Контроль качества изготовления и технология ремонта композитных конструкций - Виктор Борисович Маркин 4 стр.

Неразрушающий контроль качества позволяет не только контролировать, но и управлять качеством продукции, предсказывая ее свойства, параметры, причины отказа изделий. Методы неразрушающего контроля не являются универсальными, каждый из них имеет свою область наиболее эффективного применения. Большинство методов решают довольно узкий круг дефектоскопических задач: обеспечивают контроль изделий из определенного материала, рассчитаны на поиск дефектов определенного вида, предназначены для конструкций определенного размера и формы, поэтому достижение высокого качества возможно только в случае применения наиболее эффективных для каждой стадии изготовления методов и средств неразрушающего контроля.

Для выбора метода или комплекса методов контроля должны быть определены вид дефектов, подлежащих выявлению, объекты (зоны) контроля, а также должны быть заданы критерии на отбраковку. По этим данным определяют возможные методы, позволяющие решить поставленную задачу. Затем, принимая во внимание критерии на отбраковку, чувствительность и специфику методов, выбирают методы и средства неразрушающего контроля для применения. При равной чувствительности предпочтение отдается тому методу, который проще и доступнее в конкретных условиях, у которого выше достоверность результатов контроля и производительность [20].

Выбранные методы контроля полуфабрикатов и деталей должны фиксироваться в нормативной технологической документации.

Глава 2

Дефекты, возникающие в конструкциях при их изготовлении

2.1 Классификация дефектов в слоистых композитах

Использование при изготовлении изделий из композиционных материалов несовершенного оборудования, система управления которым не обеспечивает заданную точность поддержания параметров технологического процесса, приводит к возникновению в структуре материала конструкции различного рода дефектов, вызывающих снижение физико-механических характеристик или увеличение их разброса, снижение несущей способности конструкции и другие отрицательные эффекты. Появление дефектов в конструкциях из композитов, армированными непрерывными волокнами или ткаными материалами, может быть связано не только с отсутствием достаточно совершенного оборудования, но и с рядом других причин, связанных с субъективными факторами (нарушением технологического процесса, загрязненностью участка формирования структуры материала и др.) [3].

Изготовление конструкций из пространственно-армированных углерод-углеродных композиционных материалов (УУКМ) является сложным, длительным, многоступенчатым процессом и зависит от десятков технологических параметров, изменение любого из которых может привести к необратимым нарушениям заданной структуры. Наличие структурных дефектов часто становится решающим фактором, определяющим работоспособность конструкций, особенно в экстремальных условиях высокоскоростного температурного нагружения и жестких требований к абляционной стойкости материалов [6].

В табл. 2.1. представлены технологические методы переработки полимерных композиционных материалов и наиболее характерные дефекты, присущие тому или иному методу.

Для проведения анализа дефектов, встречающихся в конструкциях из полимерных композитов, удобно представить их в виде блок-схемы, разделив на различные группы по относительным размерам и другим параметрам (рисунок 2.1). При этом подходе дефекты разделены на два больших класса: производственные дефекты, которые появляются в конструкциях либо в процессе их изготовления, либо в процессе изготовления составляющих материал компонент, и эксплуатационные повреждения, возникающие в конструкции в процессе ее эксплуатации. Кроме этого производственные дефекты могут быть разделены на три группы: микро-, мини- и макродефекты.

Рисунок 2.1 Классификационная схема производственных дефектов и эксплуатационных повреждений в конструкциях из КМ

Метод контактного формирования (без прикатки, с прикаткой, с уплотнением)

Характеристика изделий: Крупногабаритные изделия сложной формы, оболочки, листы больших размеров

Дефекты формирования: Пористость, расслоения, разнотолщинность, неравномерное распределение связующего, участки неполного отверждения, увеличение разброса физико-механических характеристик, складки, разориентация волокон, участки с низким содержанием связующего, коробление изделия, риски на поверхности

Метод формирования эластичной диафрагмой

Характеристика изделий: Крупно- и среднегабаритные изделия сложной формы

Дефекты формирования: Неравномерное распределение связующего, разориентация волокон, расслоения, складки, участки неполного отверждения связующего, локальная пористость

Метод авто- и гидроклавного формования

Характеристика изделий: Крупно- и среднегабаритные изделия простой и сложной формы

Дефекты формирования: Расслоения, пористость, складки, разориентация армирующего материала

Метод вакуумного формования

Характеристика изделий: Среднегабаритные изделия простой и сложной формы

Дефекты формирования: Пористость, складки армирующих слоев, неравномерное распределение связующего, разориентация слоев

Метод сухой и мокрой намотки (однонаправленная)

Характеристика изделий: Крупно- и среднегабаритные изделия типа тел вращения (цилиндрические, сферические, конические, овалоидные, тороидальные оболочки), длинномерные конструкции в виде замкнутого профиля прямоугольной или другой формы

Дефекты формирования: Расслоения, пористость, неравномерное распределение связующего, утолщения в зоне нахлестов витков, участки неармированного связующего в зазорах между соседними витками, инородные включения, обрывы волокон, искривление волокон

Метод прессования тканей, пропитанных связующим, и однонаправленных препрегов

Характеристика изделий: Средне- и малогабаритные изделия простой и сложной формы

Дефекты формирования: Трещины, локальная пористость, расслоения, неравномерное распределение связующего, риски на поверхности

Микродефекты это дефекты, размеры которых сравним с размерами армирующих элементов (элементарными волокнами) или с толщиной связующего между этими элементами. К микродефектам можно отнести дефекты, возникающие в элементарных армирующих волокнах, в прослойках, связующего между этими волокнами, а также на границе раздела волокно матрица.

Наиболее характерными дефектами этой группы можно назвать микропоры, микротрещины, включения инородных кристаллов в структуру элементарных волокон, искривление фибрилл, разориентацию микрофибрилл и др. Микроскопические исследования дефектов армирующих элементарных волокон показали, что на поверхности стеклянных волокон имеются трещины глубиной 10-7 м, шириной 2 10-7 м и длиной до 5 10-5 м. Для борных волокон диаметром 10-4 м характерны поры и трещины размером до 8 10-6 м, а также включение крупных кристаллов металлического бора в борную оболочку волокна. Трещины, встречающиеся на поверхности углеродных волокон, составляют в длину 2 10-7 1 10-6 м, а в ширину 1 10-8 2 10-7 м. Разориентация отдельных углеродных слоев (микрофибрилл) в волокнах достигается 1723%.

В армирующих волокнах из армидных материалов размеры трещин достигают 8 10-7 м.

Наличие дефектов на поверхности и в структуре элементарных армирующих волокон приводит к снижению их физико-механических характеристик и к увеличению разброса последних.

Минидефекты это дефекты, размеры которых сравнимы с размерами толщины элементарного слоя композиционного материала. Они встречаются в виде структурных несовершенств и нарушений сплошности в элементарных слоях материала. К ним можно отнести:

Минидефекты это дефекты, размеры которых сравнимы с размерами толщины элементарного слоя композиционного материала. Они встречаются в виде структурных несовершенств и нарушений сплошности в элементарных слоях материала. К ним можно отнести:

 риски и царапины, соизмеримые с толщиной элементарного слоя;

 нарушение адгезионных связей на границе раздела волокно матрица;

 волнистость и крутку армирующих волокон, разориентацию и их искривление;

 неравномерное распределение связующего в элементарном слое композита; разную степень натяжения армирующих волокон или нитей;

 обрывы отдельных элементарных волокон или нитей и другие дефекты.

Минидефекты связаны либо со структурным строением армирующего наполнителя, либо возникают в процессе технологической переработки составляющих компонент композиционного материала в изделие. К наиболее характерным структурным минидефектам можно отнести крутку элементарных волокон в нитях, регулярные и случайные искривления нитей, разориентацию армирующих волокон. Наличие этих дефектов в структуре материала является одной из причин того, что его физико-механические характеристики в изделиях значительно отличаются от подобных характеристик самих элементарных волокон. Крутка элементарных волокон, как известно, используется для повышения технологичности переработки нитей и жгутов в изделия. При этом устраняется пушение элементарных волокон и уменьшается их обрывность. Однако, наряду с этим, она приводит к снижению степени реализации упругих и прочностных показателей волокон в композиционном материале, которое сказывается при кручении высокомодульных волокон (борных и углеродных).

Разориентация армирующих волокон связана с их отклонением от заданного направления в процессе технологической переработки при изготовлении конструкций и обычно связана с несовершенством технологического оборудования или оснастки.

Регулярные искривления армирующих волокон свойственны в основном тканым наполнителям и определяются параметрами их переплетения. В отличие от регулярных искривлений случайные искривления являются в основном следствием несовершенства технологического процесса и наиболее часто возникают при изготовлении конструкций методом послойной намотки с последующей опрессовкой при термообработке, а также в процессе прессования изделий в замкнутой форме из-за неточности размеров заготовок, закладываемых в нее. Случайные искривления вызывают местное снижение жесткости материала и наиболее опасны в конструкциях, работающих на устойчивость.

Наиболее характерные минидефекты, связанные с нарушением сплошности структуры композиционных материалов,  поры и минитрещины в матрице. Появление пор связано с наличием в связующие большие количества растворителя или влаги, с неправильным выбором режимов термообработки (большая скорость нагрева, низкое давление). Кроме этого, на этапе пропитки материала при мокром методе формирования его структуры, могут образоваться воздушные пузырьки, запирающие каналы между волокнами и препятствующие капиллярному движению по ним связующего. Особенно большое количество мелких пузырьков, пор и раковин возникает при ручной выкладке конструкций из ткани, пропитанной полиэфирным связующим.