СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
METHOD FOR DETERMINING THE OPERABILITY OF PRODUCTS MADE OF POLYMER COMPOSITE MATERIALS

Изобретение относится к области неразрушающих методов контроля конструкций из полимерных композиционных материалов (ПКМ) и может быть использовано для оценки остаточной работоспособности изделий, нашедших применение в авиационной, космической, судостроительной, автомобильной и других отраслях промышленности.
Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ оценки эксплуатационной работоспособности профилированного листа из полимерных композитных материалов (патент №2733106 от.29.09. 2020), включающий нагружение образца из профилированного листа из полимерных композиционных материалов линейно распределенной нагрузкой прессового типа, имитирующей эксплуатационную нагрузку для заданного расстояния между опорами, до достижения заданных деформаций в условиях контроля за его состоянием. Считают, что образец выдержал проверку при условии, что он без визуально наблюдаемых признаков разрушения выдержал максимальную деформацию/прогиб в течение 60 минут. По результатам проведенного испытания делают вывод об эксплуатационной работоспобности профилированного листа и изделий на его основе при изгибе в условиях использовании по целевому назначению. Данный способ принят за прототип.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого способа, - способ определения работоспособности изделий из полимерных композиционных материалов, включающий физическое воздействие.
Недостатком известного способа, принятого за прототип, является то, что оценка работоспособности дается по результатам механического воздействия и не дается прогнозирование остаточной работоспособности (возможный срок эксплуатации изделия).
Задачей настоящего изобретения является возможность прогнозирования работоспособности изделия из ПКМ за счет регистрации с помощью датчика акустической эмиссии формы волны и спектра сигнала, возникающего под действием лазера.
Поставленная задача была решена за счет того, что в известном способе определения работоспособности изделий из полимерных композиционных материалов, включающем физическое воздействие, согласно изобретению используют метод лазерного воздействия в начале эксплуатации изделия из полимерных композиционных материалов с фиксацией акустической эмиссией спектрального сигнала, а через определенный интервал времени проводят повторное воздействие и по разнице сигналов качественно и количественно выявляют изменения в структуре полимерного композитного материала, определяют градиент изменения сигналов и, зная значение частоты, соответствующей разрушению полимерного композиционного материала, определяют интервал времени остаточной работоспособности изделия.
Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа, - используют метод лазерного воздействия в начале эксплуатации изделия из полимерных композиционных материалов с фиксацией акустической эмиссией спектрального сигнала; через определенный интервал времени проводят повторное воздействие; по разнице сигналов качественно и количественно выявляют изменения в структуре полимерного композитного материала, определяют градиент изменения сигналов и, зная значение частоты, соответствующей разрушению полимерного композиционного материала, определяют интервал времени остаточной работоспособности изделия.
Решение этой задачи является актуальным и позволит предсказать время разрушения изделий из ПКМ.
В зависимости от геометрии образца будет формироваться парциальная (собственная) частота по его толщине. В зависимости от структуры материала акустическая волна будет менять амплитудную и частотную составлявшую волны, смещая или размывая частоту модальной характеристики. Геометрия и структура ПКМ будут влиять на уровень «размыва» спектральной линии в нем, что позволит провести оценку его технического состояния.
По анализу временного и спектрального сигналов определяют деструктивную зону частотной области образца, так как модальные характеристики этих частот связаны с конструктивной структурой матрицы и наполнителя ПКМ. Характер размыва временного сигнала с определенной последовательностью изменения амплитуды во времени позволит определить динамику изменения частоты и время наступления ее критического значения, при котором произойдет разрушение ПКМ.
Предлагаемый способ иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-2.
На фиг. 1 приведен спектр сигнала возбужденной волны стеклопластиковой трубы в начале эксплуатации.
На фиг. 2 показан спектр сигнала возбужденной волны стеклопластиковой трубы после 10 лет эксплуатации.
Способ определения работоспособности изделий из полимерных композиционных материалов осуществляют следующим образом.
На образец оказывают лазерное воздействие с помощью лазера Perfect laser pedb-400. Датчик акустической эмиссии устанавливают на удалении 100 мм от места воздействия лазерного луча. На поверхность панели устанавливают датчик акустической эмиссии, который перемещается в зоны воздействия лазера. Проводят регистрацию сигнала акустической эмиссии с помощью системы «Малахит АС-15А/2» с активными преобразователями ДР15И AT с применением программного комплекса AEStudio. Проводят анализ временного и спектрального сигналов анализируемой области и характер размыва временного сигнала с определенной последовательностью изменения амплитуды во времени подтверждает наличие определенной неравномерной по толщине структуры материала, обусловленной разным значением физико-механических свойств наполнителя матрицы. Фиксируют полученный спектр. Через определенный промежуток времени проводят повторный анализ и по изменению спектра вычисляют срок эксплуатации изделия. По падению частотной составляющей за ограниченный период времени и по градиенту ее падения определяют остаточную работоспособность полимерных композиционных материалов, тем самым назначается период продления срока их эксплуатации.
Пример конкретного выполнения.
3
Образец в виде стеклопластиковой трубы на основе эпоксидного связующего диаметром 130 мм, толщина стенки 4,5 мм, при плотности 1780 кг/м укладывается на стол лазерного гравера на вибропоглощающий пакет, состоящий из войлока и двух слоев плотной бумаги, прижимается грузом.
На образец оказывалось лазерное воздействие с помощью лазера Perfect laser pedb-400 мощностью 30 Вт, длиной волны 1060 нм с параметрами лазерного воздействия: размер пятна - 50 мкм, длительность импульса 200 не в центр образца. Датчик акустической эмиссии устанавливался на удалении 100 мм от места воздействия лазерного луча на поверхность трубы.
Регистрация сигнала акустической эмиссии производилась с помощью системы «Малахит АС-15А/2» с активными преобразователями ДР15И AT с применением программного комплекса AEStudio.
На фиг. 1 приведен спектр сигнала трубы. Анализ спектрального сигнала этой области указывает на деструктивную зону частотной области практически с постоянным значением парциальной частоты 650 Гц и собственная частота стекловолокна 800 Гц, собственная частота матрицы 500 Гц. После 10 лет эксплуатации спектр имеет вид (фиг. 2). Парциальная частота составляет 580 Гц, собственная частота стекловолокна размыта от 720 до 780 Гц, собственная частота матрицы осталась 500 Гц, но произошло смещение в более низкую область с появлением обертонов на частотах 350, 250 и 100 Гц с ярко выраженными частотными пиками. В отличие от размытых обертонов начального года эксплуатации. Наличие «размыва» собственных частот и снижение амплитуд указывает на формирование в зоне контакта стекловолокна и матрицы наличие микротрещин. Характер «размыва» частот связан с изменением плотности связующего в локальных зонах и эти локальные зоны формируют другие частотные составляющие, которые являются диагностическим признаком изменения плотности связующего, а, следовательно, изменении адгезии между связующим и наполнителем. Наличие изменения адгезии свидетельствует о механическом повреждении полимерного композитного материала.
За 10 лет эксплуатации произошло изменение парциальной частоты с 700 Гц до 580 Гц, т.е. за период 10 лет градиент частоты составил (700-580)/10=12 Гц/год. Таким образом, падение собственной частоты будет происходить до 12 Гц в год. Исходя из того, что разрушение ПКМ происходит, при частоте 320 Гц, то максимальный срок продления эксплуатации составит (580-320)/12=21 год.
Полученные экспериментальные данные наглядно демонстрируют возможность заключения о сроках работоспособности ПКМ и изделия в целом.
Таким образом, заявляемый способ за счет регистрации с помощью датчика акустической эмиссии формы волны и спектра сигнала, возникающего под действием лазера позволяет качественно и количественно выявлять те или иные изменения в структуре ПКМ, оценку их качества и стабильность и качество технологического процесса изготовления изделий.