ТИТУЛЬНЫЙ ЛИСТ Тема: «Эффективные технологии неразрушающего контроля полимерных композиционных материалов» Оглавление Введение...................................................................................................................3 1. Теоретический обзор основных характеристик полимерных композиционных материалов............................................................................5 1.1. Полимерные композиционные материалы: понятие, виды, основные свойства, состав.............................................................................................5 1.2. Требования к полимерным композиционным материалам.....................11 1.3. Достоинства и недостатки композиционных материалов.......................13 2. Анализ основных технологий неразрущающего контроля полимерных композиционных материалов..........................................................................17 2.1. Современное состояние автоматизированных систем неразрушающего контроля изделий........................................................................................17 2.2. Основные технологии обработки результатов и идентификации дефектов при неразрушающем контроле..................................................21 2.3. Состояние и анализ применения технологий комплексной автоматизированной дефектоскопии........................................................24 Заключение.............................................................................................................27 Список используемых источников......................................................................28 2 Введение Актуальность исследования. Перспективным направлением в современной технике является использование полимерных композитных материалов (ПКМ), изготовленных методом намотки, имеющих широкие возможности применения и обладающие рядом преимуществ перед традиционными материалами – металлами, особенно в авиакосмических отраслях техники, так как обеспечивают минимальную массу конструкций при заданном значении прочности, не подвержены коррозии и т.п. Однако такие материалы требуют особого подхода и внедрение новых решений при разработке и создании методов и средств их неразрушающего контроля. Это вызвано большим разнообразием видов таких материалов, специфическими особенностями конструкций из них и технологией изготовления, разбросом физико-механических и прочностных характеристик, разнообразием типов дефектов, возникающих в процессе их изготовления и эксплуатации и т.п. Это обуславливает необходимость как повышения достоверности результатов контроля информативности (обнаружение результатов дефектов), контроля так и (особенно расширение актуально - идентификация дефектов по глубине залегания). В связи с этим актуальным является вопрос разработки критериев и оценка стабильности технологии изготовления изделий из ПКМ. Из-за многообразия дефектов в изделиях из ПКМ, формирующихся случайным образом и имеющих случайные характеристики и специфическим особенностям самих изделий из ПКМ, наиболее перспективными с точки зрения повышения достоверности и информативности результатов проводимой дефектоскопии изделий и производительности являются автоматизированные системы неразрушающего комплексного (многоканального) контроля со специальными методами обнаружения и идентификации дефектов. 3 Цель курсовой эффективных работы технологий состоит в изучении неразрушающего и рассмотрении контроля полимерных композиционных материалов. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: 1. Изучить полимерные композиционные материалы: понятие, виды, основные свойства, состав. 2. Проанализировать требования к полимерным композиционным материалам. 3. Выявить достоинства и недостатки композиционных материалов. 4. Проанализировать современное состояние автоматизированных систем неразрушающего контроля изделий. 5. Рассмотреть основные технологии обработки результатов и идентификации дефектов при неразрушающем контроле. 6. Оценить состояние и осуществить анализ применения технологий комплексной автоматизированной дефектоскопии Объект исследования – технологии неразрушающего контроля полимерных композиционных материалов. Предмет исследования – технологий неразрушающего разновидности, механизмы и особенности контроля полимерных композиционных материалов. Структура курсовой работы представляет собой введение, две главы, включающие разделы, заключение, источников. 4 а также список используемых 1. Теоретический обзор основных характеристик полимерных композиционных материалов Полимерные композиционные материалы: понятие, структура, основные свойства, состав 1.1. Композиционные материалы (композиты) – многокомпонентные материалы, состоящие, как правило, из пластичной основы (матрицы), армированной наполнителями, обладающими высокой прочностью, жесткостью и т.д.1 Сочетание разнородных веществ приводит к созданию нового материала, свойства которого количественно и качественно отличаются от свойств каждого из его составляющих. Варьируя состав матрицы и наполнителя, их соотношение, ориентацию наполнителя, получают широкий спектр материалов с требуемым набором свойств. Многие композиты превосходят традиционные материалы и сплавы по своим механическим свойствам и в то же время они легче. Использование композитов обычно позволяет уменьшить массу конструкции при сохранении или улучшении ее механических характеристик. Компонентами композитов являются самые разнообразные материалы – металлы, керамика, стекла, пластмассы, углерод и т.п. Известны многокомпонентные композиционные материалы – полиматричные, когда в одном материале сочетают несколько матриц, или гибридные, включающие в себя разные наполнители. Наполнитель определяет прочность, жесткость и деформируемость материала, а матрица обеспечивает монолитность материала, передачу напряжения в наполнителе и стойкость к различным внешним воздействиям. Композиты, в которых матрицей служит полимерный материал, являются одним из самых многочисленных и разнообразных видов материалов. Их применение в различных областях дает значительный экономический эффект. Например, использование ПКМ при производстве 1 Троицкий В.А. Неразрушающий контроль качества композиционных материалов / В.А. Троицкий, М.Н. Карманов, Н.В. Троицкая // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. – 2016. – № 3. – с. 30 5 космической и авиационной техники позволяет сэкономить от 5 до 30% веса летательного аппарата. В качестве наполнителей ПКМ используется множество различных веществ. Полимерные композиционные материалы, армированные стеклянными волокнами, которые формуют из расплавленного неорганического стекла. В качестве матрицы чаще всего применяют как термореактивные синтетические смолы (фенольные, эпоксидные, полиэфирные и т.д.), так и термопластичные полимеры (полиамиды, полиэтилен, полистирол и т.д.). Эти материалы обладают достаточно высокой прочностью, низкой теплопроводностью, высокими электроизоляционными свойствами, кроме того, они прозрачны для радиоволн. Использование стеклопластиков началось в конце Второй мировой войны для изготовления антенных обтекателей – куполообразных конструкций, в которых размещается антенна локатора. В первых армированных стеклопластиках количество волокон было небольшим, волокно вводилось, главным образом, чтобы нейтрализовать грубые дефекты хрупкой матрицы. Однако со временем назначение матрицы изменилось – она стала служить только для склеивания прочных волокон между собой, содержание волокон во многих стеклопластиках достигает 80% по массе. Слоистый материал, в котором в качестве наполнителя применяется ткань, плетенная из стеклянных волокон, называется стеклотекстолитом. Стеклопластики – достаточно дешевые материалы, их широко радиоэлектронике, используют производстве в строительстве, бытовых судостроении, предметов, спортивного инвентаря, оконных рам для современных стеклопакетов и т.п.2 Что касается углепластиков, то наполнителем в этих полимерных композитах служат углеродные волокна. Углеродные волокна получают из синтетических и природных волокон на основе целлюлозы, сополимеров акрилонитрила, нефтяных и каменноугольных пеков и т.д. Термическая обработка волокна проводится, как правило, в три этапа (окисление – 220° С, 2 Алешин Н.П. Современное оборудование и технологии неразрушающего контроля ПКМ / Н.П. Алешин, М.В. Григорьев, Н.А. Щипаков // Инженерный вестник. – 2018. – № 1. – с. 245 6 карбонизация – 1000–1500° С и графитизация – 1800–3000° С) и приводит к образованию волокон, характеризующихся высоким содержанием (до 99,5% по массе) углерода. В зависимости от режима обработки и исходного сырья полученное углеволокно имеет различную структуру. Для изготовления углепластиков используются те же матрицы, что и для стеклопластиков – чаще всего – термореактивные и термопластичные полимеры. Основными преимуществами углепластиков по сравнению со стеклопластиками является их низкая плотность и более высокий модуль упругости, углепластики – очень легкие и, в то же время, прочные материалы. Углеродные волокна и углепластики имеют практически нулевой коэффициент линейного расширения. Все углепластики хорошо проводят электричество, черного цвета, что несколько ограничивает области их применения. Углепластики используются в авиации, ракетостроении, машиностроении, производстве космической техники, медтехники, протезов, при изготовлении легких велосипедов и другого спортивного инвентаря. На основе углеродных волокон и углеродной матрицы создают композиционные углеграфитовые материалы – наиболее термостойкие композиционные материалы (углеуглепластики), способные долго выдерживать в инертных или восстановительных средах температуры до 3000° С. Существует несколько материалов. По одному из фенолформальдегидной способов производства подобных них углеродные волокна пропитывают смолой, подвергая затем действию высоких температур (2000° С), при этом происходит пиролиз органических веществ и образуется углерод. Чтобы материал был менее пористым и более плотным, операцию повторяют несколько раз. Другой способ получения углеродного материала состоит в прокаливании обычного графита при высоких температурах в атмосфере метана. Мелкодисперсный углерод, образующийся при пиролизе метана, закрывает все поры в структуре графита. Плотность такого материала увеличивается по сравнению с плотностью графита в полтора раза. Из углеуглепластиков делают 7 высокотемпературные узлы ракетной техники и скоростных самолетов, тормозные колодки и диски для скоростных самолетов и многоразовых космических кораблей, электротермическое оборудование. Композиционные материалы, содержащие в качестве наполнителя борные волокна, внедренные в термореактивную полимерную матрицу, при этом волокна могут быть как в виде мононитей, так и в виде жгутов, оплетенных вспомогательной стеклянной нитью или лент, в которых борные нити переплетены с другими нитями. Благодаря большой твердости нитей, получающийся материал обладает высокими механическими свойствами (борные волокна имеют наибольшую прочность при сжатии по сравнению с волокнами из других материалов) и большой стойкостью к агрессивным условиям, но высокая хрупкость материала затрудняет их обработку и накладывает ограничения на форму изделий из боропластиков. Кроме того, стоимость борных волокон очень высока в связи с особенностями технологии их получения (бор осаждают из хлорида на вольфрамовую подложку, стоимость которой может достигать до 30% стоимости волокна). Термические свойства боропластиков определяются термостойкостью матрицы, поэтому рабочие температуры, как правило, невелики. Применение боропластиков ограничивается высокой стоимостью производства борных волокон, поэтому они используются главным образом в авиационной и космической технике в деталях, подвергающихся длительным нагрузкам в условиях агрессивной среды. Композиты, в которых наполнителями служат органические синтетические, реже – природные и искусственные волокна в виде жгутов, нитей, тканей, бумаги и т.д.3 В термореактивных органопластиках матрицей служат, как правило, эпоксидные, полиэфирные и фенольные смолы, а также полиимиды. Материал содержит 40–70% наполнителя. Содержание наполнителя в органопластиках на основе термопластичных полимеров – 3 Стариковский Г.П., Курятин А.А., Карабутов А.А. Неразрушающий контроль интегральных конструкций из полимерных композиционных материалов / Г.П. Стариковский, А.А. Курятин, А.А. Карабутов // В мире неразрушающего контроля. –2018. –№ 4 (10). – с. 62 8 полиэтилена, ПВХ, полиуретана и т.п. – варьируется в значительно больших пределах – от 2 до 70%. Органопластики обладают низкой плотностью, они легче стекло- и углепластиков, относительно высокой прочностью при растяжении; высоким сопротивлением удару и динамическим нагрузкам, но, в то же время, низкой прочностью при сжатии и изгибе. Важную роль в улучшении механических характеристик органопластика играет степень ориентация макромолекул наполнителя. Макромолекулы жесткоцепных полипарафенилтерефталамид полимеров, (кевлар) в основном таких, как ориентированы в направлении оси полотна и поэтому обладают высокой прочностью при растяжении вдоль волокон.4 Из материалов, армированных кевларом, изготавливают пулезащитные бронежилеты. Органопластики машиностроении, находят авиа- и широкое применение космической технике, в авто-, судо-, радиоэлектронике, химическом машиностроении, производстве спортивного инвентаря и т.д. Полимеры, наполненные порошками, это полимеры, где наполнители используются как для снижения стоимости материала, так и для придания ему специальных свойств. Впервые наполненный полимер начал производить доктор Бейкеленд, открывший в начале 20 в. способ синтеза фенолформфльдегидной (бакелитовой) смолы. Сама по себе эта смола – вещество хрупкое, обладающее невысокой прочностью. Бейкеленд обнаружил, что добавка волокон, в частности, древесной муки к смоле до ее затвердевания, увеличивает ее прочность. Созданный им материал – бакелит – приобрел большую популярность. Технология его приготовления проста: смесь частично отвержденного полимера и наполнителя – пресс-порошок под давлением необратимо затвердевает в форме. Первое серийное изделие произведено по данной технологии в 1916, это – ручка переключателя скоростей автомобиля «Роллс-Ройс». Наполненные термореактивные полимеры широко используются по сей день. 4 Андреев И.Д. Методы неразрушающего контроля изделий из полимерных композиционных материалов / И.Д. Андреев, И.С. Лобанова // Актуальные проблемы авиации и космонавтики. –2016. – №12. – с. 70 9 Сейчас применяются разнообразные наполнители так термореактивных, так и термопластичных полимеров.5 Карбонат кальция и каолин (белая глина) дешевы, запасы их практически не ограничены, белый цвет дает возможность окрашивать материал. Применяют для изготовления жестких и эластичных поливинилхлоридных материалов для производства труб, электроизоляции, облицовочных плиток и т.д., полиэфирных стеклопластиков, наполнения полиэтилена и полипропилена. Добавление талька в полипропилен существенно увеличивает модуль упругости и теплостойкость данного полимера. Сажа больше всего используется в качестве наполнителя резин, но вводится и в полиэтилен, полипропилен, полистирол и т.п. По-прежнему широко применяют органические наполнители – древесную муку, молотую скорлупу орехов, растительные и синтетические волокна. Для создания биоразлагающихся композитов в качество наполнителя используют крахмал. Слоистые пластики, армированные тканями из различных волокон. Технология получения текстолитов была разработана в 1920-х на основе фенолформальдегидной смолы. Полотна ткани пропитывали смолой, затем прессовали при повышенной температуре, получая текстолитовые пластины. Роль одного из первых применений текстолитов – покрытия для кухонных столов – трудно переоценить. Основные принципы получения текстолитов сохранились, но сейчас из них формуют не только пластины, но и фигурные изделия. И, конечно, расширился круг исходных материалов. Связующими в текстолитах является широкий круг термореактивных и термопластичных полимеров, иногда даже применяются и неорганические связующие – на основе силикатов и фосфатов. В разнообразных качестве волокон наполнителя – используются хлопковых, ткани синтетических, из самых стеклянных, углеродных, асбестовых, базальтовых и т.д. Соответственно разнообразны свойства и применение текстолитов. 5 Ставров В.П. Формообразование изделий из композиционных материалов: учеб. пособие / В. П. Ставров. – Минск: БГТУ, 2017. – с. 82 10 Таким образом, физико-механические свойства полимерных композиционных материалов в зависимости от концентрации компонентов, их геометрических параметров и ориентации, а также технологии производства изменяются в широких пределах. Это обеспечивает возможность конструирования материалов с заранее заданными свойствами. 1.2. Требования к полимерным композиционным материалам Разработка полимерных матриц для полимерных композиционных материалов (далее – ПКМ) - серьезная и важная проблема, поскольку многие свойства композитов во многом определяются матрицей.6 В первую очередь, именно матрица связывает волокна друг с другом, создавая монолитный конструкционный материал. Матрица перераспределяет напряжения между соседними дисперсными частицами или волокнами, защищает наполнитель от вредного воздействия окружающей среды. Непрерывная матрица воспринимает внешние нагрузки и передает их частицам второй фазы. Одновременно матрица препятствуют росту трещин за счет относительно высокой пластичности или местного отслоения от волокна или дисперсной частицы. Насколько реализуются высокие механические свойства волокон, зависит от таких свойств матрицы, как прочность, жесткость, пластичность, вязкость разрушения, ударная вязкость. Температурное поведение, термостойкость, огнестйокость, теплостойкость, ударная прочность, водо- и атмосферостойкость, волокон) химическая механические стойкость, трансверсальные свойства композитов решающим (поперек образом определяются полимерной матрицей и свойствами границы раздела фаз. Кроме того, при разработке связующих необходимо учитывать и их технологические свойства (время, кинетика отверждения, вязкость и 6 Артемьев Б.В. 10-я Европейская конференция и выставка по НК / Б.В. Артемьев, С.В. Клюев // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. – 2018. – Т. 76. – № 8. – с. 103 11 давление переработки, смачиваемость армирующего материала, усадка и прочие), часто именно эти свойства могут оказаться решающими. Имеет значение и экологическое совершенство процессов получения и переработки препрегов (полуфабрикатов в виде пропитанных связующим лент и тканей) и изделий из композитов: наличие и токсичность применяемых растворителей и других компонент. Основные требования, предъявляемые к матрицам, представлены в таблице 1.7 Таблица 1 –Требования к полимерным матрицам Свойства пластика Свойства полимерной матрицы Теплостойкость Высокая температура размягчения (стеклования) Водо-, атмосферостойкость Низкое водопоглощение, слабое изменение свойств при влагопоглощении Прочность Оптимальная прочность, высокая при растяжении вязкость разрушения Прочность при сжатии вдоль Высокая прочность и жесткость, высокая вязкость волокон разрушения, оптимальная адгезия Трансверсальная прочность, Хорошая адгезия, высокая прочность, сдвиг большие удлинения Ударная вязкость Высокая ударная вязкость, оптимальная адгезия Технологичность Низкая вязкость связующего, повышенная жизнеспособность, нетоксичность, пониженная температура отверждения (переработки) Таким образом, создание оптимальных для конкретных применений полимерных матриц ограничено не столько возможностями синтетической полимерной химии, сколько необходимостью строго количественно формулировать широкий комплекс весьма противоречивых требований к связующему. Например, достичь максимальной прочности композитов и определить соответствующие требования к механическим характеристикам матрицы 7 Серебренников O.Л.Установка для комплексного контроля многослойных крупногабаритных изделий из полимерных композиционных материалов О.Л. Серебренников, Д.А. Рапопорт, Л.Я. Цветянский// Дефектоскопия. –2016. – № 7. – с. 17 12 сложно из-за разнообразия механизмов разрушения ПКМ и связано с необходимостью адекватно описывать процесс разрушения и испытывать образцы в условиях, отражающих реальную работу материала в изделии. 1.3. Достоинства и недостатки композиционных материалов Главное преимущество ПКМ в том, что материал и конструкция создается одновременно.8 Стоит отметить, что ПКМ создаются под выполнение данных задач, соответственно не могут вмещать в себя всевозможные преимущества, но, проектируя новый композит, инженер волен задать ему характеристики значительно превосходящие характеристики традиционных материалов при выполнении данной цели в данном механизме, но уступающие им в каких-либо других аспектах. Это значит, что ПКМ не может быть лучше традиционного материала во всём, то есть для каждого изделия инженер проводит все необходимые расчёты и только потом выбирает оптимум между материалами для производства. Стоит сразу оговорить, что ПКМ создаются под выполнение данных задач, соответственно не могут вмещать в себя все возможные преимущества, но, проектируя новый композит, инженер волен задать ему характеристики значительно превосходящие характеристики традиционных материалов при выполнении данной цели в данном механизме, но уступающие им в каких-либо других аспектах. Это значит, что ПКМ не может быть лучше традиционного материала во всём, то есть для каждого изделия инженер проводит все необходимые расчёты и только потом выбирает оптимум между материалами для производства. высокая удельная прочность (прочность 3500 МПа); высокая жёсткость (модуль упругости 130…140 - 240 ГПа); высокая износостойкость; высокая усталостная прочность; 8 Бадалян В.Г. Автоматизированный ультразвуковой контроль сварных соединений вместо радиографического контроля / В.Г. Бадалян, А.Х. Вопилкин // Контроль. Диагностика. – 2019. – № 12. – с. 14 13 из ПКМ возможно изготовить размеростабильные конструкции; легкость.9 Причём, разные классы композитов могут обладать одним или несколькими преимуществами. Некоторых преимуществ невозможно добиться одновременно. Композиционные материалы имеют достаточно большое количество недостатков, которые сдерживают их распространение.10 Высокая стоимость. Высокая стоимость ПКМ обусловлена высокой наукоёмкостью производства, необходимостью применения специального дорогостоящего оборудования и сырья, а, следовательно, развитого промышленного производства и научной базы страны. Но, в случае изделий сложной формы, коррозионно-стойких изделий, высокопрочных диэлектрических изделий композиты оказываются в выигрыше. Анизотропия свойств. Анизотропия - зависимость свойств ПКМ от выбора направления измерения. Например, модуль упругости однонаправленного углепластика вдоль волокон в 10-15 раз выше, чем в поперечном. Тем не менее, во многих случаях анизотропия свойств оказывается полезной. Например, трубы, работающие при внутреннем давлении испытывают в два раза большие разрывающие напряжения в окружном направлении по сравнении с осевым. Следовательно, труба не должна быть равнопрочной во всех направления. В случае композитов это условие легко обеспечить, увеличив вдвое армирование в окружном направлении по сравнению с осевым. Низкая ударная вязкость 9 Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технология: учеб. пособие / М. Л. Кребер, В. М. Виноградов, Г. С. Головкин и др. / под ред. А. А. Берлина. СПб.: Профессия, 2018. – с. 102 10 Бекаревич А.А. Исследование возможности автоматизированной дефектоскопии материалов с распознаванием малоразмерных дефектов в условиях неопределенности их формы / А.А. Бекаревич, О.Н. Будадин, А.Н. Пичугин // Контроль. Диагностика. – 2018. – №3(177). – с. 31 14 Низкая ударная вязкость также является причиной необходимости повышения запаса прочности. Кроме этого, низкая ударная вязкость обуславливает высокую повреждаемость изделий из ПКМ, высокую вероятность возникновения скрытых дефектов, которые могут быть выявлены только инструментальными методами контроля. Высокий удельный объём Высокий удельный объем является существенным недостатком при применении ПКМ в областях с жесткими ограничениями по занимаемому объёму. Это относится, например, к области сверхзвуковой авиации, где даже незначительное увеличение объёма самолёта приводит к существенному росту волнового аэродинамического сопротивления. Гигроскопичность Композиционные материалы гигроскопичны, то есть склонны впитывать влагу, что обусловлено несплошностью внутренней структуры ПКМ. При длительной эксплуатации и многократном переходе температуры через 0 по Цельсию вода, проникающая в структуру ПКМ, разрушает изделие из ПКМ изнутри (эффект по природе аналогичен разрушению автомобильных дорог в межсезонье). ПКМ могут впитывать также другие жидкости, обладающие высокой проникающей способностью, например, авиационный керосин. Токсичность При эксплуатации ПКМ могут выделять пары, которые часто являются токсичными. Если из ПКМ изготавливают изделия, которые будут располагаться в непосредственной близости от человека (таким примером может послужить композитный фюзеляж самолета Boeing 787 Dreamliner), то для одобрения применяемых при изготовлении ПКМ материалов требуются дополнительные исследования воздействия компонентов ПКМ на человека. Низкая эксплуатационная технологичность Полимерные эксплуатационную композиционные технологичность, 15 материалы низкую могут иметь низкую ремонтопригодность и высокую стоимость эксплуатации. Это связано с необходимостью применения специальных трудоёмких методов (а подчас и ручного труда), специальных инструментов для доработки и ремонта объектов из ПКМ. Часто изделия из ПКМ вообще не подлежат какой-либо доработке и ремонту. Таким образом, можно отметить, что высокие удельные прочностные и упругие характеристики; стойкость к химически агрессивным средам; низкие тепло- и электропроводность; радиопрозрачность стеклопластиков; умеренные температуры и давления получения композитов, что позволяет реализовать и такие способы, как прессование, и такие, как намотка одновременное получение композита и детали являются основными преимуществами использования и применения ПКМ. В то время как к недостаткам пластиков относятся их низкие прочность и жесткость при сжатии и сдвиге, низкая тепловая, а также радиационная стойкость, гигроскопичность, изменение физико-механических характеристик при старении и под воздействием климатических факторов.11 2. Анализ основных технологий неразрущающего контроля полимерных композиционных материалов 2.1. Современное состояние автоматизированных систем неразрушающего контроля изделий 11 Перрен А.А. Неразрушающий контроль полимерных композитных материалов в судостроении / А.А. Перрен, А.М. Баганик // В мире неразрушающего контроля. – 2018. – №3. – с. 25 16 Наиболее перспективными с точки зрения повышения достоверности результатов проводимой дефектоскопии изделий и скорости ее проведения являются автоматизированные системы неразрушающего контроля. В случае если изделие представляет собой тело вращения, целесообразно применение механизированных сканирующих систем для максимально полного проведения контроля. Механизированные сканирующие системы известны и применяются в предприятиях, промышленности при этом могут достаточно давно использоваться на различных различные системы управления, сбора и обработки информации. Для неразрушающего контроля изделий из ПКМ в условиях производства и эксплуатации применяются различные методы, основанные на взаимодействии проникающего излучения с объектом контроля: радиационные, тепловые, акустические, радиоволновые и др. Одним из наиболее распространенных является акустический, имеющий следующие преимущества перед другими методами контроля изделий из ПКМ: а) информативным признаком дефектной области является изменение параметров упругого импульса, прошедшего через контролируемый материал. Это позволяет расширить область применения этого метода в части возможности определения физико-механических характеристик материала; б) обеспечение высокой технологичности процесса контроля; в) повышение производительности и достоверности контроля за счет возможности механизации и автоматизации; г) аппаратная реализация метода наиболее доступна и безопасна по сравнению с другими методами контроля; 17 д) серийно выпускаемая аппаратура, большая номенклатура первичных преобразователей.12 Под автоматизацией процесса контроля речь идет о разработке и создании систем, обеспечивающих необходимую ориентацию УЗ- преобразователей относительно поверхности контролируемого изделия при непрерывном ее сканировании, непрерывного приема, программно-аппаратных обработки и анализа модулей дефектоскопической информации. Важным моментом с точки зрения производственного контроля является вопрос документирования результатов контроля. Тем не менее, следует отметить, что ряд проблем при проектировании систем автоматизированного НК возникает из-за специфических свойств ПКМ, прежде всего, неопределенность в анизотропности выборе структуры. необходимых Это порождает методов контроля, заключающуюся в недостатке достоверных данных о возможностях методов контроля применительно к конкретным изделиям, материалам и технологиям изготовления. Отсутствие проработанных теоретических моделей, наиболее полно и адекватно описывающих процесс дефектоскопии изделий из ПКМ, порождает спектр проблем, связанных с выбором параметров сигналов возбуждения, параметров принимаемых сигналов, подлежащих измерению и выбору информативных признаков разделения качественных и дефектных областей контролируемых изделий. Анализ показал, что в настоящее время наметилась тенденция на создание многофункциональных систем для решения нескольких близких по назначению задач, таких как: обеспечение многоканального неразрушающего контроля, повышение информативности и достоверности результатов дефектоскопии, обеспечение возможности проведения экспериментальных исследований различных методов. С этой целью в системах предусматриваются: 12 Бойчук А.С. Контроль деталей и конструкций из полимерных композиционных материалов с применением технологии ультразвуковых фазированных решеток / А.С. Бойчук, А.С. Генералов, И.А. Диков // Авиационные материалы и технологии. – 2017. – №1 (46). – с. 49 18 автоматизация процесса проведения физического эксперимента; автоматизация научных исследований; информационно-измерительная функция; адаптивность и конфигурирование под различные задачи. При использовании в промышленном производстве подобного рода системы должны быть достаточно универсальными для обеспечения возможности сканирования различных по своей форме и габаритам изделий. На практике наибольшее распространение получили следующие способы сканирования: изделия), сканирование сканирование по строчным методом (плоскопараллельные плоской спирали (диски), дискретное перемещение (поверхности сложной формы, большая шероховатость поверхности). Анализ существующих систем автоматизированного контроля показал, что для изделий, имеющих форму тел вращения, наиболее оптимальной компоновкой сканирующей осуществляется взаимное системы является перемещение такая, изделия при и которой первичных преобразователей, например, вращение изделия и перемещение датчиков вдоль образующей. Аппаратная реализация такого принципа сканирования обеспечивает сплошной контроль поверхности изделия (без пропусков) по спиральной траектории. Отмечается, что в последнее время значительно увеличился интерес к возможности обеспечения замены радиографии на УЗК в нефтегазовом комплексе, где трубопроводы из ПКМ внедряются с каждым годом все больше и больше. Сравнительные результаты по возможностям выявления и определения типа доказывают дефектов, важность компьютеризированных погрешности и систем измерения целесообразность с автоматическим их площадей, применения формированием заключения контроля. Изучение современного состояния создания и использования автоматизированных систем неразрушающего контроля, обеспечивающих 19 повышение информативности данных путем применения для обработки современного математического аппарата, а также проведение экспериментальных работ, показал, что в такой системе, по возможности, должны быть реализованы следующие функции: 1. Многоуровневая пороговая обработка результатов измерений. 2. Координатная привязка результатов измерений к контролируемой поверхности. 3. Настройка и оперативное управление режимами работы аппаратурного комплекса. 4. Поддержка обработки архивных данных. 5 Формирование матрицы данных с заданным шагом. 6. Определение статистических параметров и пороговых значений и оформление их в виде таблиц. 7. Построение гистограмм исходных данных с различным масштабом. 8. Алгоритм выделения связных дефектных областей и определение их координат и площадей. 9. Документирование результатов работы системы как в виде протокола на бумажных носителях, так и текущее оперативное отображение результатов на экране монитора. Таким образом, основой для реализации этих требований является автоматизация неразрушающего процесса сбора контроля и на обработки основе первичных использования данных средств вычислительной техники и разработка развитого программного обеспечения для завершающей обработки данных и решения исследовательских задач. Для возможности решения более сложных комплексных задач по обработке результатов дефектоскопии, программные средства должны предусматривать формирование файлов выходных данных в форматах, используемыми распространенными математическими пакетами прикладных программ. 2.2. Основные технологии обработки результатов и идентификации дефектов при неразрушающем контроле 20 Одна из основных задач методов обработки результатов и идентификации дефектов при неразрушающем контроле - выделение совокупности элементов цифрового массива, отвечающих за качественный материал, а также тех участков поверхности изделия, о которых величина амплитуды зондирующего сигнала «информирует» как о дефектах. При этом в случае проведения процесса неразрушающего контроля в производственном цикле, информация о величинах элементов цифрового массива на участках дефектов и качественного материала априорно отсутствует. В такой формулировке мы получаем типовую задачу автоматической классификации и идентификации входных данных, осуществляемую в условиях априорной неопределенности адаптивных методов. Для корректной обработки результатов дефектоскопии используют различные методики как получения выборки значений информационного сигнала, так и оценки порогового значения. Тем не менее, использование метода обнаружения дефектов путем определения порогового значения сигнала с помощью эталона дефекта при определенных условиях приводит к значительному снижению достоверности обнаружения дефектов, что зачастую неприемлемо на практике. Определение типов и размеров дефектов является одной из наиболее важных и актуальных задач при проведении неразрушающего контроля.13 Анализируя ряд способов автоматического распознавания дефектов применительно к радиационным изображениям (контроль сварных швов). Рассматривается общая структура процесса, вопросы предварительной обработки, сегментации, идентификации дефектов информационные применяются: признаки дефектов. идентификация с Для помощью сравнения с эталоном, идентификация с помощью искусственной нейронной сети, статистическая классификация. 13 Неразрушающий контроль и диагностика: справочник / под общ. ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение, 2016. – с. 71 21 Для обнаружения и идентификации областей дефектов предлагаются к реализации методы классификации и гистограммного кластерного анализа, анализа.14 В непараметрической связи с развитием вычислительной техники стало возможным реализовать на практике сложные алгоритмы обработки больших массивов данных, в том числе двухи трехмерных. Некоторые авторы изучают процесс идентификации дефектов и разделению их на классы применительно к ультразвуковому неразрушающему контролю сварных соединений.15 Ими предлагается разделение основных идентификационных признаков дефектов по: частотным характеристикам, природе и типе используемых волн, типу используемых ПЭП, углу между направлением прозвучивания и приема волн и пр. В заключении отмечается, что использование только одного признака для полной идентификации дефекта недостаточно, что также справедливо и для контроля изделий из ПКМ, где данный вопрос стоит особенно остро. Особый интерес вызывают результаты моделирования влияния шумов измерения на точность определения координат источника, взаимовлияния точности определения координат источника и искомого неоднородного распределения скорости распространения акустического сигнала, а также результаты экспериментальной апробации разработанных технологий.16 Вопросу выявления трещин в изделиях из ПКМ и повышению достоверности дефектоскопии посвящена статья.17 Способ выявления трещин реализуется при возбуждении и приеме упругих колебаний в изделии при одностороннем к нему доступе с помощью раздельно-совмещенного преобразователя при сканировании 14 им поверхности изделия с Будадин О.Н. Автоматизированный многоканальный неразрушающий контроль крупногабаритных изделий из полимерных композиционных материалов. - Ракетнокосмические технологии / О.Н. Будадин, В.И. Колганов, А.И. Маслов, Б.В. Артемьев, В.Г. Запускалов. – М.: Проспект, 2018. – с. 106 15 Неразрушающий контроль / под общ. ред. В.В. Клюева и др. – М.: ИД «Спектр», 2017. – с. 211 16 Будадин О.Н. Тепловой неразрушающий контроль изделий / О.Н. Будадин, А.И. Потапов, В.И. Коланов и др. – М.: Наука, 2016. – с. 38 17 Генералов A.C. Диагностика полимерных композитов ультразвуковым реверберационно-сквозным методом / А.С. Генералов, В.В. Мурашов, М.А. Далин, А.С. Бойчук //Авиационные материалы и технологии. – 2018. – №1. – с. 44 22 одновременным вращением преобразователя вокруг его продольной оси и позволяет повысить достоверность и производительность контроля многослойных конструкций. Наилучший результат при выявлении трещин получается при дефектоскопии, применении реализуемого акустического с низкочастотного помощью метода раздельно-совмещенного преобразователя с сухим вводом в объект контроля. Учеными также исследуются теоретические основы безэталонных методов разделения областей статистической теории однородности выборок дефектов распознавания измерений и и качества.18 На статистических обоснованы основе критериев решающие правила дефектоскопии в условиях неопределенности и ограниченности исходных данных. Рассмотрены задачи компьютерного мониторинга состояния и функционирования динамических объектов контроля путем текущей обработки временных рядов измерений. Рассматривает вопросы определения характеристик дефектов при проведении теневого ультразвукового бесконтактного контроля изделий из ПКМ (глубины залегания, точного местоположения края, пространственной ориентации).19 Для достижения поставленных задач предлагается использовать триангуляционный способ контроля, заключающийся в использовании дополнительной пары ультразвуковых преобразователей, размещенных относительно основной таким образом, что их акустические оси пересекаются в плоскости, перпендикулярной поверхности контролируемого изделия. На основании данного способа была разработана методика дефектоскопии, обеспечивающая определение глубины залегания дефектов с погрешностью не хуже +25 %. В итоге мы имеем большое разнообразие способов повышения достоверности обнаружения и идентификации дефектов, но, в основном, относящихся к неразрушающему контролю изделий из металлов. Изделия из 18 Мэттьюз Ф., Ролингс Р. Композитные материалы. Механика и технология / Ф. Мэттьюз, Р. Ролингс. – М.: Техносфера, 2019. – с. 101 19 Каневский И.Н. Неразрушающие методы контроля: учеб. пособ / И.Н. Каневский, Е.Н. Сальникова. – Владивосток: изд-во ДВГТУ. – 2017. – с. 20 23 ПКМ, ввиду своей пока еще недостаточной распространенности в гражданской сфере, зачастую требуют специфических подходов к каждому из типов объектов контроля, не говоря уже о многообразии их внутренней структуры (наполнитель, структура армирования, связующее и т.д.). 2.3. Состояние и анализ применения технологий комплексной автоматизированной дефектоскопии Наряду со многими положительными моментами, присущими изделиям из ПКМ, жесткие эксплуатационные режимы, ответственность применения многих изделий, обусловленных именно их уникальными характеристиками, неразрушающего и приводят контроля к в существенному обеспечении возрастанию заданного роли качества и эксплуатационной надежности данных изделий. Большое многообразие типов дефектов и широкий диапазон изменения их характеристик механических в изделиях характеристик, (геометрических месторасположение размеров, в физико- контролируемом изделии и т.п.) приводит к необходимости при их обнаружении и распознавании использования большого разнообразия методов и средств дефектоскопии. На практике при контроле ответственных изделий из ПКМ используют одновременно несколько методов контроля, как раздельно (однократный или многократный контроль), так и одновременно (комплексный контроль).20 На сегодняшний день существует широкий спектр физических методов неразрушающего контроля. Причем, каждый из существующих методов при реализации, как правило, допускает использование нескольких характеристик информационного сигнала. При этом повышение мерности 20 Мурашов В.В., Румянев А. Ф. Дефекты монолитных деталей и многослойных конструкций из полимерных композиционных материалов и методы их выявления. Ч. 2. Методы выявления дефектов монолитных деталей и многослойных конструкций из полимерных композиционных материалов / В.В. Мурашов, А.Ф. Румянцев // Контроль. Диагностика. –2017. – № 5. – с. 112 24 сигналов и увеличение числа контролируемых каналов, и использование вычислительной техники настолько связаны, что применять одно без другого не имеет смысла. Важное место занимают вопросы обработки результатов многопараметрового контроля и принятия решений на основе комплексного анализа в условия увеличенного объема данных. Таким образом, несмотря на достаточно существенный срок развития собственно неразрушающего контроля, а также существующий уровень развития традиционных областей приложения неразрушающего контроля, в области неразрушающего контроля ПКМ на сегодняшний день существует множество еще не решенных проблем.21 Одним из основных факторов, порождающих это множество проблем, следует признать неопределенность, имеющуюся на сегодняшний день в знаниях о ПКМ, как об объекте неразрушающего контроля, обусловленную, прежде всего тем, что ПКМ, в отличие от материалов, ставших уже традиционными для неразрушающего контроля, являются гетерогенными, анизотропными структурами, т.е. уже по своей природе неоднородными материалами.22 Немаловажным фактором является высокий, практически зачастую сопоставимый с уровнем полезных сигналов, уровень структурных шумов, присущий фактически всем методам неразрушающего контроля ПКМ вследствие характерных особенностей структуры последних. Такое положение приводит к существенному снижению достоверности конечных результатов контроля. Проблему достоверности конечных результатов неразрушающего контроля на сегодняшний день следует признать одной из наиболее сложных и менее разработанных проблем неразрушающего контроля изделий из ПКМ. В этом же ряду стоят и проблемы метрологической аттестации средств неразрушающего контроля. Наиболее остро при этом стоит вопрос о 21 Макин Ю.Н. Основы производства ЛА и АД. Конструкции из композиционных материалов / Ю.Н. Макин. – М.: Инфра-М, 2019. – с. 23 22 Муравская Н.П. Метрология в неразрушающем контроле / под общ. ред. В.В. Клюева. М.: ИД «Спектр», 2017. – с. 78 25 метрологической аттестации автоматизированных систем неразрушающего контроля. В связи с возросшей ролью технологий ремонта изделий, не изменяющих несущую способность и надежность изделий, на методы НК накладываются требования по предоставлению полной информации о дефекте: его типе, глубине залегания, размерах и т.п. Для идентификации дефектов при эхо-импульсном методе контроля предлагаются решения по сокращению размеров «мертвой» зоны преобразователей. Контроль расслоений по толщине композита обеспечивается при помощи специальных УЗ датчиков с уменьшенной длительностью акустического сигнала, при помощи лазерно-ультразвукового дефектоскопа – устанавливается тип обнаруженного дефекта (включение или расслоение).23 Таким образом, можно отметить следующее. На сегодняшний день многоканальный автоматизированный контроль, использующий различные методы контроля, применяется в промышленности недостаточно, что обусловлено различными факторами: недостатком финансирования, отсутствия проработанной практической базы, недостаточная квалификация операторов – дефектоскопистов и др. С целью эффективного использования многоканальной (комплексной) дефектоскопии необходимо решать задачу обнаружения дефектов раздельно по каждому каналу. Обнаружение дефектов целесообразно проводить в направлении формирования и анализа пространственной информационной матрицы, например, акустического поля контролируемого изделия. 23 Морозова Т.Ю. Новый подход к идентификации дефектов в материалах / Т.Ю. Морозова, А.А. Бекаревич, О.Н. Будадин // Контроль. Диагностика. – 2018. – №8. – с. 47 26 Заключение На основании написанного мы пришли к следующим выводам. Композиционные материалы являются одним из наиболее востребованных материальных ресурсов современного промышленного производства. Особенно широко и эффективно они используются в высокотехнологичных отраслях. Полимерные композиционные материалы обеспечивают в силовых конструкциях высокую эксплуатационную надежность и долговечность, что помимо традиционных отраслей применения (авиация, космонавтика, судостроение) весьма актуально в строительной индустрии, энергетике, машиностроении, конструкциях дорожной инфраструктуры (в частности, мостовые сооружения) и других отраслях. Методы неразрушающего контроля в классической постановке задачи не обеспечивают достаточной информативности, т.к. контроль изделий из ПКМ осуществляется в условиях большого интегрального затухания сигнала и нестабильности физикомеханических характеристик по поверхности контролируемого объекта контроля. В существующих системах неразрушающего контроля изделий из ПКМ в основном, перед началом проведения НК, присутствует процесс настройки оборудования по некоторому контрольному образцу с заложенным искусственным дефектом. В связи с этим, отсутствует надежный и простой с точки зрения функционирования способ обнаружения дефектов на фоне структурных неоднородностей и помех. Применяемый для контроля большинства изделий из ПКМ ультразвуковой метод прохождения в большинстве случаев недостаточен для получения информации о характеристиках и типах дефектов. Информацию в целях повышения достоверности обнаружения и идентификации дефектов можно получить либо применяя специализированные алгоритмы обработки, либо дополнительные методы и способы контроля. 27 Список используемых источников 1. Алешин Н.П. Современное оборудование и технологии неразрушающего контроля ПКМ / Н.П. Алешин, М.В. Григорьев, Н.А. Щипаков // Инженерный вестник. – 2018. – № 1. – С. 233-538. 2. Андреев И.Д. Методы неразрушающего контроля изделий из полимерных композиционных материалов / И.Д. Андреев, И.С. Лобанова // Актуальные проблемы авиации и космонавтики. –2016. – №12. – С. 67-71. 3. Артемьев Б.В. 10-я Европейская конференция и выставка по НК / Б.В. Артемьев, С.В. Клюев // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. – 2018. – Т. 76. – № 8. – С. 98-105. 4. Бадалян В.Г. Автоматизированный ультразвуковой контроль сварных соединений вместо радиографического контроля / В.Г. Бадалян, А.Х. Вопилкин // Контроль. Диагностика. – 2019. – № 12. – С. 9-15. 5. Бекаревич А.А. Исследование возможности автоматизированной дефектоскопии материалов с распознаванием малоразмерных дефектов в условиях неопределенности их формы / А.А. Бекаревич, О.Н. Будадин, А.Н. Пичугин // Контроль. Диагностика. – 2018. – №3(177). – С. 29-33. 6. Бойчук А.С. Контроль деталей и конструкций из полимерных композиционных материалов с применением технологии ультразвуковых фазированных решеток / А.С. Бойчук, А.С. Генералов, И.А. Диков // Авиационные материалы и технологии. – 2017. – №1 (46). – С. 43-52. 7. Будадин О.Н. Автоматизированный многоканальный неразрушающий контроль крупногабаритных изделий из полимерных композиционных материалов. - Ракетнокосмические технологии / О.Н. Будадин, В.И. Колганов, А.И. Маслов, Б.В. Артемьев, В.Г. Запускалов. – М.: Проспект, 2018. – 304 с. 8. Будадин О.Н. Тепловой неразрушающий контроль изделий / О.Н. Будадин, А.И. Потапов, В.И. Коланов и др. – М.: Наука, 2016. – 476 с. 28 9. Генералов A.C. Диагностика полимерных композитов ультразвуковым реверберационно-сквозным методом / А.С. Генералов, В.В. Мурашов, М.А. Далин, А.С. Бойчук //Авиационные материалы и технологии. – 2018. – №1. – С. 42-47. 10. Каневский И.Н. Неразрушающие методы контроля: учеб. пособ / И.Н. Каневский, Е.Н. Сальникова. – Владивосток: изд-во ДВГТУ. – 2017. – 243 с. 11. Макин Ю.Н. Основы производства ЛА и АД. Конструкции из композиционных материалов / Ю.Н. Макин. – М.: Инфра-М, 2019. – 321 с. 12. Морозова Т.Ю. Новый подход к идентификации дефектов в материалах / Т.Ю. Морозова, А.А. Бекаревич, О.Н. Будадин // Контроль. Диагностика. – 2018. – №8. – С. 42-48. 13. Муравская Н.П. Метрология в неразрушающем контроле / под общ. ред. В.В. Клюева. М.: ИД «Спектр», 2017. – 200 с. 14. Мурашов В.В., Румянев А. Ф. Дефекты монолитных деталей и многослойных конструкций из полимерных композиционных материалов и методы их выявления. Ч. 2. Методы выявления дефектов монолитных деталей и многослойных конструкций из полимерных композиционных материалов / В.В. Мурашов, А.Ф. Румянцев // Контроль. Диагностика. – 2017. – № 5. – С. 109-115. 15. Мэттьюз Ф., Ролингс Р. Композитные материалы. Механика и технология / Ф. Мэттьюз, Р. Ролингс. – М.: Техносфера, 2019. – 324 с. 16. Неразрушающий контроль / под общ. ред. В.В. Клюева и др. – М.: ИД «Спектр», 2017. – 528 с. 17. Неразрушающий контроль и диагностика: справочник / под общ. ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение, 2016. – 656 с. 18. Перрен А.А. Неразрушающий контроль полимерных композитных материалов в судостроении / А.А. Перрен, А.М. Баганик // В мире неразрушающего контроля. – 2018. – №3. – С. 24-26. 29 19. Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технология: учеб. пособие / М. Л. Кребер, В. М. Виноградов, Г. С. Головкин и др. / под ред. А. А. Берлина. СПб.: Профессия, 2018. – 560 с. 20. Серебренников O.Л.Установка для комплексного контроля многослойных крупногабаритных изделий из полимерных композиционных материалов О.Л. Серебренников, Д.А. Рапопорт, Л.Я. Цветянский// Дефектоскопия. –2016. – № 7. – С. 15-19. 21. Ставров В.П. Формообразование изделий из композиционных материалов: учеб. пособие / В. П. Ставров. - Минск: БГТУ, 2017. – 543 с. 22. Стариковский Г.П., Курятин А.А., Карабутов А.А. Неразрушающий контроль интегральных конструкций из полимерных композиционных материалов / Г.П. Стариковский, А.А. Курятин, А.А. Карабутов // В мире неразрушающего контроля. –2018. –№ 4 (10). – С. 61-65. 23. Троицкий В.А. Неразрушающий контроль качества композиционных материалов / В.А. Троицкий, М.Н. Карманов, Н.В. Троицкая // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. – 2016. – № 3. – С. 29-33. 30
