कई अनुसंधान समूहों ने हाल ही में उत्सर्जन स्पेक्ट्रोस्कोपी आवेदन कर रहे हैं चारों ओर पंचमी विभक्ति गर्मी ढाल सामग्री 19,22,43,44 बनाने प्रतिक्रियाशील सीमा परत का विश्लेषण करने के लिए। मैकडोनाल्ड एट अल। एक उपपादन द्वारा मिलकर प्लाज्मा में 22 preformed पृथक परीक्षण। सेटअप 1.16 एनएम, जो हमारे स्थापना के लिए इस्तेमाल किया स्पेक्ट्रोमीटर द्वारा प्रदान की संकल्प की तुलना में कम है की एक वर्णक्रमीय संकल्प के साथ एक समान कम संकल्प स्पेक्ट्रोमीटर शामिल थे। उनकी प्रारंभिक टीईएसटी नमूना आकार एक सिलेंडर के रूप में परीक्षण के दौरान बढ़ती सतह के तापमान के द्वारा प्रदर्शन किया गया था, मजबूत बढ़त पृथक सामना। इसलिए, सीमा परत thermochemical हालत शायद प्रयोग के दौरान बदल गया है, एक समय में औसतन विश्लेषण उलझी। अर्धगोल परीक्षण नमूना हमारे विश्लेषण के लिए इस्तेमाल बढ़त पृथक अनुभव है और 30 के दौरान अपने आकार को बनाए रखा नहीं था - 90 सेकंड परीक्षा का समय 45।

हरमन एट अल। 44 उत्सर्जन स्पेक्ट्रोस्कोपी लागू करने के लिए एक magnetoplasmadynamic arcjet सुविधा में विकिरण-पृथक युग्मन पर पहला परिणाम प्रदान करते हैं। यह वैज्ञानिक समुदाय के लिए उच्च ब्याज के रूप में वहाँ इस विषय पर लंबी अवधि के लिए जमीन-परीक्षण सुविधाओं में ज्यादा जांच नहीं किया गया है। दुर्भाग्य से, pyrolyzing सामग्री के सामने उत्सर्जन की कोई लौकिक व्यवहार की सूचना दी है। रेंज 300-800 एनएम 120 एनएम तरंगदैर्ध्य क्षेत्रों से बाद के प्रसंस्करण के दौरान एक पूर्ण स्पेक्ट्रम के लिए श्रेणीबद्ध कर रहे थे, चा द्वारा में उनकी स्पेक्ट्राइस्तेमाल किया स्पेक्ट्रोग्राफ के केंद्र तरंगदैर्ध्य nging। इसलिए, कई स्पेक्ट्रा पूर्ण वर्णक्रमीय रेंज को कवर करने के लिए समय के साथ ले जाया गया। अगर पंचमी विभक्ति सामग्री, CBCF पहिले और उनके मामले में Asterm, दोनों क्षणिक pyrolysis गैस इंजेक्शन और सतह पृथक की वजह से एक मजबूत लौकिक व्यवहार का अनुभव है, यह अस्थायी औसतन स्पेक्ट्रम मिथ्या सिद्ध हो सकती है।

हमारे काम में प्रस्तुत स्पेक्ट्रोग्राफ का एक लाभ यह इस प्रकार व्यापक वर्णक्रमीय रेंज (200-900 एनएम) spectrographs भट्ठा करने के लिए है, जो आमतौर पर सबसे कम संकल्प पर 120 एनएम की अधिकतम सीमा में परिणाम की तुलना में है। विस्तृत वर्णक्रमीय रेंज एक ही अधिग्रहण के साथ मनाया जैसे हाइड्रोजन युक्त प्रजातियों (ओह, राष्ट्रीय राजमार्ग, सीएच, एच), कार्बन योगदानकर्ताओं (सी, सीएन, सी के रूप में पृथक और pyrolysis प्रक्रियाओं, जिसके परिणामस्वरूप से, सीमा परत में विभिन्न प्रजातियों के अवलोकन की अनुमति देता है 2), और contaminants (ना, सीए, कश्मीर)। हालांकि, अगर केवल एक ही प्रजाति के संक्रमण ब्याज की है, एक उच्च संकल्प भट्ठा स्पेक्ट्रोग्राफ Appl हो सकता हैआईईडी, जो आगे के रूप में हरमन एट अल द्वारा किया गया था पूर्ण रेडियल उत्सर्जन प्रोफ़ाइल की स्कैनिंग की अनुमति देता है। 44

प्रयोगात्मक डेटा के आवेदन कर रहे हैं, उदाहरण के लिए, युग्मित सीएफडी और सामग्री प्रतिक्रिया कोड के सत्यापन के लिए। पंचमी विभक्ति सीमा शर्त के साथ एक ठहराव-लाइन कोड हाल ही में vki Plasmatron 46 में गोलाकार निकायों के ठहराव-रेखा के साथ प्रवाह क्षेत्र के प्रजनन के लिए vki पर विकसित किया गया है। नकली प्रोफाइल के साथ प्रयोगात्मक सीमा परत उत्सर्जन का एक प्रारंभिक तुलना कहीं और 45 पेश किया गया।

नमूनों का परीक्षण के microscale विश्लेषण हवा और नाइट्रोजन प्लाज्मा में कार्बन फाइबर के विभिन्न गिरावट घटना का संकेत था। ablated फाइबर का मनाया हिमलंब आकृति विज्ञान आगे, प्रसार नियंत्रित पृथक की धारणा समर्थित के रूप में कम दबाव (15 एचपीए) पर लगभग समान मंदी दरों ने सुझाव दिया था। इसके अलावा, abseआंतरिक सामग्री ऑक्सीकरण की nce प्रवाह या गर्म सीमा परत गैसों के प्रसार झरझरा परीक्षण के नमूने में के खिलाफ तर्क है। इस तरह के आंतरिक ऑक्सीकरण, के रूप में वेंग द्वारा संख्यानुसार अध्ययन एट अल। PICA 47 के लिए, एक कमजोर फाइबर संरचना करने के लिए ले जा सकता है, सामग्री के यांत्रिक विफलता के कारण उदाहरण के लिए, Spallation 48,49 के रूप में। इसलिए, हम अत्यधिक गर्मी ढाल अनुप्रयोगों के लिए झरझरा कार्बन मिश्रित सामग्री की उच्च तापीय धारिता परीक्षण के साथ-साथ एक सामान्य microscale विश्लेषण सुझाव देते हैं। एक microscale विश्लेषण का अंतिम लक्ष्य कार्बन फाइबर आंतरिक reactivities की पहचान के लिए किया जाएगा। Spatially हल छवियों इस तरह के विश्लेषण अग्रिम सकता है, उदाहरण के लिए, सूक्ष्म टोमोग्राफी द्वारा के रूप में Panerai एट अल। 50 से बाहर किया। एक सामग्री कोड असंतत Galerkin discretization का उपयोग कर पंचमी विभक्ति मिश्रित सामग्री का गहराई से थर्मल प्रतिक्रिया जटिल अनुकरण करने के लिए 51 .इस कोड नए थोर का उपयोग करता है vki में विकसित किया गया थाough भौतिक-रासायनिक पुस्तकालय उत्परिवर्तन ++, गैस के मिश्रण के थर्मल और परिवहन गुण प्रदान करने, दोनों परिमित-दर गैस चरण रसायन शास्त्र और सजातीय / विषम गैस / गैस ठोस संतुलन रसायन विज्ञान 52 की गणना भी शामिल है। हम सामग्री प्रतिक्रिया कोड है, जो झरझरा माध्यम की microscale राज्य का प्रतिनिधित्व करने में सक्षम है करने के लिए हमारे प्रयोगात्मक डेटा की तुलना की परिकल्पना की गई।

Acknowledgements

बी Helber के अनुसंधान (आईडब्ल्यूटी # 111529 फाइल) विज्ञान और प्रौद्योगिकी द्वारा नवाचार के लिए एजेंसी के एक फैलोशिप द्वारा समर्थित है फ़्लैंडर्स में, और ते Magin यूरोपीय अनुसंधान परिषद द्वारा की अनुसंधान शुरू अनुदान # 259354। हम Plasmatron ऑपरेटर के रूप में अपने बहुमूल्य मदद के लिए श्री पी कोलिन स्वीकार करते हैं। हम कृतज्ञता परीक्षण सामग्री उपलब्ध कराने के लिए और सूचनात्मक समर्थन के लिए जॉर्ज कानून और स्टीफन Ellacott स्वीकार करते हैं।

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Carbon-bonded carbon fiber preform MERSEN (CALCARB) CBCF 18-2000 sample shape was a hemisphere of 25 mm radius attached to a 25 mm cylinder
UV-VIS-NIR Spectrometer Ocean Optics  HR4000
Optical fiber Ocean Optics QP600-2-SR/BX, modified fiber cladding for fixation
SpectraSuite Ocean Optics 
Lens, plano-convex Ocean Optics LA4745, 750 mm focal length
Two-color pyrometer Raytek Marathon Series MR1SC
Digital Delay Generator Stanford Research Systems DG535
High-speed camera  Vision Research  Vision Research Phantom 7.1

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References

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