Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния исследований. Цель и задачи исследования 9
1.1 Перспективы применения ИКМ 9
1.2 Применение УВ в качестве чувствительных элементов ВПКМ 18
1.3 Цель и задачи исследования 27
1.4 Выводы по главе 1 28
Глава 2. Разработка методики контроля ДС ВПКМ с помощью чувствительных элементов на базе УН при одноосном нагружении 30
2.1 Теоретическая модель тензочувствительности УН, пропитанных связующим, с учетом разрушения элементарных волокон 30
2.2 Характер зависимости изменения электрического сопротивления УН от относительной деформации в продольном направлении при повторном нагружении 37
2.3 Расчет максимальной относительной объемной доли УН в ВПКМ 41
2.4 Контроль ДС однонаправленных ВПКМ при статическом растяжении 44
2.5 Диагностика повреждений ВПКМ с помощью чувствительных- -элементов на базе УН 46
2.6 Выводы по главе 2 50
Глава 3. Экспериментальные исследования возможности применения УН в качестве чувствительных элементов ВПКМ 52
3.1 Экспериментальные исследования тензочувствительности УН УКН-2500 и УКН-5000 52
3.2 Испытания на статическое растяжение кольцевых образцов из стеклопластика и органопластика с внедренными чувствительными элементами на базе УН 60
3.3 Экспериментальные исследования возможности диагностики повреждений ВПКМ с помощью чувствительных элементов на базе УН... 71
3.4 Контроль качества технологических процессов изготовления ВПКМ с помощью чувствительных элементов на базе УН 75
3.5 Анализ результатов эксперимента. Оценка достоверности теоретической модели тензочувствительности УН 77
3.6 Выводы по главе 3 80
Глава 4. Практическое применение разработанных методик контроля состояния ВПКМ с чувствительными элементами на базе УН 83
4.1 Практическое применение чувствительных элементов на базе УН для диагностики состояния ВПКМ 83
4.2 Учет факторов, оказывающих влияние на электрофизические свойства чувствительных элементов на базе УН 96
4.3 Оптимизация расположения чувствительных элементов на базе УН в ВПКМ и анализ информации, поступающей с них 98
4.4. Перспективы применения чувствительных элементов на базе УН для контроля состояния ВПКМ при длительном разрушении 107
4.5 Выводы по главе 4 109
Заключение и общие выводы по диссертационной работе 110
Библиографический список 113
- Применение УВ в качестве чувствительных элементов ВПКМ
- Характер зависимости изменения электрического сопротивления УН от относительной деформации в продольном направлении при повторном нагружении
- Испытания на статическое растяжение кольцевых образцов из стеклопластика и органопластика с внедренными чувствительными элементами на базе УН
- Учет факторов, оказывающих влияние на электрофизические свойства чувствительных элементов на базе УН
Введение к работе
Изделия из композиционных материалов (КМ) нашли широкое применение благодаря своим прочностным и жесткостным характеристикам, а также коррозионной стойкости. Однако в процессе эксплуатации в КМ накапливаются микроповреждения, которые со временем могут привести к потере работоспособности конструкции. Различные дефекты появляются и при изготовлении КМ. Поскольку разрушение КМ изучено менее подробно, чем металлов [1], их использование в изделиях с повышенными требованиями к надежности (например, в ракетно-космической технике) сопряжено с некоторой долей риска. Как следствие, необходим контроль состояния КМ в режиме реального времени.
Различные методы неразрушающего контроля (ультразвуковой, радиоволновой и т.д.) часто требуют дорогостоящей крупногабаритной аппаратуры. Вести контроль КМ в режиме реального времени (в процессе эксплуатации) с помощью этих методов весьма затруднительно, а то и невозможно.
В связи с вышесказанным особенный интерес вызывают те способы контроля состояния КМ, в которых датчики являются частью исследуемого материала. При этом конструкция из КМ сама «сообщает» о степени своей работоспособности. Такие структуры называют интеллектуальными материалами (ИМ).
Материал является интеллектуальным, если он способен реагировать на изменение внешних и внутренних условий. Под изменением внешних условий можно понимать изменение природных условий, условий эксплуатации или перемещение конструкции в пространстве. Реакцией ИМ является изменение функциональных характеристик устройства [2]. Благодаря этому ИМ позволяют повысить надежность и эффективность конструкции, уменьшить износ и эксплуатационные затраты.
Воздействия, испытываемые ИМ, представлены на рис. 1.1. В общем случае необходимо измерять следующие виды воздействия:
механические нагрузки;
тепловое воздействие, связанное с изменением температуры. Оно может инициировать появление механических напряжений и вести к изменению механической прочности;
химическое воздействие, связанное с изменением кислотности среды, утечкой химически активных веществ, присутствием воды и т.д.
Помимо измерения внешних воздействий, необходимо также контролировать степень изношенности конструкции из ИМ.
Коррозия, инициированная механическими нагрузками и пластическим течением
Изменения, обусловленные уменьшением массы
Механические нагрузки
Тепловое воздействие
Химическое (коррозионное) воздействие
-v^
i>
с>
Механические напряжения
Измененные
механические
и физические
свойства
Изменения,
обусловленные
изменением
химического
строения
Рис. 1.1. Общие воздействия, испытываемые интеллектуальным материалом [2]
Процесс анализа информации, поступающей от чувствительных элементов ИМ можно разделить на две стадии [2]. Для начала нужно установить, надежен ли результат измерения и не противоречит ли он некоторым критериям оценки точности. Вторая стадия состоит в определении величины внешнего воздействия и принятия решения, нужно ли на него реагировать.
При создании ИМ обязательно необходимо учитывать продолжительность контроля работоспособности конструкции и, соответственно, продолжительность измерений. Здесь различия могут быть огромными. Некоторые конструкции, например, корпуса ракет, функционируют лишь несколько минут. Другие же конструкции должны работать десятилетиями [2].
Особое внимание при создании интеллектуальных композиционных ма-
териалов (ИКМ) с токопроводящими чувствительными элементами уделяется углеродным волокнам (УВ). Внедрение УВ в композиционные материалы не приведет к снижению исходных прочностных характеристик материала т.к. поперечные размеры УВ сопоставимы с поперечными размерами других армирующих элементов композиционных материалов, использующихся в настоящее время (около 8 мкм). Не следует забывать и о том, что углеродные волокна могут одновременно выполнять функцию армирующих и чувствительных элементов.
Несмотря на то, что углеродные волокна нельзя назвать «хорошими» инженерными датчиками в связи с разбросом характеристик, они дают очень полезную качественную информацию, анализ которой характеризует состояние структуры. Измеряя сопротивление углепластика можно контролировать деформированное состояние материала, делать выводы о его усталостной долговечности и степени повреждения, судить о степени расслоения композита. Непрерывные и рубленые углеродные волокна легко внедряются в различные полимерные материалы, образуя ИКМ. Однако, как следует из литературных источников, для регистрации изменения сопротивления углепластика необходима более точная аппаратура, чем для регистрации изменения сопротивления углеродных нитей (УН). Более того, УН (пучки элементарных углеродных волокон) позволяют создать массив, с помощью которого можно определять местонахождение дефектов.
Целью работы являлось обеспечение непрерывного контроля состояния конструкций из неэлектропроводящих волокнистых полимерных композиционных материалов (ВПКМ) на основе разработанного способа внедрения в них чувствительных элементов на базе УН. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения.
Во введении сформулирована научная проблематика, цель и методы исследования. Приводится краткое изложение содержания, а также основные положения, выносимые на защиту.
Первая глава содержит обстоятельный обзор научной литературы и из-
7 вестных исследований, посвященных непрерывному внутреннему контролю ВПКМ в процессе эксплуатации (проектированию и созданию ИКМ). Выявлен круг вопросов, которые остались нерешенными при создании ИКМ с чувствительными элементами на базе УН. Сформулированы цель и задачи исследования данной диссертационной работы.
Во второй главе была разработана теоретическая модель тензочувстви-тельности УН, пропитанных связующем. Разработана методика контроля деформированного состояния и диагностики повреждений ВПКМ с чувствительными элементами на базе УН. Сформулированы правила выбора относительной объемной доли УН.
В третьей главе описываются экспериментальные исследования, подтверждающие возможность контроля деформированного состояния и диагностики повреждений ВПКМ с помощью чувствительных элементов на базе отечественных УН УКН-2500 и УКН-5000. Также описаны экспериментальные исследования возможности контроля условий изготовления ВПКМ. Описаны методы экспериментальных исследований. Проведен анализ сходимости опытных и теоретических результатов.
В четвертой главе приводятся рекомендации по практическому примене----- нию разработанных методик. Рассмотрены конструкции, в которые могут быть внедрены чувствительные элементы на базе УН. Рассмотрены вопросы оптимизации расположения чувствительных элементов на базе УН в ВПКМ и анализа информации, поступающей от них. Описаны факторы, оказывающие влияние на электрофизические свойства УН.
Все вышесказанное подтверждает актуальность, научную новизну и важность рассматриваемых задач. В основу данной диссертационной работы положены научно-исследовательские работы, выполненные автором в МГТУ им. Н.Э. Баумана по заказу Министерства образования и науки РФ.
В данной диссертационной работе были получены следующие новые научные результаты:
- разработана теоретическая модель тензочувствительности УН, пропи-
8 тайных связующим, с учетом разрушения элементарных волокон; - получены новые экспериментальные зависимости:
а) изменения электрического сопротивления углеродных нитей от напряжения в
продольном направлении в процессе статического растяжения;
б) изменения электрического сопротивления чувствительных элементов на базе
углеродных нитей от окружной относительной деформации кольцевых образ
цов из стекло- и органопластика в процессе статического растяжения;
в) изменения электрического сопротивления чувствительных элементов на базе
углеродных нитей от количества повреждений в ВПКМ на основе базальтовой
ткани;
г) изменения электрического сопротивления чувствительных элементов на базе
углеродных нитей от фазы отверждения кольцевых образцов из органопласти
ка.
Практическая ценность результатов работы заключается в использовании разработанного способа, инженерной методики и полученных экспериментальных зависимостей для осуществления непрерывного контроля состояния ВПКМ в процессе изготовления и эксплуатации конструкций авиационной, космической техники и в других областях.
Основные результаты работы доложены на первом российском научно-техническом симпозиуме «Интеллектуальные композиционные материалы и конструкции» (23-24 июня, 2004 г., г. Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана). Диссертационная работа в целом докладывалась и получила одобрение на семинаре Научного Совета РАН по механике конструкций из композиционных материалов № 152.
Результаты работы включены в учебные программы ряда дисциплин при подготовке инженеров на кафедре «Ракетно-космические композитные конструкции» МГТУ им. Н.Э. Баумана по специальности 150502 - «Конструирование и производство изделий из композиционных материалов».
Применение УВ в качестве чувствительных элементов ВПКМ
Углеродные волокна, обладая уникальными физико-механическими и электрофизическими свойствами, высокой жаростойкостью в инертной и восстановительной средах, занимают особое место среди электропроводящих волокон.
В качестве армирующих элементов композиционных материалов УВ используются уже достаточно давно. На их основе изготавливают: несущие панели крыла, оперения и фюзеляжи самолета; обшивки трехслойных панелей крупногабаритных антенн, зеркал, работающих в космосе; лопатки турбин, сопловые блоки, носовые обтекатели, вкладыши критического сечения ракетных двигателей и многие другие изделия, эксплуатируемые в условиях интенсивного теплового воздействия [4].
В последние годы в промышленности, технике и медицине находят все более широкое применение электропроводящие композиционные материалы (ЭПК); разработаны и эффективно используются сотни различных марок [27]. В качестве электропроводящих армирующих элементов ЭПК широкое применение получили УВ, которые относятся к группе углеграфитовых наполнителей. Они применяются для изготовления следующих типов ЭПК: антистатические материалы, экранирующие материалы, радиотехнические материалы, нагревательные устройства. Причем нередко в ЭПК используются не только электрофизические свойства углеродных волокон, но и их уникальные физико-механические характеристики, позволяющие существенно облегчить конструкцию без потери прочности [14].
Как уже отмечалось выше, УВ свойственна тензочувствительность (способность реагировать изменением своего электрического сопротивления на изменение напряженно-деформированного состояния). Это делает возможным применение УВ в качестве чувствительных элементов ВПКМ. Внедрение УВ в ВПКМ не приведет к снижению исходных прочностных характеристик материала т.к. поперечные размеры УВ сопоставимы с поперечными размерами других армирующих элементов композиционных материалов, использующихся в настоящее время (около 8 мкм). Не следует забывать и о том, что в углепластиках УВ могут одновременно выполнять функцию армирующих и чувствительных элементов.
Следует отметить, что совмещение волокон (в том числе и УВ с другими видами волокон) уже достаточно давно применяется для регулирования механических и теплофизических свойств композитов. Такие композиты обычно называют «гибридными».
Характерный график изменения электрического сопротивления в зависимости от растяжения приведен на рис. 1.7. Для большинства образцов УВ зависимость при удлинении более 0,1% носит линейный характер. Лишь для некоторых образцов начальный участок имеет значительную кривизну [14].
Изменение сопротивления при растяжении объясняется, в основном, разворотом плоскостей кристаллитов в УВ и изменением числа контактов между ними. При растяжении кристаллиты удаляются друг от друга ввиду распрямления находящихся между ними «аморфных» цепочек; изменяется расстояние между соседними макромолекулами. Все это приводит к повышению потенциальных барьеров в соответствии с перескоковым механизмом электропроводности. Следовательно, электропроводность УВ зависит не только от молекулярной структуры угольного полимера, но и от его надмолекулярной структуры.
Статические испытания на прочность. Зависимость изменения электрического сопротивления AR от напряжения в продольном направлении oi для однонаправленных и перекрестно-армированных образцов из углепластика в процессе статических испытаний на растяжение представлена на рис. 1.8. Начальное сопротивление однонаправленных образцов составляло 0,216 Ом, перекрестно-армированных образцов - 0,518 Ом [28].
Зависимость изменения электрического сопротивления от напряжения в продольном направлении для образцов из углепластика в процессе статических испытаний на растяжение [28]: 1 - однонаправленных; 2 - перекрестно-армированных.
Как видно из рис. 1.8 однонаправленные образцы линейно изменяют свое электрическое сопротивление до напряжения 1200 МПа, причем на этом участке изменение сопротивления носит обратимый характер (после снятия нагрузки сопротивление возвращалось к своему исходному значению). Изменение электрического сопротивления на линейном участке происходит, в основном, за счет тензорезисторного эффекта. Далее сопротивление изменяется нелинейно и необратимо. Нелинейный участок изменения сопротивления, в данном случае, можно объяснить началом интенсивного разрушения волокон [28].
Зависимость изменения электрического сопротивления ортогонально-армированных образцов из углепластика в процессе статических испытаний представлена на рис. 1.9. Начальное сопротивление ортогонально-армированных образцов составляло 983 Ом. Большая разница в сопротивлении однонаправленных и ортогонально-армированных образцов объясняется высокой степенью анизотропии физических свойств УВ. Величина удельного электрического сопротивления перпендикулярно оси волокна р± обычно намного больше, чем величина удельного электрического сопротивления вдоль оси волокна /?//. Ортогонально-армированные образцы (рис. 1.9) изменяют свое сопротивление нелинейно и необратимо. Это можно объяснить тем, что изменение сопротивления ортогонально-армированных образцов происходит за счет разрыва контактов между смежными волокнами в композите [28].
Характер зависимости изменения электрического сопротивления УН от относительной деформации в продольном направлении при повторном нагружении
В последние годы внимание исследователей привлекает метод акустической эмиссии для исследования процессов разрушения конструкционных материалов. Особый интерес вызывает возможность использования этого метода для прогнозирования повреждаемости макрообразцов и элементов конструкций. Сущность этого метода заключается в фиксировании микрошумов, возникающих при нагружении образца. Появление таких шумов свидетельствует о том, что в материале имеются микротрещины и разрывы. При этом освобождается часть упругой энергии, вызывающей колебания среды. Эти колебания представляют собой акустический импульс, распространяющийся в среде в виде постепенно затухающей волны. Таким образом, сейсмоакустический метод может быть использован для фиксирования процессов разрушения полимерных и композиционных материалов при их деформировании.
Выше было упомянуто, что на изменение сопротивления УН, пропитанных связующим, влияет, наряду с другими факторами, повреждение и разрушение элементарных волокон. Предположим, что различие зависимостей изменения электрического сопротивления УН от Єї при первом и повторных нагруже-ниях вызвано, в основном, повреждением и разрушением волокон. Тогда, изучая зависимости акустического излучения от приложенной нагрузки, можно предсказать характер зависимости изменения электрического сопротивления УН от Єї при повторном нагружении.
На рис. 2.6 приведены зависимости акустического излучения W в КМ от напряжения в продольном направлении приведенные в работах А.К. Малмей-стера, В.П. Тамужа. При первом цикле нагружения наблюдается нарастание скорости накопления повреждений. После разгрузки и повторного нагружения до того же значения нагрузки с каждым циклом интенсивность излучения образца резко уменьшается (эффект Кайзера). Характер изменения интенсивности излучения показывает, что при пером цикле нагружения происходит самое интенсивное разрушение материала. По-видимому, это связано с наличием внутренних усадочных и других технологических напряжений, которые способствуют разрыву наиболее дефектных и перегруженных нитей.
Сначала разрушаются самые слабые элементарные волокна и микрообъемы. Если при последующих циклах нагрузка не превышает значения предыдущего нагружения, то более прочные связи временно сохраняются, что создает кажущееся упрочнение материала. Акустическая эмиссия при многократном нагружении, очевидно, вызвана повреждаемостью материала в каждом цикле нагрузки и наличием сухого трения между компонентами. Иначе при повторных циклах уровень интенсивности излучения остался бы постоянным. Характерно, что если увеличить нагрузку после тренировки образца, то к моменту его разрушения суммарное число импульсов будет возрастать согласно тому же закону, что и при первом нагружении [33].
В связи с этим автор предположил, что характер зависимости изменения электрического сопротивления УН от Єї при повторном нагружении будет отличаться от характера аналогичной зависимости при первом нагружении. Учитывая, что при первом цикле нагружения происходит самое интенсивное разрушение материала, следует ожидать изменения начального электрического сопротивления УН в конце первого цикла нагружения. Очевидно, что изменение будет тем больше, чем больше будет Єї в конце первого цикла нагружения. Однако величина изменения начального электрического сопротивления УН Д/?о не будет равна величине изменения электрического сопротивления УН вследствие разрушения элементарных волокон в конце первого нагружения: ARQ Ф кЯразр. Это вызвано тем, что разрушенные элементарные волокна, находятся в связующем. После снятия нагрузки часть разрушенных элементарных волокон, под действием упругих сил в связующем, будет соприкасаться. При повторном нагружении разрушенные элементарные волокна вновь разойдутся.
Учитывая сказанное выше, можно предположить, что при повторном нагружении будет наблюдаться три участка зависимости изменения электрического сопротивления УН от Єї. На первом участке на изменение электрического сопротивления будут оказывать влияние, в основном, два фактора: разрушение элементарных волокон, поврежденных при первом нагружении и упругая деформация целых элементарных волокон. На втором участке определяющим фактором будет упругая деформация элементарных волокон. На третьем участке на изменение электрического сопротивления будут оказывать влияние три фактора: упругая деформация элементарных волокон, повреждение и разрушение элементарных волокон, изменение количества контактов между смежными элементарными волокнами. В тот момент, когда при повторном нагружении электрическое сопротивление УН начнет изменяться линейно, общее изменение электрического сопротивления УН А/?« &Ry .
Изменение электрического сопротивления УН вследствие разрушения элементарных волокон в конце первого нагружения где AR - общее изменение электрического сопротивления в конце первого нагружения; AR ynp - изменение электрического сопротивления вследствие упругой дефор мации в конце первого нагружения. Тогда можно записать:
Учитывая, что при первом цикле нагружения происходит самое интенсивное разрушение материала, автор предположил следующее. При многократных нагружениях зависимость изменения электрического сопротивления УН от Єї не будет значительно отличаться от такой же зависимости при повторном нагружении. Это позволит использовать чувствительные элементы на базе УН для контроля деформированного состояния ВПКМ при многократном нагружении.
Помимо этого чувствительные элементы на базе УН могут использоваться для определения степени повреждения ВПКМ. В отличие от метода акустической эмиссии описанный выше способ потребует менее габаритного обору дования и даст возможность определять степень повреждения ВПКМ в режиме реального времени.
Создание «гибридных» ВПКМ путем совмещения в едином материале волокон разной природы является эффективным средством регулирования свойств КМ независимо от их структуры армирования [4, 34]. Для армирования могут быть использованы любые волокнистые наполнители. Они обеспечивают повышение показателей прочностных и упругих свойств ВПКМ, в том числе и при многократных нагрузках, повышение термо- и химической стойкости, изменение электрофизических характеристик и т.д. [31]. Однако при нагружении ВПКМ, армированных разномодульными волокнами, в направлении армирования волокна разрушаются не одновременно из-за различия в их предельных деформациях. При низком содержании волокон с большим модулем упругости (или малым удлинением) предельная деформация ВПКМ равна предельной деформации низкомодульных волокон. При высоком содержании волокон с большим модулем упругости предельная деформация ВПКМ равна предельной деформации высокомодульных волокон.
Механизм разрушения трехкомпонентных материалов изменяется при критическом содержании низкомодульных волокон. Вместе с тем относительное критическое содержание низкомодульных волокон в ВПКМ увеличивается при уменьшении разницы между отношением прочностей низкомодульных и высокомодульных волокон и отношением их модулей упругости, согласно уравнению [34]
Испытания на статическое растяжение кольцевых образцов из стеклопластика и органопластика с внедренными чувствительными элементами на базе УН
Для оценки возможности применения УН в качестве чувствительных элементов ВПКМ были изготовлены кольцевые образцы из стеклопластика и органопластика. Угол намотки составлял 90 (намотка в плоскости кольца). Внутренний диаметр, ширина и толщина кольцевых образцов равнялись соответственно 50, 7 и 1,4 мм. Для изготовления кольцевых образцов использовалось то же связующее, что и для изготовления образцов из микропластика.
Размеры кольцевых образцов были выбраны таким образом, чтобы зависимость относительного изменения сопротивления дЛ/Ro чувствительного элемента от Сі в процессе статических испытаний на растяжение не отличалась от зависимости, показанной на рис. 3.3, а статическая прочность на растяжение снижалась не более чем на 10 % по сравнению с образцами из микропластика.
Чувствительный элемент представлял собой отрезок УН УКН-2500 с клеммниками на концах. После намотки гнезда клеммников заполнялись связующем. Рабочая длина чувствительного элемента равнялась 180 мм (длина внутренней поверхности кольцевого образца равнялась 157 мм). При намотке кольцевых образцов сначала на оправку вручную наматывали чувствительный элемент (один полный виток), который фиксировался с помощью специального приспособления для сохранения натяжения. Затем на намоточном станке поверх чувствительного элемента наматывали органическое волокно Армос-2Б или стеклоровинг РВМН10-1260-80. Органическое волокно и стек-лоровинг по величине удельного электрического сопротивления относятся к диэлектрикам. В связи с этим можно считать, что электрический ток протекал только через УН. Общий вид кольцевого образца с чувствительным элементом показан на рисунке 3.9.
Расположение УН на внутренней поверхности кольцевых образцов было вызвано необходимостью наиболее полного контакта УН основными волокнами. Учитывая, что толщина кольцевых образцов сравнительно небольшая (1,4 мм), внедрить УН в середину кольцевых образцов не представлялось возможным. Расположение УН на внутренней поверхности кольцевых образцов обеспечивало более полный контакт с основными волокнами по сравнению с расположением УН на внешней поверхности. Основные данные о кольцевых образцах представлены в таблице 3.
При изготовлении кольцевых образцов было выполнено условие Mi /Vi (см- главУ 2). Объемное содержание основных волокон в кольцевых образцах составляло около 40%. Объемное содержание УН (чувствительного элемента) составляло около 1%. При этом прочностные свойства композита определялись прочностными свойствами основных волокон. Вместе с тем модуль упругости кольцевых образцов при добавлении УН изменился не более чем на 5 % (см. табл. 3). Другими словами УН не влияла на свойства ВПКМ и выполняла лишь функцию чувствительного элемента. Основные технические характеристики и механические свойства кольцевых образцов из стеклопластика и органопластика с чувствительными элементами на базе УН приведены в таблице 4. Для расчета использовали формулы (6), (7), (11),(12).
Испытания проводились на разрывной машине ИР 5143 - 200 ОАО «Точ-прибор». Скорость перемещения захватов разрывной машины составляла 2 мм/мин. В процессе испытаний в режиме реального времени фиксировалось изменение электрического сопротивления чувствительного элемента AR с точностью 0,1 Ом. Начальное сопротивление чувствительных элементов R0 равнялось 24,3 Ом. Контактное сопротивление не учитывали. Для уменьшения трения и электроизоляции кольцевых образцов от приспособления для испытаний применялись ленты из полиимидной пленки ПМФ с фторопластовым покрытием.
Учет факторов, оказывающих влияние на электрофизические свойства чувствительных элементов на базе УН
При использовании УН в качестве чувствительных элементов ВПКМ следует учитывать влияние условий окружающей среды на их удельное электрическое сопротивление. Для конструкций, работающих при повышенных температурах, важен характер зависимости электрического сопротивления от Рис. 4.10. Зависимости удельного электрического сопротивления от температуры прогрева углеродных волокон [3]: 1 - вискозные волокна; 2 - волокна на основе изотропных пеков; 3 - графитизированные вытянутые вискозные волокна; 4 - графитизированные вытянутые волокна на основе пеков; 5 - волокна на основе ПАН; 6 - волокна на основе жидкокристаллических пеков. сопротивления замедляется. Примерно до температуры 1600 С для УВ на основе жидкокристаллических пеков и на основе полиакрилонитрила (ПАН) зависимости электрического сопротивления от температуры прогрева совпадают. При дальнейшем увеличении температуры электрическое сопротивление волокон первого типа становится меньше, чем у волокон второго типа [3].
Процесс измерения и обработки данных может быть очень сложным. Прежде всего, необходимо получить электрический сигнал, который требуется передать в систему анализа данных. При передаче сигнала его величина не должна меняться из-за физических или химических причин. Во многих установках, особенно химических, сигнал должен быть передан через две или три поверхности раздела. Поэтому стабильность и воспроизводимость результатов измерений является серьезной проблемой. Некоторые границы раздела нестабильны во времени и чувствительны к химическим процессам или изменению температуры. Это - общие требования, предъявляемые к измерительным системам. В случае ИМ появляются дополнительные требования.
Прежде всего, это необходимость размещения множества различных чувствительных элементов. Кроме того, необходима достоверная передача сигналов к системе анализа, а потребление энергии чувствительным элементом должно быть не слишком высоким [2]. Структура системы чувствительных элементов показана на рис. 4.11.
Полная характеризация контролируемой структуры только с помощью сети чувствительных элементов невозможна. В идеале объем получаемых данных должен адекватно описывать контролируемые параметры во всех частях геометрически сложной структуры; кроме того, их должно быть достаточно для создания удовлетворительной модели системы. Однако с усложнением системы быстро растет объем информации, особенно если следить за изменением величины сигнала во времени. Таким образом, необходимо создать систему чувствительных элементов, удовлетворяющую некоторым минимальным требованиям [2].
Для нахождения оптимального расположения чувствительных элементов рассмотрим пластину, в которой два края заделаны (С), а два других свободно оперты (SS), как показано на рис 4.12. Приложенная нагрузка представляет комбинацию изгиба и нагружения в плоскости пластины. Для описания поведения данной пластины, моделирующей внешнюю обшивку самолета, применяли метод конечных элементов [2].
В работе [63] установлено, что наиболее легко детектируются деформации сдвига, которые для моделирования наиболее сложных условий нагружения не включали в условия нагружения. Места возможного расположения чувствительных элементов в субрешетке из 5 х 5 элементов показаны на рис. 4.13.
