Способ контроля количества связующего в композиционных материалах на основе углеродных нитей Советский патент 1993 года по МПК G01N22/00 

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике и может быть использовано для определения количества связующего или толщины композиционных материалов на основе углеродных нитей в авиационной промышленности.

Известен способ измерения диэлектри ческой проницаемости веществ, при котором облучают контролируемый материал двумя поляризованными электромагнитными волнами различной частоты, разделяют каждую волну на ортогонально-поляризованные составляющие до взаимодействия с исследуемым материалом, одну из составляющих каждой из волн пропускают через контролируемый материал, смешивают обе составляющие каждой из волн, измеряют величину эллиптичности каждой волны и определяют разность их эллиптичностью, по которой судят о диэлектрической проницаемости или толщине контролируемого материала. Основным недостатком известного способа является низкая точность при контроле слоев малой толщины, обусловленная тем, что фазовый сдвиг составляющей прошедшей через контролируемый материал относительно опорной в результате однократного прохождения через контролируемый слой составляет единицы или доли градусов. Кроме того, частотно-временная нестабильность источников излучения приводит к дополнительной погрешности измерений. Следует также отметить, что Согласно известному способу, облучение контролируемого материала осуществляется ортогонально поляризованными волнами различной частоты, что не позволяет использовать известный способ для контроля анизотропных материалов, в частности, композитов на основе углеродных нитей.

Известен способ измерения параметров диэлектрических материалов, основан Ч|

ный 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 контролируемый материал, смешивании провзаимо- действовавшей и опорной составляющих в одном канале и измерении эллипсометриче- ских параметров суммарной СВЧ-волны. Основным недостатком известного способа является низкая точность при контроле композитов малой толщины. Низкая точность обусловлена тем, что согласно известному способу осуществляется только однократное взаимодействие и только одной поляризованной составляющей с контролируемым материалом. Уменьшение длины волны зондирующего излучения, хотя и приводит к увеличению чувствительности известного, метода, однако позволяет повысить точность контроля параметров композитов, по- скольку в этом случае существенное влияние на результаты контроля оказывает шероховатость поверхности композита.

Из известных способов наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ контроля количества связующего в композиционных материалах, заключающийся в облучении под углом контролируемого материала линейно-поляризованной СВЧ-волной, плоскость поляризации которой устанавливается под углом 45° к направлению углеродных нитей, одновременном приеме прошедшей и отраженной волн, изменении их плоскости поляризации на 90° и направления распространения на 180°, повторном облучении контролируемого материала, приеме обеих волн и их суммировании, измерении эллипсометрических параметров, по величине которых судят о количестве связующего. Основным недостатком известного способа является низкая точность измерений, обусловленная следующими причинами. Во-первых, вследствие того, с контролируемым материалом дважды взаимодействует как составляющая поляризованная в плоскости падения, так и составляющая поляризованная в плоскости перпендикулярной плоскости падения, относительный фазовый сдвиг между ними, величина которого определяется количеством связующего будет всегда меньше, чем в случае однократного взаимодействия с контролируемым материалом одной составляющей, и многократного взаимодействия другой составляющей. Во-вторых, известный способ предназначен для контроля количества Связующего в однослойных

композиционных материалах на основе углеродных нитей только при односторонней пропитке или нанесении связующего. В случае двухсторонней пропитки связующим углеродных нитей контролируемый материал можно моделировать как однородный слой связующего в середине которого расположены углеродные волокна. Известный способ практически не применим для контроля

0 таких материалов из-за очень низкой чувствительности и точности измерений, поскольку фазовые сдвиги обеих составляющих в этом случае практически равны, а относительный фазовый сдвиг обе5 их составляющих близок к нулю. Поскольку на практике даже при односторонней пропитке часть связующего неизбежно попадает на другую сторону углеродного волокна точность измерений известным способом

0 может оказаться недопустимо низкой, поскольку она пропорциональна разности количества связующего по обе стороны углеродного волокна.

Цель изобретения - повышение точно5 сти контроля количества связующего в ком- позиционных материалах на основе углеродных нитей.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе включающем облуче0 ния под углом контролируемого материала линейно-поляризованный под углом 45° к направлению углеродных нитей СВЧ-волной, одновременный прием прошедшей и отраженной волн, изменение плоско5 сти поляризации на 90° и направления распространения на 180° отраженной волны, согласно изобретению изменяют плоскость поляризации на 90° и направление распространения на 180° отраженной волны после

0 повторного взаимодействия с контролируемым материалом, дополнительно облучают контролируемый материал отраженной волной, смешивают прошедшую и многократно провзаимодействовавшую волны в одном

5 канале, а о количестве связующего судят по величине эллиптичности суммарной волны. Сопоставительный анализ заявленного технического решения с прототипом показывает, что заявленный способ отличается от

0 известного тем, что изменяют плоскость поляризации на 90° и направление распространения на 180° отраженной волны после повторного взаимодействия с контролируемым материалом, дополнительно облучают

5 контролируемый материал отраженной волной, смешивают прошедшую и многократно отраженную волны. Предлагаемый способ позволяет повысить точность измерений по следующим причинам. Во-первых, вследствие многократного взаимодействия только

одной составляющей СВЧ-волны с контролируемым материалом, относительный фазовый сдвиг в заявленном техническом решении в два раза больше, чем в прототипе, что в свою очередь позволяет приблизи- тельно в два раза увеличить точность измерений композитов в односторонней пропиткой. Во-вторых, чувствительность и точность измерений заявленным способом не зависит от разности количества связую- щего по обе стороны от углеродного полотна, что позволяет дополнительно увеличить точность измерений за счет регистрации связующего с обеих сторон углеродных нитей. В-третьих, заявленный способ позволя- ет в отличие от прототипа контролировать количество связующего в композитах с двухсторонней пропиткой.

На чертеже показана блок схема устройства, реализующего заявленный спо- соб.

Устройство содержит последовательно установленные генератор электромагнитного излучения 1, поляризатор 2, контролируемый образец 3. первый 4 и второй 5 вращатели плоскости поляризации на 90°, установленные по обе стороны контролируемого образца, последовательно соединенные блок измерения эллипсометрических параметров 6 и блок обработки 7. Блок из- мерения эллипсометрических параметров 6 установлен с обратной стороны контролируемого материала 3 таким образом, что СВЧ- волна с выхода поляризатора 2 после прохождения контролируемого с лоя 3 по- ступает на его вход.

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 СВЧ 1, устанавливается с по- мощью поляризатора 2. При падении зондирующей волны на контролируемый материал 3 происходит разделение волны на две ортогонально-поляризованные составляющие, одна из которых отражается, а другая проходит через контролируемый материал.

Отраженная от углеродных нитей контролируемого материала составляющая СВЧ-волны, поляризованная параллельно углеродным нитям попадает в первый вращатель 4 плоскости поляризации на 90°.

Первый 4 и второй 5 вращатели плоскости поляризации выполнены на основе уголковых отражателей. Во вращателе плоскости поляризации 4 происходит изменение направления распространения волны на 180° и поворот ее плоскости поляризации на 90°. После вращателя 4 СВЧ-волна повторно направляется на контролируемый участок образца, и вследствие того, что плоскость ее поляризации составляет 90° с направлением углеродных нитей, практически полностью- проходит через контролируемый материал 3 и попадает во второй вращатель 5 плоскости поляризации на 90°. Во вращателе 5 также осуществляется поворот плоскости поляризации волны на 90° и изменение направления ее распространения на 180°, после чего СВЧ-волна снова направляется на контролируемый участок материала с обратной стороны. Поскольку плоскость поляризации СВЧ-волны выходящей из вращателя плоскости поляризации 5 параллельна направлениям углеродных нитей контролируемого композита, то .она практически полностью отражается от контролируемого материала и поступает на вход блока измерения эллипсометрических параметров 6. На вход блока б поступает также ортогонально-поляризованная составляющая зондирующей волны прошедшая через контролируемый материал. Обе составляющие смешиваются в одном канале блока измерения эллипсометрических параметров 6, где формируется эллиптически поляризованная волна и измеряется ее эллиптичность. Блок измерения эллипсометрических параметров 6 выполнен по известной схеме на основе модернизированных узлов автоматического СВЧ-эллипсометра. Полученные значения эллиптичности поступают на блок обработки 7, выполненной на основе вычислительного управляющего устройства К1-20, в котором по известным зависимостям для заданных типов композитов и марки связующего осуществляется расчет количества связующего.

Использование предлагаемого способа по сравнению с существующими аналогами и прототипом обеспечивает более высокую точность измерений за счет регистрации как отраженной, так и прошедшей составляющих СВЧ-волны, многократного взаимодействия только одной из составляющих с контролируемым участком материала, смешивания многократно провзаимодейство- вавшей волны с прошедшей СВЧ-волной.

Формула изобретения

Способ контроля количества связующего в композиционных материалах на основе углеродных нитей, заключающийся в облучении под углом контролируемого материала линейно-поляризованной под углом 45° к направлению углеродных нитей СВЧ-вол- ной, одновременном приеме прошедшей и отраженной волн, изменение плоскости поляризации на 90° и направления распространения на 180°отраженной волны,приеме

ее, а о количестве связующего судят по величине эллиптичности суммарной волны, о т- л и чающийся тем, что, с целью повышения точности контроля, дополнительно из. меняют плоскость поляризации на 90° и направление распространения на 180° отраженной волны после поворотного взаимодействия с контролируемым материалом, облучают ею контролируемый материал,

суммарную волну получают суммированием прошедшей и многократно провзаимодей- ствовавшей отраженной волны.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в авиационной промышленности для определения количества связующего в однослойных композиционных материалах на основе углеродных нитей. Сущность изобретения: изобретение позволяет с высокой точностью контролировать количества связующего в композиционных материалах на основе углеродных нитей за счет приема как прошедшей, так и отраженной СВЧ-волны, осуществление трехкратного взаимодействия одной из составляющих с контактируемым материалом при различных состояниях поляризации и определения количества связующего по эллиптичности суммарной СВЧ-волны, полученной в результате смешивания прошедшей и отраженной составляющих. 1 ил.