Способ контроля количества связующего в композиционных материалах на основе углеродных нитей

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в авиационной промышленности для определения количества связующего в однослойных композиционных материалах на основе углеродных нитей. Сущность изобретения: изобретение позволяет с высокой точностью контролировать количества связующего в композиционных материалах на основе углеродных нитей за счет приема как прошедшей, так и отраженной СВЧ-волны, осуществление трехкратного взаимодействия одной из составляющих с контактируемым материалом при различных состояниях поляризации и определения количества связующего по эллиптичности суммарной СВЧ-волны, полученной в результате смешивания прошедшей и отраженной составляющих. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (505 . G 01 М 22/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (cocnATEHT сссР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4863712/09 (22) 04.09.90 (46) 23.02.93, Бюл. N. 7 (71) Институт прикладной физики АН БССР (72) С.А.Тиханович (56) Авторское свидетельство СССР

N 1742687, кл. G 01 N 22/00, 1990, (54) СПОСОБ КОНТРОЛЯ КОЛИЧЕСТВА

СВЯЗУЮЩЕГО В КОМПОЗИЦИОННЫХ

МАТЕРИАЛАХ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ

НИТЕЙ (57) Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в авиационной промышленности для определения количества связуюИзобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть использовано для определения количества связующего или толщины композиционных материалов на основе углеродных нитей в авиационной промышленности.

Известен способ измерения дизлектри. ческой проницаемости веществ, при котором облучают контролируемый материал двумя поляризованными электромагнитными волнами. различной частоты, разделяют каждую волну на ортогонально-поляризованные составляющие до взаимодействия с исследуемым материалом, одну из составляющих каждой из волн пропускают через контролируемый материал, смешивают обе составляющие каждой из волн, измеряют величину зллиптичности каждой волны и определяют разность их зллиптичностью, по которой судят о диэлектрической проницаемости или толщине контролируемого мате. Ж, 1797025 А1 щего в однослойных композиционных материалах на основе углеродных нитей. Сущность изобретения; изобретение позволяет с высокой точностью контролировать количества связующего в композиционных материалах на основе углеродных нитей за счет приема как прошедшей, так и отраженной

СВЧ-волны, осуществление трехкратного взаимодействия одной из составляющих с контэктируемым материалом при различных состояниях поляризации и определения количества связующего по зллиптичности суммарной СВЧ-волны, полученной в результате смешивания прошедшей и отраженной составляющих; 1 ил. риала. Основным недостатком известного способа является низкая точность при контроле слоев малой толщины, обусловленная 2 тем, что фазовый сдвиг составляющей прошедшей через контролируемый материал относительно опорной в результате однократного прохождения через контролируемый слой составляет единицы или доли градусов. Кроме того, частотно-временная . М нестабильность источников излучения при- (, 3 водит к дополнительной погрешности изме- Я рений. Следует также отметить, что (Д согласно известному способу, облучение контролируемого материала осуществляется ортогонально поляризованными волнами различной частоты, что не позволяет использовать известный способ для контроля анизотропных материалов, в частности, композитов на основе углеродных нитей.

Известен способ измерения параметров диэлектрических материалов, основан1797025

50

55 ный на облучении контролируемого материала линейно поляризованной СВЧ-волной, разделении волны до взаимодействия с контролируемым материалом на две ортогонально-поляризованные составляющие, пропускании одной из них через контролируемый материал, смешивании провзаимодействовавшей и опорной составляющих в одном канале и измерении эллипсометрических параметров суммарной СВЧ-волны.

Основным недостатком известного способа является низкая точность при контроле композитов малой толщины. Низкая точность обусловлена тем, что согласно известному способу осуществляется только однократное взаимодействие и только одной поляризованной составляющей с контролируемым материалом, Уменьшение длины волны зондирующего излучения, хотя и приводит к увеличению чувствительности известного метода, однако позволяет повысить точность контроля параметров композитов, поскольку в этом случае с ущественное влияние на результаты контроля оказывает шероховатость поверхности компоэита.

Из известных способов наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ контроля количества связующего в композиционных материалах, заключающийся в облучении под углом контрОлируемого материала линейно-поляризованной СВЧ-волной, плоскость поляризации которой устанавливается под углом 45 к направлению углеродных нитей, одновременном приеме прошедшей и отраженной волн, изменении их плоскости поляризации на 90 и направления распространения на 180, повторном облучении контролируемого материала, приеме обеих волн и их суммировании, измерении эллипсометрических параметров, по величине которых судят о количестве связующего. Основным недостатком известного способа является низкая точность измерений, обусловленная следующими причинами. Во-первых, вследствие того, с контролируемым материалом дважды взаимодействует как составляющая поляризованная в плоскости падения, так и составляющая поляризованная в плоскости перпендикулярной плоскости падения, относительный фазовый сдвиг между ними, величина которого определяется количеством связующего будет всегда меньше, чем в случае однократного взаимодействия с контролируемым материалом одной составляющей, и многократного взаимодействия другой составляющей. Во-вторых, известный способ предназначен для контроля количества связующего в однослойных композиционных материалах на основе углеродных нитей только при односторонней пропитке или нанесении связующего. B случае двухсторонней пропитки связующим углеродных нитей контролируемый материал можно моделировать как однородный слой связующего в середине которого расположены углеродные волокна. Известный способ практически не применим для контроля таких материалов из-за очень низкой чувствительности и точности измерений, поскольку фазовые сдвиги обеих составляющих в этом случае практически равны, а относительный фазовый сдвиг обеих составляющих близок к нулю. Поскольку на практике даже при односторонней пропитке часть связующего неизбежно попадает на другую сторону углеродного волокна точность измерений известным способом может оказаться недопустимо низкой, поскольку она пропорциональна разности количества связующего по обе стороны углеродного волокна.

Цель изобретения — повышение точности контроля количества связующего в композиционных материалах на основе углеродных нитей.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе включающем облучения под углом контролируемого материала линейно поляризованный под углом 45 к направлению углеродных нитей СВЧ-волной, одновременный прием прошедшей и отраженной волн, изменение плоскости поляризации на 90 и направления распространения на 180 отраженной волны, согласно изобретению изменяют плоскость поляризации на 90 и направление распространения на 180 отраженной волны после повторного взаимодействия с контролируемым материалом, дополнительно облучают контролируемый материал отраженной волной, смешивают прошедшую и многократно провзаимодействовавшую волны в одном канале, а о количестве связующего судят по величине эллиптичности суммарной волны.

Сопоставительный анализ заявленного технического решения с прототипом показывает, что заявленный способ отличается от известного тем, что изменяют плоскость поляризации на 90 и направление распространения на 180 отраженной волны после повторного взаимодействия с контролируемым материалом, дополнительно облучают контролируемый материал отраженной волной, смешивают прошедшую и многократно отраженную волны. Предлагаемый способ позволяет повысить точность измерений по следующим причинам. Во-первых, вследствие многократного взаимодействия только

1797025

20 под углом линейно поляризованной СВЧ- 40 волной, плоскость поляризации которой со- одной составляющей СВЧ-волны с контролируемым материалом, относительный фазовый сдвиг в заявленном техническом решении в два раза больше, чем в прототипе, что в свою очередь позволяет приблизительно в два раза увеличить точность измерений композитов в односторонней пропиткой. Во-вторых, чувствительность и точность измерений заявленным способом не зависит от разности количества связующего по обе стороны от углеродного полотна, что позволяет дополнительно увеличить точность измерений за счет регистрации связующего с обеих сторон углеродных нитей, В-третьих, заявленный способ позволяет в отличие от прототипа контролировать количество связующего в композитах с двухсторонней пропиткой.

На чертеже показана блок схема устройства, реализующего заявленный способ.

Устройство содержит последовательно уста новле нн ые генератор электромагнитного излучения 1, поляризатор 2, контролируемый образец 3, первый 4 и второй 5 вращатели плоскости поляризации на 90, установленные по обе стороны контролируемого образца, последовательно соединенные блок измерения эллипсометрических параметров 6 и блок обработки 7. Блок из. мерения эллипсометрических параметров 6 установлен с обратной стороны контролируемого материала 3 таким образом, что СВЧволна с выхода поляризатора 2 после прохождения контролируемого слоя 3 поступает на его вход, Способ осуществляется следующим образом.

Контролируемый материал облучают ставляет 45 с направлением углеродных волокон. Заданное направление плоскости поляризации СВЧ волны, генерируемой генератором СВЧ 1, устанавливается с помощью поляризатора 2. При падении зондирующей волны на контролируемый материал 3 происходит разделение волны на две ортогонально-поляризованные составляющие, одна из которых отражается, а другая проходит через контролируемый материал.

Отраженная от углеродных нитей контролируемого материала составляющая

СВЧ-волны, поляризованная параллельно углеродным нитям попадает в первый вращатель 4 плоскости поляризации на 90 .

Первый 4 и второй 5 вращатели плоскости поляризации выполнены на основе уголковых отражателей. Во вращателе плоскости поляризации 4 происходит изменение направления распространения волны на 180 и поворот ее плоскости поляризации на 90 .

После вращателя 4 СВЧ-волна повторно направляется на контролируемый участок образца, и вследствие того, что плоскость ее поляризации составляет 90 с направлением углеродных нитей, практически полностью проходит через контролируемый материал 3 и попадает so второй вращатель

5 плоскости поляризации на 90 . Во вращателе 5 также осуществляется поворот плоскости поляризации волны на 90 и изменение направления ее распространения на 180, после чего СВЧ-волна снова направляется на контролируемый участок материала с обратной стороны. Поскольку плоскость поляризации СВЧ-волны выходящей из вращателя плоскости поляризации 5 параллельна направлениям углеродных нитей контролируемого композита, то .она практически полностью отражается от контролируемого материала и поступает на вход блока измерения эллипсометрических параметров 6. На вход блока 6 поступает также ортогонально-поляризованная составляющая зондирующей волны прошедшая через контролируемый материал. Обе составляющие смешиваются в одном канале блока измерения эллипсометрических параметров 6, где формируется эллиптически поляризованная волна и измеряется ее эллиптичность. Блок измерения эллипсометрических параметров 6 выполнен по известной схеме на основе модернизированных узлов автоматического

СВЧ-эллипсометра. Полученные значения эллиптичности поступают на блок обработки 7, выполненной нэ основе вычислительного управляющего устройства К1-20, в котором по известным зависимостям для заданных типов композитов и марки связующего осуществляется расчет количества связующего.

Использование предлагаемого способа по сравнению с существующими аналогами и прототипом обеспечивает более высокую точность измерений эа счет регистрации как отраженной, так и прошедшей составляющих СВЧ-волны, многократного взаимодействия только одной из составляющих с контролируемым участком материала, смешивания многократно провэаимодействовавшей волны с прошедшей СВЧ-волной.

1797025

Формула изобретения

Составитель С.Тиханович

Техред M,Ìoðãåíòàë Корректор M,Ìàêñèìèøèíåö

Редактор Т.Шагова

Заказ 649 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

Способ контроля количества связующего в композиционных материалах на основе углеродных нитей, заключающийся в облуении под углом контролируемого материала линейно-поляризованной под углом 45 к направлению углеродных нитей СВЧ-волной, одновременном приеме прошедшей и отраженной волн, изменение плоскости поляризации на 90 и направления распространения на 180 отраженной волны, приеме ее, а о количестве связующего судят по величине зллиптичности суммарной волны, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности контроля, дополнительно из5 меняют плоскость поляризации на 90 и направление распространения на 180 отраженной волны после поворотного взаимодействия с контролируемым материалом, облучают ею контролируемый материал, 10 суммарную волну получают суммированием прошедшей и многократно провзаимодействовавшей отраженной волны.