Введение

В настоящее время в различных отраслях промышленности все чаще в качестве конструкционных материалов используются композиционные материалы (далее – КМ) на полимерных и металлических матрицах. КМ имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными металлами и сплавами.

Уникальными особенностями КМ являются:

- высокое значение удельной жесткости и удельной прочности;

- повышенная химическая и коррозионная стойкость к агрессивным средам;

- анизотропия свойств.

КМ – это неоднородный сплошной материал, состоящий из нескольких компонентов. Эти компоненты можно разделить на две группы: матрица (связующее) и армирующие элементы (наполнители). Армирующие элементы предназначены для обеспечения требуемых механических свойств, а матрицы -  совместной работы армирующих элементов. Таким образом, КМ имеет два уровня неоднородности: микронеоднородность (матрицы и волокна), макронеоднородность (различным образом ориентированные микронеоднородные слои). Поэтому к КМ предъявляются высокие требования по контролю состояния внутренней структуры изделия.

Эксплуатационные нагрузки могут приводить к появлению повреждений внутренней структуры материала конструкций, что, в свою очередь, снижает ресурсные характеристики изделия из КМ и уровень допустимых действующих силовых потоков. Проведение своевременного инспекционного неразрушающего контроля (далее – НК) необходимо для выявления имеющихся внутренних дефектов, локализации их и определения линейных геометрических размеров. Не стоит забывать о послеоперационном НК, который позволяет определить дефекты внутренней структуры, связанные с недостатками или несоблюдением параметров технологического процесса изготовления [1].

Методы НК основаны на различных физических законах. Большинство методов НК обладает определенными недостатками, не позволяющие получить качественную и полную информацию обо всех имеющихся дефектах. Основным требованием к методам НК является наличие высокой разрешающей способности, так как существует вероятность обнаружения в структуре КМ как микро-, так и макродефектов.

Рассмотрим основные методы НК, применяемые для обнаружения дефектов в изделиях из КМ.

Для выявления непроклеев в слоистых и сотовых конструкциях размером до 7 м с высокой чувствительностью (до 1–3 мм) применяется метод голографической интерферометрии. Данный метод является оптическим и основан на регистрации интерференционной картины, получаемой при когерентном воздействии рассеянной контролируемым объектом волны и опорной волны с последующим восстановлением изображения ОК. Достоинствами метода являются: возможность получения интегральной картины зоны контроля, бесконтактность метода. Недостатками метода являются: затруднительность или невозможность точного определения местоположения границ дефектов, трудоемкость расшифровки интерференционных картин, необходимость механического или теплового нагружения деталей и конструкций, а также высокая стоимость аппаратуры.

Радиоволновой метод основан на взаимодействии радиоволн сверхвысоких частот (далее – СВЧ) с материалом ОК. Данный метод позволяет контролировать изделия из полимерных материалов, являющихся диэлектриками (стеклопластики, резина и т.д.), применяются радиоволны. Метод позволяет обнаруживать дефекты типа расслоений, трещин, инородных включений и т.п. Преимущества радиоволнового метода: 1. возможность бесконтактного контроля при одностороннем доступе; 2. высокая производительность. Недостатки – зависимость результатов контроля от плоскости излучения антенн относительно плоскости контролируемой поверхности, чувствительность одновременно к изменению нескольких параметров материала (при контроле по одному из параметров остальные являются мешающими факторами), сложность установок для механизации контроля.

Тепловые методы основаны на анализе температурного поля ОК, определяемого по инфракрасному излучению, при нагреве объекта внешним источником тепла. При контроле конструкций, содержащих слои из КМ, применяют как двухсторонние, так и односторонние способы теплового контроля. Наибольшая разрешающая способность достигается при двухстороннем контроле, когда теплофизические свойства слоев конструкции близки относительно поверхности, на которой измеряется температурное поле. Основные недостатки данного метода следующие:

1. выявляемость дефекта зависит от глубины его залегания;

2. наличие помех, влияющих на результаты контроля, создаваемые нагревателем;

3. необходимость выбора оптимальных параметров контроля (скорости нагрева, мощности нагревателя, величины пятна нагрева).

Для получения полной информационной картины о состоянии ОК применяют несколько методов НК, дополняющих друг друга.

В таблице 1 представлены минимальные линейные размеры дефектов, выявляемых на этапе НК с помощью традиционных методов.

Таблица 1. Таблица размеров выявляемых дефектов

Из приведенной выше таблицы 1 видно, что минимальная площадь выявляемых расслоений составляет S=50-80 мм², а минимальные линейные размеры обнаруживаемых трещин – L=0,5-1 мм. Данные показатели допустимы при проведении инспекционного контроля, однако недостаточны при анализе внутренней структуры образцов из КМ перед испытаниями на этапе изготовления.

Например, ввиду особенностей метода ультразвукового НК, при наличии в структуре материала множественных расслоений по толщине образца невозможно определить локализацию всех дефектов (см. рис. 1).

Рисунок 1 – Картина внутренней структуры плоского образца из КМ с дефектами вида «расслоение», полученная ультразвуковым методом НК

Для получения изображения внутренних дефектов с высоким разрешением и возможностью определения локализации дефектов, т.е. получения 3D-изображения объема материала, применяется метод компьютерной рентгеновской томографии (далее – КРТ). Данный метод позволяет получить изображение требуемого качества, что проиллюстрировано на рис.2, представляющем собой томографический 2D-срез образца из КМ на эпоксидной матрице.

Рисунок 2 – Картина внутренней структуры образца из КМ, полученная методом рентгеновской томографии

Суть метода состоит в восстановлении трехмерного распределения плотности материалов в объеме ОК по совокупности проекций изделия, получаемых при помощи рентгеновского просвечивания в различных направлениях. В ходе контроля при осуществлении кругового вращения получают большое количество последовательных проекций ОК, после чего с помощью специального программного алгоритма создается трехмерная модель образца.

Данные КРТ представляются в виде цифровых массивов, характеризующих информацию о пространственной структуре коэффициента ослабления рентгеновского излучения μ(x,y). После восстановления результата томограммы создается картина распределения разноплотностей в общем объеме ОК, так как распределение коэффициента μ(x,y) пропорционально распределению плотности ρ(x,y). Фиксируя в качестве исходного элементный состав бездефектного материала, зоны дефектов структуры КМ исследуемого объекта будут отличны от исходного, что позволяет на реконструкции томографического изображения обнаружить дефекты и зафиксировать их геометрическое положение в объеме [1].

Выводы

Достоинства метода КРТ:

1. Возможность получения объемной 3D-картины структуры материала ОК;
2. Более высокая чувствительность метода по сравнению с традиционными метода НК;
3. Возможность установления координат расположения дефектов и измерения их линейных размеров.

Конкурентные преимущества применения КРТ:

1. Метод позволяет определить правильность параметров процесса изготовления изделия из КМ, обнаружить отклонения и нарушения техпроцессов;

Метод позволяет повысить качество и увеличить эксплуатационные характеристики изготовленной продукции.

1. Ларин Алексей Андреевич. Способы оценки работоспособности изделий из композиционных материалов методом компьютерной томографии Специальность: 05.11.13 – Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва 2013 г.
2. Вавилов В.П. и др. Тепловая томография углепластика: опыт кооперативных зарубежных исследований // Неразрушающие физические методы и средства контроля: тез. докл. XIII НТК. СПб., 1993. С. 69–70.

Все статьи автора «e.stadnyuk»