СИСТЕМА И СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОГЛОЩЕННОЙ ВЛАГИ В КОМПОЗИТНОМ МАТЕРИАЛЕ
SYSTEM AND METHOD FOR MEASURING ABSORBED HUMIDITY IN COMPOSITE MATERIAL

Данное изобретение относится в основном к способам измерения содержания влаги в композитных материалах, имеющих полимерный связующий материал.
Как известно, полимерные материалы имеют макромолекулярную структуру, то есть, характеризуются длинными полимерными цепями с переменной относительной текучестью, зависящей от самой структуры, но во всех случаях, такой которая позволяет включать молекулы веществ более низкого молекулярного веса между макромолекулами, образующими реальный раствор.
Очевидно, количество таких веществ зависит от молекулярной природы полимера и низкомолекулярного материала. Кроме того, взаимодействие может быть химического и/или физического типа.
с
у
у
Химическое взаимодействие для некоторых химически более реакционноспособных веществ, таких как кислоты и/или некоторые органические растворители, может приводить к изменению самого полимера и, в некоторых случаях, к реальному растворению. Наоборот, физическое взаимодействие связано со смешиванием, по существу, обратимого типа; раствор создается между полимером и низкомолекулярным веществом, причем физические свойства изменяются по сравнению с чистым полимером. Так как они являются низкомолекулярными веществами, они, обычно, обладают эффектом облегчения относительных перемещений между макромолекулами, приводя к понижению температуры стеклования (Т); с механической точки зрения, величины пластического течения σ (прочность при растяжении) и τ (сдвиг) напряжение обычно уменьшаются, а модуль упругости Е (упругость при растяжении, или модуль Юнга), и модуль упругого сдвига (G) обычно, уменьшаются. Совокупность всех этих эффектов, обычно, называют "пластифицирование".
Пластифицирование зависит от природы полимера, от растворенного низкомолекулярного вещества и от количества этого вещества.
Пластифицирующие вещества включают органические растворители (например: МЭК, метанол, этанол, гексан и ацетон), а также воду. Если полимер погружают в пластифицирующую жидкость, он имеет тенденцию к ее поглощению, и поглощает определенное количество за время, которое зависит от скорости диффузии этого вещества в полимер. Когда достигают равновесия, при котором не происходит дальнейшего введения пластификатора в полимер (в действительности, на молекулярном уровне, число входящих молекул равно числу молекул, которые выделяются), говорят, что было достигнуто состояние "насыщения" пластификатора, которое зависит от химической природы полимера и пластификатора и может зависеть от температуры.
Когда полимер погружают в среду, имеющую некоторое содержание пластификатора, состояние насыщения является функцией количества пластификатора, присутствующего в среде; более точно в терминах термодинамики ссылаются на активность пластификатора. В случае газообразных смесей активность связана с парциальным давлением, если х является объемной долей пластификатора, парциальное давление равно х⋅π, где π - это давление смеси. В случае воды, диспергированной в воздухе в газообразной форме, когда существует равновесие между газообразной водой и жидкой водой, активность газообразной воды равна активности жидкой воды. В этом случае, утверждают, что среда насыщена водой, и относительная влажность равна 100%, а парциальное давление воды в газовой фазе равно давлению пара жидкой воды при той же самой температуре.
Для полимеров, подвергнутых действию среды, в которой присутствует вода, существует с хорошим приближением, линейная зависимость между относительной влажностью и процентным содержанием воды, поглощенной полимером при насыщении.
Однако, что касается непостоянства количества поглощенной воды, как функции температуры, в общем, зависимость от температуры не является очень сильной; для эпоксидных смол, используемых в качестве связующих материалов для композитных материалов конструкционного назначения в авиационной промышленности, процентное содержание воды, поглощенной при насыщении смолой, погруженной в воду (или эквивалентно во влажном воздухе при 100% влажности), изменяется в зависимости от типа смолы. Выраженное как Δ вес/вес, процентное содержание воды, обычно, изменяется от 1 до 3%, и является почти постоянным, для той же самой смолы, в интервале температур от 25° до 80°С [1, 2].
Однако скорость, при которой насыщение достигается в различной окружающей среде, регулируется диффузией воды в пределах полимера, и является, таким образом, функцией коэффициента диффузии, который зависит экспоненциально от температуры. Интегрирование диффузионного закона приводит к идентификации зависимости времени насыщения от толщины квадратичного типа.
Все вышесказанное приводит к заключению, что полимерные материалы, такие как, например, матрица композитного материала с полимерной матрицей, склонны со временем поглощать атмосферную воду до степени, зависящей от преобладающих атмосферных условий. Ввиду изменчивости условий необходимо рассмотреть самые неблагоприятные условия, которые составляют для авиационных применений 28°С и 85% относительной влажности для всего срока службы самолета (обычно 30 лет). Для большинства структур композитных материалов это включает ограничение насыщения в масштабе, по меньшей мере, 85% для целей сертификации [3].
Что касается температур, обычно, минимальная температура (на высоте) составляет -55°С, а максимальная температура (у земли, интенсивное солнечное воздействие) составляет 80°С.
Исходя из того, что было сказано относительно пластифицирования, эффект высокой температуры работает в том же самом направлении, что и поглощение влаги; следовательно, сертифицирование материалов и структур выполняют, оценивая материал при высокой температуре и после поглощения влаги (состояние "горячее влажное"), и при низкой температуре, обычно, без поглощения влаги (состояние "холодное сухое").
Необходимость добавления этих состояний к схемам авиационной сертификации, очень затруднительна из-за механических тестов при температуре окружающей среды (которые в любом случае касаются опытных образцов, частей, элементов, субкомпонентов и целых компонентов), является очень дорогостоящей с точки зрения дополнительных экспериментальных действий (даже для воздействия на образцы для испытаний) и времени. Действительно, из вышесказанного следует, что поглощение является очень медленным, и моделирование поглощения в течение более, чем тридцати лет при температуре окружающей среды, требует нескольких месяцев даже с привлечением модели ускоренного старения (при высокой температуре).
Из вышесказанного следует, что количество влаги, которое обычно содержится в структурах авиационных композитных материалах, является весьма различным, и достаточно редко оно достигает значений равновесия с окружающей средой с высоким содержанием влаги. Это происходит потому, что обычно влажность не настолько высока, и потому что в условиях, когда самолет паркуется под солнцем, происходит нагревание облученных частей, которое приводит к тому, что их температура выше, чем температура окружающей среды, при этом происходит ускоренный эффект десорбции вследствие нагревания. Следовательно, если бы прямое измерение влаги, содержащейся в композитном материале, обычно выраженное как Δ вес/вес, было бы возможным, то можно было бы представить себе сертификацию структур в невлажных условиях (например при 50% насыщении, состояние, известное как "окружающая среда") подвергая периодической проверке структуру композитного материала самолета, контролируемую так, чтобы процентное содержание не превышалось. Однако в современном уровне знаний не существует известного метода для прямого измерения количества влаги. В действительности, существует очень простой метод, обычно используемый в лаборатории, который является методом взвешивания частей, которые поглотили влагу, и затем их повторное взвешивание после десорбции в сухой окружающей среде при высокой температуре (например, сушильный шкаф при приблизительно 80°С), но этот метод, который дает среднее значение по всей толщине композитного материала, очевидно не применим к используемым авиационным деталям. Методы, основанные на измерении электропроводности или диэлектрических свойств, или даже основанные на инфракрасной спектрометрии, также тестировались, но полученные результаты не являлись удовлетворительными, прежде всего потому, что присутствие углеродных волокон делает все свойства, связанные со смолой, намного более трудными для идентификации; например, в композитном материале теплопроводность или электропроводность зависят, главным образом, от волокон, и слабые изменения электропроводности смолы имеют очень ограниченное влияние на электропроводность композитного материала. Что касается спектрометрии, трудно получить количественные оценки присутствия воды из спектра, полученного на полимеризованной смоле, в особенности, в присутствии армирующих волокон.
Однако влажность может быть измерена с хорошей точностью в воздухе стандартизированными методами, такими как методы, связанные с деформацией пирометрического вещества (например, волоса), или со сравнительным показанием температур смоченного и сухого термометров или (в настоящее время) с емкостным датчиком влажности, который является конденсатором, который изменяет свою емкость как функцию влажности воздуха между противоположными проводниками (или пластинами).
Одной целью данного изобретения является создание системы для измерения внутренней влажности композитного материала, которая может обеспечить возможность измерения поглощенной влаги во время эксплуатации. Такая система позволила бы сертифицировать структуры в условиях, более выгодных, чем влажные условия, с единственным условием периодической проверки влажности во время эксплуатации и, что невероятно в случае уровня влажности, установленного сертификацией, превышающего обезвоживание в горячей окружающей среде или при местном нагревании.
Это, в свою очередь, включает преимущества сохранения веса структуры, в которой допустимые значения будут использоваться (которые являются свойствами материала, используемого в процессе проектирования) в условиях более выгодных и, следовательно, более высоких, чем влажные условия. Более точно, увеличение процентного содержания х % в размерных свойствах соответствует снижению веса до той же самой степени. Уменьшение веса также включает эквивалентное сохранение стоимости используемого материала (включая регулярные издержки производства, пропорциональные количеству используемого материала). Наконец, возможность сертификации в "сухих" условиях также включает упрощение и последующую экономию в процессе сертификации структур композитного материала, со значительным сокращением единовременных затрат на создание нового самолета, в особенности, через возможность сертификации структур, не выполняя тестов во влажных условиях, ни на уровне опытных образцов, ни на уровне субкомпонентов и изделий.
Согласно данному изобретению, вышеуказанную цель достигают посредством создания системы для измерения поглощенной влаги в композитном материале, включающей:
изделие из композитного материала, включающее множество слоев материала, уплотненного посредством действия давления и теплоты, в котором каждый слой материала получают из матрицы смолы, армированной волоконным материалом,
вставку, заделанную в указанный композитный материал, которая установлена между первым и вторым из указанных слоев материала в ограниченной зоне поверхности раздела, вне которой указанные первый и второй слои материала являются смежными, причем в указанной вставке образована, по меньшей мере, одна полость, которая находится в гидравлическом сообщении с указанными первым и вторым слоями материала, и
датчик окружающей влажности, расположенный внутри указанной полости, и способный создавать сигнал, указывающий содержание влаги в атмосфере, присутствующей в указанной полости.
Также предметом изобретения является способ измерения поглощенной влаги в композитном материале, включающий следующие стадии:
создание изделия из композитного материала, включающего множество слоев материала, уплотненного посредством действия давления и теплоты, в котором каждый слой материала формируют из матрицы смолы, армированной волоконным материалом, и вставки, заделанной в указанный композитный материал, которую устанавливают между первым и вторым из указанных слоев материала в ограниченной зоне поверхности раздела, вне которой указанные первый и второй слои материала являются смежными, причем в указанной вставке формируют, по меньшей мере, одну полость, находящуюся в гидравлическом сообщении с указанными первым и вторым слоями материала в указанной полости, и устанавливают датчик окружающей влажности,
посредством указанного датчика окружающей влажности создают сигнал, указывающий содержание влаги в атмосфере, присутствующей в указанной полости, и
определяют содержание поглощенной влаги в композитном материале на уровне указанной зоны поверхности раздела как функцию содержания влаги, присутствующей в указанной полости.
Определенные варианты осуществления образуют предмет формулы изобретения, содержание которого должно быть понято как неотъемлемая часть данного описания.
Идеей, на которой базируется изобретение, является создание внутри частей в композитном материале, содержание влаги которого необходимо измерить, пространства, не содержащего композитного материала, которое находится, однако, в контакте непосредственно с композитным материалом. Это свободное пространство постепенно заполняется воздухом вследствие пористости и диффузии, и содержит некоторое количество влаги, находящейся в равновесии, или быстро приходящей в равновесие с поверхностями слоев материала в контакте с вышеуказанным пространством. Следовательно, при измерении влажности в газовой фазе, выполняемой устройством измерения влажности, можно определить стандартными вычислениями влагу, поглощенную смежными слоями композитного материала.
Дальнейшие характеристики и преимущества изобретения будут раскрыты более подробно в следующем подробном описании одного варианта его осуществления, изложенном посредством неограничивающего примера, с обращением к приложенному чертежу, который показывает схематически один пример системы для измерения поглощенной влаги композитным материалом по изобретению.
Фиг. 1 показывает изделие 1 из композитного материала, такое как, например, панель, которая может, например, составлять компонент, расположенный на борту самолета, такой как, например, панель фюзеляжа. Изделие 1 включает множество слоев 11, 12 материала, уплотненных посредством действия давления и теплоты (для простоты на фиг. показаны только два слоя), в котором каждый слой материала получают из матрицы смолы, армированной волоконным материалом. Полимерный материал матрицы может быть термопластическим или термореактивным, и армируется волокнами, в частности, длинными волокнами, например, углеродными волокнами, стекловолокном или кевларом.
Создают вставку 13, заделанную в композитный материал, которая установлена в зоне 15 поверхности раздела между двух вышеуказанных слоев материала. Объем зоны 15 поверхности раздела, в котором установлена вставка 13, ограничен, т.к. он является малым по сравнению с пространством поверхности слоев 11, 12 материала. В соответствии с зоной 15 поверхности раздела, занятой вставкой 13, между слоями 11, 12 материала оставляют промежутки из-за толщины вставки 13, в то время как вне пограничной зоны 15 слои 11, 12 материала являются смежными. Внутри вставки 13 формируют, по меньшей мере, одну полость 17, находящуюся в гидравлическом сообщении со слоями 11,12 материала, между которыми вставляют вставку 13.
Предпочтительно, вставка 13 имеет сотовую структуру, например, из металлического или полимерного (арамид) материала, в котором вышеуказанную полость 17 образуют из одной или больше ячеек сотовой структуры.
Важная характеристика сотовой структуры заключается в том, что она допускает создание внутреннего объема, не отделенного от композитного материала, что невозможно, если бы, например, использован закрытый ящик; кроме того, если пористую структуру измеряют правильно, это предотвращает дробление внутреннего объема во время фазы полимеризации слоев материала. Вставка 13 может иметь малые размеры; например, она может иметь толщину 1/4" (приблизительно 6 мм), и плоские размеры 50×50 мм. Кроме того, предпочтительно толщина убывает вдоль периферийной границы. Однако изобретение не ограничивается одной конкретной структурой и формой вставки 13, при условии, что последняя способна иметь полость, контактирующую с композитным материалом.
Датчик 20 окружающей влажности устанавливают в полости 17. Этот датчик способен создавать сигнал, указывающий содержание влаги в атмосфере, присутствующей внутри полости 17.
Блок 30 обработки связан в рабочем состоянии с датчиком 20 окружающей влажности, например, электрическим проводом, оптическим волокном или беспроводным соединением. Блок 30 обработки данных считывает сигнал, поступающий от датчика 20, и определяет содержание поглощенной влаги в композитном материале как функцию содержания влаги, присутствующей в полости 17.
3
Как показано выше, идея, на которой базируется изобретение, состоит в создании, в пределах частей композитного материала, влагу которого необходимо измерить, пространства, не содержащего композитного материала, которое находится, однако, в контакте непосредственно с композитным материалом. Использование вставки позволяет создать "пустую" зону, которая, в действительности, постепенно заполняется воздухом вследствие пористости и диффузии, и которая содержит некоторое количество влаги, находящейся в равновесии, или которое быстро достигающей равновесия, с поверхностями 11а, 12а смежных слоев 11 и 12. Можно заметить, что рассматриваемые поверхности, по мере того, как создается многослойная зона, являются продолжением поверхностей раздела слоев 11 и 12 ламинированного тела. Количество воды в весовом значении, содержащейся в газовой фазе в многослойной зоне является очень низким по сравнению с количеством воды, содержащейся в ламинированном теле. Чтобы дать числовой пример, рассмотрим композитный материал при 25°С, который имеет процентное содержание насыщения Δ вес/вес = 2%, и рассмотрим толщину вставленной пустой зоны 6 мм, в которой воздух является насыщенным (в равновесии с поверхностью, которая сама является насыщенной), парциальное давление воды равно давлению пара при 25°С, а именно, 0,0313 атм. Из простых вычислений, основанных на законе Авогадро, можно заключить, что количество воды, содержащейся в толщине 6 мм, эквивалентно количеству воды, содержащемуся в 0,004 мм композитного материала, и, следовательно, эквивалентное изменение толщины вследствие добавления пустоты во вставку является практически незначительным. Что касается количества воды, содержащейся в сотовой структуре, которая, обычно, имеет плотность приблизительно 0,05 г/см в 6 мм толщины сотовой структуры, то это, примерно, эквивалентно количеству воды, содержащемуся в 0,2 мм композитного материала, следовательно, примерно, эквивалентно одному дополнительному слою композитного материала. Следует обратить внимание на тот факт, что утолщение вследствие присутствия вставки влияет не на целую структуру, а на только очень ограниченную область вставки (при условии, что она является достаточной, чтобы содержать датчик). Из этих соображений можно заключить, что процентное содержание влаги на поверхностях 11а и 12а практически равно процентному содержанию влаги в оставшейся части пограничных поверхностей слоев 11, 12 ламинированного пластика [4].
Следовательно, измерение содержания влаги в газовой фазе, выполненное датчиком 20 окружающей влажности, прямо коррелирует с влагой, поглощенной на уровне поверхности раздела между слоями 11 и 12 панели (ниже: "поверхность раздела 11-12"), на которой устанавливают датчик 20; более точно, содержание влаги, поглощенной панелью в твердой фазе на уровне поверхности раздела 11 - 12, равно содержанию влаги, поглощенному композитным материалом при насыщении в окружающей среде со 100% относительной влажностью, выраженной как Δ вес/вес * (*50/100=1%), процентное содержание влаги, умноженное на относительную влажность, измеренную в зоне вставки. В качестве числового примера, если значение Δ вес/вес воды композитного материала в окружающей среде, насыщенной водой в равновесии, составляет 2%, если датчик 20 измеряет 50% относительной влажности, это означает, что поглощение воды в композитном материале на уровне поверхности раздела 11-12 Δ вес/вес составляет 2%.
Преимущественно, также возможно использование полостей с датчиками, установленными в различных точках по толщине композитного материала, чтобы установить профиль влажности в композитном материале. Для ситуаций, в которых на равной глубине возможно, что поглощенная влага изменяется как функция положения на поверхности, можно располагать полости с датчиками также в различных топологических положениях поверхностей раздела композитного материала.
Естественно, в соответствии с принципом изобретения, оставшимся неизменным, варианты осуществления и детали выполнения могут широко изменяться по сравнению с тем, что было описано и показано просто посредством неограничивающего примера, таким образом, не отступая от защищенного объема изобретения, определенного в приложенной формуле изобретения.
Литературные ссылки
1. Ж. Менситиери и М. Ианнон, Моделирование ускорения старения в полимерных композитных материалах (G. Mensitieri/M. Iannone, Modelling accelerate ageing in polymer composites, Chapter 9 of Ageing of Composites, Woodhead Publishing Limited, September 2008).
2. M. Ианнон, Композитные материалы для авиационных применений в Энциклопедии композитных материалов (М. Iannone, Composite Materials for Aeronautical Applications in Encyclopedia of Composites, John Wiley and Sons, second edition (2012).
3. Ж. Рушон, Сертификация больших самолетных структур композитных материалов, недавний прогресс и новые тенденции в философии согласия (J. Rouchon, Certification of large airplane composite structures, recent progress and new trends in compliance phylosophy, 17th 1С AS Congress, Stockholm, 1990).
4. Д. Ларобинэ и др., Комплексный подход к анализу длительного переноса влаги в сотовом заполнителе многослойных панелей (D. Larobina et al., An Integrated Approach in Analyze Long-term Moisture Transport in Honeycomb-core Sandwich Panels, Journal of Composite Materials, vol. 44, no. 21/2010, 2473-2486.