СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКОГО ПАРАМЕТРА ОБРАЗЦА ПЛАСТМАССЫ, АРМИРОВАННОЙ УГЛЕРОДНЫМ ВОЛОКНОМ
METHOD OF DETERMINING CHARACTERISTIC PARAMETER OF CARBON FIBRE-REINFORCED PLASTIC SPECIMEN

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу определения, по меньшей мере, одного характеристического параметра образца пластмассы, армированной углеродным волокном, в частности, образца препрега, используемого в авиакосмической промышленности.
Уровень техники
Несмотря на то что данное изобретение может быть применено к образцам любой пластмассы, армированной углеродным волокном, для лучшего понимания сути настоящего изобретения и лежащей в его основе проблемы более подробное объяснение сделано по отношению к образцам однонаправленного препрега.
В настоящее время, особенно в авиакосмической промышленности, во всевозрастающем количестве используются крупные конструктивные компоненты, изготовленные из однонаправленного препрега, что объясняется высокой прочностью и малым весом таких компонентов. Однонаправленный препрег представляет собой полуфабрикат, состоящий из непрерывных волокон и неотвержденной термореактивной полимерной матрицы, в которой непрерывные волокна могут быть сориентированы как в направлении оси х, так и в направлении оси у. Такая ориентация волокон применяется как в однонаправленных материалах, так и в тканых материалах. Качество используемого однонаправленного препрега может быть охарактеризовано, например, такими параметрами, как содержание воздуха, чистота поверхности или распределение смолы. Эти параметры имеют решающее значение для обеспечения надежности, в особенности прочности крупных конструктивных компонентов, изготавливаемых из армированной углеродным волокном пластмассы. В этом смысле чрезвычайно важно обеспечить проверку качества однонаправленного препрега перед запуском его в производство.
Широко применяется методика, известная как тест на поглощение воды, которая позволяет определить степень водонепроницаемости или пропитки однонаправленного препрега. Для этой цели образец однонаправленного препрега взвешивается и затем зажимается между двумя пластинами таким образом, что наружу выступает полоска образца шириной 15 мм. Эта конструкция подвешивается в направлении волокон и на 5 минут погружается в водяную ванну. После снятия пластин образец снова взвешивается. Разница в весе используется в качестве фактического значения степени пропитки. Чем меньше количество поглощенной воды, тем выше степень водонепроницаемости или пропитки.
Обнаруженным недостатком теста на поглощение воды является то, что он не позволяет сделать вывод, например, о распределении смолы в материале однонаправленного препрега или о чистоте поверхности однонаправленного препрега. Тест на поглощение воды лишь предоставляет информацию об эффекте в целом и не позволяет провести различие между отдельными влияющими параметрами или характеристическими параметрами.
Раскрытие изобретения
На фоне таких предпосылок задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предусмотреть усовершенствованный способ определения, по меньшей мере, одного характеристического параметра образца пластмассы, армированной углеродным волокном, в частности, образца препрега, используемого в авиакосмической промышленности.
Согласно изобретению этот результат достигается при помощи способа с признаками пункта 1 формулы изобретения.
Исходя из этого способ определения, по меньшей мере, одного характеристического параметра образца пластмассы, армированной углеродным волокном, в частности, образца препрега, используемого в авиакосмической промышленности, включает в себя следующие этапы: обеспечение образца, воздействие на образец электромагнитным излучением предопределенного спектра, запись взаимодействия между образцом и электромагнитным излучением в пакет данных и определение характеристического параметра исходя из записанного пакета данных.
Вследствие этого преимущество настоящего изобретение над упоминавшимся в начале подходом заключается в том, что способ позволяет определить, по меньшей мере, один характеристический параметр образца. Способ в соответствии с изобретением, следовательно, не предоставляет информацию о полном определяемом эффекте, он позволяет непосредственно определить конкретное свойство образца. Знание таких характеристических параметров позволяет достичь гораздо более надежного результата, например, в отношении прочности компонента, изготавливаемого из пластмассы, армированной углеродным волокном. Более того, производителю материала из пластмассы, армированной углеродным волокном, легче устранить дефекты, так как причину таких дефектов, как, например, чрезмерное содержание воздуха в пластмассе, армированной углеродным волокном, можно легко выявить с помощью способа в соответствии с изобретением.
Зависимые пункты формулы изобретения характеризуют варианты усовершенствования и модернизации настоящего изобретения.
В данной заявке термин «пакет данных» следует понимать также как любое изображение.
Согласно предпочтительному варианту изобретения вступившее во взаимодействие с образцом электромагнитное излучение перед записью в пакет данных проводят через микроскоп. Вследствие этого благодаря микроскопу может быть повышено разрешение пакета данных, что увеличит точность определяемого характеристического параметра.
Согласно дальнейшему предпочтительному варианту осуществления изобретения спектр электромагнитного излучения выбирается в диапазоне видимого света. Это ведет к значительному упрощению способа. В качестве альтернативы, однако, может быть использован любой другой тип излучения, например, ультрафиолетовое излучение или рентгеновское излучение. Это позволит повысить качество записи характеристик образца, таких, например, как содержание воздуха, и/или содержание смолы, или повысит дифференцируемость характеристик.
Согласно дальнейшему предпочтительному варианту усовершенствования изобретения пакет данных записывается с помощью видеокамеры на приборе с зарядовой связью (CCD), после чего записанные данные сохраняют в запоминающем устройстве. Это значительно облегчает запись данных и передачу пакета данных в аналитическое устройство, подключенное после запоминающего устройства и осуществляющее анализ пакета данных.
Согласно дальнейшему предпочтительному варианту осуществления изобретения в пакет данных записывают «привязанные» к различным участкам поверхности интенсивности излучения, взаимодействующего с этими участками поверхности. Образец имеет один или более участков поверхности, которые отличаются способом формирования, то есть, например, содержанием воздуха на определенном участке поверхности или качеством поверхности, таким образом, что излучение, воздействующее на образец, отражается от его участков с различной интенсивностью. Принимая во внимание различную интенсивность отражения, можно определить, по меньшей мере, один характеристический параметр образца.
В качестве альтернативы, по меньшей мере, один характеристический параметр можно определить, подвергая анализу длину волны излучения, взаимодействующего с образцом.
Согласно дальнейшему предпочтительному варианту изобретения характеристический параметр описывает содержание воздуха в образце, содержание смолы в образце, качество поверхности образца, глубину отклонения граничного слоя в образце, распределение воздуха в образце и/или распределение смолы в образце. Упомянутые здесь свойства имеют большое значение для обеспечения надежности, в частности, прочности, изготавливаемого конструктивного компонента, относящегося к образцу.
Предпочтительно, чтобы «привязанные» интенсивности, совпадающие с предопределенным диапазоном интенсивности, складывались вместе для определения содержания воздуха и/или содержания смолы в образце. Это позволит без труда определить содержание воздуха на единице площади поверхности исследуемого образца. Исходя из содержания воздуха или содержания смолы на единице площади можно легко определить содержание в образце воздуха по объему и/или по весу, или содержание смолы по объему и/или по весу.
Согласно дальнейшему предпочтительному варианту осуществления изобретения для определения распределения смолы и/или распределения воздуха в образце анализируется равномерность распределения «привязанных» интенсивностей, совпадающих с предопределенным диапазоном интенсивности, по отношению к различным участкам поверхности. Для этой цели поверхность исследуемого образца разделяется, например, по количеству различных участков поверхности, и для соответствующих участков поверхности определяется содержание смолы и/или содержание воздуха. После этого рассчитывается разброс значений содержания смолы и/или содержания воздуха, что позволяет определить равномерность/неравномерность распределения смолы и/или воздуха.
Согласно дальнейшему предпочтительному варианту усовершенствования изобретения проводится сравнение записанного пакета данных с одним или несколькими эталонными пакетами данных, при этом характеристический параметр приравнивается к предопределенному значению в зависимости от эталонного пакета данных, который в основном соответствует записанному пакету данных. Эта операция обеспечивает очень простой способ распределения по категориям записанных пакетов данных. Например, характеристическому параметру, «привязанному» к записанному пакету данных, можно присвоить значения 1, 2 или 3, где 1 соответствует неприемлемому качеству поверхности, 2 соответствует приемлемому качеству поверхности и 3 соответствует хорошему качеству поверхности.
Эталонные пакеты данных предпочтительно используются в качестве критерия содержания воздуха в образце, содержания смолы в образце, качества поверхности образца, распределения смолы и/или распределения воздуха в образце, и/или глубины отклонения граничного слоя в образце. Эталонные пакеты данных, которые, например, соответствуют содержанию воздуха, равному 1%, 5% или 7%, могут сравниваться с записанным пакетом данных, тогда характеристическому параметру присваиваются значения 1, 5 или 7.
В дальнейшем варианте осуществления изобретения, по меньшей мере, один характеристический параметр особым образом взвешивается в соответствии с используемой шкалой. Например, такие вероятные характеристические параметры образца, как содержание смолы и качество поверхности, имеют более или менее сильное влияние на качество исследуемого образца. Взвешивание является простым средством принять во внимание этот факт.
Предпочтительно определяют несколько характеристических параметров, которые взвешивают и складывают вместе, и полученная сумма используется в качестве критерия качества образца. Определяемое таким образом качество может быть очень информативным по отношению к вероятной прочности материала, относящегося к образцу.
Согласно дальнейшему предпочтительному варианту изобретения образец берется из того же фрагмента материала, что и другие образцы, подвергаемые испытанию на поглощение воды, и по меньшей мере один характеристический параметр присваивается результату испытания на поглощение воды. Это позволяет сопоставить результаты, полученные способом в соответствии с изобретением, с результатами, полученными при проведении испытаний на поглощение воды.
Согласно дальнейшему предпочтительному варианту изобретения поперечное сечение образца подвергается воздействию электромагнитного излучения. Поперечное сечение раскрывает внутреннюю структуру образца. Поперечное сечение предпочтительно проходит в направлении, перпендикулярном направлению волокон. Такое поперечное сечение дает четкую картину участков поверхности между отдельными волокнами, которые сильно влияют на качество изготавливаемого компонента.
В общем случае, все упоминающиеся здесь оценочные операции, такие как, например, определение или сравнение, могут выполняться при помощи аналитического устройства, в частности компьютера.
Краткое описание чертежей
Суть изобретения более подробно объясняется ниже посредством вариантов осуществления со ссылкой на сопроводительные чертежи, где:
Фиг.1 показывает этап способа, на котором берется образец, согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения;
Фиг.2 показывает дальнейший этап способа, на котором образец закрепляется на держателе образца согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения;
Фиг.3A показывает еще один этап способа, на котором определяется, по меньшей мере, один характеристический параметр образца, согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения;
Фиг.3B показывает еще один этап способа, на котором определяется характеристический параметр согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения;
Фиг.4 показывает два эталонных пакета данных, которые описывают распределение воздуха и/или содержание воздуха в эталонном образце согласно примерному варианту осуществления изобретения;
Фиг.5 показывает два дополнительных эталонных пакета данных, которые описывают распределение смолы и/или содержание смолы в эталонном образце согласно примерному варианту осуществления изобретения;
Фиг.6 показывает еще два дополнительных эталонных пакета данных, которые описывают качество поверхности эталонного образца согласно примерному варианту осуществления изобретения;
Фиг.7 показывает еще два дополнительных эталонных пакета данных, которые описывают глубину отклонения граничного слоя в образце согласно примерному варианту осуществления изобретения.
Если не указано иначе, одинаковые или функционально одинаковые элементы на всех фигурах снабжены одинаковыми номерами позиций.
Осуществление изобретения
На Фиг.1 в качестве примера показан первый этап способа, на котором берется образец согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения. На первом этапе способа подготавливается листовой фрагмент 1 материала, представляющего собой однонаправленный препрег. Волокна в фрагменте 1 материала направлены предпочтительно в направлении, обозначенном цифрой 2. Из фрагмента 1 материала берутся несколько образцов.
Образцы 3-8 вырезаются из фрагмента 1 материала с помощью соответствующих шаблонов. Предпочтительно, чтобы образцы 3, 4 имели приблизительно прямоугольную форму, и их длинная сторона проходила поперек направления волокон 2. В противоположность этому длинная сторона приблизительно прямоугольных образцов 5-8 проходит в направлении волокон.
Как показано на Фиг.2, образец 3 закрепляется на держателе 10 образца. В этом случае волокна на боковой стороне 11 образца 3 проходят в направлении оси Z, то есть перпендикулярно боковой стороне 11. Держатель 10 образца выполнен в виде уголка, и закрепленный образец 3 всей плоскостью прилегает к одной полке 12 уголка.
Затем согласно примерному варианту осуществления изобретения держатель 10 образца с образцом 3 устанавливается на передвижном столе 13, как показано на Фиг.3A. При помощи устройства 16 управления, которое предназначено для приведения в действие передвижного стола 13 в плоскости xy, образец устанавливается под приспособлением, включающим в себя кольцевой светильник 14, микроскоп 15 и камеру 17 на приборе с зарядовой связью (CCD). Установка образца в заданное положение осуществляется предпочтительно автоматически.
Источник 21 холодного света подает на кольцевой светильник 14 излучение, например белый свет. Излучение, создаваемое кольцевым светильником 14, падает на боковую сторону 11 образца 3 и отражается, попадая в микроскоп 15, где записывается камерой 17 CCD, подключенной к микроскопу. В зависимости от записываемого излучения камера CCD создает электронный пакет 20 данных, который с помощью кабеля 18 передается в вычислительный блок 19. Полученный пакет 20 данных сохраняется в запоминающем устройстве и впоследствии анализируется с помощью аналитического устройства вычислительного блока 19.
На Фиг.3B в качестве примера показан пакет 20 данных. Та часть данных в пакете 20 данных, которая относится к боковой стороне 11, принимает форму сетки 22. Таким образом, сетка 22 задает координаты 01, 02,…0N данных, «привязанных» к участкам поверхности одинакового размера на боковой стороне 11. Интенсивности I1, I2, …IN света, отражаемые участками поверхности и записываемые камерой CCD, сохраняются для каждой координаты 01, 02, …0N данных. После этого записанный пакет 20 данных может быть представлен, например, в виде градации серого, от белого до черного.
Для того чтобы, например, определить содержание воздуха в боковой стороне 11, «привязанные» интенсивности, совпадающие с предопределенным диапазоном интенсивности, складывают вместе. В качестве альтернативы, или в качестве дополнения, можно предусмотреть подсчет координат 01, 02, …0N данных, для которых «привязанные» интенсивности совпадают. Для определения границ предопределенного диапазона интенсивности, например, такой серой области, которая соответствует наличию воздуха на боковой стороне 11, предварительно может быть проведена калибровка с использованием эталонного образца.
Поскольку к содержанию смолы могут быть «привязаны» другие интенсивности I1, I2, …IN излучения, содержание смолы можно без труда отличить от содержания воздуха. При определении содержания смолы, в отличие от определения содержания воздуха, используется лишь другой предопределенный диапазон интенсивности.
Для того чтобы определить распределение смолы и/или распределение воздуха в образце, задают, например, диапазоны B1, B2, …BN, которые соответственно имеют равное число координат данных. Содержание смолы и/или содержание воздуха в соответствующем диапазоне B1, B2, …BN определяется описанным выше способом. Отклонение содержания воздуха по отношению к диапазонам B1, B2, …BN соответствует однородности/неоднородности распределения смолы и/воздуха в образце.
В качестве альтернативы может быть проведено сравнение записанного пакета 20 данных с эталонными пакетами данных, как показано на Фиг.4-7.
На Фиг.4 в качестве примера показаны эталонные пакеты данных, а именно изображения 41, 42, 43 эталонных образцов с чрезмерным, примерно 16%, содержанием воздуха. Допустимое содержание воздуха составляет примерно 6%, а предпочтительное содержание воздуха составляет примерно 1%. Записанный пакет 20 данных сравнивается с эталонными пакетами 41, 42 и 43 данных. Это осуществляется с помощью сравнивающего устройства в составе вычислительного блока 19. В зависимости от того, с каким из эталонных пакетов 41, 42 и 43 данных лучше всего согласуется записанный пакет 20 данных, характеристическому параметру, описывающему содержание воздуха в образце, присваивается, например, значение 1, 2 или 3 соответственно.
На Фиг.5 в качестве примера показаны дополнительные эталонные пакеты 54, 55 данных. Эталонный пакет 54 данных соответствует высокой неравномерности распределения смолы в эталонном образце, а эталонный пакет 55 данных соответствует допустимой равномерности распределения смолы в эталонном образце. Аналогично тому, как показано на Фиг.4, характеристическому параметру, описывающему распределение смолы в образце, присваивается численное значение.
На Фиг.6 в качестве примера показаны три дополнительных эталонных пакета 61, 62, 63 данных, описывающих характеристический параметр для качества поверхности. Эталонные пакеты 61, 62, 63 описывают соответственно недопустимое качество поверхности, допустимое качество поверхности и предпочтительное качество поверхности эталонного образца. В данном случае определение характеристического параметра для качества поверхности выполняется аналогично способу, описанному применительно к Фиг.4.
На Фиг.7 в качестве примера показаны эталонные пакеты 71, 72 данных, где эталонный пакет 71 данных соответствует образцу с недопустимым отклонением граничного слоя, а эталонный пакет 72 данных соответствует образцу с допустимым отклонением граничного слоя. Отклонение граничного слоя обычно возникает на этапе изготовления препрегов. Характеристический параметр, который описывает глубину Т отклонения граничного слоя, определяется способом, аналогичным тому, который описан для Фиг.4.
После этого соответствующие характеристические параметры могут взвешиваться различным образом исходя из их важности для качества образца, например, качества, относящегося к прочности изготавливаемого компонента. Затем взвешенные характеристические параметры складывают вместе, и их сумма используется в качестве критерия качества образца. Само собой разумеется, что для определения величины, характеризующей качество образца, применима любая другая, по возможности более информативная, математическая операция. Величина, определенная для качества, может использоваться в качестве предпосылки для принятия решения, например, о возврате препрега производителю или об использовании препрега для изготовления менее ответственных компонентов.
Образцы 5, 6, 7, 8 могут быть испытаны с применением теста на поглощение воды, и результатам этого испытания ставится в соответствие определенная величина, характеризующая качество образцов 3 и 4 - например, степень пропитки 5, которая была определена в соответствии с тестом на поглощение воды, соответствует качеству в диапазоне от 20 до 30, которое было определено способом согласно изобретению. В результате становится возможным обеспечить определенную сопоставимость между различными методиками испытаний, даже несмотря на то, что способ, соответствующий изобретению, является значительно более точным.
Изобретение не ограничивается представленным на фигурах конкретным способом определения, по меньшей мере, одного характеристического параметра образца пластмассы, армированной углеродным волокном, в частности, образца препрега, используемого в авиакосмической промышленности.
Последовательность отдельных этапов способа, соответствующего изобретению, может быть изменена различным образом. Кроме того, может быть видоизменена форма, которую принимают отдельные этапы способа.
Например, образец может быть закреплен так, что его боковые стороны будут проходить под углом к направлению волокон, которые подвергаются анализу способом, соответствующим изобретению.
По сравнению с ручным вариантом предпочтительной является полная автоматизация способа, соответствующего изобретению, то есть, например, автоматизация процесса установки образца в заданное положение под камерой CCD, или же процесса взятия образцов.
Само собой разумеется, что изобретение может быть также применено к образцам пластмассы, армированной углеродным волокном, в которых волокна проходят в разных направлениях.
Более того, при помощи способа, соответствующего изобретению, возможен также анализ образцов различных материалов, в частности, материалов, армированных волокном, таких как GLARE.
Список обозначений
1
фрагмент материала
2
направление волокон
3
образец
4
образец
5
образец
6
образец
7
образец
8
образец
10
держатель образца
11
боковая сторона
12
полка уголка
13
передвижной стол
14
кольцевой светильник
15
микроскоп
16
устройство управления
17
камера на приборе с зарядовой связью (CCD)
18
кабель
19
вычислительный блок
20
пакет данных
21
источник холодного света
22
сетка
41…72
эталонные пакеты данных
Т
глубина отклонения граничного слоя
01, 02, …0N
координаты данных
I1, I2, …IN
интенсивности
B1, B2, …BN
диапазоны