СПОСОБ КОНТРОЛЯ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИДЕНТИФИКАЦИИ ДЕФЕКТОВ
METHOD FOR CONTROL OF POLYMERIC COMPOSITE MATERIALS AND IDENTIFICATION OF DEFECTS

Изобретение относится к области неразрушающих методов контроля конструкций из полимерных композитных материалов (ПКМ) и может быть использовано для оценки качества изделий, нашедших применение в авиационной, космической, судостроительной, автомобильной и других отраслях промышленности.
Известен способ комплексного автоматизированного неразрушающего контроля качества многослойных изделий, раскрытый в патенте РФ №2666159 от 06.09.2018 г. Согласно способу обнаружение дефектов по всему пакету (по всей толщине) контролируемого изделия осуществляется с помощью акустического дефектоскопа и ультразвукового дефектоскопа теневого контроля.
Недостатком известного способа является то, что идентификация дефекта определяется путем сравнения показателей двух методов. Например, если дефект находится в материале и теневой метод его выявит, а акустический дефектоскоп его не выявит, то этот дефект будет идентифицирован, как дефект в основном материале.
Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ неразрушающего контроля монолитного листа совместно с клеевым слоем в многослойных конструкциях из полимерных композиционных материалов [Патент РФ №2701204 от 25.09.2019], включающий ввод ультразвуковых колебаний с помощью ультразвукового дефектоскопа в один из соединяемых листов, либо в материал листа в соединении «лист - заполнитель», регистрацию сигналов, отраженных от дефектов в листе. Наличие дефекта в листе определяется по величине амплитуды ультразвукового сигнала, отраженного от несплошности внутри листа, а наличие дефекта в клеевом слое определяется по величине амплитуды сигнала, отраженного от клеевого слоя в месте расположения дефекта клеевого слоя. Данный способ принят за прототип.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого способа, - способ контроля полимерных композитных материалов и идентификации дефектов, включающий физическое воздействие.
Недостатком известного способа, принятого за прототип, является то, что временная длительность и уровень по шкале амплитуд дефектоскопа устанавливается при настройке на искусственном дефекте листа, а наличие дефекта в клеевом слое - на искусственном дефекте клеевого слоя, выполненных в образцах. При изменении вида дефекта или его отклонения от искусственного дефекта данный способ не даст возможность идентифицировать дефект.
Задачей настоящего изобретения является возможность обнаружения дефектов в ПКМ и их идентификации за счет регистрации с помощью датчиков акустической эмиссии формы волны и спектра сигналов, возникающего под действием лазера.
Использование лазера в качестве нагрузочного элемента на изделие из ПКМ обеспечит формирование внешнего воздействия, с помощью которого компоненты ПКМ дают возможность формировать волновое поле при прохождении колебаний по его толщине. Регистрация формы волны и спектра сигналов с помощью датчиков акустической эмиссии дает возможность качественно и количественно показывать изменения в структуре ПКМ, выявляя наличие дефекта и его идентификацию.
Решение этой задачи является актуальным и позволит выявлять местоположения дефектов и проводить их идентификацию, что даст возможность выявлять недостатки в технологии изделий, приводящих к дефектам и тем самым изменять технологию изготовления с целью последующего исключению появления таких дефектов.
Поставленная задача была решена за счет того, что в известном способе контроля полимерных композитных материалов и идентификации дефектов, включающем физическое воздействие, согласно изобретению используют метод лазерного воздействия с фиксацией акустической эмиссии временного и спектрального сигналов, с помощью датчиков выявляют качественно и количественно изменения в структуре ПКМ по анализу временного, фазового смещения волнового поля и спектрального сигналов, полученных одномоментно, определяют деструктивную зону частотной области образца и её геометрию.
Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа состоят в том, используют метод лазерного воздействия с фиксацией акустической эмиссии временного и спектрального сигналов, с помощью датчиков выявляют качественно и количественно изменения в структуре ПКМ, по анализу временного, фазового смещения волнового поля и спектрального сигналов, полученных одномоментно, определяют деструктивную зону частотной области образца и её геометрию.
По анализу временного, фазового смещения волнового поля и спектрального сигналов, полученных одномоментно, определяют деструктивную зону частотной области образца, так как модальные характеристики этих частот связаны с конструктивной структурой матрицы и наполнителя ПКМ, а фазовые углы смещения волнового поля будут позволить определять геометрию положения деструктивной зоны. Характер фазового размыва временного сигнала при параллельной обработке с датчиков (не менее двух) с определенной последовательностью изменения амплитуды во времени и угла сдвига фаз волнового поля подтверждает наличие определенной неравномерной по толщине плотности материала, обусловленной разным значением физико-механических свойств наполнителя и матрицы.
В зависимости от геометрии образца будет формироваться парциальная (собственная) частота по его толщине. При наличии дефекта в структуре материала акустическая волна будет его огибать и проходить через него в зависимости от ориентации этого дефекта по отношению к фронту волны, тем самым меняя амплитудную и частотную составлявшую волны, смещая или размывая частоту модальной характеристики. Геометрия и величина дефекта будут влиять на уровень «размыва» спектральной линии в огибающей спектр полученных сигналов, что позволит провести оценку его технического состояния и определить зоны с локальными отклонениями (дефектами) в структуре материала.
Предлагаемый способ иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-5.
На фиг. 1 показано сложение временных сигналов возбуждения волны.
На фиг. 2 показан спектр сигнала возбужденной волны в зоне 1, датчик 1.
На фиг. 3 показан спектр сигнала возбужденной волны в зоне 2, датчик 2.
На фиг. 4 изображен спектр сигнала возбужденной волны в зоне 3, датчик 1.
На фиг. 5 изображен спектр сигнала возбужденной волны в зоне 4, датчик 2.
Способ контроля полимерных композитных материалов и идентификации дефектов осуществляют следующим образом.
Perfectlaserpedb
На образец с дефектными зонами оказывают лазерное воздействие с помощью лазера -400. Датчики акустической эмиссии устанавливают на удалении 100 мм от места воздействия лазерного луча и друг от друга. На поверхность панели устанавливают датчики акустической эмиссии, которые перемещаются в зоны воздействия лазера. Проводят регистрацию сигнала акустической эмиссии с помощью многоканальной системы «Малахит АС-15А/2» с активными преобразователями ДР15И АТ с применением программного комплекса AEStudio. Проводят анализ временных величин фазовых углов и угловых смещений во времени, что позволяет судить о величине области дефекта. Поскольку деструкция и ее объем будет приводить к увеличению потерь в волновом фронте и изменению самого волнового поля за счет дифракции и интерференции волнового поля в дефектной области, и спектральных сигналов анализируемой области. Характер размыва временного сигнала с определенной последовательностью изменения амплитуды во времени подтверждает наличие определенной неравномерной по толщине структуры материала, обусловленной разным значением физико-механических свойств наполнителя матрицы.
Пример конкретного выполнения.
3
WD
-
Образец в виде панели из углепластика (55% - наполнитель (углеволокно), 45% - связующее) габаритами 500х250х2 мм при плотности 1450 кг/мс 4 зонами: 1 - бездефектная; 2 - наносилось машинное полусинтетическое масло марки ЛУКОЙЛ люкс SAE 5W-40, API SJ/CF вместо связующего; 3 - аналогично зоне 2 наносилась водоотталкивающая универсальная смазка -40; 4имитировался эффект механического воздействия глубокими надрезами укладывается на стол лазерного гравера на вибропоглощающий пакет, состоящий из войлока и двух слоев плотной бумаги, прижимается грузом.
Perfectlaserpedb
На образец оказывалось лазерное воздействие с помощью лазера -400 мощностью 30 Вт, длиной волны 1060нм с параметрами лазерного воздействия: размер пятна - 50 мкм, длительность импульса 200 нс в центр каждой из 4 областей образца. Датчики акустической эмиссии устанавливались на удалении 100 мм от места воздействия лазерного луча на поверхность панели на бездефектную область и перемещались каждый раз при изменении зоны воздействия лазера с целью сохранения неизменного расстояния от точки воздействия до датчиков акустической эмиссии.
Регистрация сигналов акустической эмиссии производилась с помощью системы «Малахит АС-15А/2» с активными преобразователями ДР15И АТ с применением программного комплекса AEStudio.
На фигуре 1 приведено сложение временных сигналов возбуждения волны, а фигуре 2 спектр данного сигнала участка панели с бездефектной зоной (1). Анализ временного и спектрального сигналов этой области указывает на деструктивную зону частотной области практически с постоянным значение амплитуд на частотах 140 Гц и 168 Гц и «размыв» на частоте 170 Гц, но меньшей амплитуды. Модальные характерные этих частот связаны с конструктивной структурой матрицы и наполнителя ПКМ, а характер размыва временного сигнала с определенной последовательностью изменения амплитуды во времени подтверждает наличие определенной неравномерной по толщине плотности материала, обусловленной разным значением физико-механических свойств наполнителя и матрицы. «Размыв» в спектре сигнала на частоте 170 Гц показывает эту зону границы наполнителя и матрицы. Данный сигнал может быть принят за условно «идеальную» укладку наполнителя в теле матрицы ПКМ.
На фигуре 3 приведен спектр волнового сигнала зоны 2. Наличие полусинтетического масла в матрице ПКМ привело к существенному размыву парциальных частот матрицы в диапазоне от 140 до 165 Гц, при этом парциальная частота наполнителя 170 Гц практически не «размыта».
Наличие водоотталкивающей универсальной смазки привело к изменению парциальной частоты наполнителя до 190 Гц (фиг. 3), но существенно изменило парциальные частоты связующего на частоте 165 Гц.
Характер «размыва» частот при наличии в связующем масла связан с изменением плотности связующего в локальных зонах и эти локальные зоны формируют другие частотные составляющие, которые являются диагностическим признаком изменения плотности связующего, а следовательно изменении адгезии между связующим и наполнителем. Для определения парциальных частот элементов панели необходимо определить экстремум акустической проводимости по частоте [Соколовская Ю.Г., Подымова Н.Б., Карабутов А.А. Лазерный оптико-акустический метод количественной оценки пористости углепластиков на основе измерения их акустического импеданса // Акустический журнал. - 2020. - T. 66, № 1. - С. 86-94.]:
(1)
где
-
f; f -
с -
С
С
-
1
ρплотность материала элементов панели; ω - круговая частота. ω=2π частота волны при возбуждении колебаний;  скорость звука в элементах панели; (ω) и (ω)жесткость материала элементов панели связующего и наполнителя соответственно.
С
С
-
/С
=i
С
1
0
0
0
Если(ω) и (ω)осреднённые жёсткости элементов панели по толщине, β=ω - коэффициент отражения от элементов панели; ηρ - импеданс панели принять постоянными, то получатся знакомые выражения для прохождения акустической волны для однородного слоя. В этом случае частота в экстремуме будет соответствовать парциальной частоте элемента. В выражениях 1 плотность элемента, влияющая на частоту волнового фронта, связана с фазовой скоростью его распространения. Фазовая скорость в первом приближении для твердого тела определяется зависимостью:
,
Е
где  - модуль упругости материала.
Частота обратно пропорциональна корню квадратному от плотности, следовательно, если плотность в элементе диагностирования не постоянна, то это приведет к «размыванию» частотного спектра. Если перейти к относительным единицам плотности, например, относительная плотность связующего принять за единицу, то отношение плотности минерального синтетического масла к плотности связующего  то величина смещения в частотном спектре при использовании любого вещества будет зависеть от его процентной массы в связующем.
Величина «размыва» частоты будет определяться нижней границей частотного смещения, которая определяется по формуле:
с
3
3
3
Если принять плотность связующего ρ=1,75*10 кг/м а плотность полусинтетического масла принять 915 кг/м, то значение границы размыва составит 119 Гц, т.е. 100% замена в этой зоне связующего на масло. Это может позволить определять долю наполнителя в связующем.
На фигуре 4 можно выделить смешение частот связующего в более низкую область 155 Гц, а парциальная частота наполнителя, практически осталась в границах частот «идеального» образца. Наличие механической воздействия привело к существенному разделению зоны парциальных частот ПКМ, появилась дополнительная частотная область от 165 до 180 Гц (фиг. 5). По характеру изменения амплитуды в зоне парциальных частот ПКМ можно судить о величине области дефекта, поскольку деструкции и ее объем будет приводить к увеличению потерь в волновом фронте, следовательно, можно получить и количественную характеристику дефекта.
Полученные экспериментальные данные наглядно демонстрируют возможность заключения о наличии дефектов в ПКМ и их идентификации.
Таким образом, заявляемый способ обнаружения дефектов в ПКМ и их идентификации за счет регистрации с помощью датчиков акустической эмиссии формы волны и спектра сигнала, возникающего под действием лазера позволяет качественно и количественно выявлять те или иные изменения в структуре ПКМ, оценку их качества и стабильность и качество технологического процесса изготовления изделий.