ДАТЧИК ДЛЯ КОНТРОЛЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЛИМЕРНОГО МАТЕРИАЛА
TRANSMITTER TO MONITOR DIELECTRIC PROPERTIES OF POLYMER MATERIAL

Изобретение относится к области неразрушающего контроля полимерных материалов с помощью электрических полей широкого частотного диапазона и может быть использовано для контроля и измерений физико-химических процессов полимеризации, структурирования, степени отверждения связующих, используемых для пропитки сухого, например, стеклянного или угольного наполнителя (преформы), или имеющихся в составе препрегов, при термическом отверждении связующих по тангенсу угла диэлектрических потерь, сопротивлению и емкости в зависимости от влияющего фактора, например, температуры, скорости нагрева, времени выдержки, концентрации компонентов и т.п. при производстве изделий из полимерных композиционных материалов (ПКМ) для авиакосмической техники. Кроме того, оно может найти применение при исследовании и разработке новых ПКМ на основе стеклянных и угольных наполнителей.
Известен диэлектрический датчик для мониторинга характеристик среды (патент US №4710550, оп. 1987), который содержит два химически устойчивых гребенчатых электрода, помещенных в переплетающе-гребенчатой конфигурации на особых непроводящих подложках. Каждый электрод имеет проводящие дорожки, находящиеся на одинаковом расстоянии друг от друга. Электроды могут быть изготовлены из меди или золота, платины, хрома, титана, вольфрама, палладия или их сплавов. Электроды прикреплены к подложкам вакуумным напылением и/или связующим. Для получения качественного сигнала необходимо как минимум 33 штырька на дюйм, а общее их количество должно быть в пределах от 100 до 200 штук.
Недостатками данного устройства являются:
- невозможность его использования для мониторинга среды при производстве изделий из ПКМ на основе угольных наполнителей, т.к. угольный наполнитель не является диэлектриком и возможное попадание его в рабочую зону датчика вызовет сбой в работе системы в целом.
- большие габариты датчика, обусловленные тем, что для получения качественного сигнала необходимо как минимум 33 штырька на дюйм, а общее их количество должно быть в пределах от 100 до 200 штук, что обуславливает большие геометрические размеры датчика.
- сложность изготовления датчика, связанная с тем, что технология его производства требует наличия сложного оборудования.
Наиболее близким к предлагаемому датчику является устройство для мониторинга диэлектрических изменений в полимерных материалах (патент US №4777431, оп. 1988) - прототип. Известное устройство состоит из полого прямоугольного корпуса, выполненного из полиимидного материала, с рабочей зоной в виде полости в его центральной части, внутри корпуса имеется полость, в которой помещены верхний и нижний электроды плоской формы, выполненные из листового проводящего материала и расположенные на расстоянии один под другим параллельно друг другу, к одному из торцов каждого электрода припаян монтажный провод, причем оба монтажных провода выведены в одну сторону, а между электродами помещена прокладка, выполненная из пористого инертного материала. Прокладку предпочтительно изготавливать из стекла, кварца или керамики. Сверху по всему раскрытию полости корпуса расположена выборочно-проницаемая крышка, которая обеспечивает попадание исследуемого материала - неотвержденной смолы в полость под крышкой, исключая попадание наполнителя, который может отрицательно повлиять на измерения диэлектрических свойств исследуемого материала.
Недостатками данной конструкции являются:
- большая толщина датчика, что не позволяет использовать его при производстве тонкостенных изделий из ПКМ и изделий из ПКМ, в которых в качестве наполнителя используются преформы;
- трудоемкость изготовления данного датчика, что в свою очередь ведет к его высокой себестоимости.
Задачей изобретения является расширение области использования датчика, удешевление и упрощение его конструкции.
2
Задача решается тем, что датчик для контроля диэлектрических свойств полимерного материала содержит выполненный из полимерного материала корпус прямоугольной формы с рабочей зоной, внутри корпуса имеется полость, в которой помещены верхний и нижний электроды плоской формы, выполненные из листового проводящего материала и расположенные на расстоянии один под другим параллельно друг другу, к одному из торцов каждого электрода припаян монтажный провод, причем оба монтажных провода выведены в одну сторону, а между электродами помещена прокладка, выполненная из пористого инертного материала, согласно предлагаемому изобретению, корпус датчика выполнен из полиимидного или эпоксидного связующего, армированного стеклотканью, и состоит из склеенных между собой вне рабочей зоны двух одинаковых частей, в каждой из которых запрессован электрод, каждый из электродов выполнен из меди или алогичного материала в виде пластины Г-образной формы, оба электрода имеют одинаковые размеры и являются зеркальным отображением друг друга, при этом электроды расположены в корпусе так, что их Г-образный выступ находится один над другим, а удлиненные части расположены параллельно друг другу, прокладка, помещенная между электродами, выполнена из фильтровальной ткани с плотностью 80-160 г/м и содержит расположенную между Г-образными выступами электродов рабочую зону и расположенную между удлиненными частями электродов нерабочую зону, в которой фильтровальная ткань пропитана клеем, использованным для склеивания одинаковых частей корпуса, при этом фильтровальная ткань выступает за пределы передней и задней частей корпуса датчика на 5-10 мм, а толщина датчика может составлять 1,2-2,0 мм.
В предлагаемой конструкции прокладка обеспечивает поступление исследуемого материала (связующего) через ее рабочую зону внутрь датчика. Уменьшение рабочей зоны прокладки сокращает площадь ее взаимодействия с исследуемым материалом, что снижает вероятность попадания частиц наполнителя при производстве изделий из ПКМ в рабочую зону датчика и тем самым позволяет исключить отрицательное влияние частиц наполнителя на измерение диэлектрических свойств исследуемого материала. Предлагаемое выполнение прокладки и электродов и их расположение относительно друг друга позволяет сделать датчик максимально тонким, а также возможность изготовления датчика небольшой толщины (1,2-2,0 мм), что расширяет область его использования. Выполнение электродов в виде тонких пластин из меди или аналогичного материала предлагаемой формы и их расположение в полости корпуса предлагаемым образом существенно упрощает конструкцию датчика и позволяет использовать для изготовления датчика ряд материалов, непосредственно используемых в производстве изделий из ПКМ, что снижает себестоимость изготовления датчика. Упрощение конструкции датчика позволяет снизить трудоемкость изготовления и себестоимости датчика.
На фиг.1 изображена схема датчика, вид спереди (сечение).
На фиг.2 изображено сечение А-А фиг.1.
На фиг.3 изображен электрод Г-образной формы.
Датчик содержит корпус 1, выполненный из двух одинаковых частей прямоугольной формы, склеенных между собой. Два электрода 2 в виде пластин Г-образной формы расположены в полости корпуса 1 таким образом, что в каждой части корпуса имеется один электрод 2 с монтажным проводом 3, припаянным к нему. Каждый электрод 2 запрессован внутри соответствующей ему части корпуса 1. Между электродами 2 расположена прокладка, выступающая на 5-10 мм за пределы передней и задней частей корпуса и имеющая рабочую зону 4 и нерабочую зону 5. Рабочая зона 4 прокладки расположена между Г-образными выступами электродов, нерабочая зона 5 прокладки, расположенная между удлиненными частями электродов 2. Обе части корпуса 1 склеены между собой в нерабочей зоне 5 прокладки.
Датчик работает следующим образом.
При изготовлении изделий из ПКМ во время выкладки заготовки изделия датчик вставляется в контролируемый участок между слоями препрега или сухого наполнителя (преформы). Электропровода 3 датчика подсоединяются к микрокомпьютеру для измерения диэлектрических параметров.
Затем проводится процесс:
в случае использования препрега - процесс формования изделия;
в случае использования сухого наполнителя (преформы) - процесс пропитки наполнителя (преформы) и термостатирования изделия.
Формование: при нагреве заготовки изделия полимерное связующее, имеющееся в препреге, снижает свою вязкость и начинает течь. Попав в рабочую зону 4 прокладки, полимерное связующее с ее помощью (пропитывая ее) поступает в полость датчика 1 между электродами 2. Датчик 1, представляющий собой плоский конденсатор, выступает в роли диэлектрика и меняет свои исходные диэлектрические параметры: емкость (С), сопротивление (R) и тангенс угла диэлектрических потерь (tgδ) по мере отверждения поступающего в него полимерного связующего, что позволяет судить о степени полимеризации связующего в изделии.
Пропитка: в процессе осуществления пропитки сухого наполнителя (преформы) полимерным связующим, которое, попав в рабочую зону 4 прокладки, поступает в полость датчика 1 между электродами 2. Датчик 1, представляющий собой плоский конденсатор, выступает в роли диэлектрика и меняет свои исходные диэлектрические параметры: емкость (С), сопротивление (R) и тангенс угла диэлектрических потерь (tgδ) по мере отверждения полимерного связующего в процессе термостатирования, что позволяет судить о степени полимеризации связующего в изделии. Изменение исходных диэлектрических параметров датчика 1 снимается микрокомпьютером в момент прохождения полимерным связующим участков, на которых эти датчики установлены. Аналоговый сигнал с датчика поступает на микрокомпьютер, запрограммированный так, чтобы отбрасывать случайные электрические сигналы и ненадежные данные, например, из кратковременных пакетных шумов.
Предлагаемый датчик позволяет обеспечить контроль степени полимеризации связующего во время процесса его отверждения, а также определить начало пропитки наполнителя полимерным связующим.
Также при изготовлении из ПКМ изделий, применяющихся в качестве полуфабрикатов, в которых использован препрег или, например, преформы из стекловолокна или углеволокна, датчик позволяет осуществлять контроль процессов их формования.