УДК 620.179.16

КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА ПОРИСТОСТИ ОДНОНАПРАВЛЕННЫХ

УГЛЕПЛАСТИКОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЛАЗЕРНО-УЛЬТРАЗВУКОВОГО

МЕТОДА

¹МГУ имени М.В.Ломоносова, физический факультет, Россия 119991 Москва,

ГСП-1, Ленинские горы, 1, стр.2

²МГУ имени М.В.Ломоносова, Международный учебно-научный лазерный центр,

Россия 119991 Москва, ГСП-1, Ленинские горы, 1, стр.62

³Национальный исследовательский технологический университет “МИСиС”,

Россия 119991 Москва, Ленинский пр-т, 4

⁴ИПЛИТ РАН - филиал ФНИЦ “Кристаллография и фотоника” РАН,

Россия 117342 Москва, ул. Бутлерова, 17А

E-mail: ^*yu.sokolovskaya@mail.ru;^**npodymova@mail.ru;^***aak@ilc.edu.ru

Поступила в редакцию 13.01.2020; после доработки 24.01.2020

Принята к публикации 27.01.2020

Предложен и экспериментально реализован метод оценки пористости углепластиков, основанный на измерении их

акустических импедансов. Акустический импеданс исследуемого образца измеряется по величине первообразной уль-

тразвукового импульса, отраженного от границы раздела иммерсионная жидкость—образец. Исследованые образцы

представляют собой однонаправленные углепластики с различным объемным содержанием матрицы и наполнителя.

Обнаружено, что в исследованных образцах распределение локальной пористости является неравномерным вдоль пло-

скости укладки углеродных волокон. Величина пористости, усредненной по результатам оптико-акустических измере-

ний, с учетом погрешностей измерения согласуется с данными рентгеновской томографии. Представленный в настоя-

щей работе метод оценки величины пористости не требует определения объема и массы исследуемого объекта и может

быть использован для диагностики композитных конструкций сложной формы.

Ключевые слова: пористость, углепластики, полимерные композиционные материалы, лазерный оптико-акустиче-

ский метод, ультразвук.

DOI: 10.31857/S0130308220030021

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время углепластики находят все более широкое применение в промышленности в

качестве конструкционных материалов [1—4]. Использование углеродных волокон в сочетании с

полимерной матрицей позволяет получать материалы, удельные физико-механические характери-

стики которых выше аналогичных для металлических сплавов, благодаря чему они могут заменять

металлы в тех случаях, когда необходимо снижение массы конструкции [2, 5, 6]. Это позволяет

применять их в авиа- и ракетостроении в качестве силовых элементов конструкций (например,

крыльев самолетов).

Хорошо известно, что из-за двухкомпонентной структуры углепластиков уже на этапе изготов-

ления в них может формироваться некоторая пористость [6—10]. Величина образовавшейся пори-

стости и механизмы ее возникновения зависят от метода формования материала [11]. Пористость

в углепластиках может присутствовать как в виде изолированных сферических пор микронного

размера в слоях полимерной матрицы, так и в виде расслоений длиной до нескольких миллиме-

тров, возникающих на границах раздела матрицы и углеродного наполнителя. Наличие пористости

вызывает существенное снижение физико-механических характеристик композитов (упругих

модулей, межслойной сдвиговой прочности, прочности на сжатие, растяжение и изгиб, усталост-

ной долговечности) [6, 8]. Это связано с тем, что поры являются концентраторами напряжений и

очагами зарождения трещин [8]. Кроме того, поры, возникающие на границе раздела матрица—

волокно, уменьшают площадь контакта матрицы и наполнителя, что также приводит к уменьше-

нию прочности материала при сдвиге, растяжении и сжатии. Степень снижения прочностных

упругих характеристик определяется величиной пористости, характером распределения пор в

материале и их размерами. Таким образом, участки конструкций с повышенной пористостью явля-

ются местами локализации процесса разрушения материала при эксплуатации углепластиковых

конструкций, что приводит к существенному снижению сроков их службы. Следовательно, раз-

работка новых методов количественной оценки пористости композитных материалов и ее распре-

деления в материале является важной научной и практической задачей.

Количественная оценка пористости однонаправленных углепластиков...

В настоящее время существуют различные методы обнаружения дефектов в полимерных ком-

позиционных материалах и оценки их пористости — рентгеновская томография, термография,

ультразвуковые методы [3, 7, 15—18]. Ультразвуковые методы неразрушающего контроля, осно-

ванные на измерении амплитуды прошедшего через объект сигнала, затухания и скорости акусти-

ческих волн, параметров рассеянного назад сигнала и т.д. получили широкое распространение

благодаря своей оперативности, надежности, безопасности и относительной простоте. В данной

работе для исследования пористости углепластиков предлагается использовать метод, основан-

ный на лазерном термооптическом возбуждении широкополосных импульсов продольных аку-

стических волн (оптико-акустический эффект) [19, 20]. Преимуществами лазерно-ультразвуково-

го (ЛУ) метода является возможность создания коротких и мощных зондирующих ультразвуко-

вых импульсов (с амплитудой до сотен мегапаскалей) в широком спектральном диапазоне (от

долей до десятков мегагерц), что актуально для исследования сильно поглощающих и рассеива-

ющих ультразвук материалов [19]. Подобный метод ранее успешно применялся для оценки пори-

стости композиционных материалов по величине затухания и дисперсии фазовой скорости уль-

тразвуковых волн в режиме прямой пьезоэлектрической регистрации акустических сигналов,

проходящих через весь исследуемый образец [19]. Однако использование схемы с прямой реги-

страцией требует плоскопараллельности входной и выходной поверхностей исследуемых объек-

тов, что не позволяет использовать ее для образцов с вариацией толщины и конструкций сложной

формы. В [20] для исследования пористых композитов использовался ЛУ-метод с косвенной

схемой регистрации акустических сигналов. При этом пористость определялась по величине ско-

рости продольных акустических волн, измеряемой по времени двойного пробега зондирующего

ультразвукового импульса по толщине образца. Это не позволяет в полной мере реализовать пре-

имущества одностороннего доступа к объекту, т. к. требует точного измерения толщины исследу-

емой области. По этой причине оценка пористости с использованием данного метода в случае

образцов и участков конструкций с непараллельностью входной и выходной поверхностей или

переменной толщиной также является затруднительной. Кроме того, из-за особенностей техно-

логий производства углепластиков даже для плоских изделий возможна некоторая вариация тол-

щины от точки к точке. Поэтому с практической точки зрения представляется целесообразным

разработать ЛУ-метод, позволяющий оценивать пористость материала при одностороннем досту-

пе без измерения толщины исследуемой области.

Целью настоящей работы является разработка и экспериментальная реализация лазерно-уль-

тразвукового метода количественной оценки пористости углепластиков, позволяющего проводить

измерения при одностороннем доступе к исследуемому объекту. Преимуществом предлагаемого

метода является отсутствие необходимости измерения толщины образца, поэтому он может при-

меняться для исследования углепластиковых конструкций и деталей. Зависимость плотности мате-

риала и скорости распространения в нем продольных акустических волн от его пористости позво-

ляет рассчитать локальную пористость в исследуемой области образца по экспериментально

измеренной величине акустического импеданса этой области. В работе исследовались образцы

однонаправленных углепластиков с различным объемным содержанием матрицы и наполнителя и

различной средней пористостью. Пористость образцов также определялась методом рентгенов-

ской компьютерной томографии для последующего сравнения полученных результатов.

МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОГО ИМПЕДАНСА

Блок-схема экспериментальной установки, используемой в настоящей работе, представлена на

рис. 1а. Для генерации и регистрации ультразвуковых импульсов использовался оптико-акустиче-

ский (ОА) преобразователь, схема которого показана на рис. 1б. С помощью оптоволокна в преоб-

разователь доставлялось излучение Nd:YAG лазера с диодной накачкой и модуляцией добротно-

сти, длительность лазерного импульса 10 нс, энергия в импульсе 100 мкДж, частота следования

импульсов 500 Гц. Через прозрачную призму лазерное излучение падает под углом на поверхность

ОА-источника (в качестве ОА-источника использовался черный пластик). Призма находится в

акустическом контакте с источником и одновременно является звукопроводом широкополосного

пьезоэлектрического приемника. Тонкий слой иммерсионной жидкости (трансформаторного

масла) обеспечивает акустический контакт между ОА-источником и образцом при плотном при-

жиме образца к источнику. Лазерный импульс поглощается в ОА-источнике, вследствие чего про-

исходит неоднородный нестационарный нагрев приповерхностного слоя источника. Последующее

тепловое расширение этого слоя приводит к возникновению двух импульсов продольных акусти-

ческих волн [21]. Один из этих импульсов проходит в призму-звукопровод (1) и является зондиру-

Дефектоскопия

№ 3

2020

Ю.Г. Соколовская, Н.Б. Подымова, А.А. Карабутов

Лазерный

импульс

Пьезо-

Nd:YAG

приемник

Прозрачная

призма

ОА-источник

Иммерсионная

жидкость

Образец

Рис. 1. Блок-схема экспериментальной установки (а): 1 — Nd:YAG лазер, 2 — осциллограф, 3 — оптоволоконный

кабель, 4, 5 — соединительные кабели для передачи сигнала с пьзеоприемника и синхронизации, 6 — ОА-преобразователь,

7 — образец; схема ОА-преобразователя (б).

ющим в данной системе, а другой проходит через ОА-источник и слой иммерсионной жидкости.

Рассогласование импедансов ОА-источника и исследуемого образца приводит к тому, что часть

сигнала отразится от границы раздела жидкость—образец и будет зарегистрирована пьезоприем-

ником с временной задержкой, равной двойному пробегу импульса по толщине ОА-источника и

слою иммерсионной жидкости. Такая схема регистрации сигналов позволяет проводить исследо-

вания при одностороннем доступе к объекту контроля. При исследовании образцов зондирующий

ультразвуковой импульс распространялся перпендикулярно плоскости укладки слоев в композите.

Электрические сигналы с пьезоприемника передавались на цифровой осциллограф и затем обра-

батывались на персональном компьютере, запуск осциллографа был синхронизирован с моментом

излучения лазерного импульса.

Амплитуда A₀зондирующего импульса и амплитуда A импульса, отраженного от границы иммер-

сионная жидкость—образец, соотносятся как A = RA₀, где R = (Z_c- Z_oil)/ (Z_c+ Z_oil) — коэффициент

отражения продольной акустической волны от границы раздела сред (R = (Z_c- Z_s)/(Z_c+ Z_s) в случае

плотного прижима образца к источнику), Z_c = ρ_cC_c, Z_s = ρ_oilC_oil, Z_s = ρ_sC_s — акустические импедансы

композитного образца, трансформаторного масла и ОА-источника соответственно [22].

Таким образом, коэффициент отражения и амплитуда отраженного сигнала соответственно

будут зависеть от величины акустического импеданса исследуемого образца. Однако это выраже-

ние не учитывает наличие рассеяния ультразвука на шероховатой поверхности образца, а также

затухания ультразвука в иммерсионной жидкости и ОА-источнике. Затухание в источнике и в

слое трансформаторного масла может приводить к дополнительному изменению амплитуды и

длительности отраженного сигнала по сравнению с зондирующим. Чтобы исключить влияние

этого затухания, вместо зондирующего ультразвукового импульса предлагается использовать

импульс, отраженный от опорной плоскопараллельной полированной кварцевой пластины с

известными акустическими свойствами, которая помещается на место исследуемого образца.

Коэффициент отражения продольных акустических волн от границы раздела ОА-источник —

кварцевая пластина рассчитывается как R_ref = (Z_ref- Z_s)/ (Z_ref+ Z_s), где акустические импедансы

кварца и ОА-источника составляют Z_ref = 13,1·10⁶кг/(м²·с) и Z_s =

2,89·10⁶кг/(м²·с) соответственно

[23]. Тогда амплитуда ультразвукового сигнала, отраженного от границы раздела источник—

кварц Aref = RrefA1, и, следовательно, R = RrefA/Aref. Отсюда можно получить величину акустиче-

ского импеданса исследуемого образца углепластика:

ref

(1)

1−

−

ref

Таким образом, по измеренным амплитудам ультразвуковых сигналов A и A_refможно опреде-

лить акустический импеданс композитного образца. Однако амплитуда отраженного от образца

сигнала A может также уменьшаться из-за рассеяния ультразвуковых волн на шероховатой поверх-

ности образца, а также ее некоторой кривизны, при этом одновременно будет увеличиваться его

длительность. Для учета рассеяния на шероховатой поверхности углепластика вместо амплитуд

Дефектоскопия

№ 3

2020

Количественная оценка пористости однонаправленных углепластиков...

отраженных ультразвуковых сигналов предлагается использовать максимальные значения их инте-

гралов, которые рассчитываются как

I t)

(τ)

τ,

(2)

∫

−∞

где U(τ) — временной профиль регистрируемого ультразвукового сигнала. Тогда для расчета аку-

стического импеданса исследуемого образца вместо (1) будет использоваться выражение:

max ref

(3)

−

max ref

где Imax ref и I_max— максимальные значения интегралов от отраженных сигналов для опорной квар-

цевой пластины и исследуемого образца, которые будут определяться как уменьшением амплиту-

ды, так и увеличением длительности отраженного импульса за счет рассеяния ультразвуковой

волны на поверхности углепластика.

кварцевая пластина

сигнал

0,3

образец углепластика

1,2

0,015

интеграл

Зондирующий

1,0

импульс

0,2

0,010

0,8

Импульс, отраженный

0,1

0,6

от поверхности объекта

0,005

0,4

0,000

0,0

0,2

0,0

-0,005

-0,1

-0,2

–0,010

-0,4

-0,2

3,2

3,4

3,6

3,8

4,0

4,2

4,4

3,75

3,80

3,85

3,90

3,95

4,00

t, мкс

Рис. 2. Примеры временных треков ультразвуковых сигналов для опорной кварцевой пластины и углепластикового

образца (а); временной профиль ультразвукового импульса, отраженного от поверхности исследуемого образца

(в увеличенном масштабе), и его интеграл (б).

На рис. 2а показаны примеры временных треков ультразвуковых сигналов для опорной квар-

цевой пластины и углепластикового образца. Амплитуда отраженного сигнала в случае углепла-

стикового образца будет заметно меньше, чем в случае опорной пластины, так как Z_c< Z_ref.

Отрицательные фазы сигналов возникают из-за дифракции акустических волн при распростране-

нии через призму-звукопровод, отличие в отрицательных фазах обусловлено, по-видимому,

небольшой кривизной поверхности исследуемого композитного образца. На рис. 2б в увеличен-

ном масштабе приведены временной профиль ультразвукового импульса, отраженного от поверх-

ности исследуемого образца углепластика, и его интеграл. На временном профиле сигнала момент

времени, соответствующий максимуму интеграла, совпадает с моментом перехода от положитель-

ной фазы сигнала к отрицательной. Таким образом, значение Imax будет соответствовать полной

площади положительной фазы отраженного от образца сигнала.

МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПОРИСТОСТИ

Пористость исследуемого образца углепластика определяется как



ρ 

1−

⋅

100 %,

(4)





ρ₀





где ρ — фактическая плотность пористого композита, ρ₀— расчетная плотность твердой фазы

образца (без пор). Расчетная плотность ρ₀может быть определена по известным плотностям поли-

мерной матрицы ρm и углеродного наполнителя ρ_f и их объемному содержанию в материале nm и n_f:

Дефектоскопия

№ 3

2020

Ю.Г. Соколовская, Н.Б. Подымова, А.А. Карабутов

ρm m

(5)

где n_m+n_f = 1.

Объемное содержание пор в композитном образце оказывает значительное влияние на ско-

рость распространения в нем продольных акустических волн [24, 25]. Используя зависимости

модуля Юнга и модуля всестороннего сжатия от соотношения объемов всего образца и его твердой

фазы, можно получить выражение, которое связывает фазовую скорость продольных акустических

волн с пористостью материала [24]:

2/3

1-P

(6)

где C₀ и C — фазовые скорости продольных акустических волн для беспористого и пористого

образцов соответственно. Данная формула справедлива для случая малой пористости (P ≤ 20 %),

когда поры являются изолированными и связанных поровых кластеров не образуется. Величина C₀

для беспористого материала может быть рассчитана, исходя из модели двухкомпонентной среды,

связывающей объемные концентрации компонент (матрицы и наполнителя) и фазовые скорости в

отдельных компонентах с фазовой скоростью продольных акустических волн в композитном мате-

риале [26]:

−1









(7)





Cm m





где фазовые скорости в матрице и наполнителе C_m и C_f считаются заранее известными.

Используя формулы (4) и (6), можно получить выражение для акустического импеданса пори-

стого образца углепластика:

2/3

= ρC = ρ

(

1−P

)

1−P

(8)

Таким образом, пористость исследованного образца может быть оценена по экспериментально

измеренной величине его акустического импеданса при известных ρ₀и C₀, которые рассчитывают-

ся по формулам (5) и (7).

ИССЛЕДОВАННЫЕ ОБРАЗЦЫ

В настоящей работе исследовались восемь образцов однонаправленных углепластиков с раз-

личным объемным содержанием полимерной матрицы и углеродного наполнителя. Процентный

состав исследованных образцов приведен в табл. 1.

Таблица

Процентный состав исследованных углепластиковых образцов

№ образца

Объемное содержание матрицы n_m, %

Объемное содержание наполнителя n_f, %

Расчетная плотность ρ₀, кг/м³

1-1

32,8

67,2

1566

1-2

2-1

2-2

44,2

55,8

1504

2-3

3-1

3-2

37,5

62,5

1540

3-3

Плотности матрицы и наполнителя составляют ρ_m=1200 кг/м³ и ρ_f= 1744 кг/м³ соответственно.

По известным плотностям компонент и их объемному содержанию с использованием формулы (4)

были вычислены расчетные плотности материала без пор ρ₀. Полученные величины также пред-

ставлены в табл. 1.

Дефектоскопия

№ 3

2020

Количественная оценка пористости однонаправленных углепластиков...

Таблица

Средние значения акустических импедансов и пористости для исследованных образцов углепластиков

№ образца

Z₀ ·10⁶, кг/(м²·с)

<Z>_OA·10⁶, кг/(м²·с)

<P>_OA, %

<P>X-ray, %

1-1

4,75

4,27±0,06

4,2±0,6

4,2

1-2

4,75

4,42±0,06

2,6±0,6

2,5

2-1

4,37

4,07±0,05

2,5±0,6

2,8

2-2

4,37

4,12±0,05

1,9±0,6

1,4

2-3

4,37

4,06±0,05

2,6±0,6

2,9

3-1

4,59

4,31±0,06

2,1±0,6

2,0

3-2

4,59

4,47±0,06

0,7±0,6

0,6

3-3

4,59

4,55±0,06

0,1±0,6

Практически все исследованные образцы содержали некоторую пористость. Для проверки

результатов, полученных ЛУ-методом, была проведена оценка пористости исследованных образ-

цов с помощью рентгеновской компьютерной томографии. Результаты томографии показали, что

суммарная пористость в исследованных образцах варьируется от 0 до 4,2 % (см. табл. 2). Пример

полученного изображения сечения одного из пористых образцов представлен на рис. 3.

Рис. 3. Пример томографического изображения пористого образца углепластика (образец № 3-1, средняя объемная

пористость 2 %).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Величины акустических импедансов исследованных образцов рассчитывались по интегра-

лам зарегистрированных ультразвуковых импульсов, отраженных от границы раздела источ-

ник—образец, с использованием формулы (3). Примеры временных профилей отраженных уль-

тразвуковых сигналов для углепластиков с соотношением акустических импедансов

Z_c1 < Z_c2 <Z_c3 и их интегралы приведены на рис. 4. Относительная погрешность измерения

амплитуды ультразвуковой волны и максимума величины интеграла определяется отношением

сигнал/шум для системы регистрации акустических сигналов, а также нестабильностью энергии

лазерных импульсов. Для используемой экспериментальной установки относительная погреш-

ность ΔI/I = ΔA/A ≈ 1-1,2 %. Это приводит к относительной погрешности измерения акустиче-

ского импеданса композита ΔZ_c/Z_c ≈ 1,3-1,4 %.

Акустический импеданс беспористых образцов с различным объемным содержанием матрицы

и наполнителя определяется с использованием формул (5) и (7), рассчитанные значения представ-

лены в табл. 2.

Дефектоскопия

№ 3

2020

Ю.Г. Соколовская, Н.Б. Подымова, А.А. Карабутов

0,25

0,015

Z_c1

0,20

Z_c2

0,010

0,15

Z_c3

0,10

0,005

0,05

0,00

0,000

-0,05

-0,005

-0,10

-0,15

-0,010

3,70

3,75

3,80

3,85

3,90

3,95

4,00

3,70

3,75

3,80

3,85

3,90

3,95

4,00

t, мкс

Рис. 4. Отраженные ультразвуковые сигналы для углепластиковых образцов с Z_c1 < Z_c2 < Z_c3 (а) и их интегралы (б).

Характерный диаметр лазерного пучка на поверхности ОА-источника и диаметр зондирующе-

го ультразвукового пучка соответственно составляет 2-3 мм. Это позволяет проводить измерения

акустических импедансов образцов в локальных участках с характерным поперечным размером

2-3 мм. Используя формулу (8), по измеренной локальной величине акустического импеданса

можно рассчитать величину локальной пористости в исследуемых участках. Это позволяет проа-

нализировать распределение пористости вдоль плоскости укладки слоев углеродной ткани и оце-

нить его неоднородность. На рис. 5 приведены значения локальных пористостей для пяти выбран-

ных участков каждого образца, полученные с помощью ЛУ-метода. Неравномерность распределе-

ния пористости можно количественно охарактеризовать как разность максимальной и минималь-

1-1

2-1

1-2

2-2

2-3

Номер участка

3-1

3-2

3-3

Рис. 5. Локальные значения пористости для образцов

с n_m= 32,8 % (а), n_m= 44,2 % (б) и n_m= 37,5 % (в).

Номер участка

Дефектоскопия

№ 3

2020

Количественная оценка пористости однонаправленных углепластиков...

ной локальных пористостей в образце ΔP = P_max- P_min. Для исследуемых образцов ΔP варьируется

от 0,3 для образца № 3-3 до 4.5 и 4.2 для образцов № 2-2 и 1-1 соответственно. Таким образом, для

данных углепластиковых образцов характерна существенная неравномерность распределения

локальной пористости вдоль плоскости укладки углеродной ткани.

Усредненная по N точкам пористость углепластика определяется как

∑

где

i=1

P_N— локальная пористость в N-й точке образца. Средние значения величины акустического импе-

данса <Z_c> для каждого из образцов и рассчитанные величины их средней объемной пористости

<P>_LU, полученные ОА-методом, приведены в табл. 2. Также в таблице приведены величины сум-

марной пористости <P>X-ray, полученные с использованием рентгеновской компьютерной томогра-

фии. Из представленных данных видно, что результаты, полученные ЛУ-методом, в пределах

погрешности измерений согласуются с результатами рентгеновской томографии. Это означает, что

ЛУ-метод действительно может быть использован для оперативной оценки пористости углепла-

стика и ее распределения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Предложенный в настоящей работе лазерно-ультразвуковой метод позволяет проводить коли-

чественную оценку пористости углепластика, основанную на измерении величины его акустиче-

ского импеданса. Методика расчета пористости углепластика основана на зависимости скорости

распространения продольных акустических волн в материале и его плотности от пористости.

Разработана методика измерения акустического импеданса образца композита по величине инте-

грала ультразвукового сигнала, отраженного от поверхности композита на границе раздела иммер-

сионная жидкость—образец. Это позволяет учесть возможное рассеяние ультразвуковых волн на

шероховатой поверхности композитных образцов при измерении их импедансов, что особенно

актуально для углепластиков, всегда имеющих некоторую шероховатость поверхности, обуслов-

ленную структурой углеродной ткани.

Показано, что исследованные образцы однонаправленных углепластиков имеют неравномер-

ность распределения пористости в плоскости укладки слоев. Локальная пористость в некоторых

участках может значительно отличаться от средней по объему, что обусловлено особенностями

технологий изготовления материала. Показано, что средняя пористость исследованных образцов

варьиреутся от 0,1 до 4,2 %. Также проведено сравнение величины средней пористости, измерен-

ной лазерно-ультразвуковым методом, с результатами рентгеновской томографии, полученные

результаты согласуются с учетом погрешностей измерения.

Преимуществом предложенного метода является возможность оперативной диагностики

пористости материала при одностороннем доступе к исследуемому объекту без измерения его

габаритов и массы, что может применяться для композитных конструкций сложной формы.

Измерение локальной пористости и ее распределения позволяет обнаружить потенциально уяз-

вимые участки композитной конструкции с повышенной пористостью. Представленный метод

может быть использован для контроля качества получаемых композитов при модернизации тех-

нологий и подборе оптимальных условий производства, а также для диагностики изменений

структуры композитов в процессе их эксплуатации или при механических испытаниях деталей

и изделий.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Soutis C. Fibre reinforced composites in aircraft construction // Progress in Aerospace Sciences. 2005.

V. 41. P. 143—151.

2. Chand S. Carbon fibers for composites // J. Mater. Sci. 2000. V. 35. P. 1303—1313.

3. Boichuk A.S., Dikov I.A. et al. Determining Porosity of Monolithic Zones in Aircraft Parts and

Assemblies Made of PCMs Using Ultrasound Pulse Echo Method // Russian Journal of Nondestructive

Testing. 2019. V. 55. No. 1. P. 1—7. [Бойчук А.С., Диков И.А., Чертищев В.А., Генералов А.С. Определение

пористости монолитных зон деталей и агрегатов самолета, изготавливаемых из ПКМ, с применением

ультразвукового эхоимпульсного метода // Дефектоскопия. 2019. № 1. С. 3—9.]

4. Stepanova L.N., Petrova E.S., Chernova V.V. Strength Tests of a CFRP Spar Using Methods of

Acoustic Emission and Tensometry // Russian Journal of Nondestructive Testing. 2018. V. 54. No. 4.

P. 243—248. [Степанова Л.Н., Петрова Е.С., Чернова В.В. Прочностные испытания лонжерован из

углепластика с использованием методов акустической эмиссии и тензометрии // Дефектоскопия.

2018. № 4. С. 24—30.]

Дефектоскопия

№ 3

2020

Ю.Г. Соколовская, Н.Б. Подымова, А.А. Карабутов

5. Любин Дж. Справочник по композиционным материалам. М.: Машиностроение, 1988. 447 с.

6. Перепелкин К.Е. Армирующие волокна и волокнистые полимерные композиты. СПб.: Научные

основы и технологии, 2009. 380 с.

7. Adams R.D., Cawle P. A review of defect types and nondestructive testing techniques for composites

and bonded joints // NDT Int. 1988. V. 21. № 4. P. 208—222.

8. Гуняев Г.М. Структура и свойства полимерных волокнистых композитов. М.: Химия, 1981. 232 с.

9. Scott A.E., Sinclair I., Spearing S.M., Mavrogordato M.N., Hepples W. Influence of voids on damage

mechanisms in carbon/epoxy composites determined via high resolution computed tomography// Compos. Sci.

Technol. 2014. V. 90. P. 147—153.

10. Stamopoulos A.G., Ilio A.D. On the predictive tools for assessing the effect of manufacturing defects

on the mechanical properties of composite materials // Procedia CIRP. 2019. V. 79. P. 563—567.

11. Душин М.И., Донецкий К.И., Караваев Р.Ю. Установление причин образования пористости при

изготовлении ПКМ // Электронный научный журнал «Труды ВИАМ». 2016. № 6.

12. Chimenti D.E. Review of air-coupled ultrasonic materials characterization // Ultrasonics. 2014. V. 54.

P. 1804—1816.

13. Ibrahim M.E. Nondestructive evaluation of thick-section composites and sandwich // Composites Part

A. 2014. V. 64. P. 36—48.

14. Sachse W., Castagnede B., Grabec I., Kim K.Y., Weaver R.L. Recent developments in quantitative

ultrasonic NDE of composites // Ultrasonics. 1990. V. 28. P. 97—104.

15. Green R.E. Jr. Non-contact ultrasonic techniques // Ultrasonics. 2004. V. 42. P. 9—16.

16. Potapov A.I., Makhov V.E. Methods for Nondestructive Testing and Diagnostics of Durability of

Articles Made of Polymer Composite Materials // Russian Journal of Nondestructive Testing. 2018. V. 54.

No. 3. P. 151—163. [Потапов А.И., Махов В.Е. Методы неразрушающего контроля и диагностики проч-

ности изделий из полимерных композиционных материалов // Дефектоскопия. 2018. № 3. С. 7—19.]

17. Вавилов В.П. Тепловой неразрушающий контроль материалов и изделий (обзор) // Дефектоскопия.

2017. № 10. С. 34—57.

18. Chulkov A.O., Vavilov V.P., Nesteruk D.A. An Automated Practical Flaw-Identification Algorithm for

Active Thermal Testing Procedures // Russian Journal of Nondestructive Testing. 2018. V. 54. No. 4.

P. 278—282. [Чулков А.О., Вавилов В.П., Нестерук Д.А. Автоматизированный практический алгоритм

идентификации дефектов в процедурах активного теплового контроля // Дефектоскопия. 2018. № 4.

С. 49—53.]

19. Карабутов А.А., Подымова Н.Б., Беляев И.О. Исследование влияния пористости на затухание

ультразвука в углепластиковых композитах методом лазерно-ультразвуковой спектроскопии // Акуст.

журн. 2013. Т. 59. № 6. С. 714—721.

20. Соколовская Ю.Г., Карабутов А.А. Лазерно-ультразвуковая дефектоскопия конструкций из

мультиаксиальных полимерных композиционных материалов // Конструкции из композиционных мате-

риалов. 2018. № 1. С. 56—60.

21. Karabutov A.A., Podymova N.B. Nondestructive porosity assessement of CFRP composites with

spectral analysis of backscattered laser-induced ultrasonic pulses // J. Nondestruct. Eval. 2013. V. 32. № 2.

P. 315—324.

22. Karabutov A.A. (Jr.), Karabutov A.A., Sapohznikov O.A. Determination of the elastic properties of

layered materials using laser excitation of ultrasound // Physics of Wave Phenomena. 2010. V. 18. № 4.

P. 297—302.

23. Физические величины / Справочник. Под ред. Григорьева И.С. , Мейлихова Е.З. М.: Энергоатом-

издат, 1991. 1232 с.

24. Поляков В.В., Головин А.В. Влияние пористости на скорости ультразвуковых волн в металлах //

Письма в ЖТФ. 1994. Т. 20. Вып. 11. С. 54—57.

25. Поляков В.В., Головин А.В. Упругие характеристики пористых материалов // ПМТФ. 1993. T. 34.

№ 5. C. 32—35.

26. Карабутов А.А., Соколовская Ю.Г. Лазерный оптико-акустический метод измерения объемной

концентрации эпоксидной смолы в углепластиковых композитах // Вестник Московского университета.

Серия 3. Физика. Астрономия. 2018. № 6. С. 45—49.

Дефектоскопия

№ 3

2020