RU2743621C1

RU2743621C1 - Method of creating defects in samples from multilayer carbon fiber materials

Info

Publication number: RU2743621C1
Application number: RU2020115660A
Authority: RU
Inventors: Петр Николаевич Шкатов; Геннадий Анатольевич Дидин; Андрей Александрович Хвостов; Алексей Александрович Ермолаев
Original assignee: Ооо Вихревик
Priority date: 2020-05-12
Filing date: 2020-05-12
Publication date: 2021-02-20

Abstract

FIELD: non-destructive testing.

SUBSTANCE: invention relates to non-destructive testing and can be used to create internal defects of continuity in control samples for non-destructive testing of multilayer carbon fiber materials. A voltage is applied to electrodes 2 and 3 from the high-voltage generator 1, which creates between parts 9 and 10 of layers 5.2 and 5.3, respectively, an electric field with an intensity E. When an electric voltage is applied from generator 1, due to the anisotropic properties of the electrical conductivity of layers 5.2 and 5.3, a change in the electric potential will occur only in parts 9 and 10 of layers directly in contact with electrodes 2 and 3. The magnitude and duration of exposure to an electric field are selected from the condition of breakdown of the dielectric layer 6.2 in section 11, leading to the formation of a continuity defect at the breakdown site. The parameters of the created defect can be changed by adjusting the frequency of the applied voltage and its amplitude.

EFFECT: said invention is aimed at creating internal defects of continuity at a given depth and a given area.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к неразрушающему контролю и может быть использовано для создания внутренних дефектов сплошности в контрольных образцах для неразрушающего контроля из многослойных углепластиковых материалов.The invention relates to non-destructive testing and can be used to create internal defects of continuity in control samples for non-destructive testing from multilayer carbon fiber materials.

Известен способ создания дефектов в образцах из многослойных пластиковых материалов, заключающийся в том, что на образец воздействуют ударом металлического шара с заданной энергией [Koyama K., Hoshikawa Н., Hirano Т. Investigation of impact damage carbon fiber rainforced plastic (CEPR) by eddy current non destructive testing // International Conference NDT in Canada 2011. - 2-4 November 2011, Montreal, Quebec, Canada].There is a known method of creating defects in samples from multilayer plastic materials, which consists in the fact that the sample is affected by the impact of a metal ball with a given energy [Koyama K., Hoshikawa N., Hirano T. Investigation of impact damage carbon fiber rainforced plastic (CEPR) by eddy current non destructive testing // International Conference NDT in Canada 2011. - 2-4 November 2011, Montreal, Quebec, Canada].

Недостаток известного способа состоит в том, что получаемое повреждение в виде трещин и расслоений возникает случайным образом. При этом размеры повреждения и его расстояние от поверхности образца (номер поврежденного слоя) при одинаковых энергиях удара варьируются в широких пределах.The disadvantage of the known method is that the resulting damage in the form of cracks and delamination occurs randomly. In this case, the size of the damage and its distance from the sample surface (the number of the damaged layer) at the same impact energies vary within wide limits.

Известен способ имитации внутренних дефектов типа расслоения в контрольных образцах из многослойных пластиковых материалов [Чермошенцева А.С. Разработка методики повышения прочности тонкостенных элементов конструкций из композиционных материалов с дефектами типа расслоений. - МВТУ им. Баумана, 2018, с. 61-62], заключающийся в том, что в процессе изготовления образца между соответствующими слоями размещают покрытую антиадгезионным слоем пленку из диэлектрического материала, например, тефлона, толщина и размеры которой соответствуют параметрам имитируемого расслоения.A known method of imitation of internal defects such as delamination in control samples of multilayer plastic materials [Chermoshentseva A.S. Development of a technique for increasing the strength of thin-walled structural elements made of composite materials with defects such as delamination. - MVTU im. Bauman, 2018, p. 61-62], which consists in the fact that in the process of making a sample between the corresponding layers is placed a film coated with an anti-adhesive layer of a dielectric material, for example, Teflon, the thickness and dimensions of which correspond to the parameters of the simulated delamination.

Недостаток известного способа заключается в том, что он может быть реализован только в процессе формирования образца при укладке слоев. Вместе с тем, во многих случаях такая возможность отсутствует или требуется создание имитаторов внутренних дефектов в фрагментах бывших в эксплуатации натурных объектов. Кроме того, известным способом не могут быть созданы внутренние дефекты с полостью, не содержащей твердой среды. Это искажает регистрируемые сигналы при использовании как акустических, так и вихретоковых методов неразрушающего контроля (применительно к углепластиковым материалам). Искажение ультразвуковых сигналов связаны с тем, что акустическое сопротивление полости заполненной газом (воздухом) при реальных дефектах и заполненной твердым материалом (тефлоновой пленкой) при имитации различно. Вихретоковые сигналы также искажаются, так как в области высоких частот порядка нескольких мегагерц используемых при вихретоковой дефектоскопии углепластиков, существенна емкостная составляющая вихревого тока. Эта составляющая зависит от диэлектрической проницаемости заполнителя полости и, следовательно, будет искажаться при размещении в полости тефлона. Еще одно несоответствие заключается в том, что внутренние дефекты в многослойных углепластиковых материалах чаще всего возникают при ударных повреждениях, сопровождающихся не только расслоениями между матрицей и углеродным волокном, но и трещинами в них. Известный способ не позволяет имитировать этот тип внутренних дефектов одновременно с расслоением.The disadvantage of the known method is that it can be implemented only in the process of forming a sample when laying layers. At the same time, in many cases such a possibility is absent or it is required to create simulators of internal defects in fragments of used full-scale objects. In addition, the known method cannot create internal defects with a cavity containing no solid medium. This distorts the recorded signals when using both acoustic and eddy current methods of nondestructive testing (as applied to carbon fiber materials). Distortion of ultrasonic signals is associated with the fact that the acoustic resistance of a cavity filled with gas (air) with real defects and filled with a solid material (Teflon film) during simulation is different. Eddy current signals are also distorted, since in the high frequency region of the order of several megahertz used in eddy current flaw detection of CFRPs, the capacitive component of the eddy current is significant. This component depends on the dielectric constant of the cavity filler and, therefore, will be distorted when placed in the cavity of Teflon. Another discrepancy is that internal defects in multilayer CFRP materials most often occur during impact damage, accompanied not only by delamination between the matrix and carbon fiber, but also by cracks in them. The known method does not allow simulating this type of internal defects simultaneously with delamination.

Известен способ имитации внутренних дефектов типа расслоения в образцах для неразрушающего контроля из многослойных пластиковых материалов [Способ имитации дефектов типа расслоений в полимерных покрытиях RU 588496. G01N 29/04. Заявка 2071422/25-28 от 28.10.74, опубл. 15.01.78], заключающийся в том, что в процессе укладки в пресс - форму пропитанных заготовок тканей между соответствующими слоями размещают пакет из легкоплавкого материала, заполненный фенолом в кристаллическом состоянии. В процессе полимеризации основная часть компонентов улетучивается или отверждается, а температура достигает критической для оплавления пакета точки. Под воздействием температуры пакет оплавляется, а кристаллический фенол из пакета переходит в газообразное состояние, но улетучиться не может. В результате образуется полость, заполненная газом.There is a known method for simulating internal defects such as delamination in samples for non-destructive testing of multilayer plastic materials [Method for imitating defects such as delamination in polymer coatings RU 588496. G01N 29/04. Application 2071422 / 25-28 dated 28.10.74, publ. 15.01.78], which consists in the fact that in the process of laying the impregnated fabric blanks into the mold, a bag of low-melting material filled with phenol in the crystalline state is placed between the corresponding layers. During the polymerization process, most of the components volatilize or solidify, and the temperature reaches the critical point for melting the package. Under the influence of temperature, the package melts, and crystalline phenol from the package goes into a gaseous state, but cannot evaporate. The result is a gas-filled cavity.

Однако и этот способ не позволяет создавать внутренние дефекты в уже изготовленных фрагментах деталей. Кроме того, известный способ не позволяет создавать комбинацию из дефектов типа трещин и расслоений, характерных для ударных повреждений.However, this method also does not allow the creation of internal defects in already manufactured fragments of parts. In addition, the known method does not make it possible to create a combination of defects such as cracks and delamination characteristic of impact damage.

Наиболее близок к предложенному, принятый за прототип, способ создания дефектов в образцах из многослойных композиционных углепластиковых материалов [Гуняева А.Г., Черфас Л.В., Комарова О.А., Куприенко В.М. Проведение испытаний на молниестойкость экспериментальных и конструктивно-подобных образцов, выполненных из углепластика, с молниезащитным покрытием // Труды ВИАМ. 2017. №7 (55). - С. 90-101. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/provedenie-ispytaniy-na-molniestoykost-eksperimentalnyh-i-konstruktivno-podobnyh-obraztsov-vypolnennyh-iz-ugleplastika-s (дата обращения: 28.11.2019)], заключающийся в том, что над поверхностью образца размещают с воздушным промежутком стержневой токоподводящий электрод и заземляющую пластину с отверстием, соосным электроду, подключают электрод и пластину к высоковольтному генератору импульсов, воздействуют на образец импульсом электрического поля, достаточным для электрического пробоя током, замыкающимся через образец и создающим в нем дефект сплошности.Closest to the proposed, taken as a prototype, a method of creating defects in samples from multilayer composite carbon fiber materials [Gunyaeva AG, Cherfas LV, Komarova OA, Kuprienko VM. Carrying out tests for lightning resistance of experimental and structurally similar samples made of carbon fiber with a lightning protection coating // Proceedings of VIAM. 2017. No. 7 (55). - S. 90-101. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/provedenie-ispytaniy-na-molniestoykost-eksperimentalnyh-i-konstruktivno-podobnyh-obraztsov-vypolnennyh-iz-ugleplastika-s (date of access: 28.11.2019)], concluded in that a rod current-supplying electrode and a grounding plate with a hole coaxial to the electrode are placed above the sample surface with an air gap, the electrode and the plate are connected to a high-voltage pulse generator, the sample is exposed to an electric field pulse sufficient for electric breakdown by a current that closes through the sample and creates it has a continuity defect.

Недостаток известного способа, состоит в том, что создаваемый дефект развивается с поверхности и не позволяет имитировать внутренние дефекты с заданной глубиной и площадью, что необходимо для настройки и калибровки соответствующих средств неразрушающего контроля.The disadvantage of the known method consists in the fact that the created defect develops from the surface and does not allow simulating internal defects with a given depth and area, which is necessary for setting and calibrating the corresponding non-destructive testing tools.

Технический результат изобретения заключается в обеспечении возможности создания внутренних дефектов сплошности на заданной глубине и заданной площади.The technical result of the invention is to provide the possibility of creating internal defects of continuity at a given depth and a given area.

Указанный технический результат в способе создания дефектов в образцах из многослойных композиционных углепластиковых материалов заключается в том, что на участок образца с помощью электродов, подключенных к высоковольтному генератору, воздействуют электрическим полем, приводящим к пробою и образованию дефекта сплошности в образце, это достигается благодаря тому, что каждый из электродов электрически соединяют с соответствующими однонаправленными углеродными волокнами, находящимися в соседних слоях образца и расположенными друг над другом в зоне создаваемого дефекта.The specified technical result in the method of creating defects in samples from multilayer composite carbon-fiber materials consists in the fact that an electric field is applied to the sample section using electrodes connected to a high-voltage generator, leading to breakdown and the formation of a continuity defect in the sample, this is achieved due to the fact that that each of the electrodes is electrically connected to the corresponding unidirectional carbon fibers located in adjacent layers of the sample and located one above the other in the zone of the created defect.

На фиг. 1 схематично показано устройство для реализации заявляемого способа, на фиг. 2 отдельно показан вид сверху на образец с выделенными слоями из углеродных волокон с подключенными к ним электродам.FIG. 1 schematically shows a device for implementing the inventive method, FIG. 2 separately shows a top view of a sample with highlighted layers of carbon fibers with electrodes connected to them.

Устройство для реализации заявляемого способа содержит высоковольтный генератор 1, соединенный через электроды 2 и 3 с образцом 4 из многослойного углепластиков ого материала. На фиг. 1, в качестве примера, показан образец 4, состоящий из электропроводящих слоев 5.1, 5.2, 5.3, 5.4, выполненных из однонаправленных углеродных волокон. Каждый последующий слой выполнен с поворотом на угол 90° относительно предыдущего. Слои материала связаны между собой диэлектрическими слоями 6.1, 6.2, 6.3 на основе эпоксидной смолы. В образце 4 имеются глухие плоскодонные полости 7 и 8, предназначенные для создания электрического соединения электродов 2 и 3 с соответствующими частями 9 и 10 однонаправленных углеродных волокон, находящихся в соседних слоях 5.2 и 5.3 образца 4 и расположенных друг над другом в зоне создаваемого дефекта 11. Полости 7 и 8 могут выполняться как полукруглыми, что удобно, если они выходят на кромки, так и круглыми, если доступа к кромкам нет или они находятся далеко от создаваемого дефекта 9. Полости 7 и 8 могут выполняться как с одной, так и с разных сторон образца 4.The device for implementing the proposed method contains a high-voltage generator 1, connected through electrodes 2 and 3 with a sample 4 of a multilayer carbon fiber material. FIG. 1, as an example, sample 4 is shown, consisting of electrically conductive layers 5.1, 5.2, 5.3, 5.4, made of unidirectional carbon fibers. Each subsequent layer is made with a rotation at an angle of 90 ° relative to the previous one. The layers of the material are interconnected by dielectric layers 6.1, 6.2, 6.3 based on epoxy resin. Sample 4 has blind flat-bottomed cavities 7 and 8, designed to create an electrical connection of electrodes 2 and 3 with the corresponding parts 9 and 10 of unidirectional carbon fibers located in adjacent layers 5.2 and 5.3 of sample 4 and located one above the other in the zone of the created defect 11. Cavities 7 and 8 can be made both semicircular, which is convenient if they extend to the edges, and round, if there is no access to the edges or they are far from the created defect 9. Cavities 7 and 8 can be performed with one or different sides of the sample 4.

Электроды 2 и 3 имеют форму рабочего торца согласованного с формой полостей 7 и 8. Для исключения электрического контакта электродов с другими слоями рекомендуется изолировать боковую поверхность электродов 2 м 3 на части их возможного соприкосновения с боковыми стенками полостей. Изоляция может быть выполнена с помощью диэлектрического слоя. Возможна также изоляция боковых стенок полостей 7 и 8, например, путем нанесения на стенки диэлектрического компаунда. Второй вариант предпочтительнее, так как позволяет для обеспечения надежного электрического контакта по всей рабочей поверхности электродов 2 и 3, использовать электропроводящую пасту, размещаемую между их торцами и донышком соответствующей полости 7 или 8.Electrodes 2 and 3 have the shape of a working end matched to the shape of cavities 7 and 8. To exclude electrical contact of the electrodes with other layers, it is recommended to insulate the side surface of the electrodes 2 m 3 on the part of their possible contact with the side walls of the cavities. Insulation can be done with a dielectric layer. It is also possible to insulate the side walls of the cavities 7 and 8, for example, by applying a dielectric compound to the walls. The second option is preferable, since it allows for reliable electrical contact over the entire working surface of electrodes 2 and 3 to use an electrically conductive paste placed between their ends and the bottom of the corresponding cavity 7 or 8.

Способ создания дефектов в образцах из многослойных композиционных углепластиковых материалов реализуется следующим образом. На электроды 2 и 3 от высоковольтного генератора 1 подается напряжение, создающее между частями 9 и 10 слоев 5.2 и 5.3, соответственно, электрическое поле с напряженностью Е. Следует отметить, что электропроводящие слои из углеродных волокон обладают ярко выраженной электрической анизотропией, заключающейся в том, что их удельное электрическое сопротивление ρ_прод в продольном направлении вдоль углеродных волокон, как минимум, на два порядка меньше ρ_поп в поперечном направлении, перпендикулярном к волокнам. Благодаря этому при подаче электрического напряжения от генератора 1 изменение электрического потенциала произойдет только в частях 9 и 10 слоев, непосредственно контактирующих с электродами 2 и 3. Величина и длительность воздействия электрическим полем выбираются из условия пробоя диэлектрического слоя 6.2 на участке 11.The method for creating defects in samples from multilayer composite carbon fiber materials is implemented as follows. A voltage is applied to electrodes 2 and 3 from the high-voltage generator 1, which creates between parts 9 and 10 of layers 5.2 and 5.3, respectively, an electric field with an intensity E. It should be noted that the electrically conductive layers of carbon fibers have a pronounced electrical anisotropy, which consists in the fact that that their specific electrical resistance ρ _prod in the longitudinal direction along the carbon fibers is at least two orders of magnitude less than ρ _pop in the transverse direction perpendicular to the fibers. Due to this, when an electric voltage is supplied from the generator 1, the change in the electric potential will occur only in parts 9 and 10 of the layers that are in direct contact with electrodes 2 and 3. The magnitude and duration of exposure to the electric field are selected from the condition of breakdown of the dielectric layer 6.2 in section 11.

При воздействии электрическим полем с напряженностью Е>Е_пр, где Е_пр определяется электрической прочностью диэлектрического слоя 6.2, происходит мгновенный электрический пробой, сопровождающийся разрушением диэлектрика и соответствующей деформацией, имитирующей дефект.When exposed to an electric field with a strength of E> E _pr , where E _pr is determined by the electrical strength of the dielectric layer 6.2, an instantaneous electrical breakdown occurs, accompanied by the destruction of the dielectric and the corresponding deformation simulating a defect.

При воздействии электрическим полем с напряженностью Е>Е_пр может быть создан электротепловой пробой, обусловленный нарушением теплового равновесия вследствие больших диэлектрических потерь и недостаточности теплоотдачи. В этом случае рекомендуется использовать генератор переменного напряжения. Параметры создаваемого дефекта можно изменять путем регулировки частоты подаваемого напряжения и его амплитуды.When exposed to an electric field with a strength of E> E _pr , an electrothermal breakdown can be created due to a violation of thermal equilibrium due to large dielectric losses and insufficient heat transfer. In this case, it is recommended to use an alternator. The parameters of the created defect can be changed by adjusting the frequency of the applied voltage and its amplitude.

Технический результат при реализации заявляемого способа заключается в обеспечении возможности создания внутренних дефектов сплошности на заданной глубине и заданной площади за счет получения дефекта в результате электрического пробоя между соответствующими электропроводящими слоями из углеродных нитей на заданном участке.The technical result in the implementation of the proposed method is to provide the possibility of creating internal defects of continuity at a given depth and a given area due to the defect resulting from electrical breakdown between the corresponding electrically conductive layers of carbon filaments in a given area.

Claims

A method for creating defects in samples made of multilayer composite carbon-fiber materials, which consists in the fact that an electric field is applied to a sample section using electrodes connected to a high-voltage generator, leading to a breakdown and the formation of a continuity defect in the sample, characterized in that each of the electrodes is electrically connected with the corresponding unidirectional carbon fibers located in adjacent electrically conductive layers of the sample and located one above the other in the zone of the created defect, while the magnitude and time of exposure to the electric field are selected from the condition of the breakdown of the dielectric layer connecting the electrically conductive layers of the sample from the multilayer composite carbon fiber material in the zone of the created defect.