Способ создания дефектов в образцах из многослойных углепластиковых материалов Российский патент 2021 года по МПК G01N29/04 

Изобретение относится к неразрушающему контролю и может быть использовано для создания внутренних дефектов сплошности в контрольных образцах для неразрушающего контроля из многослойных углепластиковых материалов.

Известен способ создания дефектов в образцах из многослойных пластиковых материалов, заключающийся в том, что на образец воздействуют ударом металлического шара с заданной энергией [Koyama K., Hoshikawa Н., Hirano Т. Investigation of impact damage carbon fiber rainforced plastic (CEPR) by eddy current non destructive testing // International Conference NDT in Canada 2011. - 2-4 November 2011, Montreal, Quebec, Canada].

Недостаток известного способа состоит в том, что получаемое повреждение в виде трещин и расслоений возникает случайным образом. При этом размеры повреждения и его расстояние от поверхности образца (номер поврежденного слоя) при одинаковых энергиях удара варьируются в широких пределах.

Известен способ имитации внутренних дефектов типа расслоения в контрольных образцах из многослойных пластиковых материалов [Чермошенцева А.С. Разработка методики повышения прочности тонкостенных элементов конструкций из композиционных материалов с дефектами типа расслоений. - МВТУ им. Баумана, 2018, с. 61-62], заключающийся в том, что в процессе изготовления образца между соответствующими слоями размещают покрытую антиадгезионным слоем пленку из диэлектрического материала, например, тефлона, толщина и размеры которой соответствуют параметрам имитируемого расслоения.

Недостаток известного способа заключается в том, что он может быть реализован только в процессе формирования образца при укладке слоев. Вместе с тем, во многих случаях такая возможность отсутствует или требуется создание имитаторов внутренних дефектов в фрагментах бывших в эксплуатации натурных объектов. Кроме того, известным способом не могут быть созданы внутренние дефекты с полостью, не содержащей твердой среды. Это искажает регистрируемые сигналы при использовании как акустических, так и вихретоковых методов неразрушающего контроля (применительно к углепластиковым материалам). Искажение ультразвуковых сигналов связаны с тем, что акустическое сопротивление полости заполненной газом (воздухом) при реальных дефектах и заполненной твердым материалом (тефлоновой пленкой) при имитации различно. Вихретоковые сигналы также искажаются, так как в области высоких частот порядка нескольких мегагерц используемых при вихретоковой дефектоскопии углепластиков, существенна емкостная составляющая вихревого тока. Эта составляющая зависит от диэлектрической проницаемости заполнителя полости и, следовательно, будет искажаться при размещении в полости тефлона. Еще одно несоответствие заключается в том, что внутренние дефекты в многослойных углепластиковых материалах чаще всего возникают при ударных повреждениях, сопровождающихся не только расслоениями между матрицей и углеродным волокном, но и трещинами в них. Известный способ не позволяет имитировать этот тип внутренних дефектов одновременно с расслоением.

Известен способ имитации внутренних дефектов типа расслоения в образцах для неразрушающего контроля из многослойных пластиковых материалов [Способ имитации дефектов типа расслоений в полимерных покрытиях RU 588496. G01N 29/04. Заявка 2071422/25-28 от 28.10.74, опубл. 15.01.78], заключающийся в том, что в процессе укладки в пресс - форму пропитанных заготовок тканей между соответствующими слоями размещают пакет из легкоплавкого материала, заполненный фенолом в кристаллическом состоянии. В процессе полимеризации основная часть компонентов улетучивается или отверждается, а температура достигает критической для оплавления пакета точки. Под воздействием температуры пакет оплавляется, а кристаллический фенол из пакета переходит в газообразное состояние, но улетучиться не может. В результате образуется полость, заполненная газом.

Однако и этот способ не позволяет создавать внутренние дефекты в уже изготовленных фрагментах деталей. Кроме того, известный способ не позволяет создавать комбинацию из дефектов типа трещин и расслоений, характерных для ударных повреждений.

Наиболее близок к предложенному, принятый за прототип, способ создания дефектов в образцах из многослойных композиционных углепластиковых материалов [Гуняева А.Г., Черфас Л.В., Комарова О.А., Куприенко В.М. Проведение испытаний на молниестойкость экспериментальных и конструктивно-подобных образцов, выполненных из углепластика, с молниезащитным покрытием // Труды ВИАМ. 2017. №7 (55). - С. 90-101. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/provedenie-ispytaniy-na-molniestoykost-eksperimentalnyh-i-konstruktivno-podobnyh-obraztsov-vypolnennyh-iz-ugleplastika-s (дата обращения: 28.11.2019)], заключающийся в том, что над поверхностью образца размещают с воздушным промежутком стержневой токоподводящий электрод и заземляющую пластину с отверстием, соосным электроду, подключают электрод и пластину к высоковольтному генератору импульсов, воздействуют на образец импульсом электрического поля, достаточным для электрического пробоя током, замыкающимся через образец и создающим в нем дефект сплошности.

Недостаток известного способа, состоит в том, что создаваемый дефект развивается с поверхности и не позволяет имитировать внутренние дефекты с заданной глубиной и площадью, что необходимо для настройки и калибровки соответствующих средств неразрушающего контроля.

Технический результат изобретения заключается в обеспечении возможности создания внутренних дефектов сплошности на заданной глубине и заданной площади.

Указанный технический результат в способе создания дефектов в образцах из многослойных композиционных углепластиковых материалов заключается в том, что на участок образца с помощью электродов, подключенных к высоковольтному генератору, воздействуют электрическим полем, приводящим к пробою и образованию дефекта сплошности в образце, это достигается благодаря тому, что каждый из электродов электрически соединяют с соответствующими однонаправленными углеродными волокнами, находящимися в соседних слоях образца и расположенными друг над другом в зоне создаваемого дефекта.

На фиг. 1 схематично показано устройство для реализации заявляемого способа, на фиг. 2 отдельно показан вид сверху на образец с выделенными слоями из углеродных волокон с подключенными к ним электродам.

Устройство для реализации заявляемого способа содержит высоковольтный генератор 1, соединенный через электроды 2 и 3 с образцом 4 из многослойного углепластиков ого материала. На фиг. 1, в качестве примера, показан образец 4, состоящий из электропроводящих слоев 5.1, 5.2, 5.3, 5.4, выполненных из однонаправленных углеродных волокон. Каждый последующий слой выполнен с поворотом на угол 90° относительно предыдущего. Слои материала связаны между собой диэлектрическими слоями 6.1, 6.2, 6.3 на основе эпоксидной смолы. В образце 4 имеются глухие плоскодонные полости 7 и 8, предназначенные для создания электрического соединения электродов 2 и 3 с соответствующими частями 9 и 10 однонаправленных углеродных волокон, находящихся в соседних слоях 5.2 и 5.3 образца 4 и расположенных друг над другом в зоне создаваемого дефекта 11. Полости 7 и 8 могут выполняться как полукруглыми, что удобно, если они выходят на кромки, так и круглыми, если доступа к кромкам нет или они находятся далеко от создаваемого дефекта 9. Полости 7 и 8 могут выполняться как с одной, так и с разных сторон образца 4.

Электроды 2 и 3 имеют форму рабочего торца согласованного с формой полостей 7 и 8. Для исключения электрического контакта электродов с другими слоями рекомендуется изолировать боковую поверхность электродов 2 м 3 на части их возможного соприкосновения с боковыми стенками полостей. Изоляция может быть выполнена с помощью диэлектрического слоя. Возможна также изоляция боковых стенок полостей 7 и 8, например, путем нанесения на стенки диэлектрического компаунда. Второй вариант предпочтительнее, так как позволяет для обеспечения надежного электрического контакта по всей рабочей поверхности электродов 2 и 3, использовать электропроводящую пасту, размещаемую между их торцами и донышком соответствующей полости 7 или 8.

Способ создания дефектов в образцах из многослойных композиционных углепластиковых материалов реализуется следующим образом. На электроды 2 и 3 от высоковольтного генератора 1 подается напряжение, создающее между частями 9 и 10 слоев 5.2 и 5.3, соответственно, электрическое поле с напряженностью Е. Следует отметить, что электропроводящие слои из углеродных волокон обладают ярко выраженной электрической анизотропией, заключающейся в том, что их удельное электрическое сопротивление ρ_прод в продольном направлении вдоль углеродных волокон, как минимум, на два порядка меньше ρ_поп в поперечном направлении, перпендикулярном к волокнам. Благодаря этому при подаче электрического напряжения от генератора 1 изменение электрического потенциала произойдет только в частях 9 и 10 слоев, непосредственно контактирующих с электродами 2 и 3. Величина и длительность воздействия электрическим полем выбираются из условия пробоя диэлектрического слоя 6.2 на участке 11.

При воздействии электрическим полем с напряженностью Е>Е_пр, где Е_пр определяется электрической прочностью диэлектрического слоя 6.2, происходит мгновенный электрический пробой, сопровождающийся разрушением диэлектрика и соответствующей деформацией, имитирующей дефект.

При воздействии электрическим полем с напряженностью Е>Е_пр может быть создан электротепловой пробой, обусловленный нарушением теплового равновесия вследствие больших диэлектрических потерь и недостаточности теплоотдачи. В этом случае рекомендуется использовать генератор переменного напряжения. Параметры создаваемого дефекта можно изменять путем регулировки частоты подаваемого напряжения и его амплитуды.

Технический результат при реализации заявляемого способа заключается в обеспечении возможности создания внутренних дефектов сплошности на заданной глубине и заданной площади за счет получения дефекта в результате электрического пробоя между соответствующими электропроводящими слоями из углеродных нитей на заданном участке.

Изобретение относится к неразрушающему контролю и может быть использовано для создания внутренних дефектов сплошности в контрольных образцах для неразрушающего контроля из многослойных углепластиковых материалов. На электроды 2 и 3 от высоковольтного генератора 1 подается напряжение, создающее между частями 9 и 10 слоев 5.2 и 5.3, соответственно, электрическое поле с напряженностью Е. При подаче электрического напряжения от генератора 1, из-за анизотропных свойств удельной электрической проводимости слоев 5.2 и 5.3, изменение электрического потенциала произойдет только в частях 9 и 10 слоев, непосредственно контактирующих с электродами 2 и 3. Величина и длительность воздействия электрическим полем выбираются из условия пробоя диэлектрического слоя 6.2 на участке 11, приводящего к образованию в месте пробоя дефекта сплошности. Параметры создаваемого дефекта можно изменять путем регулировки частоты подаваемого напряжения и его амплитуды. Технический результат изобретения заключается в обеспечении возможности создания внутренних дефектов сплошности на заданной глубине и заданной площади. 2 ил.

Способ создания дефектов в образцах из многослойных композиционных углепластиковых материалов, заключающийся в том, что на участок образца с помощью электродов, подключенных к высоковольтному генератору, воздействуют электрическим полем, приводящим к пробою и образованию дефекта сплошности в образце, отличающийся тем, что каждый из электродов электрически соединяют с соответствующими однонаправленными углеродными волокнами, находящимися в соседних электропроводящих слоях образца и расположенными друг над другом в зоне создаваемого дефекта, при этом величину и время воздействия электрическим полем выбирают из условия пробоя слоя диэлектрика, связывающего электропроводящие слои образца из многослойного композиционного углепластикового материала в зоне создаваемого дефекта.