Способ обнаружения ударных повреждений конструкции
METHOD FOR DETECTING IMPACT DAMAGE TO A STRUCTURE

Изобретение относится к области неразрушающего контроля (НК) и может быть использовано в диагностике состояния конструкций, в том числе, по обнаружению малозаметных повреждений на конструкциях, изготовленных с применением полимерных композиционных материалов (ПКМ), испытывающих динамические нагрузки, с целью получения полной и достоверной информации об их состоянии, требующих особых мер контроля и обеспечения безопасности, например, воздушные суда, другие летательные аппараты и транспортные конструкции.
Обеспечение безопасности полетов воздушных судов (ВС) и защита авиационных конструкций от катастроф является важнейшей государственной задачей.
Как известно, для предотвращения различных видов неисправностей, обеспечения целостности конструкции планера ВС, а также для продления срока службы самолета выполняется комплекс необходимых мероприятий на основе оценки его технического состояния, которые включают сбор, систематизацию и анализ сведений обо всех неисправностях, отказах, повреждениях и дефектах, выявленных в процессе их эксплуатации.
Повреждения ударного характера (внезапные повреждения) могут появиться в авиаконструкциях на любом этапе их эксплуатации, включая транспортировку, аэродромную стоянку, регламентное обслуживание, и они обусловлены либо ошибками персонала, занятого в техническом обслуживании и ремонте (ТОиР) и обслуживании ВС на перроне (удары при съеме или установке элементов конструкций, оброненным инструментом, багажом и т.д.), либо ударами посторонних объектов (град, камни, кусочки бетона, вылетающие из-под колес шасси при взлете-посадке, а также столкновениями с птицами в полете).
На основе анализа большого количества случаев эксплуатационных ударных повреждений планеров ВС было сделано заключение: самый распространенный случай - это вмятина на корпусе, имеющая условный диаметр до 50 мм и глубину до 2 мм, которая возникла по неизвестной для персонала, обслуживающего авиационную технику, причине (А.Е. Ушаков, СВ. Дубинский, А.А. Селихов, Ал.А. Сафонов, М.Р. Таланов, В.Я. Сеник, И.Г. Хлебникова, И.В. Сергеичев, Ф.К. Антонов, А.Ю. Шаенко, Е.А. Матвеев. Разработка проектов НД для материалов и конструкций из ПКМ по условиям прочности, долговечности, эксплуатационной живучести и аэроупругости. Альбом ударов для композитного крыла коммерческого самолета транспортной категории. 2-я редакция, выпуск №1. Жуковский: ФГУП «ЦАГИ». - 2013. - Инв. №86-80. - С. 9-14.).
Для металлических конструкций проблема малоразмерных случайных эксплуатационных механических повреждений с практической точки зрения не представляет интереса. Однако для авиационных конструкций, изготовленных из ПКМ, такие повреждения могут представлять серьезную опасность. В отличие от металлов, которые поглощают энергию удара пластическим деформированием, практически сохраняя при этом свою прочность, в ПКМ в момент удара при относительно низком уровне энергии происходит хрупкое разрушение матрицы и волокон. Поэтому наиболее распространенным в эксплуатации для авиаконструкций из ПКМ являются малозаметные ударные повреждения в виде вмятин, сколов, сопровождающиеся расслоением и растрескиванием внутренних слоев композита, которые нельзя обнаружить визуально. В этих областях происходит существенное ослабление или исчезновение связей между соседними слоями ПКМ, что приводит к значительному ухудшению прочностных и эксплуатационных характеристик. Величина такой деградации по данным экспериментальных исследований может достигать до 1,5÷4,0 раз (Васильев В.В., Протасов В.Д., Болотин В.В. и др. Композиционные материалы. Справочник. - М.: Машиностроение, 1990. - 512 с.).
В связи с тем, что высоконагруженные агрегаты авиационных конструкций из ПКМ имеют области с трудно обнаруживаемыми, малозаметными или вообще незаметными невооруженному глазу повреждениями, для диагностики состояния ВС и выявления опасных мест конструкции весьма актуальна задача создания способа обнаружения ударных повреждений с помощью ударочувствительных полимерных покрытий.
В настоящее время одним из наиболее распространенных способов диагностики состояния конструкций (способом визуализации и контроля деформации поверхности, ударных нагрузок и повреждений) является способ обнаружения повреждений с помощью полимерных покрытий, содержащих микрокапсулированные красители или механохромные добавки, либо люминофоры.
Технология микрокапсулирования известна и применяется во многих областях промышленности уже многие годы как в России, так и за рубежом, и представляет собой процесс заключения мелких частиц какого-либо вещества, в том числе красителей, в тонкую оболочку из пленкообразующего материала (микрокапсулу).
Известен способ обнаружения мест удара в элементах конструкции из волокнистых ПКМ (№ ЕР 0538580 A1 «Beschichtung zum Auffinden von Druck- oder Stossstellen an Bauteilen», Германия, C09D 5/00, C09D 7/12, G01N 21/88 / K. Drechsler, W. Martin, B. Schuler, Wendel), в котором задача решается путем нанесения смывающегося пленочного лакокрасочного покрытия (ЛКП), содержащего наполненные индикатором микрокапсулы, которые перемешаны с полимерной основой покрытия. Микрокапсулы могут различаться по чувствительности к нагрузкам, при этом в качестве индикаторов использованы отличные друг от друга по цвету красящие вещества. Вследствие этого повреждения на поверхности конструкции, полученные в результате действия отличающихся по силе или энергии ударов, а следовательно, и по тяжести последствий, распознают с помощью различной окраски. Состав покрытия включает три химически активных вещества: 1) инициатор; 2) краситель и 3) ингибитор, ограничивающий реакционную способность красителя. Так как микрокапсулы имеют диаметр примерно 0,1 мм, ЛКП наносят обычными способами окунания или разбрызгивания. Недостатком этого способа является то, что точность диагностирования мест ударных повреждений конструкции существенно зависит от равномерности распределения в покрытии инициатора, красителя и ингибитора, а следовательно, от качества перемешивания в процессе создания полимерной композиции, а также связано с возникновением проблемы коагулирования (слипания) частиц наполнителей между собой. Если не будет равномерного распределения химически активных наполнителей в ЛКП, инициатор не сможет выполнить роль окислителя красителя, а значит, не произойдет изменения цвета покрытия. Кроме того, в данном способе обнаружения ударных повреждений разработанное покрытие используют также для выполнения защитных функций от механических повреждений, таких как, например, царапины, а также от загрязнений, а следовательно, оно не чувствительно к едва заметным ударным повреждениям и поэтому не сможет служить их надежным индикатором.
Известен другой способ диагностирования состояния конструкции (RU №2439518 С1 «Способ диагностирования состояния конструкции», G01M 3/20, G01N 19/08 / Баурова Н.И., Зорин В.А.; Баурова Н.И.), обеспечивающий выявление повреждений, которые авторами называются дефектами, на стадии их возникновения с помощью полимерного покрытия, выступающего в роли датчика. Технический результат изобретения обеспечивается тем, что как минимум на одном участке вероятного возникновения повреждения конструкции формируют датчик, по состоянию которого определяют возникновение и/или развитие этого повреждения. В качестве датчика используют полимерный материал, в который введены микрокапсулы с красящим веществом и который наносят на участок вероятного возникновения повреждения. Наличие и/или развитие повреждения определяют визуально по изменению цвета датчика, при этом толщина слоя, наносимого на участок вероятного повреждения, составляет 0,1÷0,15 мм. При формировании датчика может быть использована широкая гамма полимерных материалов, в том числе эпоксидные и полиуретановые композиции, например эпоксидиановая смола. В качестве отвердителей эпоксидных смол возможно использование алифатических и ароматических аминов, ангидридов, фенольных смол и др. В качестве красящих веществ, как правило, применяют растворимые красители антрахинонового ряда. Материалами для изготовления микрокапсул могут служить производные ацетобутираля целлюлозы.
Для проведения диагностирования состояния конструкции первоначально определяют ее «слабые места», то есть зоны, в которых возникают наибольшие внутренние напряжения в процессе работы и в которых высока вероятность возникновения повреждений. Затем в этих местах конструкции, диагностирование которых необходимо проводить в режиме реального времени, формируют датчики, представляющие собой покрытие на основе полимерного материала - композиции с инкапсулированным наполнителем - красителем. Выход на поверхность материала инкапсулированных красителей позволяет, например, выявить место и момент зарождения трещины.
Недостатками данного способа диагностирования состояния конструкции и обнаружения повреждений являются: 1) зависимость чувствительности покрытия от равномерности распределения инкапсулированного красителя в полимерном материале; 2) необходимость исключения коагулирования частиц красителя между собой в более крупные образования; 3) разработанное покрытие «настроено» на определение лишь некоторых видов повреждений, которые возникают при воздействии силы определенной величины, что связано с толщиной стенок микрокапсул и материалом, из которого они изготовлены.
Существуют альтернативные способы диагностики едва заметных повреждений конструкций, заключающиеся в использовании «умных» механохромных покрытий, реагирующих на внешнее воздействие изменением цвета. Применение явления механохромии - обратимого изменения цвета окрашенного материала при наличии деформационных нагрузок (давление, растяжение, трение), которое наиболее наглядно проявляется в случае окрашенных полимеров, главная цепь которых представляет длинную цепочку сопряженных двойных π-связей, позволяет зарегистрировать изменения физического состояния поверхности.
Известен способ обнаружения повреждений материала (№ US 8236914 В2 «Self-assessing mechanochromic materials», C08F 120/18, G01B 11/16, C08G 63/00, C08G 63/66, C08G 65/00 / Stephanie L. Potisek, Douglas A. Davis, Scott R. White, Nancy R. Sottos, Jeffrey S. Moore) с использованием полимерного материала, содержащего механофор в основной цепи, который вызывает изменение цвета при его нагружении. С использованием покрытия на основе такого полимера обнаруживают повреждения на поверхности конструкции и устраняют их задолго до ее отказа что, в конечном счете, продляет срок службы конструкции. Механофор внедряют в основную цепь полимера и размещают в середине главной цепи. Механофор претерпевает структурные преобразования при нагружении, так как молекулы таких веществ используют механическую деформацию для инициирования химических превращений. Это и является причиной изменения цвета полимерного материала, которое можно увидеть невооруженным глазом. У такого способа обнаружения повреждений есть несколько преимуществ: 1) так как механофор включен в матрицу на молекулярном уровне, он равномерно распределен по всему материалу; 2) не нужно применять никакой дополнительной обработки и постполимеризации, так как механофор не разрушится при эксплуатации конструкции; 3) повреждения могут быть обнаружены визуально без удаления каких-либо слоев или использования дорогого оборудования; 4) энергия, необходимая для изменения цвета, возникает от механического воздействия; 5) полимер практически бесцветен, но после воздействия нагрузки приобретает яркую окраску, и подобное изменение легко зафиксировать визуально.
Механофор выбирают из группы, включающей в себя спиропиран. В последнее время было установлено, что именно спиропираны могут выступать в качестве механофоров в твердых полимерах (Preston A. May, Cassandra М. Kingsbury, Asha-Dee Celestine, Douglas A. Davis, Scott. S. White, Nancy R. Sottos and Jeffery S. Moore. Design and Testing of Mechanochromic Spiropyran-Linked Polymers. Allerton Conference, 2010. Интернет-ресурс: http://www.chemistry.illinois.edu/events/conferences/Allerton_Conference/posters_2010/Preston_May_-_abstract.pdf, 22.09.2016). Когда они ковалентно связаны с полимером достаточной молекулярной массы, можно наблюдать видимое изменение цвета, если полимерный материал подвергается механической деформации. Это связано с раскрытием 6-π электронного кольца спиропирана, инициируемого механохимической трансдукцией макроскопических сил на молекулярном уровне. Как правило, полимер для создания механохромного материала выбирают из группы, включающей полиметакрилат, полиметилметакрилат, полистирол и поливинилхлорид.
Мониторинг повреждений конструкций с применением механохромных ударочувствительных покрытий состоит в следующем:
1) из разработанного материала на поверхности конструкции формируют покрытие,
2) конструкцию эксплуатируют с нанесенным покрытием,
3) покрытие анализируют на наличие видимых изменений цвета.
Известен способ обнаружения повреждений, также связанный с нанесением покрытия на основе механохромной композиции на поверхность конструкции (№ US 20130269445 «Mechanochromic coating composition», AG01B 1116FI / Anu Chopra, Jun Deng, Charles R. Hickenboth, Robin M. Peffer). Композиция содержит полимерную структуру с механофором, имеющую возможность раскрытия кольца химических связей, при этом механофор связан с этой структурой как минимум в двух местах. Способ изготовления механохромного покрытия включает приготовление отверждаемой композиции, содержащей прекурсор и механофор, а также их взаимодействие таким образом, чтобы связи образовались, по крайней мере, в двух местах, в результате чего можно получить полиуретановую структуру с внедренным в нее механофором. Под механофором подразумевают компонент, имеющий кольцевую структуру, которая способна раскрываться и давать видимое изменение цвета при приложении к ней нагрузки. Нагрузка приводит к удлинению или механическому разрушению механофора, который указывает на поврежденные участки, вызывая изменение цвета материала. Это позволяет узнать, когда ремонт конструкции является необходимым и оправданным. В одном из вариантов осуществления этого способа механофором является спирооксазин и/или инденонафтопиран. Введение красителя в полимерную структуру достигают за счет его функционализации инициатором в ходе реакции полимеризации. Иногда механохромный краситель функционализируют гидроксильными группами, по меньшей мере, в двух положениях. Краситель затем реагирует с галогенами ацилгалоида с образованием инициатора полимеризации с переносом атома, который пригоден для введения в полимерную структуру. Примеры подходящих ацилгалоидов: 2-бромпропионил бромид и бромистый 2-бромизобутирил.
Полиуретановая структура в соответствии с этим изобретением включает в себя уретанакрилат, который получается в ходе полимеризации с помощью фотоинициатора, обеспечивая покрытие, имеющее достаточную прочность и адгезию к субстратам. Полимерная структура из уретанакрилата представляет собой жесткий или мягкий полимер в зависимости от типа и количества полиизоцианатных функциональных групп.
Недостатками указанных выше способов определения мест повреждений конструкции с помощью механохромных покрытий являются следующие:
1) необходимость постоянного мониторинга конструкции, так как явление механохромии является обратимым процессом;
2) механохромные свойства полимера проявляются при воздействии силы строго определенной величины, которая зависит от химической природы механофора, содержащегося в полимере;
3) сложно регулировать скорость изменения цвета механохромного полимерного материала; длительность изменения цвета материала может занимать от нескольких минут до нескольких часов в зависимости от условий эксплуатации покрытия;
4) для проявления механохромии полимерами часто требуется комбинированное действие механических импульсов, нагрева и изменения рН среды.
1
1
Известен способ диагностирования состояния конструкции, основанный на создании датчика с чувствительным к повреждениям покрытием (RU №2395786 С1 «Способ диагностирования состояния конструкции», G01B 7/16 / Баурова Н.И., Зорин В.А.; Баурова Н.И.). Согласно этому способу определяют, как минимум, один локальный участок вероятного возникновения повреждения, который авторами называется дефектом, устанавливают на данном участке конструкции датчик и по его показаниям определяют состояние конструкции. Ключевым обстоятельством является то, что датчик представляет собой основу из графитизированных углеродных волокон (нить, лента или ткань), на которую наносят цветовой индикатор, в качестве которого используют жидкокристаллический полимер, способный изменять свой цвет в зависимости от изменения электрического сопротивления основы, в качестве которой может использоваться, например, нематический азоксипроизводный полиэфир. Датчик с натягом фиксируют на исследуемом локальном участке, покрытом отверждаемым связующим (до его отверждения), а для определения состояния локального участка к датчику подсоединяют источник тока и определяют напряженно-деформируемое состояние диагностируемой конструкции по экспериментально определенной зависимости цвета цветового индикатора от деформации. В качестве основы связующего может быть выбрана эпоксидная диановая смола марки ЭД-20 ( Эпоксидные диановые смолы являются самыми распространенными и составляют 85-90% от общего числа всех эпоксидных смол, выпускаемых в России и за рубежом) В качестве отвердителей эпоксидных смол используют алифатические и ароматические амины, ангидриды, фенольные смолы и др. Наиболее предпочтительны для данного использования алифатические амины (для создания связующих холодного отверждения). Данный способ обеспечивает получение своевременной и достоверной информации, что позволяет обеспечить безопасность эксплуатации машин (мониторинг), а по динамике развития повреждений в «слабых местах» - прогнозирование ресурса конструкций, обоснование необходимости проведения ремонтно-восстановительных работ.
Основными недостатками такого способа обнаружения повреждений конструкции являются необходимость наличия источника тока, а также необходимость постоянного мониторинга конструкции и отслеживания показания приборов; кроме того, такой способ применим в основном для определения повреждений конструкций, находящихся в напряженно-деформируемом состоянии (статическое растяжение-сжатие).
Наиболее удобным, простым и эффективным способом НК в составе визуально-оптического метода может быть люминесцентный, который основан на создании полимерного покрытия, содержащего специальные химические вещества - люминофоры, способные излучать свет с определенной длиной волны при облучении их ультрафиолетовым светом.
Известен способ обнаружения ударных повреждений (№ US 2008/0277596 A1 «Impact indicating microcapsules». F21K 2/00 / James D. Oxley), в котором для определения областей удара на поверхность конструкции наносят чувствительное к ударам покрытие, представляющее собой индикатор повреждений. Покрытие состоит из множества микрокапсул, содержащих индикатор, высвобождаемый из них вследствие внешних механических воздействий. Микрокапсулы получают при помощи различных приемов (межфазной полимеризацией и/или простой коацервацией). После высвобождения индикатора из микрокапсулы он проявляет флуоресцентные свойства при воздействии светового излучения с определенной длиной волны.
В качестве индикаторов используют любые соединения, способные к флуоресценции под воздействием выбранного источника излучения и при диспергировании в среде с определенным значением рН. Индикаторы не должны проявлять флуоресцентных свойств, когда находятся внутри микрокапсул, а только при их высвобождении в среду с контролируемым значением рН. Электромагнитная энергия света, действующая на индикатор, приводит к его люминесценции: поглощение фотонов его молекулами вызывает выброс фотона с другой длиной волны иной степени интенсивности. В целом, свечение может включать в себя как флуоресценцию, так и фосфоресценцию. Регулировать величину рН можно, например, путем смешивания микрокапсул в среде, которая обеспечивает желаемый уровень рН, и/или при помощи внедрения рН-активатора в микрокапсулы, который высвобождается при ударе и разрушении микрокапсулы.
Флуоресценцию или спектры флуоресценции измеряют с помощью ряда методов, таких как флуоресцентная спектроскопия (также известная как фотометрия или спектрофотометрия). Подобные методы измерения включают облучение образца светом с заданной длиной волны, как правило, ультрафиолетового спектра (УФ-спектра), а затем регистрацию излучения, испускаемого образцом. Микрокапсулы, содержащие флуоресцентное вещество и/или активатор, входят в состав лакокрасочного покрытия (ЛКП), наносимого на диагностируемую поверхность.
Существует похожий способ обнаружения малозаметных ударных повреждений с помощью ударочувствительного покрытия, содержащего микрокапсулы, заполненные индикатором с флуоресцентными свойствами (Richard De Meis. Aircraft skin that bruises. -Aerospace America, july, 1987. - C. 33-34). Для определения мест повреждений конструкции и силы удара авторы - исследователи из США - наносят разработанное покрытие, содержащее «скрытые» индикаторы в виде микрокапсулированного красителя на основе химических соединений, обладающих флуоресцетными свойствами при действии УФ или рентгеновского излучения. Благодаря такому покрытию поверхности агрегатов ВС после ударов выглядят более эстетично, так как пятна другого цвета появляются только при облучении УФ или рентгеновскими лучами. Микрокапсулы диаметром от 1 до 10 мкм изготавливают из желатина или полиуретана. Микрокапсулы могут содержать индикаторы, включающие в свой состав химические элементы с разными порядковыми номерами, но при этом они должны оставаться жидкими во всем диапазоне температур, при которых происходит эксплуатация ВС. Самые большие микрокапсулы разрушатся в первую очередь. При попадании гамма-излучения на поверхность покрытия, данные элементы проявляют флуоресценцию с длиной волны, соответствующей их заряду ядра. Таким образом, рентгеновская картина показывает серьезность повреждения. Микрокапсулы должны содержать элементы с большим зарядом ядра, чтобы рентгеновская картина неповрежденной конструкции отличалась от поврежденной, в то время как флуоресценция под ультрафиолетовыми лучами может быть замаскирована введением в стенки капсул сажи или диоксида титана. Специалисты ВВС США в этой работе сосредоточили свои усилия на изучении совместимости микрокапсул с авиационным ЛКП. Краситель или активатор заключали в микрокапсулы и затем смешивали с полиуретановой основой ЛКП. Первой проблемой для них стала химическая активность ЛКП на полиуретановой основе. Покрытия на основе кремнийорганических соединений не давали подобных проблем, но имели меньшую стойкость при износе и трении. После введения красителя в микрокапсулы следы от удара не могли быть зафиксированы с помощью данной технологии из-за того, что ЛКП, содержащее изоцианаты, реагировало с активатором. Поэтому активатор вводили в микрокапсулы, а краситель замешивали в полиуретановую основу, далее фиксировали следы от ударов, однако, через несколько дней оставшаяся окрашенная часть становилась синей, так как краситель реагировал с полиуретановой основой на свету.
Для решения этой задачи исследователи разработали метод введения в микрокапсулы двух компонентов, а метод нанесения ударочувствительного покрытия совместили с процедурами покраски и ремонта самолета (распыление или нанесение кистью). В ходе итоговых испытаний специалисты диспергировали микрокапсулы в полиуретановой основе ЛКП при помощи ультразвука в массовом отношении 4-12%. Панели из углепластика площадью около 14,6 см с количеством слоев 8, 16 и 48 покрыли тестируемым материалом с помощью распыления без закупорки насадок или разрушения микрокапсул. Перед использованием микрокапсулы были сухими и замешивались в ЛКП по мере необходимости. Срок хранения микрокапсул до их использования не превышает 1 год. Распыленные на поверхность авиационной конструкции или какую-либо другую чистую поверхность, микрокапсулы оказывают на окружающую среду такое же воздействие, как и основа ЛКП.
Недостатком данного способа обнаружения повреждений является недостаточная чувствительность микрокапсул к ударам с малой энергией, а следовательно, это препятствует обнаружению малозаметных ударных повреждений конструкции ВС; кроме того, сложно регулировать толщину стенок микрокапсул, заполненных различными флуоресцентными индикаторами, дающих при облучении различную цветовую окраску, для точного определения силы ударных воздействий; кроме того, флюоресцентные индикаторы должны представлять собой жидкости при эксплуатации покрытия в широком температурном диапазоне (от -63°С до 203°С).
Разновидностью люминесцентного метода определения мест ударных повреждений конструкции может быть механолюминесцентный, основанный на создании полимерного покрытия, содержащего люминофоры, способные излучать свет с определенной длиной волны при механических деформациях материала, причем интенсивность излучения ими света зависит от величины деформации конструкции.
Известен наглядный и информативный способ обнаружения и визуализации повреждений конструкции (RU №2443975 «Способ визуализации и контроля динамических деформаций поверхности и ударных нагрузок», G01B 11/16 / Банишев А.Ф., Банишев А.А.), который заключается в том, что на поверхность исследуемого объекта наносят высокочувствительный к механическим деформациям слой механолюминесцирующего в видимой области спектра материал, интенсивность свечения которого пропорциональна величине деформации объекта. Чувствительным к деформациям материалом является фотополимер, однородный по составу и прозрачный в видимой области спектра, который легко формируется из жидкой композиции на поверхности объекта любой формы на основе фотополимеризующейся полимера и фотоинициатора. Такое покрытие можно использовать для контроля работоспособности и предотвращения аварийных ситуаций при работе объектов различной формы и размеров, как элементов конструкции, подвергаемых сложному нагружению, например, ударным нагрузкам, изгибу, кручению, так и при исследовании прочностных свойств различных образцов материалов на ударные нагрузки, с целью измерения пространственного распределения и величины напряжений и деформаций на поверхности исследуемых объектов, возникающих в результате нагружения. Для регистрации свечения используют цифровую видеокамеру или другие фотоприемные устройства.
Недостатки этого способа обнаружения повреждений конструкций состоят в необходимости постоянного мониторинга конструкции с регистрацией свечения при помощи цифровой видеокамеры или других фотоприемных устройств и оборудования, что усложняет процедуру НК ВС, увеличивает время ее проведения, требует соответствующей квалификации обслуживающего персонала, а также увеличивает финансовые затраты.
ср
cp
Известен способ обнаружения ударных повреждений с помощью датчика, содержащего в своей конструкции механолюминесцентное покрытие, излучающее световой импульс при возникновении ударного давления (RU №2305847 С1, «Механолюминесцентный датчик удара», G01P 15/093 / Татмышевский К.В., Рахманов З.Т.О., Макарова Н.Ю., Спажакин А.Г.; Татмышевский К.В., Рахманов З.Т.О., Макарова Н.Ю., Спажакин А.Г.). Разработанный датчик удара содержит сенсорный элемент из механолюминесцентного материала в виде пленки. В качестве такого материала используют сульфид цинка, легированный марганцем (ZnS:Mn), с весовым содержанием марганца - 5%. Толщина слоя сенсорного элемента составляет 2-3 d, где d - средний диаметр частиц механолюминесцентного материала. Один из торцов сенсорного элемента находится в механическом контакте с сердечником-концентратором, который усиливает механическое напряжение на своем выходном конце. Другой торец сенсорного элемента находится в оптическом контакте с волоконно-оптическим жгутом. Сенсор и волоконно-оптический канал связи выполнены из материалов, нечувствительных к электромагнитным помехам, что повышает надежность датчика и снижает возможность ложного срабатывания, например, при колебаниях и вибрациях. Датчик удара работает следующим образом. При возникновении ударного импульса, действующего на механолюминесцентный датчик, ударное давление распространяется по сердечнику-концентратору, усиливается в нем и вызывает деформацию прозрачной пленки сенсорного элемента. Если при этом возникает ударное давление выше предела текучести пленки, то слой механолюминофора проявляет свечение - излучает световой импульс. Волоконно-оптический жгут, находящийся в оптическом и механическом контакте с датчиком, передает световой сигнал на фотоприемное устройство. Фотоприемник, находящийся на противоположной стороне волоконно-оптического жгута, преобразует световой сигнал в электрический. Механолюминесцентный датчик удара используют, например, для управления «подушками безопасности» в автомобилях.
Недостатками этого способа обнаружения повреждений конструкций являются сложная конструкция датчика, содержащая несколько различных устройств: сердечник-концентратор, волоконно-оптический жгут, фотоприемное устройство, а также ограниченная площадь поверхности конструкций при сборе информации о ее повреждениях.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является способ определения мест повреждения и/или качества покрытия в конструкциях, основанный на нанесении люминесцентного покрытия (патент US № 20020165294 A1 «Luminescent coating», B05D 5/12; C09D 5/29 / W.R. Cooper, H.M. Jess), которое представляет собой эпоксидное ЛКП, в него добавляют люминесцентный пигмент (люминофор) в количестве менее чем 10% по массе, что значительно меньше, чем в люминесцентных красках, где количество люминесцентного вещества составляет более 45% от массы.
Люминесцентное покрытие, а также метод определения качества нанесенного на конструкцию покрытия, описанные в этом способе, были разработаны для определения мест ударных повреждений и износа аэрокосмических аппаратов и ВС в процессе эксплуатации (например, вследствие удара птицы), а также для выявления мест повреждений поверхностей других конструкций (морских судов, подводных секций морских буровых установок и промышленных платформ, наземных установок, таких как емкости для хранения нефти или химикатов, реакционные сосуды на промышленных предприятиях, железнодорожные цистерны и т.д.) в процессе сварки, климатических воздействий (коррозия), эрозионного износа или других случаях, в широком диапазоне эксплуатационных условий.
Контроль указанных конструкций требует значительных затрат рабочего времени квалифицированного персонала, а следовательно, дорог в эксплуатации. Из-за сложности некоторых конструкций также затруднительно обеспечить надлежащее обслуживание их особо важных частей с необходимой степенью достоверности результатов.
Способ-прототип состоит в следующем: 1) наносят на конструкцию разработанное люминесцентное покрытие; 2) регистрируют первоначальное состояние нанесенного на конструкцию люминесцентного покрытия без повреждений при облучении ультрафиолетом с длиной волны порядка 360 нм (360÷365 нм), при этом изображение записывают на цифровой носитель для сохранности на длительный период времени; 3) просматривают изображение на предмет наличия ударных повреждений: вмятин, трещин, сколов и других повреждений, а также износа за счет различий в интенсивности люминесценции покрытия; на полученной картине пробелы указывают на места повреждений покрытия, тогда как более яркое или слабое свечение свидетельствует о наличии более толстых или тонких зон покрытия; 4) наличие ударных повреждений контролируемой конструкции определяют путем периодического сравнения первоначального с последующими изображениями поверхности при НК конструкции и определения вновь появившихся зон повреждений, эрозии или износа.
Недостаток данного способа-прототипа обнаружения повреждений конструкции заключается в необходимости постоянного проведения мониторинга конструкции, записи и хранении первоначального изображения поверхности конструкции, сравнении изображений поверхности до повреждений и после, что усложняет процедуру, исключает ее из номенклатуры процедур визуального осмотра ВС, увеличивает время ее проведения, требует сложных аппаратных средств и высокой квалификации обслуживающего персонала, а также увеличивает финансовые затраты.
Задачей предложенного изобретения является создание простого и удобного способа обнаружения ударных повреждений конструкции с целью упрощения процедуры визуального осмотра ВС, исключения сложного специального оборудования и обслуживающего персонала высокой квалификации путем получения достоверных данных о техническом состоянии авиационных конструкций и их безопасной эксплуатации с использованием люминесцентного ударочувствительного полимерного покрытия.
Технический результат при использовании разработанного способа обнаружения ударных повреждений конструкции заключается в повышении безопасности полетов ВС, сокращении времени обслуживания авиатехники, облегчении технической поддержки летной годности конструкции планера за счет упрощения и повышения оперативности процедуры визуального контроля технического состояния, высокой точности и достоверности обнаружения малозаметных ударных повреждений без использования сложного оборудования и обслуживающего персонала высокой квалификации.
-2
Технический результат достигается тем, что в способе обнаружения ударных повреждений конструкции, включающем нанесение на подготовленную поверхность конструкции люминесцентного покрытия на основе полимерной композиции связующего, в которой распределена добавка люминофора в количестве менее чем 10% от массы связующего, люминесцирующего в видимой области спектра под воздействием УФ-излучения с длиной волны 360÷365 нм, просмотр покрытия при облучении конструкции УФ и обнаружение возможных ударных повреждений: вмятин, трещин, сколов и других повреждений за счет цветовых различий, люминесцентное покрытие является многослойным и содержит первый (по направлению от конструкции) индикаторный слой с люминофором и второй защитный (покровный) слой с рабочим компонентом, поглощающим УФ-излучение, причем для создания индикаторного слоя используют раствор связующего на основе кремнийорганических блок-сополимеров в толуоле с добавлением люминофора, представляющего собой пивалатный комплекс европия с гетероциклическим диимином в количестве до 1,4 мас.% относительно связующего, после чего раствор распыляют на поверхности конструкции, а полученное полимерное покрытие высушивают при температуре 20÷25°С в течение 8÷10 часов, затем при 90÷100°С  в течение 2÷3 часов, поверх индикаторного слоя на поверхность конструкции наносят защитный полимерный слой, поглощающий УФ-излучение, путем распыления раствора связующего на основе кремнийорганических блок-сополимеров в толуоле с добавлением рабочего компонента р-дикетон дибензоилметана с концентрацией 2÷6⋅10 моль/л, полученное полимерное покрытие сушат сначала при температуре 20÷25°С в течение 1÷2 часов, затем при 90÷100°С  в течение 2÷3 часов, при этом количество наносимых защитных слоев может варьироваться от 2-х до 3-х, а обнаружение едва заметных ударных повреждений осуществляют путем визуальной фиксации цветовых различий защитного слоя покрытия при облучении конструкции УФ без предварительной записи картины неповрежденной поверхности конструкции и без последующего сравнения картины поврежденной поверхности с неповрежденной.
Сущность изобретения поясняется следующими прилагаемыми иллюстрациями.
Фиг. 1 - фотография люминесцентного покрытия, нанесенного на конструктивно подобный образец из углепластика, содержащего индикаторный и защитный слои, при естественном освещении.
Фиг. 2 - фотография люминесцентного покрытия при облучении УФ.
Фиг. 3 - фотография то же покрытия, нанесенного на конструктивно подобный образец из углепластика, после ударного воздействия при естественном освещении.
Фиг. 4 - фотография того же покрытия, нанесенного на конструктивно подобный образец из углепластика, после ударного воздействия при облучении УФ.
-2
Способ обнаружения ударных повреждений конструкции, включающий нанесение на подготовленную поверхность конструкции люминесцентного покрытия на основе полимерной композиции связующего, в которой распределена добавка люминофора в количестве менее чем 10% от массы связующего, люминесцирующего в видимой области спектра под воздействием УФ-излучения с длиной волны 360÷365 нм, просмотр покрытия при облучении конструкции УФ и обнаружение возможных ударных повреждений: вмятин, трещин, сколов и других повреждений за счет цветовых различий осуществляют следующим образом. Наносимое на поверхность конструкции люминесцентное покрытие является многослойным и содержит первый (по направлению от конструкции) индикаторный слой с люминофором и второй защитный (покровный) слой с рабочим компонентом, поглощающим УФ-излучение. Для создания индикаторного слоя используют раствор связующего на основе кремнийорганических блок-сополимеров в толуоле и добавляют в него люминофор, в качестве которого применяют пивалатный комплекс европия с гетероциклическим диимином в количестве до 1,4 мас.% относительно связующего, после чего раствор распыляют на подготовленную поверхность конструкции, а полученное полимерное покрытие высушивают при температуре 20÷25°С в течение 8÷10 часов, затем при 90÷100°С  в течение 2÷3 часов. Затем на индикаторный слой покрытия наносят защитный слой путем распыления раствора связующего на основе кремнийорганических блок-сополимеров в толуоле с добавлением рабочего компонента β-дикетон дибензоилметана с концентрацией 2÷6⋅10 моль/л, полученное полимерное покрытие сушат сначала при температуре 20÷25°С в течение 1÷2 часов, затем при 90÷100°С в течение 2÷3 часов. Защитный слой предотвращает излучение индикаторного слоя покрытия при воздействии солнечных лучей во время рейсового полета ВС, что сохраняет эстетичный вид конструкции ВС при его эксплуатации. Количество наносимых защитных слоев может варьироваться от 2-х до 3-х. Далее ВС с нанесенным люминесцентным покрытием планово эксплуатируется, после чего с помощью технического персонала в назначенный срок выполняют визуальный осмотр планера с использованием ультрафиолетового излучателя (УФ фонаря) и отмечают места ударных повреждений согласно видимым глазу цветовым различиям защитного слоя покрытия, количественную оценку мест повреждений производят штатными (стандартными) средствами НК.
В заявленном способе нет необходимости фиксировать первоначальное изображение покрытия конструкции без повреждений и записывать его на цифровой носитель для сохранности на длительный период времени с целью использования для сравнения с последующими изображениями поверхности при неразрушающем контроле конструкции и определении вновь появившихся зон повреждений, эрозии или износа. При выполнении визуального осмотра с использованием УФ-излучения места ударных повреждений защитного слоя покрытия определяют согласно видимым глазу цветовым различиям, т.е. поврежденные места конструкции будут иметь цветовую окраску, отличную от цвета защитного слоя покрытия, и будут давать характерное люминесцентное свечение в области длин волн 360+365 нм, либо на фоне люминесцентного свечения будут просматриваться темные места или затемнения, что будет указывать на ударные повреждения как защитного, так и индикаторного слоев покрытия.
С использованием предлагаемого способа в ФГУП «ЦАГИ» проведены ряд экспериментов по обнаружению малозаметных повреждений на элементарных и конструктивно подобных образцах агрегатов конструкции самолета, изготовленных из ПКМ. Разработанный способ обладает высокой достоверностью, весьма прост и удобен в осуществлении, не требует больших финансовых затрат, сложного и дорогостоящего оборудования и позволяет визуально осуществлять неразрушающий контроль технического состояния конструкции. Результат использования этого способа - повышение безопасности эксплуатации конструкции ВС, оперативное осуществление визуального контроля ВС без использования сложного специального оборудования и привлечения высококвалифицированного персонала, простой и удобной способ получения достоверных данных о техническом состоянии конструкции, облегчение технической поддержки летной годности конструкции планера, сокращение времени обслуживания авиационной техники.