Способ определения физико-химических характеристик листовых неметаллических композиционных материалов
О П И C А Н И Е (п)930093
ИЗОВРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
Союз Советсиик
Социалистичесниа
Республик (51) Дополнительное к авт. свнд-ву (51)М. Кд. (22) Заявлено 08. 10. 80 (23) 2995352/18-25 с присоелиненнеи заявки М
G 01 Й 27/22
9)вударстееаыб квинтет
СССР ав делан изабретеанй и вткрытнй (23) Приоритет
Опубликовано 23.05.82. Бюллетень М 19
Дата опубликования описания 23.05.82 (53) УЙ К 543. 275 ° .1 ° 08 (088. 8) (72) Авторы изобретения
В.В. Бурминов, В.И. Редько и В.П. Голо (71) Заявитель (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЗИКО-ХИНИЧЕСКИХ
ХАРАКТЕРИСТИК ЛИСТОВЫХ НЕИЕТАЛЛИЧЕСКИХ
КОМПОЗИЦИОННЫХ ИАТЕРИАЛОВ
Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам контроля качества листовых неметаллических композиционных материалов, точнее к способам определения их физико-химических характеристик, и может быть использовано в самолетостроении, судостроении, машиностроении и других областях народного хозяйства.
Для определения качества компози-. ционного материала в его технические условия входят так называемые- сдаточные параметры, каждый из которых определяется в отдельности по существующим нормативным документам.Причем вследствие того, что существующие разрушающие методы определения кажущейся плотности, содержания связующего, пористости предусматривают полное разрушение или сжигание образца, то повторить данное определен ние не представляется возможным и судить о достоверности данных измерений нельзя.
Известен способ определения одной иэ физико-химических характеристик неметаллического композиционного материала путем измерения одного иэ его электро-физических параметров и нахождения корреляционного уравнения связи между этими физико-химическими характеристиками и его электро-физическими свойства- ми, например определение содержания связующего на основе корреляционной связи между скоростью ультразвуковых колебаний и содержанием связую щего, определение пористости на основе корреляционной, связи между диэлектрической проницаемостью и пористостью и определение содержания связующего на основе корреляционной связи между диэлектрической проницаемостью и содержанием связующего 111.
Однако для нахождения корреляционной связи необходимы образцы неме3 93009 таллического композиционного материала с изменяющимся в заданных пределах контролируемом параметром (например, плотности) и постоянными другими параметрами (например содер- .S жание смолы в материале, его пористость), ыа практике трудно осуществимо.
Кроме того, в известном способе отсутствует комплексное определение 10 нескольких физико-химических характеристик.
Наиболее близким решением из известных является способ определения физико-химических характеристик 3S неметаллических композиционных материалов, заключающийся в измерении диэлектрической проницаемости,включающий измерение двух или более электро-физических свойств материала, 2О которые коррелируют с одной из его физико-химической характеристикой, находят корреляционное уравнение связи и по нему рассчитывают определенную физико-химическую характеристику.
Например, для стеклопластика на основе хаотического рубленого стекловолокна и фенолформальдегидного связующего был произведен анализ ста- ® тистической связи между пористостью материала и электро-физическим свойством, диэлектрической проницаемостью (Е ), На основе корреляционного анализа находят корреляционные уравнения. Для определения пористости материала должна быть измерена диэлектрическая проницаемость и по найденным уравнениям определяют искомую характеристику $2).
Хотя множественная корреляция существенно повышает надежность статистической связи по сравнению с единичной, однако этот способ имеет недостатки, заключающиеся в высокой
45 трудоемкости, так как требуется для нахождения корреляционных уравнений проводить обработку большего статистического массива, сложность изготовления образцов с одним изменяющимЯ ся параметром, в то время как другие должны быть постоянны, определении только одного из комплекса сдаточных параметров. (2) ЛААН с mÜ П М 9Vl н 9чн9чс (4) где д- кажущаяся плотность мате-, риала;
Цель изобретения — упрощение SS контроля физико-химических характеристик неметаллических композиционных материалов.
Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения физико-химических характеристик листовых композиционных материалов, основанном на измерении их электрофизических свойств, измеряют диэлектрическую проницаемость массы единичной площади наполнителя, толщину материала и по номограмме определяют комплекс физико-химических характеристик композиционного материала: кажущуюся плотность материала, содержание связующего, пористость.
Способ осуществляется следующим образом.
Для листового неметаллического композиционного материала можно составить уравнение объемного баланса (3) где - коэффициент заполнения н единицы объема неметаллического композиционного материала наполнителем;
1- коэффициент заполнения с единицы объема неметаллического композиционньго материала, связующим; "Р пОристость кОмпОзициОННО го материала и уравнение весовогб баланса. где щ — масса материала в единице
М объема; п1 - масса наполнителя в единиН це объема;
m - масса связующего в единице с объема;
m - масса воздуха в единице
Ь объема.
Считая m+w0, уравнение (2) имеет следующий вид:
М Н С (3)
Массу единичного объема композиционного материала, а также его составляющих можно представить следующим образом
930093 6 напол- физико-химическими характеристиками, т.е. на номограмме можно построить свя- семейство изолиний диэлектрической проницаемости. Изиеряя диэлектривид S ческую проницаемость и, определив кажущуюся плотность наполнителя пу(5) тем изиерения массы 1 м „наполнителя и толщину материала, можно найти точку на номограмме, характери10 зующуюся также комплексом физико-химических характеристик композиционного материала(РЧтКм,См (), На чертеже приведены номограммы связующей кажущуюся плотность, со1S держание связующего и пористость композицибнного материала. 1
В выбранном масштабе строится
happ (" + PV1 P PQcl квадрат, одна сторона которого Тбк) равна плотности одной из компонент трехкомпонентного коипозиционного материала с максимальной плотностью.
В-предлагаемом конкретном случае — плотность наполнителя (стекла) 5
Я,н - кажущаяся плотность нителя; . 9@q - кажущаяся плотность зующего
Тогда уравнение (3) примет
9чм = Содержание связующего определяется уравнением где 1 Н вЂ” плотность наполнителя; 20 - плотность связующего. На основании уравнений (6) и (7), а также экспериментальных данных можно построить номограмму, связывающую физико-механические характеристики композиционных материалов в координ та" 9vМi Рчнi Смi Ьср Однако между кажущейся плотностью наполнителя и толщиной листового материала существует взаимосвязь, поясняющая следующими выкладками. .Кажущаяся плотность наполнителя Р = VIN Чн (8) Я,= 2,5 r/ñì3 2. масса 1 см одного слоя наполнителя; объем наполнителя. наполнителя где m Vk Объем а0 )с- 1,4 г/см (9) 2 где $ = 1 см - единичная площадь листового материала 11 — толщина одного слоя наполнителя. Подставляя (9) в (8) получаем Линия бм — линия двухкомпонентного материала: связующее - воздуххарактеризует изменение его плотности от 0 до 1,4 г/си . Проводится линия mg, которая характеризует изменение плотности двухкомпонентного материала связуюS0 щее - наполнитель от 1,4 г/см (1003 связующего, ОФ наполнителя) до 2,5 г/см (1003 наполнителя, 0 связующего). Проводится линия бд, которая характеризует изменение плотности двухкомпонентного материала наполнитель - воздух от 2,5 г/см (1004 наполнителя, 0l пористости) до м чн $Ь (10) 9Ус 1003 РчМ Ре< 10® (6) Pve Pv> На основании (1), (2) и (3) пористость материала Каждая точка на номограмме,кроме физико-химических характеристик . может характеризоваться также электро-физическими (например диэлектрической проницаемостью), причем существует целый ряд точек, обладающих одной и той же диэлектрической проницаемостью но различными Другая сторона (Gc) e этом же масштабе — равна плотности всего маTep àï0 (чм Р В связи с тем, что при содержании наполнителя равном нулю и содержании связующего равном 1003 плотность материала (м) равна плотности связующего (0 ), то на стороне откладывается плотнЬсть второй компоненты (точка И) . В конкретном случае - плотность связующего (отвержденного бакелитового лака) 930093 7 0 г/ca (1004 пористости, О на полнителя). Треугольник бмд характеризует свойства трехкомпонентного материала "наполнитель-связующее-воздух" при различных соотношениях компонент. Пользуясь формулой (6), можно построить изолинии содержания связующего, выходящие. из точки А и 10 разбивающие линию сд на участки, соответствующие процентному содержайию связующего в выбранном масштабе. Задаваясь поочередно одним значением содержания связующего (С ) и различными значениями кажущейся плотности наполнителя (Pyp ),из формулы (6) можно найти значения кажущейся плотности материала(у ). Каждое из этих вычислений позволяет щ найти на диаграмме одну точку изолинии для заданного содержания связующего. Затем эти точки соединяются. Подобным образом строятся и другие изолинии содержания связующего,. которое может изменяться от 0 до 100 . Из формулы (6) видно, что в предельных случаях при pz = О С = 1003, при PYH Pvv"- ъсиС = ОФ ° Пользуясь формулой (7) можно построить изолинии пористости. Для этого преобразуется формула (7), учитывая, что pvc= ум- Рчн зз 4ор(p„>vs р,(Рнн- Р1н))"" Ж В формуле (8) р и р плотность наполнителя и связующего (табличные данные) P — — 2,5 г/см, р 1,4 г/см. 3. Задаваясь поочередно одним значением пористости () и различными значениями кажущейся плотности наполнителя (p ) из формулы (8) можно найти значения кажущейся плотности материала (pvhh).Каждое из этих вычислений позволяет найти на 50 номограмме одну точку изолинии пористости. Затем соединяются эти точки. Подобным образом строятся другие изолинии пористости, задаваясь ее различными значениями от О до 1003. Построение изолиний диэлектрической проницаемости производится аналогично. Для этого неразрушающими методами измеряется диэлектрическая проницаемость и две физико-химических характеристики (например Ру н и р н ) контролируемого материала. Эти измерения проводятся на большом количестве образцом. Затем из полученного массива данных выбираются данные образцов с одинаковой диэлектрической проницаемостью Г Я ) и различными физико-химическими характеристиками. Данные каждого из этих образцов позволяют по двум физико-хими,ческим характеристикам (p„ и pv„) по номограмме найти одну точку изоляции. Соединяя на диаграмме точки с одинаковой, получается изолиния диэлектрической проницаемости. Аналогично строится все семейство изолиний диэлектрической проницаемости. Номограмма для пересчета толщины контролируемого материала и массы 1 единичной площади наполнителя в его кажущуюся плотность строится на основании уравнения 10. Она представляет собой квадрат, размер которого аналогичен размерам номограммы,сторона бк является общей для двух номограмм, а изолинии толщины строятся путем подстановки в уравнение 10 значений массы единичной площади наполнителя. Для неметаллического композиционного материала, армированного объемно-плетенной тканью МКТ-5,25, пропитанной связующим ЛБС-4, по экспериментальным и расчетным данным предварительно построена номограмма связующая физико-химические и диэлектрические проницаемости неметаллического композиционного материала. На основании экспериментальных данных на диаграмме построено семейство изолиний одного из физических параметров, диэлектрической проницаемости. В качестве исходных данных приняты диэлектрическая проницаемость масса 1 см наполнителя и толщина листового материала. Измеряют диэлектрическую проницаемость с помощью измерителя диэлектрической проницаемости "ИДП-7", толщину материала с помощью стандартного толщиномера или измерительной скобы, массу 1 см наполнителя. По номограмме определяют физикохимические характеристики данного 9 930093 материала, содержание в нем связующего и его пористость. Использование предлагаемого способа обеспечивает упрощение контро.ля физико-химических характеристик йеметаллических листовых композиционных материалов. 10 л и ч а ю шийся тем, что, с целью упрощения определения, дополнительно измеряют массу единичной площади наполнителя, толщину контролируемого материала и по номограмме определяют кажущуюся. плотность материала, содержание связующего и пористость. Формула изобретения Способ определения физико-химических характеристик листовых неметаллических композиционных материалов, заключающийся в измерении ди з электрической проницаемости, о тИсточники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Потапов А.И. и др. Неразрушающий контроль конструкций из композиционных материалов. Л., "Машиностроение", 1977, с. 121-138. 2. Там же,с. 161 (прототип).
