Защитные покрытия различного назначения места установки датчиков на поверхности конструкции

Полезная модель относится к области защитных покрытий мест установки датчиков, таких, как тензорезисторы или волоконно-оптические датчики (ВОД) деформации/температуры и/или волоконно-оптические датчики акустической эмиссии при создании сетей первичных преобразователей ВОД и может быть использована при создании систем, предназначенных для встроенного контроля текущего напряженно-деформированного и технического состояния, а также ресурса авиационных конструкций и других объектов из полимерных композиционных материалов (ПКМ), для чего необходимо отслеживать текущее состояние с помощью встроенных ВОД деформации и и/или акустической эмиссии. В качестве волоконно-оптических датчиков могут использоваться волоконные брэгговские решетки (ВБР) или массивы ВБР, датчики на основе интерферометров Фабри-Перо, Майкельсона, Саньяка, Маха-Цендера и др. Конструктив интерферометров может быть, как внутриволоконный с использованием в качестве внутриволоконных зеркал ВБР или металлических пленок, напыленных на торцах волокон, так и с применением капилляров внутри которых соосно располагаются оптические волокна на расстоянии друг от друга, формирующие резонатор на торцах волокон.
Известны методы защиты мест установки датчиков на поверхности конструкций с помощью защитных кожухов из металла или пластмассы (патент Китая №CN104743135). Изобретение описывает метод защиты датчика деформаций. Для защиты датчика деформации, на место приклейки датчика устанавливается защитный кожух. Корпус защитного кожуха фиксируется с помощью клейкой ленты, затем одна сторона клейкой ленты вскрывается, на края кожуха наносится клей, и защитных кожух приклеивается на поверхность исследуемого объекта. Наконец, внутренняя часть защитного кожуха покрывается с помощью защитного средства, клейкая лента удаляется. Благодаря такому методу, датчик деформации, приклеенный к поверхности конструкции, защищен от таких факторов, как механические повреждения, намокание, затекание маслом.
Недостатком данного метода является значительное увеличение габаритов конструкции на высоту кожуха и невозможность установки защитного кожуха на конструкции с криволинейной поверхностью.
Известен метод защиты места установки датчиков с помощью нанесения антикоррозионных покрытий для водостойких датчиков деформации (патент Китая №CN101497071). Защита места установки датчика заключается в нанесении внутреннего и внешнего антикоррозионного слоев на поверхность наклеенного чувствительного элемента тензорезистора. Внутренним антикоррозионным покрытием является полисульфидный герметик, внешнее покрытие - лакокрасочное покрытие. Основным достоинством способа является возможность проводить прямые измерения деформаций исследуемого объекта в водной среде.
Недостатком данного метода является недостаточная защита места установки датчика от механических повреждений.
Наиболее близким по технической сущности, назначению и принятым за прототип является метод защиты места установки тензорезисторного датчика деформации с помощью защитной структуры, состоящей из клейкой ленты, абсорбирующей хлопчатобумажной ткани, медицинской прочной ткани и слоя герметика (патент Китая №CN202057291). На одну поверхность отреза абсорбирующей хлопчатобумажной ткани наклеивается клейкая лента, на другую - медицинская ткань. Поверхность медицинской ткани покрывается слоем герметика. Площадь клейкой ленты равна площади абсорбирующего хлопчатобумажного слоя, площадь медицинской ткани немного больше площади абсорбирующего хлопчатобумажного слоя. Полученная структура приклеивается на место установки датчика поверхностью с клейкой лентой. Основным достоинством способа является простота крепления защитной структуры на месте установки датчика.
Недостатком данного метода является низкая водостойкость и низкая надежность при воздействии технических жидкостей.
Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка модели защитного покрытия места установки волоконно-оптического датчика, позволяющего осуществить отслеживание текущих значений деформации, а также регистрировать акустические импульсы различной природы, включая эмиссионные, и являющегося чувствительной частью при создании системы раннего обнаружения повреждений критических элементов конструкций перспективной авиационной техники, при поверхностном монтаже.
Защитное покрытие должно обеспечивать надежную защиту ВОД вплоть до разрушения композитного материала конструкции (при относительной деформации не менее 0,8%) от механических повреждений, влияния влаги и технических жидкостей.
Защитное покрытие должно наноситься как на область непосредственного расположения чувствительного элемента датчика, так и на прилегающую зону выводов датчика, не менее, чем по 10 мм с каждой стороны.
Для решения поставленной задачи по повышению механической стойкости ВОД при поверхностном монтаже предложена модель защитного покрытия с применением ПКМ, совместимых с полимерной матрицей исследуемой конструкции.
Защитное покрытие предлагается в трех вариантах в зависимости от условий эксплуатации и/или испытаний исследуемой конструкции.
При необходимости проведения механических испытаний крупногабаритных конструкций из ПКМ с применением ВОД с поверхностным монтажом для измерения деформаций в рабочей зоне конструкции наиболее целесообразно использовать следующую модель покрытия: ВОД приклеивается на поверхность конструкции на эпоксидный клей (связующее холодного отверждения), отверждающийся при комнатной температуре. При этом оптическое волокно с чувствительным элементом, например, ВБР, полностью покрыто клеевым составом, обеспечивающим необходимое адгезионное взаимодействие с поверхностью конструкции. Для надежной фиксации ВОД на поверхности конструкции и дополнительного защитного армирования используется слой стеклоткани, пропитанной тем же клеевым составом, наносимый по всей площади клеевого соединения. Толщина защитного покрытия ВОД составляет от 0,1 до 0,2 мм.
На фигуре 1 представлена модель первого варианта защитного покрытия места установки ВОД на основе ВБР (в случае другого типа ВОД модель не меняется), где:
1 - Деталь из ПКМ;
2 - Слой двухкомпонентного эпоксидного связующего холодного отверждения;
3 - Оптическое волокно;
4 - Волоконно-оптический датчик;
5 - Отрез стеклоткани, пропитанной связующим 2.
На локальную область места предполагаемой установки датчика на конструкцию из ПКМ 1 наносится тонкий слой двухкомпонентного эпоксидного связующего холодного отверждения 2, после чего оптическое волокно 3, содержащее ВОД деформации и/или температуры, и/или АЭ 4 размещается на поверхности в выбранной локальной зоне контроля в соответствии с программой испытаний и/или конструкторской документацией на изделие, после чего с помощью отреза стеклоткани 5, пропитанной тем же связующим 2, осуществляется окончательная фиксация ВОД 4, и, после окончательного отверждения полимерной композиции, формируется защитное покрытие места установки датчика, толщиной не более 0,2 мм.
Тип стеклоткани и компоненты для клеевого соединения выбираются из условия максимальной химической, механической и структурной совместимости с материалом контролируемой конструкции из ПКМ.
При необходимости размещения квази-распределенной сети ВОД на поверхности готовой конструкции из ПКМ с целью создания системы встроенного контроля наиболее целесообразно использовать следующую модель покрытия: массив ВОД приклеивается на поверхность конструкции на эпоксидный клей (связующее холодного отверждения), отверждающийся при комнатной температуре. При этом все чувствительные элементы сети, например, ВБР, полностью покрыты клеевым составом, обеспечивающим необходимое адгезионное взаимодействие с поверхностью конструкции. Для надежной фиксации ВОД на поверхности конструкции и дополнительного защитного армирования используется слой стеклоткани, пропитанной тем же клеевым составом, наносимый по всей площади контролируемой конструкции. Толщина защитного покрытия ВОД составляет от 0,1 до 0,2 мм.
На фигуре 2 представлена модель второго варианта защитного покрытия места установки ВОД на основе ВБР (в случае другого типа ВОД модель не меняется), где:
1 - Деталь из ПКМ;
2 - Слой двухкомпонентного эпоксидного связующего холодного отверждения;
3 - Оптическое волокно;
4 - Волоконно-оптические датчики;
5 - Отрез стеклоткани, пропитанной связующим 2.
На поверхность контролируемой конструкции из ПКМ 1 наносится тонкий слой двухкомпонентного эпоксидного связующего холодного отверждения 2, после чего оптические волокна 3, содержащие ВОД деформации и/или температуры, и/или АЭ 4 размещаются на поверхности в соответствии с программой испытаний и/или конструкторской документацией на изделие, после чего с помощью слоя стеклоткани 5, пропитанной тем же связующим 2, осуществляется окончательная фиксация сети ВОД 4 по всей поверхности контролируемой конструкции, и, после окончательного отверждения полимерной композиции, формируется защитное покрытие места установки датчика, толщиной не более 0,2 мм.
Тип стеклоткани и компоненты для клеевого соединения выбираются из условия максимальной химической, механической и структурной совместимости с материалом контролируемой конструкции из ПКМ.
При необходимости размещения квази-распределенной сети ВОД на поверхности конструкции из ПКМ на этапе сборки пакета с целью создания системы встроенного контроля наиболее целесообразно использовать следующую модель покрытия: массив ВОД в соответствии с выбранной топологией располагается на поверхностном слое заготовки конструкции из препрега за счет технологических свойств препрега (липкости связующего, которым он пропитан). Окончательная фиксация ВОД осуществляется слоем препрега на основе тонкой стеклоткани или стекловуали и эпоксидного связующего. ВОД с покрытием в этом случае формуются совместно с конструкцией по ступенчатому температурному режиму для данного ПКМ.
На фигуре 3 представлена модель третьего варианта защитного покрытия места установки ВОД на основе ВБР (в случае другого типа ВОД модель не меняется), где:
3 - Оптические волокна;
4 - Волоконно-оптические датчики;
6 - Заготовка композитной конструкции из препрега;
7 - Квази-распределенная сеть ВОД;
8 - Слой стеклопрепрега.
На подготовленную заготовку композитной конструкции из препрега 6, собранную для формования изделия, выкладываются оптические волокна 3 квази-распределенной сети ВОД 7, содержащей ВОД деформации и/или температуры, и/или АЭ 4, после чего в соответствии с программой испытаний и/или конструкторской документацией на изделие, с помощью слоя стеклопрепрега 8, осуществляется окончательная фиксация ВОД 4, и, после формования изделия, формируется защитное покрытие места установки датчика, толщиной не более 0,2 мм.
Предлагаемая модель покрытия обеспечивает надежную защиту ВОД от механических повреждений, влияния влаги и технических жидкостей.
Таким образом, предлагаемые варианты защитных покрытий мест установки ВОД на поверхности конструкции из ПКМ являются технологичными, позволяют защитить ВОД, устанавливаемые методом поверхностного монтажа, и обеспечить работоспособность ВОД в необходимом диапазоне нагружения рассматриваемой конструкции, осуществляя встроенный контроль и определяя прочностные и иные характеристики конструкций из ПКМ.
Использование материалов, максимально совместимых с композитным материалом конструкции, где будет производиться установка ВОД позволяют достичь максимальной степени адгезии с конструкцией и, при этом однородности, что приводит к улучшению механической прочности всей конструкции ВОД. Использование материалов на основе стеклоткани, пропитанных соответствующим связующим, позволяет обеспечить надежную защиту от влаги и иных воздействий внешней среды. Таким образом, заявленное решение обеспечивает, в сравнении с прототипом, большую защиту от воздействий внешней среды и механическую прочность без усложнения (в сравнении с прототипом) процедуры монтажа и без увеличения размеров места установки ВОД.