Sistema de imagen infrarroja para la caracterización in-situ del comportamiento a fuego de materiales compuestos

• Autores: Sergio Sánchez Carballido
• Directores de la Tesis: Fernando López Martínez (dir. tes.), Juan Meléndez Sánchez (codir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Carlos III de Madrid ( España ) en 2017
• Idioma: español
• Tribunal Calificador de la Tesis: Agustín Salazar Hernández (presid.), Luis Enrique Moreno Lorente (secret.), Angeles Sanchez Blazquez (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ciencia e Ingeniería de Materiales por la Universidad Carlos III de Madrid
• Materias:
  • Física
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: e-Archivo
• Resumen

  • Un nuevo sistema de medida no intrusivo basado en imagen infrarroja cuantitativa ha sido diseñado y desarrollado específicamente para el estudio de materiales compuestos sometidos a fuego. El sistema consiste en dos cámaras infrarrojas que miden ambas caras de una muestra plana durante un ensayo a fuego, proporcionando mapas espacialmente corregistrados de la evolución temporal de la temperatura. Los efectos de la llama en la medida de temperatura son minimizados a partir de la selección de una banda espectral con una absorción-emisión infrarroja despreciable (longitud de onda de centrado 9585 nm, y anchura a mitad del máximo 135 nm), además de una post-procesado digital a partir del estudio en frecuencias de las dinámicas de cambio de la muestra frente a la llama. Un experimento ad hoc ha mostrado que este procedimiento recupera la temperatura superficial con una incertidumbre de ±5K, comparado con un error sistemático mayor de 60K para una medida de termografía clásica. La emisividad superficial de ambos lados de la muestra se mide antes y después del ensayo a fuego y se incluyen en el procedimiento de medida. Añadiendo una lámpara flash, el sistema implementa una adaptación del método flash clásico de Parker et al. para muestras térmicamente anchas (como son los muestras de material compuesto CFRP quemados), para obtener en un punto de la muestra la difusividad térmica, la conductividad térmica y el calor específico volumétrico. Además, el uso de la lámpara flash ha permitido calentar toda la superficie de las muestras ensayadas, obteniéndose en un único experimento a flash una imagen de la difusividad efectiva en cada punto de la superficie de toda la muestra. En la región más degradada por el fuego, la difusividad térmica efectiva se reduce aproximadamente un orden de magnitud comparado con el valor previo al ensayo a fuego (desde 5,8•10-7 a 0,5•10-7 m2•s-1). El resultado de la difusividad térmica tras la quema mantiene la información de la degradación producida durante el ensayo a fuego, mediante la relación con la medida de temperatura realizada durante el ensayo con el sistema desarrollado, se puede realizar un análisis de la relación entre los procesos de degradación y la temperatura. Las capacidades del sistema propuesto han sido evaluadas mediante varios ensayos a fuego (once ensayos en base a la norma ISO-2685 : 1998, y una quincena de ensayos con un quemador escalado al de la norma) realizados en muestras de diferentes materiales compuestos CFRP (diferenciados por la fabricación y colocación de la fibra y el polímero aglutinante) son expuestas a fuego en diferentes condiciones, mostrando que la difusividad térmica después de la quema presenta una fuerte correlación con la temperatura máxima alcanzada localmente durante el ensayo. El análisis de un ensayo a fuego concreto ha servido de hilo conductor para la intercomparación entre las diferentes partes e investigaciones realizadas. Este ensayo concretamente, ha mostrado un cambio drástico en la difusividad térmica frente a la temperatura alcanzada durante el ensayo a partir de ~ 250 oC y ~450 oC. El estudio de los resultados experimentales de difusividad térmica frente a la temperatura ha permitido el desarrollo y validación de un modelo en 3D de elementos finitos de la variación de la difusividad térmica en función de la máxima temperatura alcanzada en el estado estacionario del ensayo a fuego. Este modelo permite realizar un exhaustivo análisis del estado de degradación de las capas internas de la muestra ensayada, y definir la degradación por pirolisis en el material.

    Un ensayo a fuego, como los analizados anteriormente en las placas de materiales compuestos CFRP, es conceptualmente análogo a un calentamiento a escalón, y puede ser modelado para la ecuación del calor unidimensional. Para el modelado, la placa se contempla como un sistema lineal con una respuesta a impulso que relaciona las temperaturas de la cara delantera (expuesta directamente al fuego) y la cara trasera, y depende de dos parámetros: la difusividad térmica (a) y el número de Biot (Bi). Tomando como entrada la evolución temporal de la temperatura en la cara delantera, la salida del modelo para cada pareja (a, Bi) es una predicción de la temperatura de la cara trasera de la muestra. En cada punto de la placa, a y Bi pueden ser recuperados por el ajuste de la temperatura modelada con la experimental. Para realizar la recuperación de los parámetros como se ha descrito, se ha utilizado la medida de la evolución de la temperatura para ambas caras de la placa durante el experimento a fuego realizada por el sistema desarrollado. Aplicando el procedimiento de medida a estos mapas de temperatura se consigue, por primera vez, la medida de a y Bi in situ durante los ensayos a fuego. El valor de _ obtenido por este procedimiento (que varía desde ~7•10-7 cerca de los bordes, hasta ~0,5•10-7 en la región más afectada por la llama) ha sido comparado con las medidas realizadas con el método flash después de los ensayos a fuego y con las muestras a temperatura ambiente. Se ha observado una buena correspondencia entre ambos resultados, y las diferencias pueden atribuirse a la dependencia de la difusividad térmica con la temperatura. A través de esta comparación se ha identificado T = 450 oC como la temperatura crítica que separa dos regímenes de cambio de a con la temperatura, relacionado con los dos diferentes estados de degradación, ya encontrados para esa temperatura en el análisis en post-quema.