Капиллярные методы

УДК 620.179.111.3

СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ АКТИВНОГО КОНТРОЛЯ

СЛОЖНОГО ПРОФИЛЯ ГЛУБИНЫ ПРОПИТКИ

КРЕМНИЙОРГАНИЧЕСКИМИ СОЕДИНЕНИЯМИ ИЗДЕЛИЙ

ИЗ ПОРИСТОЙ КЕРАМИКИ

¹Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского,

Россия 197198 Санкт-Петербург, ул. Ждановская, 13

E-mail: ^*polyakov1939@mail.ru, ^**lol.ichi@yandex.ru, ^***zakutaev.a@mail.ru

Поступила в редакцию 01.07.2020; после доработки 04.10.2020

Принята к публикации 02.11.2020

В статье предложен фотометрический способ активного контроля глубины пропитки пористых оболочек объ-

ектов контроля (летательных аппаратов), движущихся со сверхвысокими (до 10 «махов») скоростями и способных

к резкому изменению траектории полета. Предлагаемый способ активного контроля глубины пропитки пористых

оболочек по измерению и анализу интенсивности люминесценции окрашенной границы пропитки, а также

устройство для контроля глубины пропитки позволяют обеспечить высокую степень устойчивости оболочки объ-

екта к механическим воздействиям. Новизна предлагаемого технического решения заключается в следующем: в

растворенный ацетоном олигомер дополнительно вводят трифенилметановый органический краситель, чем обе-

спечивают контакт пропитывающего вещества с внутренней поверхностью оболочки объекта. Кроме того, в про-

цессе пропитки оболочку объекта облучают пучком света от лазера с наружной поверхности и регистрируют

изменение интенсивности люминесценции окрашенного олигомера в зависимости от глубины пропитки.

Ключевые слова: капиллярный эффект, пористый обтекатель, глубина пропитки, олигомер, лазер, фотоиндуцирован-

ная люминесценция.

DOI: 10.31857/S0130308221010061

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в различных отраслях техники широко используются такие конструкцион-

ные крупноструктурные и композиционные материалы, как бетон, горные породы, огнеупоры,

пористые и пеноматериалы, стеклопластики, углепластики и боропластики. Значительное место в

производстве изделий в машиностроении, судостроении, строительстве, авиакосмической и воен-

ной технике занимают такие пористые материалы, как пористые металлы (пористый алюминий)

и пористые диэлектрики (пористая керамика). Основным материалом головных антенных обтека-

телей высокоскоростных летательных аппаратов радиолокационного наведения является кварце-

вая и алюмосиликатная керамика, стеклокерамика литийалюмосиликатного состава и термостой-

кие стеклокристаллические материалы. Более высокие рабочие температуры имеют керамические

материалы на основе нитридов и оксидов. Оксидная керамика (оксиды алюминия и магния) позво-

ляет изготавливать высокотемпературные обтекатели антенн и радиопрозрачные окна высокоско-

ростных летательных аппаратов [1].

Одним из эффективных способов получения новых композиционных материалов с заранее

заданными свойствами является способ пропитки пористых материалов (технологический про-

цесс заполнения взаимосвязанных пор пористого материала жидкими препаратами) [2]. Для

капиллярной пропитки используются фенолоформальдегидные и циклоалифатические смолы,

которые проникают в поры в зависимости от плотности пропитывающего вещества, от пористости

керамики, толщины оболочки и числа циклов разряжение—давление [3, 4].

Высокие скорости и высокая маневренность летательных аппаратов предъявляют к обтекателю

жесткие требования к изгибной прочности, что достигается последующей полимеризацией жид-

ких олигомеров в порах керамики. Пропитка обтекателя по всей толщине изделия мелкодисперс-

ными металлами или смолами приводит к увеличению изгибной прочности и к уменьшению

радиопрозрачности для радиолокационных систем, расположенных внутри обтекателя [5].

Возникает задача обеспечения сложного профиля пропитки изделия. В месте расположения ради-

олокатора малая глубина пропитки, которая увеличивается по всей толщине изделия по различно-

му закону (например, по параболе для оболочек в виде тел вращения).

Для решения указанной задачи необходимо разработать аппаратурное обеспечение и

активный метод контроля сложного профиля глубины пропитки кремнийорганическими и

В.Е. Поляков, А.А. Закутаев, А.А. Михайлов

циклоалифатическими олигомерами оболочек из пористой керамики непосредственно во

время капиллярной пропитки.

Такая задача является актуальной и важной при производстве обтекателей фюзеляжей само-

летов и обтекателей ракетных систем, что позволит находить оптимальное соотношение параме-

тров радиопрозрачности и изгибной прочности при разной управляемой глубине пропитки.

Известен способ пассивного контроля глубины пропитки изделий из пористой керамики крем-

нийорганическими соединениями в вязкотекучем состоянии, в котором информативным параме-

тром служит время пропитки при известной плотности пропитывающего вещества [6]. В извест-

ном способе кремнийорганический олигомер разбавляют ацетоном для получения необходимой

плотности, измеряют плотность ареометром и обеспечивают контакт с пропитываемым изделием.

В зависимости от времени контакта пропитывающее вещество (олигомер) проникает на разную

глубину (капиллярный эффект). Изменяя место и время контакта, осуществляют пропитку одного

изделия на разную глубину. Однако этот способ имеет ряд недостатков. Прежде всего, распределе-

ние пор в керамическом изделии не всегда является однородным (регулярным), следовательно,

граница пропитки по всему изделию будет отличаться от планируемой. Кроме того, пассивный

метод контроля не позволяет осуществить обратную положительную связь с технологическим

процессом пропитки путем использования такого косвенного параметра как время.

В настоящей работе предлагается модифицированный способ и устройство активного контро-

ля сложного профиля глубины пропитки кремнийорганическими олигомерами оболочек из пори-

стой керамики, которые учитывают неоднородность распределения пор в структуре материала

оболочки, а в качестве индикаторной физической величины используют параметр, возможный к

преобразованию в электрический сигнал. В качестве косвенной физической величины, несущей

информацию о глубине пропитки, предлагается использовать параметры люминесценции, проис-

ходящей при настройке лазерного излучения на частоту квантового перехода в спектре исследуе-

мого вещества. Для реализации способа к макромолекуле олигомера предварительно химически

подшивают молекулу органического красителя (активируют олигомер), добавляют отвердитель и

осуществляют полимеризацию при выбранной температуре. При возбуждении активированных

красителями олигомеров в полосу поглощения красителей спектр люминесценции красителей в

олигомер-полимерном окружении несет информацию о молекулярной подвижности, фазовых и

мезоморфных фазовых переходах, температуре стеклования и времени желатинизации в процессе

отверждения [7].

СПОСОБ АКТИВНОГО КОНТРОЛЯ СЛОЖНОГО ПРОФИЛЯ ГЛУБИНЫ ПРОПИТКИ

ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПОРИСТОЙ КЕРАМИКИ

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что для контроля глубины

пропитки предварительно измеряют спектральный диапазон длин волн, где кремнийорганический

олигомер имеет поглощение. Затем выбирают органический краситель, спектр поглощения кото-

рого не совпадает со спектром поглощения олигомера. Разбавляют олигомер в ацетоне для полу-

чения необходимой вязкости, которую измеряют ареометром. Активируют олигомер органическим

красителем и измеряют спектр поглощения активированного красителем олигомера. Спектры

поглощения измеряют известным образом на спектрофотометре, используя метод фотометрии, в

котором контролируемыми параметрами являются оптическая плотность и пропускание.

Подготовленным таким образом активированным кремнийорганическим олигомером пропитыва-

ют оболочку изнутри за счет капиллярного эффекта и давления. В процессе пропитки наружную

сторону оболочки освещают светом от лазера, выбранного таким образом, что его длина волны

излучения совпадает с максимумом поглощения органического красителя в олигомере. Пучок

света от лазера распространяется по непропитанной части оболочки и его интенсивность изменя-

ется согласно закону Бугера:

exp(−α

z),

где I₀ — интенсивность лазерного излучения на поверхности оболочки ; α

— спектральный коэф-

^λ1

фициент потерь, вызванный в основном из-за рассеяния за счет пористости керамики на длине

волны излучения лазера; z — расстояние до пропитанной границы; I₁ — интенсивность лазерного

излучения, падающего на окрашенную пропитанную границу.

Под воздействием лазерного излучения молекулы органического красителя, растворенного в

олигомере, переходят в возбужденное состояние и, возвращаясь в основное состояние, избыток

Дефектоскопия

№ 1

2021

Способ и устройство для активного контроля сложного профиля глубины пропитки...

энергии отдают в виде люминесценции или спонтанного излучения, которое распространяясь по

непропитанной части до приемного волокна, преодолевает такое же расстояние z. На оптоволокно

поступает интенсивность люминесценции:

exp(−α

z),

где I2 — интенсивность света, поступающего на оптоволокно от люминесцирующей окрашенной

границы; α

— потери интенсивности люминесценции, вызванные рассеянием на максимуме

^λ2

длины волны люминесценции окрашенной границы; z — толщина непропитанной части оболочки.

Таким образом, на оптоволокно приемного канала поступает свет от окрашенной границы про-

питки с интенсивностью:

exp(−α

z)exp(

−α

z) = I

exp−

+α

z

(

)





Согласно техническому решению, измеряют толщину непропитанной части оболочки z, а глуби-

ну пропитки определяют как разность между толщиной оболочки и толщиной непропитанной части.

Увеличение глубины пропитки оболочки приводит к увеличению интенсивности люминесценции I₂

за счет уменьшения z. При активации органическим красителем олигомера, растворенном в ацетоне

окрашиваются олигомер и ацетон. Ацетон, имея меньшую плотность чем олигомер, будет создавать

передний слой пропитки и несет ложную информацию о глубине пропитки. Для получения истинной

информации необходимо регистрировать интенсивность люминесценции красителя в олигомере, и

это возможно, так как большинство красителей, введенных в олигомер, имеет гипсохромный сдвиг

(отрицательная сольватохромия) по сравнению с красителем, растворенном в ацетоне или в этаноле,

что связано с более сильной стабилизацией основного состояния, чем возбужденного за счет межмо-

лекулярного взаимодействия [7]. Например, для красителя родамин С максимальная длина волны

люминесценции в олигомере — 560 нм, в ацетоне — 545 нм; для красителя родамин 6Ж максималь-

ная длина волны люминесценции в олигомере — 600 нм, в ацетоне — 585 нм; для красителя оксазин

17 максимальная длина волны люминесценции в олигомере — 552 нм, в ацетоне — 555 нм.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ АКТИВНОГО СПОСОБА КОНТРОЛЯ

СЛОЖНОГО ПРОФИЛЯ ГЛУБИНЫ ПРОПИТКИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПОРИСТОЙ КЕРАМИКИ

Поставленная задача решается за счет того, что устройство, включающее оболочку из пори-

стой керамики и емкость с пропитывающим окрашенным кремнийорганическим олигомером,

содержит канал излучения с оптической системой его формирования и второй канал, обеспечива-

ющий регистрацию и анализ выходного сигнала, выполненный с возможностью преобразования

параметров люминесценции в электрический сигнал. На рис. 1 показана функциональная схема

устройства, которое содержит лазер (1), например, ИАГ:ND³⁺-лазер с умножителем частоты и

модулированной добротностью. Длина волны излучения 532 нм, энергия в импульсе 150 мДж,

длительность импульса 10 нс, частота следования импульсов 20 Гц.

Сканирующая

8 Контроллер

измерительная

система

Электрический

кабель

Взрывоопасное помещение

управления

Удаленное помещение

Рис. 1. Функциональная схема устройства для контроля глубины пропитки оболочек из пористой керамики

(активный метод).

Дефектоскопия

№ 1

2021

В.Е. Поляков, А.А. Закутаев, А.А. Михайлов

Лазер снабжен многомодовым оптоволокном (2) с сердцевиной из кварцевого стекла, транс-

портирующим излучение лазера к поверхности оболочки (3). Рассеянное возбуждающее излуче-

ние и излучение люминесценции от окрашенной границы пропитки с помощью второго оптово-

локна (2) через красный светофильтр (4) и объектив (5) транспортируется на вход монохроматора

(6). На выходе монохроматора установлен фотоэлектронный умножитель (7). С помощью свето-

фильтра (4) частично подавляется рассеянное излучение накачки. Устройство также содержит

контроллер (8), выполненный так, что он управляет шаговым двигателем дифракционной решетки

монохроматора, обеспечивает электрическим питанием фотоумножитель и имеет интерфейс

сопряжения с компьютером (9), который снабжен монитором (10) и принтером (11). Пропитываемая

оболочка (3) соединена с установкой пропитки трубопроводом, а емкость, содержащая пропиты-

вающее вещество, может перемещаться вертикально, изменяя уровень пропитки оболочки изну-

три. Система обработки полученных данных снабжена программой с двумя меню: сканирование в

диапазоне длин волн и регистрация интенсивности люминесценции в узкой полосе люминесцен-

ции красителя в олигомере. Программа также обеспечивает хранение результатов в памяти ком-

пьютера, математическую обработку и отображение результатов измерений с сохранением значе-

ний параметров работы и файлов со спектрами. Устройство обеспечивает дистанционный кон-

троль, так как первый канал содержит лазер, излучение которого транспортируется оптоволокном

к контролируемой оболочке, а второй канал содержит второе оптоволокно, транспортирующее

излучение люминесценции границы на вход монохроматора. Дополнительно устройство содержит

сканирующую систему, которая обеспечивает перемещение оптоволокна приемного и излучающе-

го трактов параллельно наружной поверхности оболочки, а также устройство, обеспечивающее

вращение самой оболочки для реализации сплошного контроля. При этом система контроля

выполнена с возможностью создания противодавления [8].

ОСНОВЫ МЕТОДИКИ КОНТРОЛЯ ГЛУБИНЫ ПРОПИТКИ ПОРИСТОЙ КЕРАМИКИ НА

ОБРАЗЦАХ

Образцы представляют собой диски из пористой керамики, предварительно пропитанные

активированным олигомером на разную глубину в эксикаторе без последующей полимеризации.

Кремнийорганический олигомер в вязкотекучем состоянии разбавляют ацетоном для получения

необходимой плотности и дополнительно вводят трифенилметановый краситель, например, рода-

мин 6Ж в концентрации (1—0,5) мг/г. При окраске олигомера, разбавленного ацетоном, определя-

ют спектр поглощения олигомера. Краситель выбирают таким, чтобы спектр его поглощения в

ацетоне не совпадал со спектром поглощения олигомера в ацетоне, а лежал в более длинноволно-

вой области. Предварительно исследуют глубину пропитки образца активированным олигомером

с использованием пассивного метода. На рис. 2 приведена зависимость глубины пропитки от вре-

мени пропитки для образца с плотностью 1,94—1,95 г/см³.

Зависимость глубины пропитки от времени пропитки

H, мм

для образца с плотностью 1,94—1,95 г/см³

y = -0,0007x²+ 0,1361 x + 0,6103

R² = 0,8945

100

120

t, мин

Рис. 2. Зависимость глубины пропитки кремнийорганического олигомера, растворенного в ацетоне, от времени пропит-

ки (пассивный метод).

Показанная зависимость носит хорошо выраженный нелинейный характер, начиная с времени

пропитки более 10 мин. Для малого времени пропитки зависимость близка к линейной. С увели-

чением плотности олигомера наблюдается тенденция к уменьшению глубины пропитки и увели-

Дефектоскопия

№ 1

2021

Способ и устройство для активного контроля сложного профиля глубины пропитки...

чению времени пропитки. Указанные закономерности сохраняются и при использовании активно-

го метода контроля.

На рис. 3а показана спектральная зависимость оптической плотности D_λ кремнийорганическо-

го олигомера, растворенного в ацетоне, от длины волны λ (плотность олигомера 1,95 г/см³).

Характер зависимости обусловлен тем, что олигомер имеет собственную окраску, которую не

представляется возможным использовать для возбуждения люминесценции в связи с низким кван-

товым выходом. На рис. 3б показана спектральная зависимость оптической плотности D_λ органи-

ческого красителя, например, родамина 6Ж, растворенного в ацетоне, от длины волны λ. Видно,

что максимальное поглощение краситель в окружении ацетона имеет на длине волны, равной

532 нм (зеленая область). На рис. 3в показана спектральная зависимость оптической плотности D_λ

кремнийорганического олигомера, растворенного в ацетоне и активированного красителем рода-

мином 6Ж, от длины волны λ.

1,5

0,5

400

500

600

700

800 нм

400

500

600

700

800 нм

400

500

600

700

800 нм

Рис. 3. Спектральная зависимость оптической плотности D_λ от длины волны λ:

а — кремнийорганического олигомера, растворенного в ацетоне; б — органического красителя родамина 6Ж, растворенного в ацетоне;

в — кремнийорганического олигомера, растворенного в ацетоне и активированного красителем родамином 6Ж.

На рис. 4 приведена функциональная схема лабораторной установки для контроля глубины

пропитки кремнийорганическими олигомерами образцов из пористой керамики [9], вырезанных

из оболочки. Образец накачивался с непропитанной стороны второй гармоникой ИАГ:ND³⁺-

лазера, который запускался в режиме модулированной добротности с частотой следования импуль-

сов 20 Гц при длительности импульса 10 нс и энергии в импульсе 150 мДж (при длине волны

532 нм). Люминесценция собиралась косым сколом волокна, пропускалась через красный фильтр,

подавляющий рассеянное излучение накачки, и регистрировалась на длине волны люминесценции

активированного олигомера, имеющего гипсохромный сдвиг по сравнению с длиной волны люми-

несценции активированного ацетона.

Фокусирующая

линза

532 нм, 20 Гц,

Nd:YAG

150 мДж

Образец

USB-кабель

Многомодовое

волокно

Многомодовое

волокно

Фильтр

Спектрометр

с ПЗО-матрицей

ПК

Рис. 4. Функциональная схема лабораторной установки для контроля глубины пропитки образцов из пористой керамики

активным методом.

Дефектоскопия

№ 1

2021

В.Е. Поляков, А.А. Закутаев, А.А. Михайлов

500

5000

400

4000

300

3000

200

2000

100

1000

200 300 400

500

600

700 800 900

200 300 400

500

600

700 800 900

Длина волны, нм

15 000

10 000

5000

200 300 400

500

600

700 800 900

Длина волны, нм

Рис. 5. Спектры люминесценции окрашенной границы при разной глубине пропитки:

а — 2 мм; б — 4 мм; в — 8 мм.

На рис. 5а—в приведены спектры люминесценции, измеренные при облучении лазером образ-

цов с неокрашенной стороны. Видно, что при увеличении глубины пропитки интенсивность

люминесценции от окрашенной границы пропитки увеличивается за счет уменьшения величины

непропитанной части образца. По изменению интенсивности люминесценции окрашенной грани-

цы определяют величину непропитанной части, а глубину пропитки определяют как разность

между толщиной образца и толщиной непропитанной части образца [10].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Предлагаемый способ для активного контроля сложного профиля глубины пропитки кремний-

органическими соединениями изделий из пористой керамики позволяет в автоматическом режиме

управлять технологическим процессом пропитки и определять глубину пропитки, а при последу-

ющей полимеризации добиваться необходимых оптимальных значений изгибной прочности и

радиопрозрачности как всего изделия, так и отдельных его участков.

Лазерная спектральная установка позволяет дистанционно осуществлять технологию кон-

троля, сканировать изделие с целью измерения люминесценции активированной красителями

границы как в широком диапазоне длин волн, так и в узкой полосе. Программный комплекс

обеспечивает математическую обработку результатов измерений и сохранение файлов со

спектрами.

Способ контроля и устройство могут быть также использованы при пропитке другими жид-

кими препаратами изделий, изготовленных из материалов, имеющих взаимосвязанные поры, с

использованием капиллярного эффекта, при их проектировании и производстве с заранее задан-

ными свойствами, например, «прозрачностью» в сантиметровом, метровом и др. диапазонах

длин волн. Экспериментально методика была отработана на образцах, предварительно окрашен-

ных на разную глубину, при облучении лазером с неокрашенной стороны. Интенсивность люми-

несценции границы пропитки при возбуждении второй гармоникой от импульсного ИАГ:ND³⁺-

лазера на всех испытанных образцах надежно регистрировалась (в узкой полосе) на длине волны

полезного сигнала 600 нм, что соответствовало длине волны люминесценции окрашенного

олигомера.

Дефектоскопия

№ 1

2021

Способ и устройство для активного контроля сложного профиля глубины пропитки...

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Русин М.Ю. Проектирование головных обтекателей из керамических и композиционных материа-

лов / Учеб. пособие. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. 64 с.

2. Косинский В.В. Получение композиционных материалов с наперед заданными свойствами спосо-

бом гидростатической пропитки с нагревом // Новые материалы и технологии в металлургии и маши-

ностроении. Запорожье. 2005. № 2. С. 86—94.

3. Лордкипанидзе М.А. Обзор способов пропитки пористого алюминия эпоксидными смолами //

Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. Екатеринбург: Изд-во «Институт стратеги-

ческих исследований», 2017. № 2. С. 38—40.

4. Медведева А.Д., Мордасов Д.М., Мордасов М.М. Классификация методов контроля пористости

материалов // Вестник ТГТУ. 2012. Т. 18. № 3. Transactions TSTU. С. 749—754.

5. Прохоренко П.П., Дежкунов Н.В., Коновалов Г.Е. Ультразвуковой капиллярный эффект / Под. ред.

В.В. Клубовича. Минск: Наука и техника, 1981. 135 с.

6. Поляков В.Е., Антонов В. В., Некрасов Е.В. Контроль глубины пропитки пористой кварцевой

керамики кремнийорганическими олигомерами / Тезисы докладов 17 Международной Научно-

технической конференции, 23—25 октября 2007, г. Обнинск. С. 60—62.

7. Поляков В.Е., Потапов А.И. Лазеры на красителях / Учеб. пособие. СПб.: Изд-во СЗТУ, 1993.

130 с.

8. Жилин А.А., Федоров А.В. Физико-математическое моделирование процессов пропитки пористых

материалов // Прикладная механика и техническая физика. Новосибирск. 2009. Т. 50. № 1. С. 42—51.

9. Красный Б.Л., Тарасовский В.П., Красный А.Б., Омаров А.Ю. Количественный анализ поровой

структуры керамики с помощью компьютерного анализа РЭМ-изображения // Новые огнеупоры. 2013.

№ 8. С. 40—44.

10. Поляков В.Е., Шосталь В.Ю., Закутаев А.А., Мерзляков М.А., Широбоков В.В., Лиференко В.Д.,

Рогачев В.А., Михайлов А.А. Способ и устройство для активного контроля сложного профиля глубины

пропитки кремнийорганическими соединениями изделий из пористой керамики / Пат.

2702847

Российская Федерация. 2019. Бюл. № 29. 21 с.

Дефектоскопия

№ 1

2021