Устройство 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. Устройство определения структурного состояния волоконно-полимерного композиционного материала содержит испытуемое изделие в виде намоточной ленты из синтетических волокон, ориентированных параллельно и пропитанных компаундом с наполнителем, линейный измерительный преобразователь, внедренный в структуру материала изделия вдоль его волокон и размещенный по середине волокон пряди волоконных нитей, вакуумную печь. В устройство дополнительно введены как минимум еще два линейных измерительных преобразователя, расположенных по разные стороны от первого и на равных расстояниях от него по ширине изделия. Чувствительные элементы каждого из трех преобразователей выполнены из углеродных нитей, соизмеримых по диаметру синтетическим волокнам. Цепи чувствительных элементов каждого линейного измерительного преобразователя последовательно присоединены к входам и выходам омметра. Изобретение обеспечивает высокие достоверность и точность измерений. 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, для пожаротушения, антиобледенения, ракетно-космической, авиационной, машиностроительной техники и в др. отраслях.

Известны устройства определения структурного состояния волоконно-полимерного композиционного материала, содержащие композиционную матрицу в виде пряди синтетических волоконных нитей, ориентированных параллельно и пропитанных компаундом с наполнителем, измерительный чувствительный элемент, установленный в структуре материала, вакууммированную печь и регистратор [Сосуды давления из композиционных материалов в конструкциях летательных аппаратов. - М.: ЦНИИ информации, 1085. C.1, 121-129, аналог прилагается].

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

Наиболее близким техническим решением к заявляемому представляется устройство определения структурного состояния волоконно-полимерного композиционного материала, содержащее волоконные синтетические нити, ориентированные параллельно друг другу и пропитанные термопластиком с наполнителем, измерительный чувствительный элемент в виде сердцевины оптического волокна (оптическое волокно без оболочки), установленной вдоль волокон основы материала, вакууммированную печь и регистратор [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 английском 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 устройства 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 устройстве определения структурного состояния волоконно-полимерного композиционного материала, содержащем испытуемое изделие в виде намоточной ленты из синтетических волокон, ориентированных параллельно и пропитанных компаундом с наполнителем, линейный измерительный преобразователь, внедренный в структуру материала изделия вдоль их волокон и размещенный по середине волокон пряди волоконных нитей, вакуумную печь и регистратор, введены как минимум еще два дополнительных линейных измерительных преобразователя, расположенных по разные стороны от первого и на равных расстояниях от него по ширине изделия, при этом чувствительные элементы каждого из трех преобразователей выполнены из углеродных нитей, соизмеримых по диаметру синтетическим волокнам.

Техническим преимуществом изобретения является высокие достоверность и точность определения структурного состояния композиционного материала вследствие использования не менее трех измерительных чувствительных элементов по ширине намотанного листового материала, уложенных навсегда в структуру материала, а следовательно, обеспечивающих контроль текущего состояния материала при его изготовлении и при эксплуатации.

На чертеже показана блок схема устройства.

Схема содержит образец 1 из волоконно-полимерного композиционного материала, вакуумную печь 5, в которой размещен образец 1, измерительные чувствительные элементы 2, 3, 4 в виде углеродных нитей и регистратор 6, к входам и выходам которого присоединены последовательно цепи чувствительных элементов 2-4. Элементы 2-4 расположены по ширине образца симметрично и равноудалены друг от друга с тем, чтобы была возможность для достоверности и объективности контроля поля образца 1 по его ширине.

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. Выше указанных значений температур их поднимать не следует, так как связующее может рыхлиться и разрушаться.

В качестве регистратора 6 может быть любой измерительный прибор, например омметр.

Работа устройства. В параллельно ориентированные волоконные нити композиционного материала, пропитанные термопластиком с наполнителем, укладывают вдоль волоконных нитей (между) 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 стабилизации величины относительного электрического сопротивления судят об отвержднении материала и его структурном состоянии. Подтверждением свидетельства стабилизации электрического сопротивления отвержденного материала служит отсутствие воздушных пузырей и влаги в отвержденном материале.

Техническим преимуществом изобретения является высокие достоверность и точность определения структурного состояния композиционного материала вследствие использования не менее трех измерительных чувствительных элементов по ширине намотанного листового материала, уложенных навсегда в структуру материала, а следовательно, обеспечивающих контроль текущего состояния материала при его изготовлении и при его эксплуатации.

Устройство определения структурного состояния волоконно-полимерного композиционного материала, содержащее испытуемое изделие в виде намоточной ленты из синтетических волокон, ориентированных параллельно и пропитанных компаундом с наполнителем, линейный измерительный преобразователь, внедренный в структуру материала изделия вдоль его волокон и размещенный посередине волокон пряди волоконных нитей, вакуумную печь, отличающееся тем, чтов устройство введены как минимум еще два дополнительных линейных измерительных преобразователя, расположенных по разные стороны от первого и на равных расстояниях от него по ширине изделия, при этом чувствительные элементы каждого из трех преобразователей выполнены из углеродных нитей, соизмеримых по диаметру синтетическим волокнам, цепи чувствительных элементов каждого линейного измерительного преобразователя последовательно присоединены к входам и выходам омметра.