Способ контроля параметров композиционных материалов на основе углеродных нитей Советский патент 1992 года по МПК G01N22/00 

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано для определения количества связующего и направления углеродных нитей однослойных композиционных материалов в авиационной промышленности.

Известен способ определения параметров листовых диэлектрических материалов, при котором облучают контролируемый слой плоской электромагнитной волной переменной частоты, принимают отраженное излучение и регистрируют разность частот при экстремальных одноименных значениях отраженной волны, накладывают на кон- тролируемый образец аналогичный материал известной толщины, повторяют указанные операции и регистрируют новую разность между частотами. По измеренным значениям разности частот и известной толщине наложенного слоя определяют параметры контролируемого материала.

Однако данный способ трудоемок, так как требуется провести измерения два раза и при этом необходима пластина известной толщины, изготовленная из того же материала, что и контролируемый слой. Кроме того, наличие неизбежного воздушного зазора между пластиной и контролируемым слоем ведет к значительной погрешности контроля. Известный способ не позволяет контролировать направления углеродных нитей композиционных материалов и, кроме того, накладывает жесткие ограничения на взаимную ориентацию плоскости поляризации зондирующей волны, направление углеродных волокон, контролируемого материала и эталонной пластины.

Известен также способ измерения параметров диэлектрических материалов, реч

ю

о :оо

i

ализуемый устройством для измерения диэлектрической проницаемости веществ, основанный на облучении контролируемого материала линейно поляризованной СВЧ- волной, разделении волны до взаимодействия с контролируемым материалом на две ортогонально-поляризованные составляющие, пропускании одной из них через конт- ролируемый материал, смешивании провзаимодействующей и опорной составляющих в одном канале и измерении эллип- сометрических параметров суммарной СВЧ-волны.

Недостатком известного способа является низкая точность при контроле параметров композиционных материалов на основе углеродных нитей, которая обусловлена тем, что согласно известному способу, осуществляется только однократное взаимодействие и только одной ортогонально поляризованной составляющей с контролируемым материалом. Кроме того, согласно известному способу, нельзя обеспечить одновременно оптимальные условия определения количества связующего и направления углеродных нитей, поскольку для этого необходимо проводить измерения при различной взаимной ориентации плоскости поляризации зондирующей волны и направления углеродных нитей.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ определения параметров диэлектрических слоев на основе композитов, включающий облучение под углом контролируемого материала линейно поляризованной электромагнитной волной, прием отраженной электромагнитной волны, измерение ее эл- липсометрических параметров и решение обратной задачи эллипсометрии численными методами с помощью основного уравне- ния эллипсометрии, связывающего измеряемые эллипсометрические параметры отраженной волны с диэлектрической проницаемостью и толщиной контролируемого материала при заданных значениях угла падения и длины волны.

Недостатком известного способа является низкая точность измерений.

Известный спос об не позволяет контролировать направления углеродных нитей. Для контроля параметров рассматриваемого композиционного материала плоскость поляризации зондирующей волны должна быть перпендикулярна направлениям углеродных нитей. Любые отклонения плоскости поляризации зондирующей волны или направления углеродных нитей от заданного значения проводят к недопустимо большой погрешности измерений, поскольку в

этом случае адекватный анализ контролируемого материала может быть выполнен только на основе многослойной модели вместо однослойной, что требует проведения целого ряда эллипсометрических измерений при различных углах падения и приводит к значительным трудностям при решении обратной задачи.

Крометого, прошедшая через контроли0 руемый материал часть СВЧ-волны не используется, а вся информация, которая могла бы быть получена в результате ее при- 4 ема и обработки, теряется то, что снижает возможности и точность известного спосо5 ба.

Цель изобретения - повышение точности и обеспечение контроля направления углеродных нитей композиционных материалов.

0 Поставленная цель достигается тем, что по известному способу, включающему облучение под углом контролируемого материала линейно поляризованной СВЧ-волной, прием взаимодействующей волны и измере5 ние ее эллипсометрических параметров, плоскость поляризации зондирующей волны устанавливают под углом 45 к направлению углеродных нитей, в качестве провзаимодействующей волны одновре0 менно принимают прошедшую и отраженные волны, затем изменяют их плоскость поляризации на 90° и направление на 180Г , повторно облучают контролируемый материал, принимают обе волны и суммируют их,

5 а контроль направления углеродных нитей ведут по азимуту суммарной волны,

Сущность предлагаемого способа состоит в том, что однослойный композиционный материал на основе углеродных нитей

0 может быть адекватно описан с помощью следующей модели: однородный диэлектрический слой связующего, на одной из сторон которого расположена поляризационная решетка в виде параллельных углеродных

5 нитей. Технологически указанные материалы формируются путем односторонней пропитки полотна из параллельных углеродных волокон жидким диэлектрическим связую- , щим, При облучении такой структуры, ли0 нейно поляризованной под углом 45 к направлению углеродных нитей СВЧ-волной, происходит разделение зондирующей СВЧ-волны на две ортогонально поляризованные составляющие равной интенсивно5 сти. Составляющая, поляризованная параллельно направлению углеродных волокон, практически полностью отражается от решетки, а составляющая, поляризованная перпендикулярно углеродным нитям, проходит через решетку и контролируемый

слой связующего. После поворота плоскости поляризации на 90° отраженной и прошедшей соста-вляющих и изменения направления их распространения на 180° осуществляется их повторное взаимодействие с контролируемым материалом. Смешивание повторно провзаимодействующих составляющих в одном канале приводит к формированию эллиптически поляризованной СВЧ-волны, причем ее эллиптичность определяется главным образом разностью фаз ортогонально поляризованных составляющих, а азимут - соотношением их амп- литуд. Фазовый сдвиг между составляющими для рассматриваемого класса композитов зависит от толщины или количества связующего, а соотношение амплитуд в основном определяется углом между плоскостью поляризации зондирующей волны и направлением углеродных волокон. На чертеже показана блок-схема устройства, реализующего заявленный способ.

Устройство содержит генератор 1 электромагнитного излучения, поляризатор 2, контролируемый образец 3, первый 4 и второй 5 вращатели плоскости поляризации на 903, блок 6 измерения эллипсометрических параметров и блок 7 обработки.

Способ осуществляется следующим образом.

Контролируемый материал облучают под углом линейно поляризованной СВЧ- волной, плоскость поляризации которой составляет 45 с направлением углеродных волокон. Заданное направление плоскости поляризации СВЧ-волны, генерируемой генератором 1, устанавливается с помощью поляризатора 2. При падении зондирующей волны на контролируемый образец 3 происходит разделение волны на две ортогонально поляризованные составляющие, одна иЈ которых отражается, а другая проходит через контролируемый образец. Отраженная составляющая попадает в первый 4, а прошедшая во второй 5 вращатели плоскости поляризации на 90°, которые выполнены на основе уголковых отражателей. Во вращателях 4 и 5 плоскости поляризации происходитизменениенаправленияраспространения волны на 180° и поворот ее плоскости поляризации на 90°. После этого отраженная и прошедшая СВЧ-волны

повторно взаимодействуют с контролируемым материалом, причем прошедшая в первый раз волна отражается от углеродных волокон, а отраженная в первом случае проходит через них. После повторного взаимодействия обе волны смешиваются в одном канале блока б измерения эллипсометрических параметров, где формируется эллиптически поляризованная волна и измеряются

ее эллиптичность и азимут. Блок 6 измерения эллипсометрических параметров выполнен по известной схеме на основе модернизированных узлов автоматического СВЧ-эллипсометра. Полученные значения

эллипсометрических параметров поступают на блок 7 обработки, выполненный на основе вычислительного управляющего устройства К1-20, в котором по известным зависимостям для заданных типов композитов осуществляется расчет их параметров. Использование предлагаемого способа обеспечивает более высокую точность измерений за счет регистрации как прошедшей, так и отраженной СВЧ-воны, их двухкратного взаимодействия с контролируемым материалом и определения контролируемых параметров по эллипсометрическим параметрам суммарной СВЧ-волны, формируемой в результате смешивания прошедшей и

отраженной составляющих.

Формула изобретения Способ контроля параметров композиционных материалов на основе углеродных

нитей, заключающийся в облучении под углом контролируемого материала линейно поляризованной СВЧ-волной, приеме про- взаимодействующей волны и измерении ее эллипсометрических параметров, по которым производят контроль, отличающийся тем. что, с целью повышения точности и обеспечения контроля направления углеродных нитей, плоскость поляризации СВЧ- волны устанавливают под углом 45° к

направлению углеродных нитей, в качестве провзаимодействующей волны одновременно принимают прошедшую и отраженную волны, затем изменяют их плоскость поляризации на 90° и направление на 180°,

повторно облучают контролируемый материал, принимают обе волны и суммируют их, а контроль направления углеродных нитей ведут по азимуту суммарной волны.

S

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике и может быть использовано в авиационной промышленности для определения количества связующего и направления углеродных нитей однослойных композиционных материалов. Цель изобретения - повышение точности и обеспечение контроля направления углеродных нитей Изобретение позволяет с высокой точностью контролировать параметры композиционных материалов за счет приема как отраженной, так и прошедшей СВЧ-волны, осуществления двухкратного взаимодействия каждой из волн с контролируемым материалом при двух взаимно ортогональных состояниях поляризации и определения параметров контролируемого материала по поляризационным характеристикам суммарной СВЧ-волны, полученной в результате смешивания двух СВЧ-волн после повторного взаимодействия с контролируемым материалом. 1 ил.