ТЕНЗОДАТЧИК ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ В КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
STRAIN GAUGE FOR MEASURING DEFORMATIONS IN COMPOSITE MATERIALS AND METHOD OF MAKING IT

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к тензодатчикам, предназначенным для измерения деформации твердых тел, и может быть использовано для контроля состояния высокопрочных композиционных материалов (КМ) и конструкций из них.
В известных методах измерения деформаций твердых тел, использующих различные тензодатчики, наибольшее распространение получили тензодатчики сопротивления, действие которых основано на их свойстве изменять под влиянием деформации (растяжения или сжатия) свое электрическое сопротивление, что регистрируется и преобразуется в данные о деформации.
Высокопрочные КМ используются в основном в изделиях с повышенными требованиями к надежности (например, в строительстве, в авиа-, автомобиле-, судостроении и др.), поэтому контроль состояния КМ необходимо осуществлять в режиме реального времени (в процессе эксплуатации), то есть тензодатчики должны являться частью исследуемого материала - находиться в объеме материала и не нарушать его структуру. Такие КМ называют интеллектуальными.
В настоящее время в известных интеллектуальных КМ для контроля состояния материала в режиме реального времени используют оптоволоконные и пьезоэлектрические датчики (Уорден К. Новые интеллектуальные материалы и конструкции. Свойства и применение. М. «Техносфера», 2006 г.), но система чувствительных элементов на базе оптических волокон и пьезокерамики требует сложной аппаратуры подачи/приема и обработки сигнала, кроме того, при их применении возникает проблема сохранения первоначальной прочности КМ.
Наиболее близким к предлагаемому тензодатчику для измерения деформаций в КМ является тензодатчик, представляющий собой углеродную нить, концы которой соединены с электропроводами для подключения к регистрирующей аппаратуре. Такую углеродную нить, являющуюся тензочувствительным элементом, можно встраивать в неэлектропроводящий исследуемый КМ, не вызывая снижения исходных прочностных характеристик КМ (Басов Ф.А. «Контроль напряженно-деформированного состояния композиционных материалов с помощью чувствительных элементов на базе углеродных нитей». Вестник машиностроения, №11, 2006, стр.17-21 - прототип).
1
1
1
1
1
o
+
к.о
+
к.о
Известный тензодатчик-прототип, являясь частью исследуемого материала, позволяет отслеживать в режиме реального времени деформации в материале, но уровень допустимых деформаций, которые выдерживает тензодатчик-прототип без ущерба для его работоспособности не превышает 50% от его средней прочности (σ ) или всего 0,6% относительной деформации (ε ) (см. рис.1 на стр.18 указанной статьи Басова Ф.А. Вестник машиностроения, №11, 2006 г., где линейная зависимость изменения электрического сопротивления датчика сохраняется до σ/σ =0,5, и рис.5 на стр.20, где линейная зависимость для кольцевого образца датчика в стеклопластике нарушается при относительной деформации ε , равной 0,6%). Тензочувствительность датчика - прототипа не превышает 2% ΔR/R.
Задачей изобретения является создание такого тензодатчика на основе углеродных нитей для измерения деформаций в композиционных материалах, который позволит существенно повысить тензочувствительность и диапазон измеряемых деформаций.
Задачей изобретения является также разработка способа изготовления заявляемого тензодатчика.
Решение поставленной задачи достигается предлагаемым тензодатчиком для измерения деформаций в композиционных материалах, содержащим в качестве тензочувствительного элемента углеродную нить, концы которой соединены с электропроводами для подключения к регистрирующей аппаратуре, в котором углеродная нить встроена в матрицу из неэлектропроводящего полимерного материала, при этом углеродная нить внутри матрицы состоит из частиц критической длины 0,5-1 мм.
В предлагаемом тензодатчике углеродная нить может быть выполнена из высокомодульного углеродного волокна, а материал матрицы должен иметь модуль упругости в два или более раз меньший, чем модуль упругости углеродного волокна.
Места соединения углеродной нити с электропроводами для подключения к регистрирующей аппаратуре в тензодатчике могут быть встроены в полимерную матрицу.
Решение поставленной задачи достигается также предлагаемым способом изготовления тензодатчика для измерения деформаций в композиционных материалах, содержащего в качестве тензочувствительного элемента углеродную нить, заключающимся в том, что углеродную нить, начало и конец которой соединены с электропроводами для подключения к регистрирующей аппаратуре, помещают внутрь жгутов из стекло- или органоволокна, пропитанных связующим, отверждают и подвергают 6-7-кратному повторению цикла нагружение-разрузка.
Повторение цикла нагружение-разрузка можно осуществлять при максимальной деформации не более 2-2,5%.
На фиг.1 представлен предлагаемый тензодатчик, выполненный в виде кольца (фиг.1А) или шпона (ленты) (фиг.1Б) из неэлектропроводящего полимерного материала (например, стеклопластика или органопластика) (1) с встроенной в него нитью из высокомодульного углеродного волокна (2), разрушенного на участки критической длины 0,5-1 мм (так называемой «неэффективной») (показано на фиг.1Б). Конец и начало углеродной нити соединены с электропроводами (3) для подключения к регистрирующей аппаратуре. Места соединения встроены в полимерную матрицу.
Предлагаемый тензодатчик изготавливают следующим образом.
При изготовлении тензодатчика в форме кольца жгут из однонаправленных стеклянных (например, РВМН-420-78) или органических (например, арамидных) волокон пропускают через пропиточно-натяжной тракт, используя эпоксидное связующее ЭДТ-10, и наматывают на оправку с помощью раскладчика, обеспечивающего получение кольца заданной ширины. После намотки застольного слоя раскладчик останавливают и вручную вматывают в кольцо несколько витков углеродной нити (использовали три типа углеродных нитей: УКН-2500, Кулон и Гранит), концы которой приклеены токопроводящим клеем к кусочкам медной фольги с припаянными проводами, следя за тем, чтобы витки углеродной нити не соприкасались между собой. После этого снова включают раскладчик и продолжают намотку кольца из стекло- или органоволокна, так чтобы после отверждения связующего (при 160°С в течение 6 часов) углеродная нить оказалась встроенной внутрь матрицы из стекло(органо)пластика.
При изготовлении тензодатчика в форме шпона (ленты) процесс аналогичен описанному выше, отличие лишь в том, что на застильный слой кольца из стекло(органо)волокна наматывают только один виток углеродной нити, что в дальнейшем позволит разрезать кольцо по стекло(органо)пластику, не затрагивая углеродной нити. Тензодатчик в форме шпона (ленты) можно изготавливать также, используя другой раскладчик, позволяющий сразу получать плоский шпон (ленту) заданной ширины из стекло(органо)пластика с встроенной внутрь полимерной матрицы углеродной нитью.
Полученные образцы стекло(органо)пластика с встроенной внутрь полимерной матрицы углеродной нитью в виде кольца или шпона помещают в захваты разрывной машины ZDM-10. Провода, припаянные к углеродной нити, подключают к электронной измерительной системе и осуществляют многократное (не менее 6 раз) повторение цикла нагружение-разгрузка при максимальной деформации не более 2-2,5%. Здесь следует отметить, что проводить нагружение (разгрузку) образцов значительно удобнее, если они выполнены в виде кольца. После 6-7-кратного повторения цикла нагружение-разгрузка можно проводить градуировку полученного тензодатчика и использовать его для контроля деформаций в КМ.
Предлагаемый тензодатчик, выполненный в виде кольца, очень удобно использовать для контроля деформаций в баллонах высокого давления или в трубопроводах, при этом нет необходимости помещать датчик внутрь исследуемого материала - кольцевидным датчиком снаружи охватывают контролируемый объект и следят за изменением электрического сопротивления датчика. Для контроля деформаций в конструкциях любой формы можно использовать предлагаемый тензодатчик, выполненный в виде шпона (ленты), приклеивая его на поверхность испытываемой конструкции. Для встраивания внутрь исследуемого КМ предлагаемый тензодатчик изготавливают в виде шпона (ленты) и при получении КМ (до стадии отверждения КМ) совмещают с однонаправленными стекло- или органоволокнами, используемыми для армирования КМ. Можно подчеркнуть, что благодаря новым конструкционным особенностям предлагаемого тензодатчика, а именно благодаря разрушению встроенной внутрь полимерной матрицы углеродной нити на частицы критической длины 0,5-1 мм, чрезвычайно возрастает тензочувствительность датчика и значительно расширяется диапазон измеряемых деформаций.
o
Предлагаемые тензодатчик и способ его изготовления были разработаны на основе детальных исследований зависимости изменения электрического сопротивления кольцевых образцов углеродной нити, помещенной в матрицу из изоляционного материала, от величины деформации. Было установлено, что при первом нагружении нити до величины относительной деформации примерно 1% наблюдается линейный характер зависимости сопротивления от нагрузки, причем изменение величины сопротивления от деформации (угол наклона прямой) весьма незначительно (см. кривую 1 на фиг.2). На линейном участке кривой изменение сопротивления нити полностью обратимо - при снятии нагрузки сопротивление нити возвращается к исходному значению, то есть при такой деформации углеродная нить в полимерной матрице не разрушается. При увеличении нагрузки выше 1% зависимость перестает быть линейной, сопротивление углеродной нити растет значительно быстрее и возрастает вдвое и более от исходного значения. Такой характер зависимости сопротивления от нагрузки мы связываем с начинающимся разрушением углеродных волокон в нити, по мере возрастания нагрузки число разрушенных волокон в нити увеличивается. При повторных нагружениях углеродной нити скорость возрастания электрического сопротивления от нагрузки и размер линейного участка кривой каждый раз увеличиваются, а после пятикратного повторения цикла нагружение-разгрузка устанавливается линейная зависимость электрического сопротивления нити от величины нагрузки с неизменным углом наклона прямой (см. фиг.2), что является принципиально важным результатом проведенных экспериментов. Исследование углеродных нитей после повторных нагружений-разгрузок методом электронной микроскопии показало, что уже после 5-6-кратного повторения цикла нагружение-разгрузка углеродные волокна в нити разрушаются до частиц критической длины 0,5-1 мм, и при дальнейших повторениях цикла нагружение-разгрузка размер частиц не изменяется. В такой нити при снятии нагрузки контакты между отдельными частицами полностью восстанавливаются, и сопротивление нити возвращается в исходную точку. При нагружении контакты нарушаются вновь, но с сохранением линейной зависимости сопротивления от деформации во всем ее диапазоне от нуля до 2,5%. Тензочувствительность при этом составляет 250-350 Ом/ε (или ~600% ΔR/R).
Таким образом, предложенный тензодатчик по сравнению с известным (прототипом) позволяет существенно повысить тензочувствительность и диапазон измеряемых деформаций.