Определение прочностных свойств углепластиков ультразвуковым реверберационно-сквозным методом тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат наук Генералов Александр Сергеевич

• Генералов Александр Сергеевич
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Генералов Александр Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ДИАГНОСТИКИ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПКМ (обзор литературы и выбор направления исследований и разработок)

1.1. Состояние вопроса

1.2. Выявление дефектов типа нарушения сплошности ПКМ

1.3. Определение физико-механических свойств и состава углепластиков и других ПКМ методами неразрушающего контроля

1.4. Определение прочностных свойств углепластиков акустическими методами

1.5 Применение реверберационно-сквозного метода неразрушающего контроля и технической диагностики материалов

1.6 Выбор направления исследований и разработок

Глава 2. СТРУКТУРНЫЕ НЕОДНОРОДНОСТИ И НАРУШЕНИЯ СПЛОШНОСТИ УГЛЕПЛАСТИКОВ

2.1. Взаимосвязь между физико-механическими свойствами углепластиков и их структурой

2.2. Виды структурных неоднородностей и нарушений сплошности углепластиков

2.3. Влияние структурных аномалий на механические свойства материалов

2.4. Кинетика накопления повреждений и разрушения

2.5. Выводы по главе

Глава 3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И МЕТОДИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ УГЛЕПЛАСТИКОВ

3.1. Физические основы использования ультразвуковых волн при акустическом контроле качества углепластиков, предпосылки использования РСкв метода

3.2. Теоретические основы ультразвукового реверберационно-сквозного метода

3.3. Информативность акустических характеристик материала при обработке РСкв сигнала с помощью предложенного способа вычисления критерия SWF

3.4. Методология оценки прочности РСкв методом

3.5 Оценка эффективности способов вычисления критерия SWF

3.6 Исследование образцов с использованием высокоразрешающего ультразвукового оборудования и растровой микроскопии

3.7 Проведение неразрушающих исследований РСкв методом и разрушающих механических испытаний

3.8 Корреляционно-регрессионный анализ экспериментальных данных

3.9. Оценка погрешностей экспериментов

3.10. Выводы по главе

Глава 4. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ

4.1. Аппаратура для реализации реверберационно-сквозного метода контроля

4.2. Разработка методик оценки прочностных свойств углепластиков

4.3 Использование Вейвлет-преобразования РСкв сигнала

4.4. Опробование результатов исследований и разработок

4.5. Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

Обозначения и сокращения

ЛА - летательные аппараты;

ПКМ - полимерные композиционные материалы;

КМ - композиционные материалы;

АТ - авиационная техника;

НК - неразрушающий контроль;

ТД - техническая диагностика;

РСкв - реверберационно-сквозной;

SWF - stress wave factor (критерий, информативный параметр);

RTM - resin transfer molding (пропитка под давлением);

VARTM - vacuum resin transfer molding (инфузионная пропитка под вакуумом);

RFI - resin film infusion (пропитка пленочным связующим);

СИАЛ - Стеклопластик И АЛюминий;

МКМ - металлические композиционные материалы;

ОК - объект контроля;

УЗ - ультразвуковой;

АЭ - акустическая эмиссия;

ФР - фазированные решетки;

УЗК - ультразвуковой контроль;

ОС - однонаправленная структура;

ППС - продольно-поперечная структура;

КПС - косоперекрестная структура;

ТС - тканная структура;

ТПС - тканно-прошивная структура;

SH, TH - горизонтально-поляризованные волны;

SV, TV - вертикально-поляризованные волны;

ИОС - интеграл оптимального спектра;

СВФ - спектральная весовая функция;

SWFth - пороговое значение критерия SWF;

СКО - среднеквадратичные отклонения;

ПЛИС - программируемая логическая интегральная схема;

ВС - взвешенный счет;

МНК - метод наименьших квадратов;

ПЭП - пьезоэлектрический преобразователь;

ПК - персональный компьютер;

WT - вейвлет преобразования;

DWT - дискретное вейвлет преобразование;

CWT - непрерывное вейвлет преобразование.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Определение прочностных свойств углепластиков ультразвуковым реверберационно-сквозным методом»

ВВЕДЕНИЕ

Снижение массы конструкции, как инструмент повышения экономической эффективности летательных аппаратов (ЛА), является одной из приоритетных задач развития современной авиационной техники [1]. Для решения данной проблемы при создании новых самолетов все более широкое применение находят полимерные композиционные материалы (ПКМ). Так в конструкции планера и в интерьере отечественного самолета Ту-204 объем применения ПКМ составил всего 14 % от массы. За рубежом объем использования ПКМ в конструкции планера современных перспективных пассажирских самолетов достигает 50 % по массе [2], например Boeing 787 (США) - 50 %, Airbus A380 (Европа) - 30 %, Airbus A350 (Европа) - 50 % (рис. 1-2). В военных самолетах доля ПКМ существенно выше. В конструкции планеров самолетов пятого поколения она доходит до 60 %.

Airbu» ßortng

Mac ÜonnrII üouqla»

rir

All«

AM«

АЭ?1

I A3!

777

AJMI

7J7-3«0

MOM 747-40«*

MOM

1975 1980 1985 1990 1995 2000

Период эксплуатации ЛА, год

2005

2010

Рис. 1 - Объемы применения композиционных материалов (КМ) в конструкциях самолетов

Рис. 2 - Применение КМ в авиастроении

Необходимость развития и внедрения инновационных технологий создания конструкций из ПКМ вызвана пониманием того, что применение ПКМ в конструкции изделий авиационной техники (АТ) обеспечивает [3]:

- снижение массы самолета (рис. 3);

- повышение топливной эффективности;

- повышение ресурса;

- уменьшение эксплуатационных расходов и расходов на техническое обслуживание из-за большей стойкости к коррозии и преимуществ по усталостной устойчивости;

- меньшее количество деталей в конструкции, и соответственно, снижение трудоемкости и стоимости сборки.

Снижение массы %

Рис. 3 - Эффективность применения ПКМ в конструкции планера

Области применения ПКМ не ограничены. Помимо авиационной промышленности они широко применяются в космической технике для узлов си-

ловых конструкций аппаратов, для элементов жесткости, панелей и т. д.; в автомобилестроении для облегчения кузовов, панелей кузовов, и т. д.; в гражданском строительстве (пролеты мостов, элементы сборных конструкций высотных сооружений и т. д.), в судостроении и других областях.

Таким образом, имея весьма широкие перспективы использования, ПКМ требуют особого подхода, новых решений при разработке и создании методов и средств неразрушающего контроля (НК) и технической диагностики (ТД). Все это позволит исключить брак на ранних стадиях изготовления изделий и контролировать правильность параметров технологии, оценивать их надежность, технологичность, конструктивную отработку и т. д. Это вызвано большим разнообразием ПКМ, специфическими особенностями конструкций из них и технологией изготовления, разбросом физико-механических характеристик, большим разнообразием видов дефектов, возникающих в процессе изготовления и эксплуатации изделий из ПКМ [4].

При ремонте и эксплуатации изделий АТ зачастую помимо проведения НК, направленного на выявление эксплуатационных дефектов, требуется также оценить физико-механические свойства отдельных ответственных деталей и элементов конструкций без их разрушения. Определение физико-механических свойств, оценка прочностных характеристик, а также прогнозирование остаточного ресурса деталей и элементов конструкций из ПКМ является одной из важнейших задач самолетостроения. В результате усталости, ударных и климатических воздействий и др. в материале накапливаются мелкие повреждения, не являющиеся макродефектами и обычно не выявляемые традиционными методами НК. Микроповреждения в свою очередь инициируют развитие более крупных дефектов. Благодаря своей множественности микроповреждения заметно снижают прочность и жесткость материала, а значит, и остаточный ресурс всей конструкции. Поэтому в настоящей работе особое внимание уделяется разработке методик оценки степени накопления микроповреждений и опре-

делению снижения прочностных характеристик материала в деталях и элементах конструкций неразрушающими методами.

Для решения этих задач перспективным методом неразрушающего контроля представляется ультразвуковой реверберационно-сквозной (РСкв) метод. Контроль РСкв методом основан на установлении корреляционных связей физико-механических характеристик материалов с количественным критерием метода - критерием stress wave factor (SWF). Для вычисления этого критерия применяются различные способы обработки сигналов, и все они имеют свои достоинства и недостатки, области применения и ограничения. Универсального способа на сегодняшний день нет. В ходе выполнения данной работы предполагалось разработать и опробовать новый способ вычисления критерия SWF, который позволил бы в значительной мере устранить недостатки и ограничения, присущие существующим способам.

Настоящая работа обобщает и систематизирует результаты исследований и разработок автора в области НК и ТД ПКМ акустическими методами.

Целью диссертационной работы была разработка принципиально нового варианта ультразвукового реверберационно-сквозного метода и методики оценки прочностных характеристик углепластиков при накоплении микроповреждений материала.

В процессе работы был решен ряд задач, связанных с обработкой РСкв сигналов и получением максимума полезной информации, оценкой эффективности применяемых способов обработки РСкв сигналов, построением и исследованием корреляционных связей прочности с количественным критерием РСкв метода, оценкой погрешности определения прочностных характеристик РСкв методом, разработкой требований и созданием аппаратуры для реализации данного метода, разработкой методик определения степени накопления микро-и макроповреждений и оценки степени изменения прочностных свойств элементов конструкций из ПКМ. Указанные вопросы до выполнения изложенных

в диссертации исследований в научно технической литературе обсуждались недостаточно.

Разработанные в ходе работы технические решения защищены патентом РФ № 2461820 от 20.09.2012 г. На основе проведенных исследований разработаны и выпущены две технологические рекомендации по определению степени накопления микро- и макроповреждений размерами до 200 мкм элементов конструкций из композиционных материалов и оценке степени изменения прочностных свойств элементов конструкций из углепластика на основе расплавных препрегов, в том числе клеевых, реверберационно-сквозным методом.

В работе были использованы научные идеи, содержащиеся в трудах отечественных и зарубежных ученых, внесших значительный вклад в развитие авиационного материаловедения в области разработки и исследования композиционных материалов, а также в развитие методов и средств НК и ТД: Ю. В. Ланге, В. В. Клюева, М. П. Уральского, В. В. Мурашова, Л. В. Чурсовой, Д. И. Когана, В. А. Нелюба, Д. В. Гращенкова, Г. М. Гуняева, А. П. Петровой, В. В. Антипова, О. Г. Сенаторовой, Д. А. Кардашова, A. Vary, J. Summerscales, A. L. Gyekenyesi, H. E. Kautz и многих других. Автор выражает благодарность ученым и специалистам, принимавшим непосредственное участие в работе: М. А. Далину, Е. И. Косариной, А. В. Степанову, А. С. Бойчуку и Н. О. Яковлеву.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.

В первой главе дан обзор литературы по теме диссертации и сделан выбор направления исследований и разработок. Дан обзор ПКМ, их свойств, методов получения и применения в авиационной промышленности. Отдельно выделены вопросы, связанные с выявлением дефектов методами НК, их физическими принципами и ограничениями применения. Рассмотрены основные принципы определения физико-механических, прочностных свойств и состава ПКМ акустическими методами НК.

Во второй главе рассмотрены виды структурных неоднородностей и нарушений сплошности углепластиков, их влияние на механические свойства материалов. Также в этой главе рассмотрена кинетика накопления повреждений и разрушений изделий из ПКМ.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям по определению прочностных свойств углепластиков. В главе приведены теоретические основы ультразвукового РСкв метода, суть существующих и предложенного способов вычисления критерия SWF, показана эффективность применения предложенного способа и представлена методология оценки прочностных характеристик. В главе также приведены результаты испытаний углепластиков неразру-шающими и разрушающими методами, результаты растровой микроскопии. Проведен корреляционно-регрессионный анализ полученных данных, построены корреляционные связи прочности при изгибе с критерием SWF и оценена погрешность экспериментов.

Четвертая глава посвящена практической реализации РСкв метода. Дано описание и принцип работы аппаратуры для реализации метода, приведены сведения о разработанной нормативно-технической документации по контролю ПКМ РСкв методом. В главе освещены основные направления дальнейших исследований и разработок, направленных на совершенствование метода.

В разделе «Заключение» указаны основные результаты всей работы.

В диссертации рассматриваются и выносятся на защиту следующие основные положения:

1. Разработка и исследование способа вычисления информативного параметра РСкв метода, позволяющего за счет вычисления акустической характеристики повреждения материала существенно снизить влияние мешающих факторов при контроле РСкв методом.

2. Разработка методики оценки прочностных свойств углепластиков, основанной на использовании принципиально нового информативного параметра ультразвукового РСкв метода.

3. Результаты исследований влияния производственных и эксплуатационных нарушений сплошности и структурных неоднородностей углепластиков на их прочностные характеристики.

Основные результаты работы опубликованы в научно-технической периодической печати в таких журналах, как «Авиационные материалы и технологии» (3 публикации), «Клеи. Герметики. Технологии.» (1 публикация), "Polymer Science" Series D (1 публикация), «Все материалы. Энциклопедический справочник» (1 публикация), «Промышленные АСУ и контроллеры» (1 публикация) и «Ремонт. Восстановление. Модернизация.» (1 публикация), а также в научном издании Доклады сессии «Проблемы взаимодействия ВУЗов, НИИ и РАН по подготовке инженерных и научных кадров по неразрушающему контролю и технической диагностике» Круглые столы форума «Территория NDT-2015 (1 публикация). Из них 7 статей опубликовано в журналах и изданиях, рекомендованных ВАК.

Результаты работы также были доложены на всероссийских и международных научно-технических конференциях таких, как 17-я, 18-я и 19-я международные научно-технические конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», НИУ «МЭИ», 2011-2013 гг. (доклады на этих конференциях отмечены двумя почетными дипломами); 19-я и 20-я международные конференции «Современные методы и средства неразрушаю-щего контроля и технической диагностики», г. Гурзуф, 2011-2012 гг.; 19-я всероссийская научно-техническая конференция по неразрушающему контролю и технической диагностике, 2011 г., г. Самара; международная научно-техническая и молодежная конференции «Новые материалы и технологии глубокой переработки сырья - основа инновационного развития экономики России», Москва, Геленджик 2012 г.; всероссийская конференция по испытаниям и исследованиям материалов «ТестМат 2012», Москва, 2012 г.; 12-я международная конференция «12th International Conference Application of Contemporary NonDestructive Testing in Engineering», Slovenia, Portoroz 2013; международная кон-

ференция «Деформирование и разрушение композиционных материалов и конструкций», ИМАШ РАН, Москва, 2014 г. Опубликованы тезисы и материалы перечисленных конференций.

Глава 1. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ДИАГНОСТИКИ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПКМ (обзор литературы и выбор направления исследований и разработок)

1.1. Состояние вопроса

В авиационной технике особенно значительным является рост объема применения для деталей ответственного назначения ЛА высокомодульных ПКМ - углепластиков, стеклопластиков, органопластиков, а также различных гибридных ПКМ. Применение ПКМ обеспечивает не только существенное снижение массы конструкции планера, но и повышение ресурса и снижение затрат на производство и эксплуатацию самолетов [5]. По ряду показателей -плотности, модулю упругости, кратковременной и длительной прочности при растяжении, ползучести, усталостной прочности, демпфирующей способности современные ПКМ в температурном диапазоне -60...+200 °С превосходят алюминиевые и титановые сплавы, стали. В настоящее время отсеки фюзеляжа, кессона и панели крыла, детали механизации крыла, носки киля и стабилизатора, панели стабилизатора и киля, детали конструкции вертолета, лопатки компрессоров, вентиляторов, винтов, усиливающие накладки корпуса, оболочки монолитной и трехслойной конструкции и многие другие детали ЛА выполняются из ПКМ.

Важнейшей особенностью ПКМ является возможность создания из них материалов и деталей с заранее заданными свойствами. Это достигается варьированием направления армирования, за счет чего возможно увеличить прочность в нужном направлении (при этом прочность в других направлениях соответственно снижается).

Армированные полимеры (или ПКМ) представляют собой полимерную основу (матрицу), содержащую тонкие армирующие (упрочняющие) высокопрочные волокна (наполнитель) из стекла, углерода, бора, органических материалов и т. п. В зависимости от типа армирующих волокон ПКМ называют

стекло-, угле-, боро- и органопластиками соответственно. Волокна придают материалу прочности и жесткость, матрица соединяет материал в единую структуру.

Помимо волокон армирующие компоненты могут представлять собой различные порошки, микросферы, кристаллы и «усы» из органических, неорганических, металлических материалов или керамики. Наиболее распространенными связующими являются полиэфиры, фенолы, эпоксидные компаунды, силиконы, алкиды, меламины, полиамиды, фторуглеродные соединения, поликарбонат, акрилы, ацетали, полипропилен, акрилонитрилбутадиенстирольный сополимер (АБС), полиэтилен и полистирол.

В материалах авиационной и ракетно-космической техники широко используются разработанные во ФГУП «ВИАМ» эпоксидные связующие: ЭДТ-10, ЭДТ-10П, 5-211Б, ЭДТ-69Н, ВС-2526, ВС-2526К, ЭНФБ, УП-2227, УП-2227Н, ЭНФБ-2М, ВСТ-1211, ВСЭ-1212, ВСР-3М, ВСЭ-17, ВСЭ-19, ВСЭ-20, ВСЭ-21, ВСЭ-22; цианэфирные и изоциануратные связующие: ВСТ-1208, ВСЦ-144, ВСТ-1210, ВСИ-23; фенольные связующие ФП-520, ФПР-520, БФОС, ФН, РСФ-250, РС-Н, ВСФ-16М; кремнийорганические смолы и связующие: К-101, К-101-С0, лак КО-554, К-9, К-9А, К9-А1, К-9ФА, К-9Э, К-9Х, К-9ХК, К-9ДФ, К-10, К-10с, К-2105, К-9-70, К-9-70с; неорганическое связующее САФС; полимерное керамообразующее связующее ПКСЗ-21 и многие другие. На их основе разработаны стекло-, угле-, органопластики, гибридные материалы, микросферостеклотекстолиты.

Для производства деталей и элементов конструкций из армированных ПКМ используют полуфабрикаты, называемые препрегами [6]. Препреги представляют собой волокнистые наполнители (непрерывные жгуты, собранные в ленты, ровинги или нити, ткани, нетканые материалы типа мата, бумагу или др.), пропитанные термореактивным или термопластичным связующим. Производят препреги по непрерывной технологии пропиткой

наполнителя раствором, расплавом или дисперсией (эмульсией) связующего либо прикаткой наполнителя к нанесенной на подложку пленке связующего [3, 4]. Способы, условия получения препрегов и их свойства определяются преимущественно типом связующего.

Полимерные материалы, как неармированные, так и армированные, в зависимости от применяемого связующего делятся на термопластичные (термопласты) и термореактивные (реактопласты) [7].

Термопласты и ПКМ на их основе характеризуются тем, что при нагреве они плавятся, а при охлаждении затвердевают, сохраняя те же свойства, что и до нагревания. Процесс нагревания и охлаждения может повторяться многократно. Реактопласты при нагреве сначала переходят в пластичное, а затем в твердое неплавкое и нерастворимое состояние. Процесс их отверждения необратим. При повторных нагревах они остаются твердыми до температуры разложения. Некоторые реактопласты в исходном состоянии являются жидкостями и отверждаются без нагрева с помощью вводимых в них катализаторов, например - эпоксидная смола.

Большинство применяемых в авиации ПКМ относятся к реактопластам. ПКМ на основе термореактивных смол обладают высокими прочностными и иными эксплуатационными характеристиками, благодаря чему широко применяются в различных отраслях промышленности.

По составу, структуре и физико-механическим свойствам большинство КМ можно подразделить на три основные группы: изотропные, трансверсально-изотропные и ортотропные материалы [8].

К группе изотропных ПКМ относят материалы, для армирования которых используют наполнитель в виде рубленных коротких волокон, соизмеримых с диаметром, сплошных и полых сфер и микросфер, порошков и других мелкодисперсных компонентов. В таких материалах армирующий наполнитель хаотически перемешан со связующей матрицей. Напряженно-деформированное состояние такого материала аналогично однородному изотропному материалу.

В зависимости от назначения изделия в качестве наполнителя изотропных ПКМ используют синтетические, минеральные и металлические компоненты. В качестве связующей матрицы применяют термореактивные полимеры и термопластичные (эпоксидные, полиэфирные, полиамидные, полистирольные, поливинилхлоридные, фенольные и другие смолы и их комбинации), а также металлы, обладающие высокими адгезионными свойствами к наполнителю.

К группе трансверсально-изотропных КМ относят материалы, физико-механические свойства которых изотропны в плоскости листа и анизотропны по толщине. Напряженно-деформированное состояние трансверсально-изотропной среды описывается пятью упругими постоянными. Характерной особенностью данных материалов является то, что армирование производится укладкой изотропных или анизотропных слоев.

Изотропными армирующими слоями могут быть различные пленки (стеклянные, полимерные, металлические), рубленные волокна, уложенные хаотически, пропитанная бумага, стекломат.

В анизотропном слое в качестве армирующего наполнителя используют шпон (древесный, стеклянный, из металлических волокон), тканевые материалы (сатинового, саржевого, полотняного переплетения и др.) на основе стеклянных, хлопчатобумажных и полимерных волокон. Шпон представляет собой элементарный слой, в котором однонаправленные армирующие элементы (волокна, нити, пряди) связаны между собой каким-либо связующим. Для получения трансверсально-изотропной композиции из анизотропных слоев каждый слой укладывается относительно другого под углами 10-60°. Наиболее высокой прочности в таких материалах достигают использованием шпона в качестве армирующего наполнителя.

К группе ортотропных материалов КМ материалов относят материалы, которые имеют три взаимно перпендикулярные оси упругой симметрии. Напряженно-деформированное состояние ортотропной среды определяется девятью упругими постоянными.

Ортотропные материалы получают укладкой анизотропных элементарных слоев, в качестве которых используют шпон, ткани, первичную нить, ленты, жгуты. Характерной особенностью этих материалов являются их высокие удельные физико-механические свойства в заданных направлениях. Технология их изготовления позволяет создать такую структуру материала, в котором было бы согласовано поле напряжений и поле сопротивлений.

Для изготовления деталей и элементов конструкций из ПКМ существуют различные технологии их формования [9]. Наиболее широко для изготовления монолитных деталей и интегральных конструкций из ПКМ применяется технология прессового или автоклавного формования с использованием ручной и автоматизированной выкладки, а также намотки нитей или ленты армирующего наполнителя, пропитанных полимерным связующим на специальные оснастки и оправки, точно повторяющие внутренние поверхности изготавливаемых деталей. После раскройки и выкладки заранее пропитанного связующим армирующего наполнителя (препрега) осуществляется сборка пакета (вакуумного мешка) и формование детали в автоклаве при повышенном давлении и температуре.

Перспективными, экономически эффективными и энергосберегающими являются так называемые «прямые» процессы формования (Direct processes) [10]. Суть таких процессов заключается в совмещении операций пропитки наполнителя связующим и формования пластика. В настоящее время существуют три основных технологии получения деталей из ПКМ таким способом:

- пропитка под давлением (Resin Transfer Molding - RTM);

- инфузионная пропитка под вакуумом (Vacuum Infusion - VARTM);

- пропитка пленочным связующим (Resin Film Infusion - RFI).

Особенностью метода RTM является применение закрытой жесткой

оснастки, состоящей как минимум из двух частей, в зазор между которыми укладывается сухой наполнитель. Оснастка смыкается и в полость подается под

давлением связующее в жидком виде. Связующее протекает сквозь наполнитель, смачивает его, вытесняет воздух и полностью заполняет межволоконное пространство в полости оснастки. Далее связующее отверждается, в результате чего получается деталь из ПКМ, обладающая высокой размерной повторяемостью, высокой долей наполнителя в пластике, низкой пористостью [11].

Технология VARTM по своей сути близка технологии RTM, однако имеет ряд существенных отличий [12]. Так, пропитка и формование детали происходит не в закрытой жесткой оснастке, а в оснастке с закрепленным в ней вакуумным мешком. Полимерное связующее закачивается в форму не за счет избыточного давления, а за счет разряжения, создаваемого под вакуумным мешком. Указанные отличия позволяют существенно снизить затраты на подготовку производства конструкций за счет возможности применения конструктивно более простой и дешевой оснастки, отсутствия необходимости приобретения оборудования для подачи связующего в форму и т. д.

В технологии RFI пропитка наполнителя осуществляется не в продольном, а в поперечном направлении, что значительно сокращает путь, который необходимо преодолеть связующему, и время пропитки. В результате в ходе пропитки растекание связующего происходит во всех трех направлениях, а не в двух как в технологиях RTM и VARTM, что усложняет построение математической модели течения связующего в заготовке.

По данным технологиям изготавливаются практически все применяемые в конструкциях ЛА углепластики, стеклопластики, органопластики и другие ПКМ.

В углепластиках - композиционных материалах на основе полимерной матрицы и углеродного волокна [13] - высокие прочностные характеристики композита, его модуль упругости определяют механические свойства волокна, а матрица обеспечивает такие свойства, как коррозионную стойкость и высокую ударную вязкость.

Конструкционные углепластики обеспечивают:

- высокие упруго-прочностные характеристики (1,55-1,58 г/см3);

- регулируемую степень анизотропии упруго-прочностных характеристик;

- высокую стойкость к усталостным и динамическим нагружениям;

- стойкость к агрессивным средам;

- малые значения температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР) вдоль волокон.

Именно благодаря таким свойствам углепластики успешно применяются в высоконагруженных элементах конструкции ЛА. Широкое применение нашли углепластики, разработанные во ФГУП «ВИАМ»:

- КМУ-4э/0,1-2м, КМУ-4т-2м, КМУ-7т, КМУ-4-2М-3673, КМУ-4-2М-3606, КМУ-7-3606, КМУ-11-М-3606 - углепластики на основе эпоксидных связующих ЭНФБ-2М, ВС-2526к, ЭДТ-69(Н)М и однонаправленных и условно однонаправленных углеродных наполнителей: Элур-П, УОЛ-300 (российского производства) и ткани фирмы «Porcher Ind.» арт. 3673, 3606 (зарубежного производства);

- КМУ-4-2М-3692, КМУ-7тр, КМУ-7-3692, КМУ-11тр, КМУ-11-М-3692, ВКУ-22, ВКУ-24 - углепластики на основе эпоксидных связующих ЭНФБ-2М, ВС-2526к, ЭДТ-69(Н)М и равнопрочного тканного наполнителя УТ-900 (российского производства), равнопрочной ткани фирмы «Porher Ind.» и др. (зарубежного производства);

- ВКУ-25, ВКУ-26, ВКУ-23 - углепластики на основе высокодеформативных эпоксидных связующих ВСТ-1211(В), ВСЭ-1212, однонаправленных и равнопрочных армирующих наполнителей «Torayca» T-700, «Toho Tenax», HTS40(45) (зарубежного производства) на рабочие температуры от -60 до +(80-120) °С;

- ВКУ-27лр - углепластик на основе цианэфирного связующего ВСТ-1208 и однонаправленного армирующего наполнителя Torayca» T-700 (зарубежного

производства) с температурой стеклования 250 °С, на рабочую температуру 170 °С. Обладает высокими прочностными характеристиками: прочность при растяжении 2390 МПа, прочность при сжатии 1175 МПа;

- КМКУ-2м.120.Э0,1, ВКУ-17КЭ0,1, ВКУ-17КУОЛ, КМКУ-2м.120.Р4510, КМКУ-2м.120.Р2009 - углепластики на основе вязкотекучих связующих с клеевой рецептурой ВСК-14-2М, ВСК-14-3 и армирующих наполнителей российского производства УОЛ-300, УТ-900 и иностранного производства фирмы «Porher Ind.». Предназначены для изготовления элементов внешнего контура планера, а также для изготовления за одну технологическую операцию сотовых конструкций одинарной и сложной кривизны. Рабочие температуры разработанных материалов варьируются от -130 до +150 °С;

- ВКУ-21 - термостойкий углепластик на основе полиимидного связующего СП-97к, предназначен на рабочие температуры до 300 °С для слабонагруженных элементов конструкций, работающих при повышенных температурах;

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Генералов Александр Сергеевич, 2015 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Савин С. П. «Применение современных полимерных композиционных материалов в конструкции планера самолетов семейства МС-21» // Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 14, № 4(2), 2012, С. 686-693.

2. Планковский С. И., Гарин В. О., Цегельник Е. В. Современные методы утилизации полимерных композиционных материалов // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии, № 51, 2011, С. 186.

3. Константинов А. С. «Эффективность применения полимерных композиционных материалов при проектировании и изготовлении специальной погрузочной оснастки для грузовых рамповых самолетов» // Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 14, № 4(2), 2012, С. 633-638.

4. Колганов В. И. «Ультразвуковой бесконтактный метод и программно -аппаратные средства автоматизированного неразрушающего контроля качества изделий из полимерных композиционных материалов» // диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук, 2001, 249 с.

5. Дмитриев О. С., Кириллов В. Н., Мищенко С. В., Дмитриев С. О. Оптимизация режима отверждения изделий из полимерных композитов на основе клеевых препрегов // Клеи. Герметики. Технологии. № 5, 2009. с. 17.

6. Справочник по пластическим массам, под ред. В. М. Катаева [и др.], 2 изд., т. 2, М., 1975, с. 76-92, 470-472.

7. Handbook of composites, ed. by G. Lubin, N.Y., 1982, p. 321-329, 448-477, 490, 512.

8. Потапов А. И. Контроль качества и прогнозирование надежности конструкций из композиционных материалов. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1980. - 261 с.

9. Мэттьюз Ф., Ролингс Р. Композитные материалы. Механика и технология, М: Техносфера, 2004. - 408 с.

10. Чурсова Л. В., Душин М. И., Хрульков А. В., Мухаметов Р. Р., Коган Д. И., Попов Ю. О. Особенности технологии изготовления деталей из композиционных материалов методом пропитки под давлением. // Межотраслевая научно-техническая конференция «Композиционные материалы в авиакосмическом материаловедении», посвящённая 100-летию со дня рождения

A. Т. Туманова. - Тезисы доклада, 2009 г.

11. Хоробрых М. А., Каширский Д. А. Методы изготовления деталей из композиционных материалов пропиткой под давлением в оснастке / Молодой ученый. - 2013, № 5. - С. 116-122.

12. Нелюб В. А., Гращенков Д. В., Коган Д. И., Соколов И. А. «Применение прямых методов формования при производстве крупногабаритных деталей из стеклопластиков» / Химическая технология, том 13. № 12, 2012. С.735-739.

13. Гращенков Д. В., Чурсова Л. В. Стратегии развития композиционных и функциональных материалов // Авиационные материалы и технологии. 2012. № S, С. 231-242.

14. Антипов В. В., Сенаторова О. Г., Сидельников В. В., Шестов В. В. Конструкционные слоистые материалы СИАЛ // Клеи. Герметики. Технологии., № 6, 2012.

15. Гуняев Г. М., Чурсова Л. В., Комарова О. А., Гуняева А. Г. Конструкционные углепластики, модифицированные наночастицами // Авиационные материалы и технологии. 2012, № S, С. 277-286.

16. Кардашов Д. А. Синтетические клеи, 3 изд., М., 1976.

17. Кардашов Д. А. Конструкционные клеи, М., 1980.

18. Неразрушающий контроль: Справочник: В 8 т. / Под общ. ред.

B. В. Клюева. Т. 3. И. Н. Ермолов, Ю. В. Ланге. Ультразвуковой контроль. - 2-е изд., испр. - М.: Машиностроение, 2006. - 864 с.

19. Неразрушающий контроль: Справочник: В 7 т. / Под общ. ред. В. В. Клюева. Т. 7: В 2 кн. Кн. 1: В. И. Иванов, И. Э. Власов. Метод акустической эмиссии - М.: Машиностроение, 2005. - 829 с.

20. Неразрушающий контроль: Справочник: В 7 т. Под общ. Ред. В. В. Клюева. Т. 5: В 2 кн. Кн. 1: Тепловой контроль. / В. П. Вавилов. - М.: Машиностроение, 2004. - 679 с.

21. Introduction to Phased Array Ultrasonic Technology Applications: R/D Tech Guideline, 2004 R/D Tech Corp.

22. Advances in Phased Array Ultrasonic Technology Applications: Olympus NDT, 2007.

23. Бойчук А. С., Генералов А. С., Степанов А. В., Юхацкова О. В. Неразрушающий контроль ПКМ с использованием фазированных решеток / Промышленные АСУ и контроллеры. 2013. № 2, С. 54-58.

24. Соснин Ф. Р. Неразрушающий контроль: Справочник: В 7 т. Под общ. ред. В. В. Клюева. Т. 1: В 2 кн.: Кн. 2: Радиационный контроль. - М.: Машиностроение, 2003. - 560 с.

25. Неразрушающий контроль: Справочник В 8 т. / Под общ. ред. В. В. Клюев. Т. 6: В 3 кн. Кн. 3. В. И. Матвеев. Радиоволновой контроль. - 2-е изд., испр. - М.: Машиностроение, 2006. - 848 с.

26. Неразрушающий контроль: Справочник В 8 т. / Под общ. ред. В. В. Клюев. Т. 6: В 3 кн. Кн. 2. В. Н. Филинов, А. А. Кеткович, М. В. Филинов. Оптический контроль. - 2-е изд., испр. - М.: Машиностроение, 2006. - 848 с.

27. Неразрушающий контроль: Справочник В 8 т. / Под общ. ред. В. В. Клюев. Т. 4: В 3 кн. Кн. 3. М. В. Филинов. Капиллярный контроль. - 2-е изд., испр. - М.: Машиностроение, 2006. - 736 с.

28. Неразрушающий контроль: Справочник: В 8 т. / Под общ. ред. В. В. Клюева. Т. 2: В 2 кн. Кн. 2: Ю. К. Федосенко, В. Г. Герасимов, А. Д. Покровский, Ю. Я. Останин. Вихретоковый контроль. - 2-е изд., испр. -М.: Машиностроение, 2006. - 688 с.: ил.

29. "High Resolution Inspection of Carbon Fiber Materials by Eddy Current Techniques", Henning Heuer, Martin H. Schulze, Norbert Meyendorf / 2nd International Symposium on NDT in Aerospace 2010 - Mo.2.A.3. p. 1-13.

30. Неразрушающий контроль: Справочник: В 7 т. Под общ. Ред.

B. В. Клюева. Т. 5: В 2 кн. Кн. 2: Электрический контроль. / К. В. Подмастерьев, Ф. Р. Соснин, С. Ф. Корндорф, Т. И. Ногачева, Е. В. Пахолкин, Л. А. Бондарева, В. Ф. Мужицкий. - М.: Машиностроение, 2004. - 679 с.

31. Ерасов В. С., Гриневич А. В., Сеник В. Я., Коновалов В. В., Тру-нин Ю. П., Нестеренко Г. И. Расчетные значения характеристик прочности авиационных материалов // Авиационные материалы и технологии: 2012, № 2.

C. 14-16.

32. 15th World Conference on Non-Destructive Testing. Rome (Italy), 2000. (в числителе дроби указан номер страницы тома аннотаций, в знаменателе - индекс доклада).

33. Мурашов В. В., Румянцев А. Ф., Бузников Ю. Н. Оценка физико-механических характеристик углепластиков комплексным акустическим методом // Вопросы авиационной науки и техники. Авиационные материалы. Неметаллические композиционные материалы. М.: ВИМИ. 1986. С. 105 -111.

34. Мурашов В. В., Мишуров К. С., Сорокин К. В. Оценка прочности углепластиков в монолитных конструкциях при сдвиге и сжатии методами нераз-рушающего контроля // Контроль. Диагностика. 2011. № 10. С. 29-34.

35. ASTM E 1495 - 02 Standard Guide for Acousto-Ultrasonic Assessment of Composites, Laminates, and Bonded Joints.

36. ASTM E 1736 - 05 Standard Practice for Acousto-Ultrasonic Assessment of Filament-Wound Pressure Vessels.

37. NASA/TM-2000-210474 "NDE for Material Characterization in Aeronautic and Space Applications", Georg Y. Baaklini, Harold E. Kautz, Andrew L. Gyekenyesi, Ali Abdul-Aziz, Richard E. Martin, 2000.

38. NASA/TM-2001-210988 "Damage assessment of Creep Tested and Thermally Aged Udimet 520 Using Acousto-Ultrasonic", Andrew L. Gyekenyesi, Harold E. Kautz, Wei Cao, 2001.

39. NASA/CR-2002-211881 "Acousto-Ultrasonic to Assess Material and Structural Properties" Harold E. Kautz, 2002.

40. NASA Reference Publication 1361 "MMC Life System Development (Phase 1) - A NASA/Pratt & Whitney Life Prediction Cooperative Program", Erwin V. Zaretsky, 1996, p. 65-67.

41. NASA Technical Memorandum 106972 "Acousto-Ultrasonic Decay in Metal Matrix Composite Panels", Harold E. Kautz, 1995.

42. NASA/TM-2002-211913 "Development of a High Performance Acousto-Ultrasonic Scan System", D.J. Roth, R.E. Martin, L.M. Harmon, A.L. Gyekenyesi, H.E. Kautz, 2002.

43. "Emerging Technologies in NDT" Danny Van Hemelrijck, Athanasios Anastasopoulos, Nikolaus E. Melanitis, 2004, p. 117-122.

44. US patent H465, 1988 "Acousto-Ultrasonic Monitoring".

45. "Acousto-Ultrasonic Evaluation of Cyclic Fatigue of Spot Welded Structures", Brian M. Gero, 1997.

46. "Acousto-ultrasonic (AU) Technique for Assuring Adhesive Bond Quality", Anil Tiwari, Edmund G. Henneke II, John C. Duke / The Journal of Adhesion, Volume 34, Issue 1-4, June 1991 , p. 1-15.

47. "Monitoring of Structures or Mechanical Components by an Acousto -Ultrasonic Signature Technique", D. Vangi, A. Mazzeranghi, G. Ronchiato and R. Lopes / Experimental Mechanics, December 1996, p. 205.

48. USDA Forest Service "Acoustic Emission and Acousto-Ultrasonic Techniques for Wood and Wood Based Composites", Sumire Kawamoto, R. Sam Williams, 2002.

49. "Acousto-Ultrasonic Method for Defect Detection in Epoxy Adhesive Joints", S. Amami, J.H. Bae, J.W. Jeong, K.H. Joh and M.K. Ha / IVth NDT in PROGRESS, November 05-07, 2007, Prague, Czech Republic.

50. "Damage Level Evaluation and Characterisation by Acoustic Emission and Acousto-Ultrasonics in Concrete Under Compressive Loads", Apostolos Tsimogiannis, Athanassios Anastassopoulos, Barbara Georgali.

51. NASA Technical Memorandum 81523 "Concepts and Techniques for Ultrasonic Evaluation of Material Mechanical Properties", Alex Vary, 1980.

52. "Health Monitoring of Aerospace Structures with Acoustic Emission and Acousto-Ultrasonics", R.D. Finlayson, M. Friesel, M. Carlos, P. Cole and J.C. Lenain, Insight, Vol. 43, No.3, 2001.

53. Analysis of Acousto-Ultrasonic Signals in Unidirectional Thick Composites Using the Slowness Surfaces", David K. Hsu, J. Margetan / Journal of Composite Materials, Vol. 26, No. 7, p. 1050-1061, 1992.

54. "Effect of experimental conditions on acousto-ultrasonic reproducibility", Andrew L. Gyekenyesi, Steven M. Shepard, Dryver R. Huston, A. Emin Aktan, Peter J. Shull / Nondestructive Evaluation and Health Monitoring of Aerospace Materials and Civil Infrastructures Conference, San Diego, CA, USA, 18 March 2002.

55. Михайлин Ю. А. Конструкционные полимерные композиционные материалы. 2-е издание. М.: 2013 - 822 с.

56. Композиционные материалы. Справочник. Под редакцией доктора технических наук, профессора Карпиноса Д. М. Издательство «Наукова думка», 1985.

57. Методы статических испытаний армированных пластиков. Справочное пособие. Кинцис Т. Я., Розе А. В., Жигун И. Г. Под редакцией Тарнополь-ского Ю.М. Издательство «ЗИНАТНЕ», Рига 1972.

58. Потапов А. И., Пеккер Ф. П. Неразрушающий контроль конструкций из композиционных материалов. Л., «Машиностроение» (Ленингр. отд-ние), 1977. 192 с.

59. Мурашов В. В., Румянцев А. Ф. Дефекты монолитных деталей и многослойных конструкций из полимерных композиционных материалов и методы их выявления. Часть 1. Дефекты монолитных деталей и многослойных кон-

струкций из полимерных композиционных материалов // Контроль. Диагностика. 2007. № 4. С. 23-31.

60. Composite Materials for Aircraft Structures / Editors: Husking Brian C., Baker Alan A. New York: American Institute of Aeronautics and Astronautics. 1986. 237 p.

61. Браутман Л., Крок Р. Композиционные материалы. Т. 5: Разрушение и усталость. Ред. Л. Браутман. М.: Мир. 1978. 486 с.

62. Структура и свойства композиционных материалов / Портной К. И., Салибеков С. Е., Светлов И. Л., Чубаров В. М. - М.: Машиностроение, 1979. -255 с.

63. Структурная теория армированных пластиков. Скудра А. М., Бу-лавс Ф. Я. Рига, «Зинатне», 1978. 192 с.

64. Углеродные волокна и углекомпозиты: Пер. с англ./Под ред. Э. Фит-цера. - М.: Мир, 1988. - 336 с.

65. Алешин Н. П., Бобров В. Т., Ланге Ю. В., Щербинский В. Г. Ультразвуковой контроль: учеб. пособие / под общ. ред. В. В. Клюева. М.: Издательский дом «Спектр», 2011. - 224 с.

66. Ермолов И. Н., Ермолов М. И. Ультразвуковой контроль. Учебник для специалистов первого и второго уровня квалификации. Издание пятое, стереотипное. М.: 2006 - 208 с.

67. Горелик Г. С. Колебания и волны. Введение в акустику, радиофизику и оптику / Под ред. Рытова С. М.. - 3-е изд. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. - 656 с.

68. Далин М. А., Генералов А. С., Бойчук А. С., Ложкова Д. С. Основные тенденции развития акустических методов неразрушающего контроля // Научно-технический сборник: Авиационные материалы и технологии. - Вып. 1. -М.: ФГУП «ВИАМ», 2013. - С. 64-69.

69. Nondestructive Testing Handbook. 2-nd ed. V. 7: Ultrasonic Testing //American Society for Nondestructive Testing, 1991. - 893 p.

70. Non-destructive testing of fiber-reinforced plastics composites. Vol.2., Summerscales John., Elsevier Science Publishers LTD 1990. p.1-47.

71. Генералов А. С., Мурашов В. В., Далин М. А., Бойчук А. С. Диагностика полимерных композитов ультразвуковым реверберационно-сквозным методом. Научно-технический сборник: Авиационные материалы и технологии. -Вып. 1. - М.: ФГУП «ВИАМ», 2012. - С. 42-47.

72. Смит С. Цифровая обработка сигналов. Практическое руководство для инженеров и научных работников. М.: Додэка-XXI, 2008.

73. Генералов А. С., Мурашов В. В., Бойчук А. С., Далин М. А., Юхацко-ва О. В. Оценка эффективности применения способов вычисления критерия SWF для определения прочности элементов конструкций из углепластика ре-верберационно-сквозным методом // Промышленные АСУ и контроллеры, 2013. - № 1, С. 39-43.

74. Васин В. А., Власов И. Б., Егоров Ю. М. и др. Информационные технологии в радиотехнических системах: Учеб. пособие. - 2-е изд., перераб. и доп. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004.

75. Оппенгейм А., Шафер Р. Цифровая обработка сигналов. Издание 2-е, исправленное. Москва: Техносфера, 2009. - 856 с.

76. Генералов А. С., Бойчук А. С., Мурашов В. В. Контроль прочности углепластиков на клеевых препрегах ультразвуковым методом // Клеи. Герметики. Технологии, 2012. - № 5, С. 27-32.

77. Generalov A. S., Boychuk A. S., Murashov V. V. Ultrasonic strength monitoring of carbon-fiber-reinforced plastics based on adhesive prepregs // "Polymer Science" Series D, Vol.6, No.2, 2013, p. 143-147.

78. Генералов А. С., Мурашов В. В., Далин М. А., Бойчук А. С. Определение прочности углепластиков ультразвуковым реверберационно-сквозным методом // Все материалы. Энциклопедический справочник, 2012. - № 11, с. 4753.

79. Генералов А. С., Мурашов В. В., Далин М. А., Бойчук А. С. Определение прочности элементов конструкций из углепластиков при ремонте и эксплуатации изделий авиационной техники ультразвуковым реверберационно-сквозным методом // Ремонт. Восстановление. Модернизация, 2013. - № 8, С. 47.

80. Генералов А. С., Мурашов В. В., Косарина Е. И., Бойчук А. С. Построение и анализ корреляционных связей для оценки прочностных свойств углепластиков реверберационно-сквозным методом // Авиационные материалы и технологии. - Вып. 1. - М.: ФГУП «ВИАМ», 2014. - С. 58-63.

81. Эконометрика: учебник / Елисеева И. И., Курышева С. В., Костее-ва Т. В. и др.; под ред. Елисеевой И. И. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Финансы и статистика, 2007. С. 43-106.

82. Сергиенко А. Б. Цифровая обработка сигналов. СПб.: Питер, 2006.

83. Ультразвуковая помехоустойчивая дефектоскопия / Качанов В. К., Карташев В. Г., Соколов И. В. - М.: Издательский дом МЭИ, 2007. - 280 с.

84. Блаттер К. Вейвлет-анализ. Основы теории. - М.: Техносфера, 2006. -

272 с.

85. Залманзон Л. А. Преобразования Фурье, Уолша, Хаара и их применение в управлении, связи и других областях. - М.: Наука, 1989. - 496 с.

86. Добеши И. Десять лекций по вейвлетам. - Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2001.

87. Воробьев В. И., Грибунин В. Г. Теория и практика вейвлет-преобразования. - СПб.: Издательство ВУС, 1999. - 208 с.

88. Дремин И. М., Иванов О. В., Нечитайло В. А. Вейвлеты и их использование. - Успехи физических наук, 2001. - Т. 171, № 5, С. 465-561.