基于热成像技术的ISiComp材料涂层状态测定可行性研究

《Applied Sciences》：Feasibility Study for Determining the Coating State of ISIComp Material with Thermographic Techniques Giovanni Santonicola, Francesca Di Carolo, Davide Palumbo, Tiziana Matarrese, Ester D`Accardi, Mario De Cesare, Mario De Stefano Fumo, Cinzia Toscano and Umberto Galietti

　　

本研究探讨了使用热成像技术识别碳-硅基质上硅基涂层（ISiComp）三种可能状态的可行性。因此，对三种不同条件制备的试样进行了实验测试：未涂层、涂层和涂层后氧化。该研究比较了锁相热成像（LT）和脉冲热成像（PT），使用冷却的中波红外（MWIR）相机和非冷却的长波红外（LWIR）微辐射热计相机。主要目标是区分涂层与未涂层状态，以及氧化与非氧化状态，同时认识到涂层和氧化状态在同一试样上不能同时存在。结果表明，在适当后处理支持下，热成像技术在此目的上具有前景。特别是，非冷却LWIR相机提供了比冷却MWIR相机更好的结果，而当前方法不允许在原始涂层和氧化涂层状态之间进行稳健区分。同时，该研究突出了与试样尺寸和用于再现不同表面状态的附加处理相关的限制。未来的工作将针对更大的试样和实际组件，并实施基于先进人工智能（AI）的分类算法，以克服所提方法的当前限制。

热防护系统（TPS）在航空航天再入过程中经历严重降级，可重用性成为主要目标。碳化硅（SiC）涂层用于保护碳-硅基质材料如ISiComp，但涂层状态可能因侵蚀、分层而变化。无损检测（NDT）技术对于评估组件状态至关重要，其中主动热成像（AT）已用于涂层表征。然而，针对ISiComp材料的AT应用有限，需要区分三种状态：未涂层（NC）、涂层（CC）和氧化涂层（OX）。研究人员开展了可行性研究，使用热成像技术识别ISiComp材料的涂层状态。他们准备了15个试样，分为三组，每组五个，对应NC、CC和OX条件。使用锁相热成像和脉冲热成像，两种红外相机进行实验。通过统计分析（ANOVA和Tukey测试）评估不同参数下的热特征，以区分涂层状态。结果显示，热成像技术在适当后处理下可以区分NC与CC和OX状态，但CC与OX状态难以区分。非冷却LWIR相机表现优于冷却MWIR相机。脉冲热成像的截距特征和锁相热成像的振幅特征更为有效。研究指出当前方法的局限性，如试样尺寸小、简单几何等。本研究首次应用AT识别ISiComp试样的三种表面状态，为热防护系统的无损评估提供了方法学基础。论文发表在《Applied Sciences》。

为开展研究，研究人员用到的主要关键的技术方法包括：锁相热成像（LT）和脉冲热成像（PT），使用非冷却长波红外（LWIR）相机A655和冷却中波红外（MWIR）相机A6751。实验设计包括变化激励周期和冷却时间，采集热响应数据。提取热特征如振幅（Amp）、相位（Pha）、截距（Intercept）、斜率（Slope）和R2（决定系数）。统计分析使用单因素方差分析（ANOVA）和Tukey事后测试，以评估不同状态间的统计显著性。试样来源为实验室制备的ISiComp试样，尺寸约为20 mm × 20 mm × 5 mm。

研究结果基于实验数据的统计分析。对于锁相热成像结果（小标题3.1），研究人员通过ANOVA分析发现，非冷却LWIR相机在多个激励周期下显示出显著差异，而冷却MWIR相机则没有。Tukey测试确认了NC与CC和OX状态之间的显著差异，但CC与OX状态不显著。振幅特征比相位特征更具诊断价值，例如在9.5秒激励周期下，第一谐波振幅（Amp1）有效区分了状态。

对于脉冲热成像结果（小标题3.2），ANOVA分析显示，非冷却LWIR相机在3.1秒和5秒冷却时间的截距特征显著，而冷却MWIR相机仅在5秒、9秒和10秒的截距特征显著。截距特征比斜率特征更有信息，可以区分NC与CC和OX状态，例如在3.1秒冷却时间下，截距特征显示了显著差异。

讨论部分总结指出，实验成功区分了NC与CC和OX状态，但CC与OX状态重叠，可能由于涂层相似性和变异性。非冷却LWIR相机表现更好，可能因为避免了直接反射伪影。当前方法受限于试样简单几何，未来需要扩展到实际组件并实施AI分类算法。研究结论部分翻译：本工作表明，在控制实验室条件下，实现了区分CC–NC和OX–NC状态的目标。然而，结果也显示了逐个特征统计方法的当前限制，特别是当涂层状态部分重叠时。下一步是在实际组件和更复杂几何形状上进行验证，并实施基于AI的分类方法。