СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ИЗДЕЛИЯ, ИЗГОТОВЛЕННОГО ИЗ КОМПОЗИТНОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 2017 года по МПК G01N23/04 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ И ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Изобретение лежит в области способов определения характеристик материалов и конструкций для использования в машиностроении в целом и в авиационной промышленности в частности.

Изобретение применимо к композитным материалам с тканым, плетеным или также прошитым волоконным упрочнением, которые находят множество применений в области производства деталей самолетов, в частности, но не только, деталей авиационных двигателей, например лопастей вентилятора. Эти материалы обладают свойствами, которые являются выгодными в том, что касается веса, механической прочности и простоты производства деталей.

Для заданной детали полезно иметь знания о характеристиках волоконного упрочнения в детали, чтобы улучшить знания о ее механических свойствах. Волоконное упрочнение обычно описывается, используя параметры тканья, такие как доля волокна (V_f), расстояние между столбцами тканья (d_c и d_t для нитей основы и утка соответственно), соотношение между количеством нитей утка и количеством нитей основы (соотношение основа/уток) и усадки (θ).

Эти характеристики могут меняться в пределах одной заданной детали в зависимости от формы детали. Таким образом, полезно иметь возможность определить, как эти характеристики меняются по всему объему детали.

Известны различные методики определения характеристик, и они обсуждаются в материалах настоящей заявки, где они касаются композитных материалов с органической матрицей. Эти методики определения характеристик используют либо химическое растворение и измерения веса, либо осуществление разрезов и проведение измерений в плоскостях.

Таким образом, можно получить некоторые типы информации, например доля волокон, которая может быть определена посредством взвешивания после растворения матрицы посредством химического травления с помощью кислоты, а также информацию о расстояниях между столбцами, которые измеряются посредством осуществления наблюдений в сечении.

Однако другие параметры остаются сложными для получения: таким образом, сложно гарантировать, что плоскость сечения следует всем нитям в заданном столбце тканья, поэтому особо сложно измерить усадку и волнистость, в особенности в объеме, представляющем ячейку тканья, имеющую большое количество нитей (которое может превосходить 100 в некоторых типах переплетений). Подобным образом, соотношение между количеством нитей утка и количеством нитей основы может быть получено только косвенно.

Вдобавок к обеспечению лишь неполного определения характеристик главные недостатки этих методик состоят в том, что они являются разрушающими, могут применяться лишь к небольшим объемам материала (обычно 4 грамма (г)) и являются очень затратными по времени, требуемого для их выполнения. Растворение также вызывает проблемы потенциальных ошибок в измерениях из-за возможных загрязнений (вероятность которых растет с увеличением исследуемого объема), и оно производит отходы, которые сложно переработать.

Изобретение предназначено для решения вышеупомянутых проблем.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ - ПРЕИМУЩЕСТВА, КОТОРЫЕ ОНО ОБЕСПЕЧИВАЕТ

Изобретение состоит в способе определения характеристик для получения характеристик изделия, изготовленного из композитного материала, имеющего тканое, плетеное или прошитое волоконное упрочнение, способ, содержащий этап определения, посредством рентгеновской томографии, уровней серого по меньшей мере части изделия, затем этап использования упомянутых уровней серого для получения информации, касающейся тканья, посредством различения между по меньшей мере свободной матрицей и прядями волокон, смешанных с матрицей, упомянутые пряди рассматривают как материал, который является однородным.

Благодаря этим признакам определение характеристик изделия осуществляется неразрушающим образом, и доступ к информации, которую ранее было очень сложно получить, осуществляется быстро и с высокой точностью. Это составляет существенное улучшение, так как работа выполняется на промежуточной шкале, рассматривая пряди волокон, смешанные с матрицей, как однородный материал, уровни серого которого могут быть различены от уровней серого матрицы.

Эта методика также позволяет работать с образцами большого размера.

Преимущественно этап определения выполняют с изделием, вращающимся вокруг оси, параллельной направлению волокон образца материала, а этап использования выполняют посредством различения свободной матрицы, прядей утка и прядей основы.

Это составляет способ, основанный на очень инновационном явлении, которое было охарактеризовано лишь недавно и которое позволяет точно определять параметры, к которым ранее было сложно или невозможно получить доступ. Лишь выполнение исследований оптимизированных параметров позволило обнаружить существование этого явления, в силу которого пряди основы и пряди утка, каждые, рассматриваемые как однородный материал, имеют различные распределения уровней серого.

В одном из вариантов осуществления этап использования содержит определение распределения уровней серого, а затем разложение спектра в упомянутом распределении по меньшей мере на две гауссовы кривые, чтобы определить по меньшей мере объемную долю прядей. Это позволяет получить информацию о сечении или объеме изделия. Этап использования также может выполняться с помощью предопределенной связи между долей волокна в материале и объемной долей прядей. Этап использования может, в частности, содержать разложение спектра по меньшей мере на три гауссовы кривые, чтобы определить объемные доли прядей утка и прядей основы и соотношение между количествами волокон в прядях утка и волокон прядей основы, что является очень полезным, так как эту информацию сложно получить иным образом.

В конкретной версии изобретения этап использования содержит определение распределений уровней серого для последовательности сечений изделия и получение расстояния между столбцами тканья посредством применения Фурье-образа или посредством измерения расстояний между пиками на последовательности сечений.

В другом варианте осуществления этап использования содержит отображение прядей в изображении изделия в зависимости от уровней серого. Предпочтительно в изображении различают пряди основы и пряди утка в зависимости от уровней серого и, если необходимо, определяют угол усадки или параметр волнистости пряди, что является очень полезным, так как эту информацию очень сложно получить иным образом.

Изобретение, в частности, применимо к композитному материалу с тканым волоконным упрочнением, состоящим из углеродных волокон или другого материала с подобными свойствами. Материал может содержать органическую, металлическую или керамическую матрицу. Исследуемое изделие может являться деталью турбореактивного двигателя, и преимущественно он может являться завершенной конструкцией. Оно также может являться образцом.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фигуры 1 и 2 показывают первый вариант осуществления способа согласно изобретению.

Фигуры 3 и 4 показывают второй вариант осуществления способа согласно изобретению.

Фигура 5 показывает результаты, полученные в контексте варианта осуществления по фигурам 3 и 4.

Фигура 6 показывает третий вариант осуществления изобретения.

ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Фигура 1 показывает первый вариант осуществления изобретения. Более точно, показано устройство рентгеновской томографии. В частности, устройство является устройством компьютерной микротомографии (μ-CT). Оно применяется для определения характеристик изделия 100, изготовленного из композитного материала, содержащего эпоксидную органическую матрицу и углеродные волокна. Углеродные волокна имеют диаметр около 5 микрометров (мкм) и не визуализируются в описываемом способе.

Устройство для исследования содержит рентгеновский источник 200, фильтр 210 для фильтрации исходного пучка, например, посредством использования меди толщиной 1 мм, и двумерный (2D) детектор 220. Изделие 100 располагается между фильтром 210 и детектором 220 в пучке рентгеновских лучей. Оно вращается вокруг оси X относительно детектора 220 и фильтра 210. Устройство томографии записывает уровни серого вокселей изделия 100.

Фигура 2 является графиком распределения уровней серого по объему изделия 100. Ось абсцисс обозначает уровень серого (от 1 до 2^16-1=65535), а шкала на оси ординат показывает количество вокселей, имеющих заданный уровень серого.

График 110 распределения представляет два видимых максимума. В некоторых обстоятельствах график представляет три максимума, как описано ниже со ссылкой на фигуры 3 и 4.

Впоследствии, при анализе этого графика 110, считается, что композитный материал состоит из свободной матрицы и прядей волокон, смешанных с матрицей, рассматриваемых как образующие однородный материал.

График подвергается разложению спектра на две гауссовы кривые, опираясь на тот факт, что каждый из этих двух однородных материалов имеет соответствующее гауссово распределение уровней серого. Таким образом, на графике 110 появляются соответствующие вклады от эпоксидной матрицы и от прядей. Эти два вклада являются гауссовыми кривыми, обозначенными номерами ссылок 112 и 114. В данном примере пряди имеют более весомый вклад и более высокие уровни серого.

Посредством суммирования количеств вокселей в каждой из двух гауссовых кривых 112 и 114 возможно получить объем, занимаемый матрицей, и объем, занимаемый прядями, и, взяв отношение, возможно получить объемную долю прядей, обозначенную V_thread, в изучаемом объеме изделия 100.

Фигура 3 показывает второй вариант осуществления. Он отличается от первого варианта осуществления в двух аспектах.

Во-первых, изделие 100 располагается одним из своих направлений тканья, параллельным оси вращения X. Это направление тканья обозначено номером ссылки 1 на фигуре. Направление 2 перпендикулярно оси X.

Во-вторых, рентгеновский источник 200 оптимизирован посредством прикладывания большой силы тока и низкого напряжения для формирования рентгеновских лучей.

Устройство томографии записывает уровни серого вокселей изделия 100, как на фигуре 1.

Фигура 4 является графиком 120 распределения уровней серого всего объема изделия 100 во втором варианте осуществления. Опять же, ось абсцисс указывает уровень серого, а ось ординат указывает количество вокселей, представляющих заданный уровень серого.

График 110 распределения показывает три видимых максимума.

Возможной причиной этого явления является ортотропная природа углеродного волокна и/или тот факт, что щели между волокнами внутри прядей обладают предопределенной ориентацией. Более того, эти два явления могут объединяться.

В любом случае, видно, что пряди имеют разное поглощение в их поперечном направлении и в их продольном направлении. В расположении по фигуре 3 все пряди направления 1 всегда пропускают рентгеновские лучи поперечно, тогда как пряди направления 2 иногда пропускают рентгеновские лучи продольно во время поворотов изделия 100 вокруг оси вращения X. Уровни серого прядей направления 1 (параллельных оси вращения) ниже, чем уровни серого прядей направления 2.

График подвергается разложению спектра на три гауссовы кривые, опираясь на тот факт, что матрица, с одной стороны, и пряди направления 1 и пряди направления 2, с другой стороны, имеют, каждая, гауссово распределение уровней серого.

Пряди направления 1 и пряди направления 2 рассматриваются, и одни и другие, как однородные материалы.

Таким образом, график 120 может показать соответствующие вклады эпоксидной матрицы, прядей направления 1 и прядей направления 2 (или прядей утка и прядей основы). Эти три вклада являются гауссовыми кривыми, обозначенными номерами ссылок 122, 124 и 126. В данном примере пряди направления 2 имеют наиболее весомый вклад. Оба типа прядей имеют более высокие уровни серого, чем матрица.

Посредством суммирования количеств вокселей каждой из трех гауссовых кривых 122, 124 и 126 получают объем, занимаемый матрицей, и объем, занимаемый прядями утка и прядями основы, и, взяв соотношения, получают объемную долю прядей V_thread в изучаемом объеме изделия 100 с более высокой точностью, чем при использовании способа по фигурам 1 и 2, и также возможно получить соотношение между прядями основы и прядями утка (RCT - соотношение основа/уток).

Было проведено предварительное исследование исходных однородных образцов из композитного материала c эпоксидной матрицей и углеродными волокнами с различными долями волокон в материале. Это исследование включало в себя использование томографии и разложение спектра, как описано со ссылкой на фигуры 1 и 2 (или фигуры 3 и 4), а также растворение образцов, чтобы определить их доли волокон. Таким образом, для этих исходных образцов известны общая доля волокна V_f (в материале), а также доля волокна в прядях.

Изобретатели обнаружили, в частности, что доля волокон в прядях пропорциональна доле волокон V_f в материале в диапазоне доли волокон V_f в материале, составляющем от 54% до 64%.

Внутри этого диапазона, где связь линейна, а также вне этого диапазона предварительное исследование позволяет, для исследуемого объема заданного изделия 100, получить общую долю волокон V_f из доли волокон, полученной посредством исследования, используя томографию и разложение спектра.

Фигура 5 показывает вид примера варианта осуществления по фигурам 3 и 4. Вместо исследования распределения уровней серого всего объема изделия 100 такое распределение изучается для каждого сечения (или подобъема малой толщины) объема изделия, что можно визуализировать, используя систему томографии. Сечения обозначаются значениями их смещений вдоль оси, которые наносятся вдоль оси абсцисс на фигуре 5, проградуированной в миллиметрах, для изделия, имеющего размер 3 сантиметра (см).

Для каждого сечения график подвергается разложению спектра на три гауссовы кривые. Таким образом, на графике 110 появляются соответствующие вклады эпоксидной матрицы, прядей утка и прядей основы. Получают объемную долю прядей V_thread в исследуемом сечении, которая представлена в форме кривой 500, вместе с объемными долями прядей основы и прядей утка, которые представлены кривыми 510 и 520.

Из кривых 500, 510 и 520 можно извлечь расстояния между столбцами d_c основы и между столбцами d_t утка. Когда эти параметры постоянны, это может быть выполнено посредством Фурье-образа, чтобы определить частоту волн в кривых 500, 510 и/или 520. Если расстояния между столбцами не постоянны, информацию можно получить посредством измерения расстояний между пиками в кривых 500, 510 и 520.

Фигура 6 показывает третий вариант осуществления изобретения. Он включает в себя создание трехмерного (3D) изображения объема изделия 300 посредством отображения, например, используя выбранный цвет, вокселей, имеющих уровни серого внутри диапазона, определенного одним или двумя порогами, в зависимости от ожидаемых значений для матрицы, прядей или, возможно, при использовании установки по фигуре 3, для прядей утка и прядей основы. Таким образом, возможно точно отслеживать заданную прядь на изображении и, таким образом, определять ее параметры усадки (θ) и волнистости.

В одном из вариантов можно выполнить получение данных с изделием 300, расположенным таким образом, что пряди основы и пряди утка ориентированы под углом 45° относительно оси вращения. Пряди основы и утка, таким образом, пропускают рентгеновские лучи в среднем одинаковым образом в течение полного поворота. Появляются только две гауссовы кривые, как на фигуре 2.

В другом варианте ось вращения выравнена с направлением, перпендикулярным плоскости тканья (перпендикулярно прядям основы и утка), и опять же, эти пряди основы и утка пропускают рентгеновские лучи в среднем одинаковым образом в течение полного поворота. Появляются только две гауссовы кривые, как на фигуре 2.

Изобретение преимущественно применяется к завершенным конструкциям, изготовленным из композитного материала, для применений в авиации и, в частности, к деталям авиационных двигателей, например к лопатке или корпусу, которые могут исследоваться как целое, без предварительного отрезания образца.

Изобретение не ограничено описанными вариантами осуществления, но распространяется на любой вариант, попадающий в пределы объема формулы изобретения.

Использование: для определения характеристик изделия, изготовленного из композитного материала, имеющего тканое, плетеное или прошитое волоконное упрочнение. Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют этап определения с использованием рентгеновской томографии для определения уровней серого по меньшей мере части изделия, за которым следует этап использования упомянутых уровней серого для получения информации, касающейся тканья, посредством различения между по меньшей мере свободной матрицей и прядями волокон, смешанных с матрицей, упомянутые пряди рассматривают как материал, который является однородным. Технический результат: повышение достоверности и полноты определения характеристик изделия, изготовленного из композитного материала, имеющего тканое, плетеное или прошитое волоконное упрочнение, на основе неразрушающей методики. 12 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ определения характеристик для определения характеристик изделия (100), изготовленного из композитного материала, имеющего тканое, плетеное или прошитое волоконное упрочнение, способ, содержащий этап определения посредством рентгеновской томографии (фигура 1; фигура 3) для определения уровней серого (110; 120) по меньшей мере части изделия, затем этап использования упомянутых уровней серого для получения информации, касающейся тканья (V_f; соотношение основа/уток; d_c; d_t; θ), посредством различения между по меньшей мере свободной матрицей (112; 122) и прядями (114; 124; 126) волокон, смешанных с матрицей, упомянутые пряди рассматривают как материал, который является однородным.

2. Способ определения характеристик по п. 1, в котором этап определения выполняют с изделием (100), вращающимся вокруг оси (X), параллельной направлению (1) волокон изделия, а этап использования выполняют посредством различения прядей (124) утка и прядей (126) основы от свободной матрицы (122).

3. Способ определения характеристик по п. 1, в котором этап использования содержит определение распределения уровней серого (110), а затем разложение спектра в упомянутом распределении по меньшей мере на две гауссовы кривые (112, 114; 122, 124, 126), чтобы определить объемную долю прядей (V_thread).

4. Способ определения характеристик по п. 3, в котором этап использования также выполняют с помощью предопределенного соотношения между долей волокон (V_f) в материале и объемной долей прядей (V_thread).

5. Способ определения характеристик по п. 4, в котором этап использования содержит разложение спектра по меньшей мере на три гауссовы кривые (122, 124, 126), чтобы определить объемные доли прядей утка и прядей основы и соотношение уток/основа между количеством волокон в нитях утка и волокон в нитях основы.

6. Способ определения характеристик по п. 5, в котором этап использования содержит определение распределений уровней серого для последовательности сечений изделия (фигура 5) и получение расстояния между столбцами тканья (d_c, d_t) посредством применения Фурье-образа или посредством измерения расстояний между пиками на последовательности сечений.

7. Способ определения характеристик по п. 6, в котором этап использования содержит отображение прядей (фигура 6) в изображении изделия в зависимости от уровней серого.

8. Способ определения характеристик по п. 7, в котором в изображении различают пряди основы и пряди утка в зависимости от уровней серого.

9. Способ определения характеристик по п. 8, в котором определяют угол усадки (θ) или параметр волнистости пряди.

10. Способ определения характеристик по п. 1, в котором волоконное упрочнение является тканым и состоит из углеродных волокон или другого материала.

11. Способ определения характеристик по п. 1, в котором материал содержит матрицу, которая является органической, металлической или даже керамической.

12. Способ определения характеристик по п. 1, в котором изделие является деталью турбореактивного двигателя.

13. Способ определения характеристик по п. 1, в котором изделие является завершенной конструкцией или образцом.