Страница 7 из 11
Дефекты, которые образуются на этапе формирования матрицы, связаны, в основном, с отклонениями от расчетного распределения плотности конечного материала, хотя и не исключены нарушения структуры армирующего каркаса, возникающие на различные рода подготовительных операциях. На этом же этапе возможно образование, вследствие нарушения технологических режимов насыщения таких дефектов, как раковины, рыхлости и трещины.
Дефекты типа «посторонние включения», обычно металлического характера, могут образовываться на каждом этапе изготовления изделий из композиционных материалов.
Проведенные исследования позволили определить характер влияния различных видов структурных дефектов на физико-механические и теплозащитные свойства композитов.
Наличие различного шага укладки жгутов вдоль координатных осей может быть одной из причин отличия расчетных значений упругих констант от реальных характеристик материалов.
Наличие искривленных волокон в ортогонально-армированном композиционном материале существенно снижает его жесткость при растяжении и сжатии. Создание предварительного натяжения арматуры при изготовлении каркасов способствует некоторому увеличению модулей упругости и прочности в направлении натяжения за счет исключения случайных искривлений жгутов, однако чрезмерное натяжение в одном направлении может вызвать нарушение ортогональности в других. Исследования показали, что отклонения армирующих жгутов от заданного направления армирования даже на 3° может приводить к снижению прочности композита до 20%.
Уменьшение числа армирующих жгутов в каком-либо направлении обычно является следствием их припусков или обрывов и приводит к снижению прочности композиционного материала при растяжении. Так, при уменьшении числа жгутов в рабочем сечении образцов материала КИМФ, подвергнутых механическим испытаниям, с 9 до 6 прочность при растяжении снижается на 30%.
Повышенная пористость оказывает заметное влияние на модуль упругости в трансверсальном направлении, где содержание волокон мало, а влияние матрицы на формирование жесткости указанного направления весьма значительно. Кроме того, дефекты при изготовлении деталей и узлов из композиционных материалов могут возникать в процессе механической обработки. Наиболее типичными из них являются отслоение, водопоглощение, структурные дефекты, разрушение армирующих волокон.
Возникновение деструктированного диспергированного слоя, значительно ухудшает эксплуатационные характеристики изделий из композитов.
При контактном взаимодействии полимера с металлом (инструментом) возбуждается механический процесс, повышается кинетическая активность системы. Этот процесс протекает с массовым образованием свободных радикалов за счет разрыва ковалентных связей у макромолекул. Для образования свободных микрорадикалов при механическом воздействии на полимер требуется энергия порядка 210–240 кДж/моль.
Поскольку в процессе резания контактируют ювенильные поверхности металла и полимера, то это приводит, с одной стороны, к пластифицированию металлической поверхности, а с другой – к углублению процесса деструктирования макромолекул, вызываемого каталитическим действием металла.
Как известно, наличие кислорода резко изменяет механизм и скорость деструкционных процессов. Экспериментально подтверждены интенсивные окислительные процессы, происходящие в зоне резания, что в свою очередь указывает на углубление процессов деструкции полимера.
В результате деструкции в зоне резания находятся продукты деструкции – метиленовые, гидроксильные, карбонильные и альдегидные группы, углеродо-водородные комбинации, являющиеся поверхностно активными веществами, которые вызывают специфический вид износа инструмента. Кроме того, в результате деструкции полимера обильно выделяются летучие вещества, в том числе и токсичные. Степень деструкции можно оценить сравнительно, т. е. по числу стабильных микрорадикалов в весовой единице поверхностного слоя.
С точки зрения эксплуатационных характеристик поверхностного слоя в результате деструкции представляет несомненный интерес определение глубины деструкции. На размер и интенсивность деструктивных процессов влияет главным образом теплота, выделяемая в зоне резания, и механическое воздействие, приводящее к разрыву цепей полимера. Толщина дефектного поверхностного слоя материала после механической обработки составляет 350–420 мкм.
Таким образом, всегда при механической обработке композитов под действием больших локальных механических напряжений, высокой температуры, превышающей теплостойкость органических составляющих материала, и интенсивных окислительных процессов происходит деструкция полимера, приводящая к ухудшению эксплуатационных свойств поверхностного слоя материала.
Глава 3
Общая характеристика применяемых методов контроля
В комплексе действий, направленных на обеспечение надежности и долговечности аэрокосмической техники, дефектоскопия имеет решающее значение, поскольку малейшая ошибка в определении характера дефекта или его пропуск могут привести к серьезным последствиям. В связи с этим проведение дефектоскопии возможно при соблюдении следующих условий:
– высокая квалификация специалистов, проводящих контроль;
– необходимое качество используемой при контроле аппаратуры;
– соответствующая техническая документация;
– высокое совершенство метода, обеспечивающее необходимый уровень качества контроля.
При этом следует отметить особенности дефектоскопии изделий аэрокосмической техники: разнообразие материалов контролируемых деталей как по своей природе, так и по свойствам; сложность контролируемых деталей по форме и разнообразие по массе; во многих случаях – недостаточно технологичные доступы, что может вызвать дополнительные демонтажно-монтажные работы; наличие контроля многослойных конструкций деталей, установленных в конструкциях, покрытых защитными пленками и имеющих загрязненную поверхность; своевременное обнаружение дефектов, возникающих в процессе эксплуатации по различным причинам – производственным, конструктивным и др.
Дефектоскопия, т. е. поиск дефектов с помощью неразрушающих методов контроля, позволяет обеспечивать заданный уровень надежности, добиваться увеличения долговечности с высокой эффективностью и производительностью. Средства неразрушающего контроля предназначены для выявления дефектов типа несплошности материала, контроля геометрических параметров изделий, оценки физико-механических свойств материала изделий. С помощью дефектоскопов получают информацию в виде электрических, световых, звуковых и других сигналов о качестве контролируемых объектов.
В промышленности существует пять видов контроля: операционный, сплошной, выборочный, входной и приемочный. Операционный контроль – контроль изделий в процессе выполнения или после завершения производственной операции. При этом контроль может быть сплошным или выборочным, т. е. проверяется либо каждое изделие, либо пробное из партии. Приемочный контроль – контроль готовой продукции. Входной контроль обеспечивает контроль сырья, полуфабрикатов или изделий другого производства [27].
При всех видах контроля широко применяется дефектоскопия, использующая различные физические и физико-химические явления, процессы и взаимодействия.
3.1 Методы, использующие акустические волны
Акустический неразрушающий контроль основан на регистрации параметров распространяющихся в объекте акустических волн.
Акустические колебания в зависимости от частоты подразделяют на инфразвуковые (частота до 20 Гц), гиперзвуковые (частота от 2 ∙ 1010 до 2 ∙ 1013 Гц) и ультразвуковые (частота от 1,6 ∙ 104 до 109 Гц). Для акустического контроля применяют колебания ультразвукового и звукового диапазонов частотой от 50 Гц до 50 МГц. Интенсивность колебаний обычно невелика, не превышает 1 кВт/см. Такие колебания происходят в области упругих деформаций среды, где напряжения и деформации связаны пропорциональной зависимостью (область линейной акустики). Акустические волны вызывают в упругой среде колебания ее частичек относительно своих положений равновесия. Упругие колебания распространяются от частицы к частице с определенной скоростью, зависящей от свойств озвучиваемого материала и вида акустических волн. В зависимости от направления колебаний частиц по отношению к направлению распространения волны различают продольные, поперечные (сдвиговые), поверхностные и нормальные волны. Волна называется продольной, если ее направление совпадает с направлением упругих колебаний частиц. Такие волны возбуждаются в твердых, жидких и газообразных телах.