СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
METHOD OF DETERMINING STRENGTH CHARACTERISTICS OF POLYMER COMPOSITE MATERIALS

Изобретение относится к области акустических измерений и может быть использовано при ультразвуковом контроле физико-химических, физических и механических характеристик полимерных композитных материалов.
Известен способ определения прочностных характеристик полимерных композиционных материалов (патент RU 2461820), в основе которого лежит анализ изменений спектра прошедшего импульса в полимерном композиционном материале контролируемого изделия.
Устройство, реализующее указанный выше способ, содержит два ультразвуковых преобразователя, установленных на поверхности контролируемого изделия на заданном расстоянии с той же или с противоположной стороны стенки контролируемого изделия. Устройство работает следующим образом: измеряют спектр импульса, прошедшего в полимерном композиционном материале контролируемого изделия, с учетом которого определяют прочностные характеристики полимерного композиционного материала, при этом, дополнительно, осуществляют возбуждение и прием импульсов ультразвуковых колебаний в полимерном композиционном материале образцов-свидетелей после их изготовления и измеряют спектры импульсов, прошедших в полимерном композиционном материале этих образцов-свидетелей, после чего образцы-свидетели подвергают механическим, тепловым и иным повреждающим воздействиям, имитирующим эксплуатационные нагрузки, повторно возбуждают и принимают импульсы ультразвуковых колебаний в полимерном композиционном материале образцов-свидетелей и измеряют спектры импульсов, прошедших в полимерном композиционном материале этих образцов-свидетелей после повреждающих воздействий, а прочностные характеристики полимерного композиционного материала контролируемого изделия определяют по определенной корреляционной связи.
Недостатками известного способа и устройства, его реализующего, являются: необходимость проведения предварительных исследований на образцах свидетелях и расчета корреляционных зависимостей, сложность реализации, низкая точность измерения.
m
a
x
min
m
a
x
min
Кроме того, известен способ определения физико-механических характеристик материалов, заключающийся в том, что на поверхности контролируемого изделия с помощью преобразователя возбуждают упругие колебания, принимают с той же поверхности прошедшие по толщине изделия отраженные эхо-сигналы этих колебаний и по параметрам принятого сигнала определяют пористость, плотность и механические свойства материала изделия, а пористость, плотность и механические свойства материала определяют по полной мощности шумовой компоненты рассеянного назад акустического сигнала, рассчитываемой по формуле  где S(ƒ) - измеренный спектр сигнала, отраженного от пор и структуры материала;  - сглаженный на интервале Δƒ=ƒ-ƒ спектр ультразвукового сигнала; ƒ - частота; ƒ и ƒ -границы частотного диапазона.
Возбуждение упругих колебаний осуществляют лазерным оптико-акустическим преобразователем широкополосным сигналом в спектральном диапазоне 0,1÷20 МГц импульсами с энергией 1÷10 мДж, длительностью не более 0,05 мкс и частотой повторения не менее 10 Гц (патент РФ №2214590).
Недостатком данного способа является низкая точность определения прочностных характеристик полимерных композиционных материалов, обусловленная тем, что импульс ультразвуковых колебаний в материале проходит очень малый путь, равный удвоенной толщине объекта контроля. В течение короткого времени прохождения ультразвукового сигнала в контролируемом материале происходит незначительное изменение параметров сигнала, что не позволяет на фоне мешающих факторов получить достаточную (для практического применения этого способа) точность определения прочностных характеристик.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является способ определения физико-механических характеристик полимерных композиционных материалов, заключающийся в том, что два преобразователя располагаются на поверхности объекта контроля с одной или с разных сторон контролируемой конструкции на определенном расстоянии друг от друга, с помощью которых возбуждают и принимают импульсы ультразвуковых колебаний и измеряют параметры прошедших в материале сигналов, с учетом которых определяют физико-механические характеристики материала (стандарт Е 1495-94 Американского общества испытаний материалов ASTM).
Недостатками данного способа определения прочностных характеристик полимерных композиционных материалов являются малые точность и достоверность полученных результатов ввиду того, что способ-прототип не позволяет при прозвучивании материала получить информацию со значительных его объемов, что искажает спектральные составляющие, которые несут информацию о структуре материала и при этом не связаны с конструктивными особенностями объекта контроля. Способ-прототип не позволяет также определить значения прочностных характеристик материала, а лишь дает возможность выявить структурные неоднородности, которые определяют физико-механические характеристики материала.
Технической задачей изобретения является создание способа, позволяющего повысить точность и достоверность определения прочностных характеристик полимерных композиционных материалов. Предлагаемый способ и устройство для его осуществления направлены на повышение точности и достоверности измерения при упрощении конструкции.
Задача решена тем, что способ определения прочностных характеристик полимерных композиционных материалов включает в себя измерение скоростей стержневой и крутильной волны в прутках с последующим расчетом модуля сдвига G и модуля Юнга Е. При этом в измерениях используют прутки длиной многократно превышающей их диаметр, а прозвучивание прутков производят с их торцевой части стержневой и крутильной волнами с длиной волны, значительно большей диаметра прутка в условиях незначительного затухания, отсутствующей или низкой дисперсии скорости.
Положительный технический результат, обеспечиваемый указанной совокупностью признаков, состоит в повышении точности и достоверности измерения акустических скоростей за счет прозвучивания значительных объемов полимерных композиционных материалов, отсутствия дисперсии скорости волны и многообразия ее мод в виду использования продольной и сдвиговой волн в протяженном объекте в виде прутка из полимерных композиционных материалов, отсутствия необходимости регистрации частотных параметров ультразвуковой волны, распространяющейся в полимерных композиционных материалах, в упрощении и удешевлении конструкции устройства, достигаемом за счет отсутствия специальных приспособлений в акустическом блоке, в том числе отсутствие волноводов, контактирующих с преобразователями. Способ осуществляют следующим образом.
Для измерения используют прутки длиной многократно превышающей их диаметр. Прозвучивание прутков производят с их торцевой части стержневой и крутильной волнами с длиной волны значительно большей диаметра прутков. В условиях незначительного затухания и низкой дисперсии скорости импульс отражается от противоположного торца прутка и возвращается в зону излучения и вновь проходит по телу прутка до противоположного торца и обратно. По результатам измерения длины прутка L и времени прохождения импульса по прутку/рассчитывают скорость стержневой  и крутильной волны  и по известным соотношениям  и  затем находят модуль сдвига G и модуль Юнга Е.
Пример осуществления способа определения прочностных характеристик полимерных композиционных материалов приведен для 5 партий композитной арматуры разных производителей, представленных прутками длиной 6 м с условным диаметром 8 мм и общим объемом более 1100 шт.
В результате, в соответствии с описанной выше методикой проведения измерений, определены средние скорости стержневой и крутильной волны и соответствующие им значения модуля Юнга Е и модуля сдвига G, (представлены в таблице 1). Расчеты проведены с учетом предварительно измеренной плотности материала композитной арматуры.