Способ контроля параметров композиционных материалов на основе углеродных нитей

 

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть использовано в авиационной промышленности для определения количества связующего и направления углеродных нитей однослойных композиционных материалов . Цель изобретения - повышение точности и обеспечение контроля направления углеродных нитей Изобретение позволяет с высокой точностью контролировать параметры композиционных материалов за счет приема как отраженной, так и прошедшей СВЧ-волны, осуществления двухкратного взаимодействия каждой из волн с контролируемым материалом при двух взаимно ортогональных состояниях поляризации и определения параметров контролируемого материала по поляризационным характеристикам суммарной СВЧ-волны, полученной в результате смешивания двух СВЧ-волн после повторного взаимодействия с контролируемым материалом. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 N 22/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ руемым материалом. 1 ил.

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4867506/09 (22) 03,07.90 (46) 23,06,92. Бюл. 1Ф 23 (71) Институт прикладной физики АН БССР (72) С,А.Тиханович и Е.С.Максимович (53) 621,317,39(088,8) (56) Авторское свидетельство СССР

N 1045167, кл, G 01 R 27/26, 1983.

Аззам P., Башара Н. Эллипсометрия и поляризованный свет. М.: Мир, 1981, с. 381. (54) СПОСОБ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ

КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА

ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ НИТЕЙ (57) Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть использовано в авиационной промышленности для определения количеИзобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано для определения количества связующего и направления углеродных нитей однослойных композиционных материалов в авиационной промышленности.

Известен способ определения параметров листовых диэлектрических материалов, при котором облучают контролируемый слой плоской электромагнитной волной переменной частоты, принимают отраженное излучение и регистрируют разность частот при экстремальных одноименных значениях отраженной волны, накладывают на контролируемый образец аналогичный материал известной толщины, повторяют указанные операции и регистрируют новую разнос ь между частотами. По измеренным значениям разности частот и известной тол„„512 1742687 А1 ства связующего и направления углеродных нитей однослойных композиционных материалов. Цель изобретения — повышение точности и обеспечение контроля направления углеродных нитей. Изобретение позволяет с высокой точностью контролировать параметры композиционных материалов за счет приема как отраженной, так и прошедшей

СВЧ-волны, осуществления двухкратного взаимодействия каждой из волн с контролируемым материалом при двух взаимно ортогональных состояниях поляризации и определения параметров контролируемого материала по поляризационным характеристикам суммарной СВЧ-волны, полученной в результате смешивания. двух СВЧ-волн после повторного взаимодействия с контролищине наложенного слоя определяют параметры контролируемого материала.

Однако данный способ трудоемок, так как требуется провести измерения два раза и при этом необходима пластина известной толщины, изготовленная из того же материала, что и контролируемый слой. Кроме того, наличие неизбежного воздушного зазора между пластиной и контролируемым слоем ведет к значительной погрешности контроля, Известный способ не позволяет контролировать направления углеродных нитей композиционных материалов и, кроме того, накладывает жесткие ограничения на взаимную ориентацию плоскости поляризации зондирующей волны, направление углеродных волокон, контролируемого материала и эталонной пластины.

Известен также способ измерения параметров диэлектрических материалов, ре1742687

10 ализуемый устройством для измерения диэлектрической проницаемости веществ, основанный на облучении контролируемого материала линейно поляризованной СВЧволной, разделении волны до взаимодействия с контролируемым материалом на две о ртогонал ь но-поля риза ван н ые составля ющие, прапускании одной из них через контролируемый материал, смешивании провзаимодействующей и опорной составляющих в одном канале и измерении эллипсометрических параметров суммарной

СВЧ-волны.

Недостатком известного способа является низкая точность при контроле параметров композиционных материалов на основе углеродных нитей, которая обусловлена тем, что согласно известному способу, осуществляется только однократное взаимодействие и только одной ортогонально поляризованной составляющей с контролируемым материалом. Кроме того, согласно известному способу, нельзя обеспечить одновременно оптимальные условия определения количества связующего и направления углеродных нитей, поскольку для этого необходимо проводить измерения при различной взаимной ориентации плоскости поляризации зондирующей волны и направления углеродных нитей.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ определения параметров диэлектрических слоев на основе композитов, включающий облучение под углом контролируемого материала линейно поляризованной электромагнитной волной, прием отраженной электромагнитной волны, измерение ее эллипсометрических параметров и решение обратной задачи эллипсометрии численными методами с помощью основного уравнения эллипсометрии, связывающего измеряемые эллипсометрические параметры отраженной волны с диэлектрической проницаемостью и толщиной контролируемого материала при заданных значениях угла падения и длины волны, Недостатком известного способа является низкая точность измерений.

Известный способ не позволяет контролировать направления углеродных нитей.

Для контроля параметров рассматриваемого композиционного материала плоскость поляризации зондирующей волны должна быть перпендикулярна направлениям углеродных нитей. Любые отклонения плоскости поляризации зондирующей волны или направления углеродных нитей от заданного значения проводят к недопустимо боль- шой погрешности измерений, поскольку в

55 этом случае адекватный анализ контролируемого материала может быть выполнен только на основе многослойной модели вместо однослойной, что требует проведения целого ряда эллипсометрических измерений при различных углах падения и приводит к значительным трудностям при решении обратной задачи, Крометого, прошедшая через контролируемый материал часть СВЧ-волны не используется, а вся информация, которая могла бы быть получена в результате ее приема и обработки, теряется то, что снижает возможности и точность известного способа.

Цель изобретения — повышение точности и обеспечение контроля направления углеродных нитей композиционных материалов.

Поставленная цель достигается тем, что по известному способу, включающему облучение под углом контролируемого материала линейно поляризованной СВЧ-волной, прием взаимодействующей волны и измерение ее эллипсометрических параметров, плоскость поляризации зондирующей волны устанавливают под углом 45 к направлению углеродных нитей, в качестве провзаимодействующей волны одновременно принимают прошедшую и отраженные волны, затем изменяют их плоскость поляризации на 90, и направление на 180, повторно облучают контролируемый материал, принимают обе волны и суммируют их, а контроль направления углеродных нитей ведут по азимуту суммарной волны, Сущность предлагаемого способа состоит в том, что однослойный композиционный материал на основе углеродных нитей может быть адекватно описан с помощью следующей модели; однородный диэлектрический слой связующего, на одной из сторон которого расположена поляризационная решетка в виде параллельных углеродных нитей, Технологически указанные материалы формируются путем односторонней пропитки полотна из параллельных углеродных волокон жидким диэлектрическим связующим, При облучении такой структуры, линейно поляризованной под углом 45 к направлению углеродных нитей СВЧ-волной, происходит разделение зондирующей

СВЧ-волны на две ортогонально поляризованные составляющие равной интенсивности. Составляющая, поляризованная параллельно направлению углеродных волокон, практически полностью отражается оТ решетки, а составляющая, поляризованная перпендикулярно углеродным нитям, проходит через решетку и контролируемый

1742687

20

30 слой связующего. После поворота плоскости поляризации на 90 отраженной и прошедшей составляющих и изменения направления их распространения на 180 осуществляется их повторное взаимодействие с контролируемым материалом. Смеши-. вание повторно провзаимодействующих составляющих в одном канале приводит к формированию эллиптически поляризованной СВЧ-волны, причем ее эллиптичность определяется главным образом разностью фаз ортогонально поляризованных составляющих, а азимут — соотношением их амплитуд. Фазовый сдвиг между составляющими для рассматриваемого класса композитов зависит от толщины или количества связующего, а соотношение амплитуд в основном определяется углом между плоскостью поляризации зондирующей волны и направлением углеродных волокон.

На чертеже показана блок-схема устройства, реализующего заявленный способ.

Устройство содержит генератор 1 электромагнитного излучения, поляризатор 2, контролируемый образец 3, первый 4 и второй 5 вращатели плоскости поляризации на

90., блок 6 измерения эллипсометрических параметров и блок 7 обработки.

Способ осуществляется следующим образом.

Контролируемый материал облучают под углом линейно поляризованной СВЧволной, плоскость поляризации которой составляет 45 с направлением углеродных волокон. Заданное направление плоскости поляризации СВЧ-волны, генерируемой генератором 1, устанавливается с помощью поляризатора 2. При падении зондирующей волны на контролируемый образец 3 происходит разделение волны на две ортогонально поляризованные составляющие, одна ий которых отражается, а другая проходит че,рез контролируемый образец, Отраженная составляющая попадает в первый 4, а прошедшая во второй 5 вращатели плоскости поляризации на 90О, которые выполнены на основе уголковых отражателей. Во вращателях 4 и 5 плоскости поляризации происходит изменение направления распространения волны на 180 и поворот ее плоскости поляризации на 90О. После этого отраженная и прошедшая СВЧ-волны

50 повторно взаимодействуют с контролируемым материалом, причем прошедшая в первый раз волна отражается от углеродных волокон, а отраженная в первом случае проходит через них. После повторного взаимо. действия обе волны смешиваются в одном канале блока 6 измерения эллипсометрических параметров, где формируется эллиптически поляризованная волна и измеряются ее эллиптичность и азимут. Блок 6 измерения эллипсометрических параметров выполнен по известной схеме на .основе модернизированных узлов автоматического

СВЧ-эллипсометра. Полученные значения эллипсометрических параметров поступают на блок 7 обработки, выполненный на основе вычислительного управляющего устройства К1-20, в котором по известным зависимостям для заданных типов композитов осуществляется расчет их параметров

Использование предлагаемого способа обеспечивает более высокую точность измерений за счет регистрации как прошедшей, так и отраженной СВЧ-воны, их двухкратного взаимодействия с контролируемым материалом и определения контролируемых параметров по эллипсометрическим параметрам суммарной СВЧ-волны, формируемой в результате смешивания прошедшей и отражен ной соста вл я ющих.

Формула изобретения

Способ контроля параметров композиционных материалов на основе углеродных нитей, заключающийся в облучении под углом контролируемого материала линейно поляризованной СВЧ-волной, приеме провзаимодействующей волны и измерении ее эллипсометрических параметров, по которым производят контроль, о т л и ч а ю щ ий с я тем. что, с целью повышения точности и обеспечения контроля направления углеродных нитей, плоскость поляризации СВЧволны устанавливают под углом 45 к направлению углеродных нитей, в качестве провзаимодействующей волны одновременно принимают прошедшую и отраженную волны, затем изменяют их плоскость о 3 поляризации на 90 и направление на 180, повторно облучают контролируемый материал, принимают обе волны и суммируют их, а контроль направления углеродных нитей ведут по азимуту суммарной волны, 1742687

Составитель С.Тихонович

Редактор Л.Гратилло Техред М.Моргентал Корректор Э.Лончакова

Заказ 2279 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при.ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101