Композитные материалы — это новые материалы, созданные с помощью передовых технологий подготовки материалов, которые оптимизированным образом сочетают в себе компоненты с различными свойствами. В 1940-е годы в связи с потребностями авиационной промышленности были разработаны стеклопластики (широко известные как стеклопластики), положившие начало термину «композитные материалы». После 1950-х годов последовательно разрабатывались высокопрочные и высокомодульные волокна, такие как углеродное волокно, графитовое волокно и борное волокно. К 1970-м годам также появились арамидные волокна и волокна из карбида кремния. С ростом применения композитных материалов в различных областях, особенно в аэрокосмической, автомобильной, строительной, электронной и новой энергетической отраслях, мировая индустрия композитных материалов демонстрирует непрерывную тенденцию роста.

Поскольку в различных отраслях промышленности используется все больше композитных материалов и конструкций, важной темой стало понимание того, как проверять их на предмет повреждений. В этой статье рассматриваются несколько распространенных методов неразрушающего контроля (НК) композитных материалов.

Неразрушающий контроль, или неразрушающий контроль, является стандартным методом испытаний в промышленности композитных материалов, который не требует резки или изменения материала другими способами. Это также важно для производства высококачественной продукции. Существует несколько методов неразрушающего контроля на выбор, и иногда необходимо использовать несколько методов одновременно, чтобы полностью понять типы, размеры, расположение и глубину дефектов в композитных ламинатах.

(2) Испытание на удар является еще одним фундаментальным методом проверки. Для этого необходимо аккуратно постучать по поверхности детали молотком или монетой. Яркий металлический звук указывает на то, что конструкция исправна, а глухой «стук» предполагает наличие дефектов, таких как расслоение или отслоение. Цифровые молотки могут измерять реакцию на удар и отображать время, необходимое ламинату для реакции, в миллисекундах. Более короткое время отклика указывает на то, что конструкция поглощает меньше ударов, что позволяет предположить, что она прочная. И наоборот, при наличии дефектов время отклика увеличивается, что приводит к более высоким показаниям на дисплее.

Этот метод более эффективен для тонких ламинатов толщиной менее 3,05 мм, но может не дать надежных результатов для очень толстых ламинатов. Еще одним недостатком является то, что иногда показания могут быть ложными, особенно когда задняя часть ламината прикреплена к другой конструкции.

(3) Ультразвуковой контроль (УЗК) в настоящее время является наиболее широко используемым методом неразрушающего контроля. Принцип ультразвукового контроля предполагает отправку высокочастотных энергетических волн (в диапазоне от 0,5 до 25 МГц) в ламинат, захват и количественную оценку амплитуды и времени прохождения этих волн для анализа свойств материала и структурных изменений. Основными методами ультразвукового контроля являются:

Ультразвуковое тестирование с использованием эхо-импульса. Этот метод можно выполнять с помощью одностороннего ультразвукового зонда, который действует как передатчик, так и приемник. Он работает с использованием импульсного возбуждения высокого давления, при котором каждый электрический импульс активирует элемент преобразователя. Этот элемент преобразует электрическую энергию в механическую энергию в виде ультразвуковых волн. Волновая энергия поступает на испытуемую деталь через контактный наконечник из тефлона® или метакрилата. Формы сигналов генерируются внутри тестовой части и улавливаются элементом преобразователя. Любые изменения амплитуды принятого сигнала или времени, необходимого для возвращения эха к преобразователю, указывают на наличие дефектов. Импульсно-эхо-тестирование используется для обнаружения расслоений, трещин, пустот, воды и отслоения клеевых компонентов, но более сложно выявить расслоения или дефекты между сердцевиной и оболочкой сэндвич-структур.

Ультразвуковой контроль насквозь: в этом методе используются два преобразователя, по одному на каждой стороне проверяемой области. Ультразвуковой сигнал передается от одного преобразователя к другому. Затем потери интенсивности сигнала измеряются с помощью приборов, которые представляют эти потери в процентах от исходной мощности сигнала или в децибелах. Области, где потери сигнала превышают эталонные стандарты, идентифицируются как дефектные.

Низкочастотные и высокочастотные тестеры соединения. Эти тестеры соединения используют контрольные датчики, оснащенные одним или двумя преобразователями. Высокочастотные тестеры сцепления предназначены для обнаружения расслоений и пустот и способны выявлять дефекты размером до 0,5 дюйма в диаметре. Однако они не могут обнаружить отслоения или пустоты от поверхности до сотовой сердцевины. Тестеры низкочастотного соединения используют два датчика для обнаружения расслоений, пустот и отслаивания сотовых сердцевин, но они не могут определить, какая сторона детали повреждена, и не могут обнаружить дефекты размером менее 1,0 дюйма.

Ультразвуковой контроль фазированной решетки. Контроль фазированной решетки — один из новейших ультразвуковых методов обнаружения дефектов в композитных конструкциях. Он действует по тому же принципу, что и эхо-импульсный метод, но одновременно задействует десятки и даже более датчиков, что значительно ускоряет процесс контроля.

(4)Тепловизионное тестирование Принцип работы импульсного инфракрасного тепловидения включает использование методов активного нагрева для автоматической регистрации поверхностных дефектов в испытуемых образцах. Он измеряет разницу температур в материале матрицы, вызванную различными тепловыми свойствами, что позволяет выявлять повреждения как на поверхности, так и внутри. Этот метод характеризуется своей бесконтактной, эффективной и интуитивно понятной природой, работающей в режиме реального времени, что делает его особенно подходящим для обнаружения расслоений, пористости, отслаивания, расслоения и дефектов площадного типа в связных структурах между композитными материалами и металлами.

Тепловидение особенно полезно, когда детали или компоненты не могут быть погружены в воду для ультразвукового C-сканирования или когда форма поверхности деталей затрудняет ультразвуковой контроль. Этот метод представляет собой ценную альтернативу для оценки целостности сложных структур.

(5) Радиографический контроль (RT), обычно относящийся к рентгеновскому контролю, является ценным методом неразрушающего контроля (NDT), поскольку он позволяет увидеть внутренний вид компонента без его разборки. Этот метод основан на пропускании рентгеновских лучей через испытуемую деталь, фиксируя изменения поглощения на пленке, чувствительной к рентгеновским лучам. После проявления экспонированной пленки инспекторы анализируют различия в непрозрачности, эффективно создавая визуальное представление внутренних деталей.

Хотя рентгеновский контроль не идеален для обнаружения дефектов, таких как расслоения в плоскостях, перпендикулярных направлению рентгеновских лучей, он превосходно выявляет дефекты, параллельные рентгеновскому лучу. Внутренние аномалии, такие как расслоения углов, раздавленные ядра, трещины в ядрах, вода в ячейках сердцевины, пустоты в клеевых соединениях пенопласта и относительное расположение внутренних деталей, легко видны с помощью рентгеновских изображений.

Поскольку большинство композитных материалов почти прозрачны для рентгеновских лучей, необходимы рентгеновские лучи низкой энергии. Из соображений безопасности RT вокруг самолета, как правило, нецелесообразен, и операторы должны использовать свинцовую защиту и соблюдать безопасное расстояние от источников рентгеновского излучения.

Существует несколько методов радиографического контроля, каждый из которых подходит для конкретного применения:

Стандартная рентгенография подходит для частей средней толщины.
Низковольтную рентгенографию применяют для тонких деталей (1-5 мм).
Гамма-рентгенография применяется для толстых деталей.
Нейтронная радиография, дополнительный метод рентгеновской визуализации, визуализирует внутренние особенности на основе ослабления в различных средах. На передачу нейтронов влияет нейтронное сечение атомных ядер внутри материала, что позволяет визуализировать такие особенности, как легкие элементы (например, водород в коррозии или вода), которые только рентгеновские лучи не могут обнаружить.

(6) Испытание ширографии: Ширография представляет собой лазерный оптический метод, в котором используется ширографический интерферометр для обнаружения и измерения неплоских деформаций в компонентах. Первоначально деталь измеряется в условиях холостого хода. Затем испытание повторяется при приложенных нагрузках, которые могут включать термические, механические, акустические, давления, вакуума, электрические, магнитные, микроволновые или механические нагрузки. Этот процесс позволяет камере фиксировать узоры деформационных полос на поверхности ламината там, где присутствуют подповерхностные дефекты.

Специализированное компьютерное программное обеспечение экстраполирует завернутые изображения фазовой карты для создания развернутой фазовой карты, преобразуя ее в интегрированное визуальное изображение для отображения и оценки. Примечательно, что этот метод может быстро выявить места дефектов, но требует дальнейшего ультразвукового контроля для определения глубины дефекта.

Испытание акустической эмиссии (AE): Испытание акустической эмиссии обнаруживает и анализирует сигналы звуковой эмиссии, создаваемые композитными материалами или конструкциями под нагрузкой, оценивая общее качество композитных компонентов. Этот метод эффективен для анализа дефектов, отражает прогрессирование повреждений и характер разрушения композитов, прогнозирует окончательную несущую способность и выявляет слабые места в качестве компонентов.

Технология АЭ практична и удобна для пользователя, обеспечивая ценную информацию о процессах деформации и повреждения материала во время механических испытаний. К методам АЭ в основном относятся:

Анализ параметров: Записывая и анализируя параметры сигнала, такие как амплитуда, энергия, продолжительность, количество звонков и количество событий, он оценивает характеристики повреждения, такие как серьезность, местоположение и механизмы отказа. Однако основным недостатком является то, что информация об источнике АЭ может быть скрыта резонансными датчиками, что приводит к плохой воспроизводимости экспериментальных результатов.

Анализ формы сигнала: этот подход записывает и анализирует формы сигналов АЭ для получения спектров и корреляционных функций. Это помогает определить частотные характеристики, связанные со стадиями и механизмами повреждения, позволяя получить представление о профиле повреждения материала.

Спектральный анализ: Этот метод, включающий в себя как классический, так и современный спектральный анализ, преобразует сигналы АЭ из временной области в частотную область. Это позволяет идентифицировать внутреннюю информацию об источнике АЭ путем изучения различных характеристик сигнала в частотной области. Однако спектральный анализ предполагает, что сигнал представляет собой стационарный периодический сигнал, что ограничивает его способность улавливать локализованные изменения информации.