Способ определения структурного состояния волоконно-полимерного композиционного материала

Изобретение может быть использовано для контроля качества композиционного материала при его изготовлении и контроля его структурного состояния при эксплуатации. Способ определения структурного состояния волоконно-полимерного композиционного материала заключается в том, что вдоль волоконных нитей материала, ориентированных параллельно и пропитанных термопластиком с наполнителем, по их середине устанавливают измерительный чувствительный элемент, полученную неотвержденную матрицу композиционного материала вакуумируют, нагревают до заданной температуры и выдерживают при этой температуре до времени полного отверждения композиционного материала. Между волоконными нитями укладывают как минимум еще два дополнительных измерительных чувствительных элемента, располагая их по разные стороны от первого и на равных расстояниях от него. Каждый из трех чувствительных элементов выполняют из углеродных нитей диаметром, не превышающим диаметр волоконных нитей основы материала. Измеряют электрическое сопротивление углеродных нитей в процессе цикла отверждения материала и/или в процессе эксплуатации материала, а по показателю максимального стабилизированного значения относительного сопротивления этих нитей судят о структурном состоянии волоконно-полимерного композиционного материала, при этом показатель стабилизированного значения относительного сопротивления это отношение ΔR к R₀, выраженное в процентах, где ΔR=R₀-R_тек, R_тек это текущее электрическое сопротивление углеродной нити, a R₀ - электрическое сопротивление углеродной нити при Т=20°С. Изобретение обеспечивает высокие достоверность и точность. 1 ил.

 

Изобретение относится к области неразрушающего контроля, в частности к двойным технологиям, а именно контроля качества при создании волоконно-полимерного композиционного материала, получаемого в намоточном производстве, и контроля его структурного состояния при эксплуатации этого материала за счет встроенного измерительного чувствительного элемента в структуру материала, и может быть использовано в системах жизнедеятельности, сосудах давления, обшивках планеров, пожаротушения, антиобледенения ракетно-космической, авиационной, машиностроительной техники и др. отраслях.

Известны способы определения структурного состояния волоконно-полимерного композиционного материала, заключающиеся в том, что прядь синтетических волоконных нитей, ориентированных параллельно и пропитанных компаундом с наполнителем вакууммируют, нагревают до заданной температуры и выдерживают при этой температуре во времени до получения отвержденного состояния материала, а степень полимеризации материала определяют на экспериментальных образцах с помощью характерных точек зависимости электрического сопротивления отвержденного материала от времени термообработки [Сосуды давления из композиционных материалов в конструкциях летательных аппаратов. - М.: ЦНИИ информации, 1085. C.1.121-129, аналог прилагается].

Недостатками этих способов являются чрезвычайно большая трудоемкость и дороговизна изготовления и неопределенность определения качества полученного методом намотки материала. Структурное состояние материала оценивается по величине предела прочности, полученной от сравнения экспериментальных образцов, причем технологические параметры и режимы полимеризации получения материала назначаются приближенно, что снижает достоверность и точность определения качества структуры отвержденного материала.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому способу представляется способ определения структурного состояния волоконно-полимерного композиционного материала, заключающийся в том, что в волоконные синтетические нити, ориентированные параллельно друг другу и пропитанные термопластиком с наполнителем, устанавливают вдоль нитей измерительный чувствительный элемент в виде сердцевины оптического волокна (оптическое волокно без оболочки), а полученную неотвержденную матрицу композиционного материала вакууммируют, нагревают до заданной температуры и выдерживают при ней до времени полного отверждения материала, а в течение времени температурной выдержки измеряют чувствительным элементом световой поток в сердцевине, по интенсивности которого судят о структурном состоянии материала [Kuang S.C., Canwell W.J. In situ process monitoring of a thermoplastic-based fibre comprosite optikal fidre sensors // Smart Materials and Struktures. - 2002. - V.11. - №10.-Р.840-847, реферат на русском языке и текст статьи на англ. языке прилагаются].

Физика контроля светового потока заключается в том, что коэффициент преломления сердцевины оптического волокна выбирают ниже того же коэффициента композиционного материала. При совместном их нагреве коэффициент исследуемого материала преломления уменьшается, что вызывает увеличение светового потока сердцевины.

Недостатком способа является низкая достоверность и точность определения качества структуры материала, поскольку значение температуры выдержки при отверждении материала вызывает нелинейное изменение светового потока из-за наличия в нем остаточных воздушных пузырей и влаги в них, при этом световой поток даже в отсутствие пузырей и влаги по мере его прохождения вдоль сердцевины будет рассеиваться по структуре материала из-за того, что чувствительный элемент (сердцевина) выполнен без оболочки. Оптическое волокно в оболочке применять нельзя, так как она нарушит структуру, которая вызовет снижение механических свойств композиционного материала.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что в способе определения структурного состояния волоконно-полимерного композиционного материала, заключающийся в том, что в волоконные нити материала, ориентированные параллельно и пропитанные термопластиком с наполнителем, устанавливают вдоль нитей по их середине измерительный чувствительный элемент, а полученную неотвержденную матрицу композиционного материала вакуумируют, нагревают до заданной температуры и выдерживают при этой температуре до времени полного отверждения материала, а в течение времени температурной выдержки измеряют чувствительным элементом физический параметр материала, характеризующий его качество, между волоконными нитями укладывают как минимум еще два дополнительных измерительных чувствительных элемента, располагают их по разные стороны от первого и на равных расстояниях от него, при этом каждый из трех чувствительных элементов выполняют из углеродных нитей диаметром, не превышающим диаметр волоконных нитей основы материала, измеряют электрическое сопротивление углеродных нитей в процессе цикла отверждения материала и по измеренным значениям электрических сопротивлений углеродных нитей судят о структурном состоянии волоконно-полимерного композиционного материала, причем процедуру определения и оценки качества материала осуществляют и в процессе эксплуатации материала.

Техническим преимуществом изобретения являются высокие достоверность и точность определения структурного состояния композиционного материала вследствие использования не менее трех измерительных чувствительных элемента по ширине намотанного листового материала, уложенных навсегда в структуру материала, а следовательно, обеспечивающих контроль текущего состояния материала при его изготовлении и при эксплуатации, что дает основание называть предложенный способ двойного назначения.

На чертеже показана экспериментальная зависимость относительного изменения электрического сопротивления ΔR/R₀, % углеродной нити в процентах от времени выдержки Т, мин отверждения материала, где ΔR=R₀-R_тек; R_тек - текущее электрическое сопротивление углеродной нити; R₀ - электрическое сопротивление углеродной нити при Т=20°С.

Из чертежа видно, что для, например, лавсановых нитей со связующим типа эпоксидной, полиимидной или другой смолы с наполнителем в виде гранулированной углеродной крошки или кварцевого песка и углеродных нитей величина заданной температуры вакууммной печи равняется приблизительно около 180...200°С. Время выдержки температуры отверждения материала как видно из графика не превышает 90...100 мин. За это время, можно утверждать, устраняются воздушные пузыри и испаряется из них влага, чему свидетельствует стабильно линейная зависимость графика.

Из чертежа видно, что уменьшение относительного электрического сопротивления вызвано тем, что коэффициент линейного температурного расширения углеродной нити отрицательный. Затем по мере сцепления углеродной нити с полимерным связующим, обладающим положительным коэффициентом линейного температурного расширения, относительное электрическое сопротивление начинает увеличиваться. На конечное относительное электрическое сопротивление влияют: величины остаточных механических напряжений; количество пор, влаги и т.д., что характеризует качество материала.

Углеродные нити укладывают в основу материала, и они должны быть по диаметру соизмеримы друг с другом и с лавсановыми нитями основы. Это условие обеспечивает монолитность, эластичность материалу с лавсановой прядью волокон, пропитанной эпоксидными, полиимидными смолами с наполнителями типа углеродных крошек, кварцевого песка с грануляцией не более десяти - сотни мкм, а главное присутствие углеродных нитей в материале не ухудшает его механические свойства, а наоборот, улучшает механические свойства отвержденного материала.

Ранее нами были проведены эксперименты по электрической проводимости компаундов. Наполняли связующую смесь с мелкими опилками стали, углеродной крошки, кварцевого песка. При измерении электрической проводимости этих отвержденных смесей во всех случаях электрическая проводимость была прежней, как и без наполнителей!

Вакуум в печи создают умеренный (порядка 130·10^-1 Па) для того, чтобы исключить попадание в материал инородных частиц, имеющихся в окружающей среде полости печи, а также летучих продуктов и паров растворителей, входящих в состав связующего. Температуру в вакуумной печи поднимают до значений от 180...200°С в зависимости от используемого связующего, т.е. смол, которые имеют разброс по максимальной температуре отверждения. При увеличении температуры или времени температурной выдержки выше указанных в материале начинаются процессы испарения связующего, приводящие к рыхлению материала и потере прочности. Абсолютным показателем отвержденного состояния материала является наибольшая величина R_тек текущего электрического сопротивления углеродной нити.

Действие способа

В параллельно ориентированные волоконные, например лавсановые, нити композиционного материала, пропитанные термопластиком с наполнителем, укладывают вдоль волоконных нитей между ними не менее трех углеродных нитей, равноотстоящих друг от друга. Полученную композиционную матрицу вакууммируют, нагревают до заданной температуры, зависящей от связующего компонента, выдерживают матрицу при этой температуре до времени полного отверждения материала, измеряют электрическое сопротивление каждой углеродной нити в течение времени отверждения и по изменению величины электрического сопротивления судят о структурном состоянии отвержденного материала. Критерием оценки качества структуры материала является наибольшее текущее, но стабилизированное электрическое сопротивление углеродной нити.

Техническим преимуществом изобретения является двойное использование предложенного способа, позволяющего обеспечить высокие достоверность и точность определения структурного состояния композиционного материала вследствие использования не менее трех измерительных чувствительных элементов, уложенных навсегда по ширине намотанного листового материала в виде углеродных нитей, а следовательно, обеспечивающих контроль текущего состояния материала при его изготовлении, и при его эксплуатации, что дает основание называть предложенный способ двойного назначения.

Способ определения структурного состояния волоконно-полимерного композиционного материала, заключающийся в том, что вдоль волоконных нитей материала, ориентированных параллельно и пропитанных термопластиком с наполнителем, по их середине устанавливают измерительный чувствительный элемент, полученную неотвержденную матрицу композиционного материала вакуумируют, нагревают до заданной температуры и выдерживают при этой температуре до времени полного отверждения композиционного материала, отличающийся тем, что между волоконными нитями укладывают как минимум еще два дополнительных измерительных чувствительных элемента, располагают их по разные стороны от первого и на равных расстояниях от него, при этом каждый из трех чувствительных элементов выполняют из углеродных нитей диаметром, не превышающим диаметр волоконных нитей основы материала, измеряют электрическое сопротивление углеродных нитей в процессе цикла отверждения материала и/или в процессе эксплуатации материала, а по показателю максимального стабилизированного значения относительного сопротивления этих нитей судят о структурном состоянии волоконно-полимерного композиционного материала, при этом показатель стабилизированного значения относительного сопротивления - это отношение ΔR к R₀, выраженное в процентах, где ΔR=R₀-R_тек, R_тек - это текущее электрическое сопротивление углеродной нити, а R₀ - электрическое сопротивление углеродной нити при Т=20°С.