СПОСОБ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ПРИПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ Российский патент 1997 года по МПК G01N27/61 

Изобретение относится к технике неразрушающего контроля диэлектрических изделий, в частности, пресс-композиционных керамических разрядных камер стационарных плазменных двигателей некоторых космических аппаратов.

Известен способ контроля качества поверхности диэлектрических материалов /1/. Движущийся контролируемый материал предварительно нейтрализуют от статического электричества, затем равномерно электризуют в поле коронирующих электродов, расположенных в двух линиях шахматным порядком, измеряют разность потенциалов между электризованными точками и нейтральным полем и с учетом изменения температуры и влажности воздуха в зоне контроля, сопоставленных с заданными, судят по степени растекания заряда о качестве либо влажности поверхности. Область применения здесь ограничена непроводящими материалами, имеющими естественные структурные релаксаторы в виде молекулярных нитей полимера или волокон древесины. Материалы разрядных камер горячего прессования таких керамических композитов, как боросил или алюмоборнитрид, не имеют структурных релаксаторов, которые могли бы здесь обеспечить наблюдаемость релаксационных процессов, кроме того, геометрическая форма камер, являющихся телами вращения, ограничивает возможность электризации внутренних поверхностей камер и воспроизведение картины релаксационного спада потенциалов на этих поверхностях.

Известен также способ неразрушающего контроля слоистых изделий, представленных разнородными материалами, преимущественно тонких пленок, /2/ согласно которому может быть улучшена разрешающая способность обнаружения локальных неоднородностей путем электризации слоистой пленки в электрическом поле коротрона и регистрации микротоков инжекции специальной интегрирующей электронной цепью, включенной последовательно с источником электропитания коротрона. Ограничения способа состоят в том, что один из двух слоев пленки должен быть электропроводным, то есть применительно к контролю диэлектрических камер его использование ограничивается отсутствием диффузионно соединенных слоев в стенке разрядной камеры.

В качестве прототипа принят способ неразрушающего контроля изделий из разнородных непроводящих материалов, находящихся в неразъемном соединении, патент США /3/, согласно которому могут быть обнаружены нарушения сплошности, расслоения, щели и т.п. путем электризации изделия в электрическом поле коротрона и последующего считывания релаксационного спада потенциалов, создаваемых объемными зарядами на границе раздела несовершенных диэлектриков. Из примеров, характеризующих возможности способа /3/ следует, что разрешающая способность ограничивается диаметрами включений в 1,6 мм для сочетания тефлон-нейлон на глубинах примерно в 0,4 мм от поверхности контроля. Применительно к контролю приповерхностных слоев стенок осесимметричных полых диэлектрических изделий, производимых на основе нитридных керамик, в частности, диэлектрических разрядных камер, этот способ неэффективен из-за высокого контактного и объемного сопротивления, обусловленного малой подвижностью носителей электрического заряда и их малой концентрацией. Таким образом, прямое использование метода контроля согласно указанному патенту может дать удовлетворительные результаты только при размерах зон неоднородностей, превышающих указанные, и при неприемлемых больших напряженностях тестовых электрических полей.

В основу изобретения поставлена задача выявления скрытых неоднородностей типа скопления микропор и локальных вариаций по электросопротивлению приповерхностных слоев стенок осесимметричных полых диэлектрических изделий в связи с их неинтрузивным технологическим контролем, в частности, в связи с проблемой прогнозирования ресурса разрядной камеры стационарного плазменного двигателя коррекции космического аппарата.

Поставленная задача решается тем, что при способе неразрушающего контроля приповерхностных слоев диэлектрических изделий, включающем тестовую электризацию в электрическом поле коротрона, считывание релаксационного спада потенциалов, обнаружение по распределению остаточного электрического поля зон скопления структурных дефектов, отличающимся тем, что при контроле осесимметричных полых диэлектрических изделий перед электризацией, которую ведут со стороны противоположной тестируемой, последнюю подвергают тестовой интрузии жидкого диэлектрика, который помещают между тестируемой поверхностью и электропроводящим экраном нулевого потенциала, при этом жидкий диэлектрик выбирают из условий (ε₂-1)<ε₁, ε₂≥ ε₁ (γ₂/γ₁) где ε₁ относительная диэлектрическая проницаемость материала тестируемого изделия, γ₁ -его удельная электропроводность, а (ε₂, γ₂) соответствующие значения этих параметров жидкой среды.

На фиг. 1 схематически показано устройство для осуществления предлагаемого способа для технологического неразрушающего контроля качества приповерхностных слоев канала разрядной камеры стационарного плазменного двигателя. На фиг. 2а схематически показано распределение потока электрического поля коротрона в зоне электризации камеры, а на фиг. 2б - положение зоны контроля в состоянии считывания потенциалов.

Устройство согласно фиг. 1 для осуществления предлагаемого способа контроля содержит электропроводящий экран-держатель 1, контролируемое осесимметричное полое изделие диэлектрическую разрядную камеру 2, оси вращения которых совмещены. Во внутренней, по фиг. 1, части экран-держатель 1 герметично соединен с цилиндрической шайбой 3, имеющей кольцевой канал 4 системы подачи-ввода 5 жидкостного диэлектрика. Канал 4 сообщается посредством радиальных отверстий 6 в экране-держателе с полостью 7 заполнения жидкостным диэлектриком. С наружной, по фиг. 1, части экран-держатель 1 снабжен опорной резиновой манжетой 8. Над наружной поверхностью камеры 2, параллельно ее оси вращения, расположен рабочий электрод 9 и экранный электрод 10 коротрона, соединенные с источником тестового напряжения 11. Заземляющий вывод источника 11 соединен с корпусом устройства и, в частности, с экраном-держателем 1, который в центре его донной части соединен валом с сервоприводом 12 осевого вращения. Сервопривод 12 имеет электродвигатель 13 и червячную передачу 14. Сервопривод сканирования 15 датчика 16 уровней электрических потенциалов содержит электродвигатель 17 и механизм преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное движение датчика 16 в направлении осевой координаты. Корпус датчика 16 жестко соединен с подвижным контактом 19 линейного потенциометрического датчика 20 устройства 21 дистанционной передачи осевой и азимутальной координат текущей точки сканирования. Устройство 21 содержит также круговой потенциометрический датчик 22 азимутальной координаты точки сканирования. Датчики 20, 22 соединены электрически с входами регистрирующего прибора 23 записи электрограмм, на который, кроме координат точки сканирования, подается также электрический сигнал от датчика 16, пропорциональный уровню электростатического потенциала остаточного поля.

Предлагаемый способ реализуется с помощью устройства следующим образом. Устанавливают на экран-держатель 1 осесимметричное полое диэлектрическое изделие, в частности, контролируемую разрядную камеру 2 при отсоединенном вводе 5 системы подачи жидкостного диэлектрика. Осевая часть ввода 5 является также конструкционным элементом для крепления механизма поджатия (на фиг. 1 не показан) торцевой поверхности стенки камеры к опорной резиновой манжете 8. После соединения ввода 5 с внешним гидроприводом подается жидкостный диэлектрик, заполняющий полость 7 между экраном-держателем 1 и внутренней поверхностью камеры 2 до появления жидкости в донной части экрана-держателя 1. При включении источника питания 11 коротрона потенциалы рабочего электрода 9 и экранного электрода 10 оказываются равными соответственно U_к и U_э, при которых возникает электрическая корона в пространстве, прилегающем к поверхности рабочего электрода 9. Для снижения уровня напряжения источника 11 и повышения эрозионной стойкости рабочий электрод выполняют из тонкой вольфрамовой проволоки диаметром (0,08-0,1) мм. Экранный электрод служит здесь для создания узкого пучка потока электрического поля по азимутальной координате (см. фиг. 2а). В силу неоднородности электрического поля по азимутальной координате здесь резко активизируется процесс интрузии жидкостного диэлектрика в приповерхностные слои и в прочие микронеоднородности с пониженной плотностью стенки камеры 2, а при осевом ее вращении вместе с экраном-держателем 1 достигается равномерная начальная электризация за счет протекания абсорбционных токов.

Количественное описание процессов накопления объемных зарядов и их релаксационного спада дается здесь следующим уравнением

где ρ плотность объемного электрического заряда; (γ, ε) средние значения электропроводности и диэлектрической проницаемости соответственно в переходном слое (на границе раздела диэлектриков); диэлектрическая проницаемость вакуума; напряженность электрического поля.

В процессе считывания электростатических потенциалов спад плотности объемных зарядов описывается соотношением

где (r,z,α) цилиндрические координаты индуцированного источника поля с плотностью объемного заряда ρ
Отсюда следует, прежде всего, что возможность выявления скрытых неоднородностей типа скопления микропор и локальных неоднородностей по электросопротивлению приповерхностных и поверхностных слоев тестируемого изделия существует, если локальная постоянная времени во вспомогательной жидкостной диэлектрической среде будет не меньше локальной постоянной времени для собственно материала стенки изделия, то есть из этого требования следует условие

и условие считывания в фиксированном временном интервале, обеспечивающее достаточную контрастность электрограммы за счет различия локальных постоянных времени релаксационного спада потенциалов на различных участках тестируемой поверхности. Кроме того, контрастность электрографического рельефа зависит также от величины инкремента диэлектрической проницаемости на границе раздела сред, что при прочих равных условиях в силу пропорциональности вносимого возмущения в квазистатическое электрическое поле значению этого инкремента приводит к дополнительному условию
(ε₂-1)> ε₁ (4)
"надежного" выявления дефектов, где индексы (1, 2) относятся соответственно к материалу стенки изделия и вспомогательной жидкостной диэлектрической среды.

В целом, начальные и граничные условия процесса релаксационного спада потенциалов зависят от предшествующего процесса тестовой интрузии жидкостного диэлектрика в стенку изделия с определенным затуханием, динамика которого выражается так:

где l координата движущегося мениска жидкости в момент t, отсчитанный от начала тестового воздействия; β поверхностное натяжение; q угол смачивания; r радиус капилляра; P_а атмосферное давление; n - вязкость жидкости; l₀ длина тупикового капилляра.

Использование: в технике неразрушающего контроля диэлектрических изделий, в частности, разрядных керамических камер стационарных плазменных двигателей некоторых космических аппаратов. Сущность: тестируемую поверхность изделия подвергают дополнительной тестовой интрузии жидкостной диэлектрической среды, являющейся промежуточной между тестируемой поверхностью и электропроводящим экраном нулевого потенциала, а затем с наружной поверхности изделие электризуют в электрическом поле коротрона (К), считывают на наружной поверхности электрограмму релаксационного спада потенциалов, по которой судят о состоянии приповерхностных слоев. Устройство для осуществления способа содержит экран-держатель (ЭД) тестируемого изделия, соединенный с системой подачи жидкостной диэлектрической среды, сервопривод осевого вращения изделия с ЭД, К с рабочим электродом, расположенным параллельно оси вращения над поверхностью изделия, и соединенным с источником питания К, датчик уровней электростатических потенциалов с сервоприводом сканирования, устройство дистанционной передачи координат точки сканирования и устройство регистрации электрограмм. 2 ил.

Способ неразрушающего контроля приповерхностных слоев диэлектрических изделий, включающий тестовую электризацию в электрическом поле коротрона, считывание релаксационного спада потенциалов, обнаружение по распределению остаточного электрического поля зон скопления структурных дефектов, отличающийся тем, что при контроле осесимметричных полых диэлектрических изделий перед электризацией, которую ведут со стороны, противоположной тестируемой, последнюю подвергают тестовой интрузии жидкого диэлектрика, который помещают между тестируемой поверхностью и электропроводящим экраном нулевого потенциала, при этом жидкий диэлектрик выбирают из условий (Е₂ 1) > Е₁; E₂≥ E₁ (γ₂/γ₁), где Е₁ относительная диэлектрическая проницаемость материала тестируемого изделия, γ₁ - его удельная электропроводность, а (ε₂, γ₂) - соответствующие значения этих параметров жидкой среды.