Разработка интеллектуальных углепластиков с внедренными распределенными оптоволоконными датчиками для объектов ракетно-космической техники

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Разработка интеллектуальных углепластиков с внедренными распределенными оптоволоконными датчиками для объектов ракетно-космической техники

Применение стандартных подходов исследования характеристик конструкций из полимерных композиционных материалов (ПКМ) для контроля качества на припусках требует изготовление стандартных образцов, проведение испытаний и применения методов металлографического анализа для изучения структуры материала. Такие подходы позволяют только косвенно оценить свойства конструкций, и не всегда применимы для сложнопрофильных конструкций из ПКМ. Использование методов неразрушающего контроля для оценки качества конструкций из ПКМ сталкивается с рядом трудностей, связанных с разнообразием структуры и технологий изготовления, которые, как правило, часто разрабатываются применительно к конкретному изделию и зачастую не могут быть напрямую перенесены на другие изделия; разбросом физико-механических и теплофизических характеристик, большим разнообразием дефектов, возникающих в процессе изготовления и эксплуатации.

Принципиально новое направлениев разработке и изготовлении деталей и конструкций из ПКМ объектов ракетно-космической техники связано с их интеллектуализацией, заключающейся в трех подходах:

- первый подход строится на основе аналитического предсказания свойств и микроструктур материалов, которые удовлетворяют набору эксплуатационных критериев;

- второй подход заключается в применении специальных датчиков и модулей, встраиваемых в конструкцию или деталь из ПКМ, позволяющих осуществлять контроль за деформациями и температурными полями во время их эксплуатации и иногда на стадии получения с последующим прогнозом свойств и остаточного ресурса;

- третий подход заключается в применении актуаторов, встраиваемых в конструкцию или деталь из ПКМ, позволяющих обращать электрические входные сигналы в деформации или перемещения, что позволяет осуществлять исполнительную функцию.

Использование первого подхода требует наработки значительной экспериментальной информации и статистических данных для построения систем математических моделей, которые позволили бы осуществлять прогнозирование. Очевидно, что данный подход требует существенных временных и материальных затрат, что не всегда пригодно при проектировании и производстве деталей и конструкций из ПКМ. Второй и третий подход активно развиваются в мировой практике и уже созданы опытные образцы объектов РКТ, такие как: сетчатые конструкции переходных отсеков, баллоны давления, рефлекторы, саморазворачиваемые конструкции большого объема (проекты элементов орбитальной станции, напланетных станций), размеростабильные платформы и т.п. [1-6].

В нашей стране второй и тем более третий подход, применительно к деталям и конструкциям РКТ из ПКМ, находится на стадии своего развития и требует разработки дополнительных методов и подходов в части изготовления отечественных специализированных датчиков, актуаторов, приборных блоков для их контроля и управления, кроме того необходимо отрабатывать технологии их внедрения и размещения.

В последние два десятилетия в мире активно развивается направление создания интеллектуальных ПКМ с внедренными оптоволоконными датчиками. Признанными лидерами в этой области остаются США и Япония. Однако и в других странах, например Южной Корее, Австралии, Великобритании, Франции, КНР растет число публикаций по интеллектуальным материалам с оптоволоконными датчиками. Среди основных направлений развития интеллектуальных полимерных композиционных материалов с оптоволоконными датчиками можно выделить следующие:

- измерение остаточных технологических деформаций в процессе отверждения конструкций из полимерных композиционных материалов;

- применение распределенных сенсорных систем на основе спонтанного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама и гибридных систем;

- обнаружение повреждений в материале конструкций, вызванных различного рода внешними воздействиями.

Отдельно стоит отметить опыт Европейского космического агентства по созданию интеллектуальных полимерных композиционных материалов [7]. В частности, оптические волокна с нанесенными брэгговскими решетками были внедрены в рамную конструкцию космического телескопа из углепластика, элемент емкости космического аппарата.

В статье [8] показана возможность использования для контроля остаточных технологический деформаций в процессе отверждения как датчиков на основе брэгговских решеток, так и датчиков на основе решеток фабри-перо. Измеренные деформации разными типами датчиков показали хорошую сходимость в процессе отверждения связующего.

На основе вышесказанного, очевидно, что создания деталей и конструкций из углепластиков и, в целом, из полимерных композиционных материалов с внедренными оптоволоконными датчиками является актуальной задачей.

Цель настоящей работы заключается в отработке технологии изготовления деталей из интеллектуальных углепластиков с внедренными оптоволоконными датчиками с исполнительной функцией по контролю внутренних остаточных деформаций при изготовлении и контролю деформаций, температур при действии эксплуатационных нагрузок.

В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие задачи:

- разработка технологии внедрения оптоволоконных датчиков с распределенными брэгговскими решетками с минимальной деградацией оптоволокна и искажения структурной ячейки материала с проверкой на основе микроструктурных исследований;

- отработка алгоритма выбора поправочных коэффициентов для корректного измерения температур внутри объема углепластика с использованием оптоволоконных датчиков с распределенными брэгговскими решетками;

- оценка надежности показаний оптоволоконных датчиков с распределенными брэгговскими решетками внутренних деформаций в деталях из углепластика при однократном и многократном воздействии нагрузок, имитирующих эксплуатационные.

Для отработки технологии внедрения оптоволоконных датчиков с распределенными брэгговскими решетками с минимальной деградацией оптоволокна рассматривались датчики с двумя типами защитных покрытий: полиакрилатным и медным. Изготовлена серия образцов из однонаправленного углепластика с внедренными оптоволоконных датчиков с распределенными брэгговскими решетками в виде пластин размерами 200Ч40 мм и толщиной 2 мм для проведения микроструктурных исследований. Пластины из однонаправленного углепластика были изготовлены на основе ленты из углеродной нити УКН-М 6К ТУ 1916-146-05763346 и связующего ЭНФБ ТУ 1-596-36. В ходе проведенных микроструктурных исследований с помощью сканирующего электронного микроскопа установлено, что:

- оптоволоконные датчики при продольном размещении в слоях углепластика локально искажают микроструктуру на величину не более 130 мкм (рисунок 1 а), при этом наблюдается плотное прилегание углеродных волокон диаметром 6 мкм;

- оптоволоконные датчики при поперечном размещении локально искажают микроструктуру на величину порядка 1500 мкм. Данное значение обусловлено тем, что из-за малой деформативности и высокой жесткости углеродной нити невозможно обеспечить плотное формование к оптоволокну, что приводит к образованию крупных пор по длине, частично заполненных отвержденным связующим (рисунок 1 б).

а

б

Рис. 1. Микроструктуры образцов однонаправленного углепластика в области расположения внедренных оптоволоконных датчиков: а - продольное расположение в слое; б - поперечное расположение в слое

На первом этапе работ осуществляется исследование напряженно-деформированного и температурного состояния деталей из углепластика в процессе отверждения связующего c помощью внедренных измерительных датчиков на основе оптоволокна с нанесенными брэгговскими решетками. На данной стадии происходит формирование остаточных напряжений, которые могут приводить к изменению геометрического профиля и размеров, что является критичным для прецизионных конструкций объектов РКТ. Следовательно, для обеспечения качества деталей из углепластика необходимо иметь достоверную информацию о величине и распределении остаточных деформаций, чтобы с ее помощью установить напряжения, возникающие в материале конструкции и разработать способы их минимизации.

Отдельные исследования по оценки уровня остаточных деформаций в пластинах из углепластика представлены на рисунке 2. Пластины изготовлены размерами 200Ч40 мм и толщиной 2 мм из однонаправленного углепластика на основе ленты из углеродной нити УКН-М 6К и связующего ЭНФБ. В образец, состоящий из 11 слоев однонаправленной ленты внедрены три линии с волоконными брэгговскими решетками (ВБР): продольная, включающая ВБР с длинами волн 1575 и 1585 нм соответственно, а так же две линии с одной решеткой в каждой - 1535 и 1565 нм. Кроме того, во время отверждения в автоклав помещена свободная ВБР на длине волны 1551 нм.

Отверждение пластин проводилось в вакуумном мешке при давлении 1 атм по режиму отверждения связующего ЭНФБ с выдержкой при максимальной температуре 170°С в течение 4 часов. Регистрация показаний датчиков проводилась как при нагреве, так и во время остывания. В ходе выполненных исследований определено, что в направлении перпендикулярном армированию:

- уровень остаточных деформаций в пластине из однонаправленного углепластика с толщиной 2 мм составляет не более 0,84% (6500 ppm);

- уровень остаточных деформаций в пластине со схемой армирования [0є/90є] с толщиной 2 мм составляет не более 0,02% (150 ppm).

Рис. 2. Остаточные деформации в образце из однонаправленного углепластика в продольном и поперечном направлениях

интеллектуальный углепластик нагрузка датчик

Следующим этапом работы проведены исследования по анализу корректности показаний брэгговских решеток, внедренных в объем материала, при действии растягивающих усилий и тепловой нагрузки в сравнении со стандартными средствами измерения. Изготовлены пластины размерами 250Ч40Ч2 мм, состоящие из 15 слоев однонаправленной ленты на основе углеродной нити УКН-М 6К. В пластины внедрены:

- линия с тремя решетками (1560, 1570, 1580 нм, соответственно) между 7 и 8 слоями вдоль направления армирования;

- линия с одной решеткой (1542 нм) между 9 и 10 слоями. Решетка расположена по центру слоя в поперечном направлении.

Для оценки корректности показаний внедренных оптоволоконных датчиков с брэгговскими решетками на поверхности пластин приклеены два тензодатчикатипа QFA-6-11. Испытания пластин из углепластика с внедренными оптоволоконными датчиками включали одноосное нагружение при помощи испытательной машины Instron-8801 (рисунок 3).

Рис. 3. Результаты измерения полей деформации в однонаправленной пластине из углепластика с помощью внедренных оптоволоконных датчиков и тензодатчиков при нагружении до 5 кН

Определено, что характер измерений внутренних деформаций в углепластике с помощью оптоволоконных датчиков с нанесенными брэгговскими решетками идентичен показанию тензодатчиков. Небольшое отличие по величинам вызвано тем, что тензодатчики расположены на поверхности пластины с помощью клеевой прослойки в отличие от оптоволоконных датчиков расположенных в объеме материала. Ниже приведены результаты испытаний пластин из углепластика с внедренными оптоволоконными датчиками на изгиб при многократном действии нагрузки (рисунок 4). Нагружение проводилось с помощью испытательной машины УТС 110М-250. Проведено 5 серий с нагрузками 150, 220, 290, 360 и 430 Н по шесть нагружений в каждой серии с последующей разгрузкой при которых регистрировались показания всех датчиков. Отдельные результаты представлены на рисунке 5.

Рис. 4. Пластина из однонаправленного углепластика толщиной 2 мм в процессе испытаний на изгиб

Рис. 5. Показания продольного датчика (1560 нм) на каждом шаге нагружения

Установлено, что при многократном воздействии нагрузок оптоволоконные датчики с распределенными брэгговскими решетками сохраняют свою работоспособность, резонансная длина волны возвращается в исходное состояние без накопления остаточных деформаций.

В целях оценки способности внедренных ВБР корректно регистрировать температуру в углепластике при эксплуатации, с учетом накопленных остаточных деформаций, осуществлен анализ их показаний при нагреве пластин из углепластика по следующему режиму в электропечи сопротивления НК 7.7.7/3,5 И4:

- нагрев до температуры 90°С со скоростью 60°С/ч;

- выдержка 1 ч;

- нагрев до температуры 140°С со скоростью 60°С/ч;

- выдержка 1 ч и последующее охлаждение с произвольной скоростью.

Отдельные результаты измерений температуры в однонаправленном углепластике приведены на рисунке 6.

Рис. 6. Результаты измерения полей температур в однонаправленной пластине из углепластика с помощью внедренных оптоволоконных датчиков, ppm

В пластину из углепластика, состоящую из 11 слоев однонаправленной ленты, результаты измерения полей температур, которой приведены на рисунке 6, внедрены три линии с ВБР: продольная, включающая ВБР с длинами волн 1575 и 1585 нм, соответственно, а так же две линии с одной решеткой в каждой в поперечном направлении - 1525 и 1555 нм. Кроме того, во время испытания в рабочую зону электропечи помещена свободная ВБР на длине волны 1551 нм.

Из результатов, приведенных на рисунке 6 видно, что смещение резонансных длин волн ВБР, размещенных параллельно армирующим волокнам, практически идентично свободной ВБР, но в поперечном направлении смещение резонансных длин волн показания ВБР в 4-7 раз больше, несмотря на одинаковый характер зависимости. Показание поперечных ВБР обусловлено различием ТКЛР однонаправленного углепластика в продольном и поперечном направлении. Кроме того, установлено, что после охлаждения поперечные ВБР не возвращаются в исходное положение и уровень остаточных деформаций составляет до 500 ppm. Данные экспериментальные результаты будут дополнительно уточнены.

В ходе проведенных исследований рассмотрена технология изготовления интеллектуальных углепластиков с внедренными распределенными оптоволоконными датчиками для объектов ракетно-космической техники. Установлено, что: оптоволоконные датчики при продольном размещении в слоях углепластика локально искажают микроструктуру на величину не более 130 мкм при плотном прилегание углеродных волокон диаметром 6 мкм; оптоволоконные датчики при поперечном размещении локально искажают микроструктуру на величину порядка 1500 мкм.

Проведены исследования по оценки уровня остаточных деформаций в пластинах из углепластика и определено, что:

- уровень остаточных деформаций в пластине из однонаправленного углепластика с толщиной 2 мм составляет не более 0,84%;

- уровень остаточных деформаций в пластине со схемой армирования [0є/90є] с толщиной 2 мм составляет не более 0,02%.

На основе серии испытаний при однократном и многократном воздействии нагрузок, имитирующих эксплуатационные, деталей из углепластика с внедренными оптоволоконными датчиками подтверждена достоверность их показаний, в сравнении со стандартными косвенными методами измерения (тензодатчиками, термопарами), в части измерения деформаций и температур в объеме материала.

Установлено, что при многократном воздействии нагрузок оптоволоконные датчики с распределенными брэгговскими решетками сохраняют свою работоспособность.

Литература

интеллектуальный углепластик нагрузка датчик

1. Delamination detection in CFRP laminates with embedded small-diameter fiber Bragg grating sensors / S. Takeda, Y. Okabe, N. Takeda et. al. // Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. - 2002. - Vol. 33, No. 7. - P. 971-980.

2. The embedment of fiber Bragg grating sensors into filament wound pressure tanks considering multiplexing / D.H. Kang et al. // NDT & E International. - 2006. - Vol. 39, No. 2. - P. 109-116.

3. Entire life time monitoring of filament wound composite cylinders using bragg grating sensors: II. Process monitoring / H. Hernбndez-Moreno et al. // Applied Composite Materials. - 2009. - Vol. 16, No 4. - P. 197-209.

4. Entire life time monitoring of filament wound composite cylinders using bragg grating sensors: III. In-Service External Pressure Loading / H. Hernбndez-Moreno et al. // Applied Composite Materials. - 2009. - Vol. 16, No. 3. -

P. 135-147.

5. Cure monitoring of carbon/epoxy composite by optical-fiber-based distributed strain/temperature sensing / Y. Ito et. al. // Advanced Composite Materials. - 2012. - Vol. 21, No 3. - P. 259-271.

6. Using embedded fiber bragg grating (FBG) sensors in smart aircraft structure materials / R. Ramly, Wahyu Kuntjoroa and et. al. // Procedia Engineering. - 2012. - Vol. 41. - P. 600-606.

7. Mckenzie I., Karafolas N. Fiber optic sensing in space structures: The experience of the European space agency / 17th International Conference on Optical Fibre Sensors. - 2005. - Proceedings of SPIE, Vol. 5855.

8. Real-time cure monitoring of smart composite materials using extrinsic Fabry-Perot interferometer and fiber Bragg grating sensors / J.S. Leng, A. Asundiet. al. // Smart Materials and Structures. - 2002. - Vol. 11. - P. 249-255.

Размещено на Allbest.ru