Известия РАН. Серия физическая, 2022, T. 86, № 1, стр. 110-115

ВВЕДЕНИЕ

Ультразвуковые методы широко используются для наблюдения и неразрушающей оценки внутренней структуры различных материалов и изделий. С этой целью используется ультразвук различных частотных диапазонов в зависимости от физико-механических свойств и характерных размеров структурных элементов и дефектов. Для стандартных индустриальных задач дефектоскопии применяются ультразвуковые волны в диапазоне 1–20 МГц, обеспечивающие пространственное разрешение в миллиметровом или субмиллиметровом диапазоне [1–10]. Однако современная техника все шире использует материалы, для характеризации структуры которых, выявления в ней несовершенств, изучения эффектов накопления и развития повреждений требуются методы, обеспечивающие пространственное разрешение в диапазоне от десятков до сотен микрометров. Речь идет, прежде всего, об армированных композитных материалах, для которых характерные размеры структурных элементов попадают в размерный интервал от 10 мкм для отдельных углеродных волокон до 100 мкм для борных и арамидных полимерных волокон, пучков и нитей из углеродных волокон. Соответственно, разрешающая способность систем визуализации должна соответствовать этим размерам. Такую разрешающую способность и возможность наблюдения объемной структуры на достаточную глубину без нарушения ее целостности обеспечивают ультразвуковые методы высокого разрешения, использующие фокусированный высокочастотный зондирующий звук в диапазоне 50–200 МГц [11, 12]. На низкочастотной границе этого диапазона глубина проникновения малоапертурного фокусированного зондирующего ультразвукового импульса для композита на основе эпоксидной смолы, армированной углеродными волокнами, может достигать 10 мм, что является вполне макроскопической величиной [13]. С ростом частоты глубина проникновения убывает из-за ультразвукового поглощения, как в иммерсионной жидкости, так и в образце на высоких ультра- и гиперзвуковых частотах. Коэффициент затухания в углепластиках зависит от плотности упаковки волокон, количества содержания полимерного связующего, наличия пористости и т.п. [14].

Ультразвуковое видение высокого разрешения используется как для характеризации упорядоченной микроструктуры, так и для выявления ее несовершенств различного происхождения. Дефекты могут возникать в результате нарушения технологических процессов при формировании композита, что в дальнейшем сказывается на его физико-механических характеристиках при эксплуатации. Механические испытания образцов свидетельствуют о снижении прочности, но не позволяют выявить причину этого. В композитном материале, в отличие от металлов, процессы разрушения носят характер хрупкого разрушения, которое возникает на микроуровне и прерывается с остановкой нагрузки. Для прогнозирования времени жизни таких материалов оказывается необходимым наблюдать развитие дефектов непосредственно в процессе их механического нагружения или при климатических испытаниях.

Наконец, еще одной причиной возникновения дефектов является необходимость механической обработки материала при соединении отдельных деталей в углепластиковых конструкциях. Такие соединения выполняются с помощью болтов, заклепок и т.д. Для их реализации требуется механическая обработка композитного материала, прежде всего, его резание и сверление. В результате такой обработки возникают механические повреждения в виде мелкомасштабных нарушений сплошности – трещин, сколов, расслоений и т.д. На поверхности образца такие дефекты оцениваются оптическим методами. Однако для слоистых углепластиков гораздо чаще возникают внутренние дефекты – расслоения по границам армирующих элементов или слоев, наблюдение которых стандартными оптическими методами затруднено или вообще невозможно, а у промышленных ультразвуковых систем оказывается недостаточным разрешение.

Эффективным методом выявления таких дефектов оказывается импульсная акустическая микроскопия. В ряде работ (см., например [15, 16]) показана высокая эффективность этой техники, как для наблюдения микроструктуры армированных углепластиков, так и для выявления технологических дефектов и возникающих под действием внешних нагрузок повреждений [17]. В частности, показано, что методом импульсной акустической микроскопии выявляются субмиллиметровые отслоения на глубине до 2–8 мм в зависимости от частоты зондирующего ультразвука. Фокусированный высокочастотный ультразвуковой импульс падает из иммерсионной жидкости в образец, частично отражаясь от границ слоев углепластика, частично распространяясь вглубь. Любые несплошности, расслоения или трещины, даже с минимальным углом раскрытия, уверенно обнаруживаются на акустических изображениях, являясь эффективными отражателями ультразвука. Эхо-сигналы от элементов внутренней структуры различаются по времени задержки, что позволяет дифференцировать их по глубине залегания. В целом акустическая картина позволяет оценивать количество повреждений, их природу (частичное или полное отслоение), определять локализацию разрывов армирующих элементов.

Данная работа нацелена на исследование возможностей и перспектив метода импульсной акустической микроскопии для выявления повреждений, возникающих при механической обработке углепластиков. Образцы для исследований представляли собой тканные углепластики с выфрезерованными в них плоскодонными отверстиями для настройки ультразвукового дефектоскопа. Акустическая микроскопия применялась для оценки нарушений внутренней микроструктуры композита в труднодоступных местах вблизи отверстий, вдоль и поперек композитных слоев.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И МАТЕРИАЛЫ

Исследуемые образцы толщиной 6.5 мм были изготовлены из слоистого тканного углепластика на основе препрега Hexply M21/34%/UD194/IMA. Эскиз образца представлен на рис. 1. В качестве отражателей в образце были выполнены плоскодонные сверления различного диаметра и глубины. Несквозные отверстия изготавливались с помощью фрезерования. Использовались твердосплавные пальчиковые трехперные фрезы диаметром 4, 6 и 8 мм со скоростью оборотов 1200 об./мин.

Рис. 1.

Внешний вид и схема экспериментального образца из углепластика.

Принципы ультразвуковой визуализации высокого разрешения подробно описаны в [18]. В основе метода лежит применение коротких импульсов фокусированного высокочастотного ультразвука (от 50 МГц и выше) и принципы эхолокации. Короткие зондирующие импульсы отражаются от элементов объемной структуры композита, границ армирующих слоев и воздушных полостей [19, 20]. Толщина слоев в большинстве углепластиков варьируется от 100 до 200 мкм, в нашем случае для тканного материала толщина слоя составляла 220 мкм. Длина волны упругих волн на частоте 50 МГц в углепластике составляет 64 мкм при скорости 3200 м/c. Эта простая оценка показывает, что импульсы от границ отдельных слоев композита могут быть разделены по времени задержки и, таким образом, любые вариации в акустическом импедансе на этих границах могут быть обнаружены и локализованы по глубине с точностью до полпериода, в данном случае 32 мкм.

В данной работе акустическая визуализация была выполнена на сканирующем импульсном акустическом микроскопе, разработанном совместно двумя академическими институтами ИБХФ РАН и НТЦ УП РАН. Акустическая головка представляла собой твердотельную акустическую линзу с пьезоэлектрическим преобразователем на рабочую частоту 50 МГц. Сканирование производилось прецизионными шаговыми двигателями с точностью позиционирования ±5 мкм. Для контроля дефектной структуры в углепластиках использовались акустические объективы с угловой апертурой 16° и 22° и фокусными расстояниями 20 и 13 мм, соответственно. Размер пикселя на акустических изображениях поверхности определялся диаметром фокального пятна зондирующего пучка, падающего из иммерсионной жидкости, и составлял в данном случае – 130 и 96 мкм, в зависимости от используемой угловой апертуры [21, 22]. Более грубое сканирование с минимальной угловой апертурой пучка использовалось для контроля по всей глубине образца, чтобы оценить однородность армированной композитной структуры, ослабление сигнала объемных акустических волн при выявлении отверстий на глубине. Динамический диапазон системы регистрации ультразвуковых сигналов соответствовал 60 дБ. Амплитуда эхоимпульса отраженного от дна композитного образца толщиной 0.5 мм превышала уровень шума в 13 раз, для образца толщиной 3 мм превышение составило 7 дБ. Длительность зондирующего импульса, сфокусированного на поверхности образца из углепластика, соответствовала 35 нс. При фокусировке на глубине 0.5 мм длительность эхоимпульса увеличилась до 40 нс, а на глубине 3 мм – до 60 нс. Длительность сигналов от поверхности и дна образца при этом увеличивалась эквивалентно, что свидетельствует о расфокусировке пучка по мере его смещении вглубь материала, и слабом влиянии затухания на форму широкополосного сигнала.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 2 приведено акустическое изображение структуры композитного образца в сечении с отверстиями диаметром 4, 6 и 8 мм на глубине 3 мм от поверхности. На изображении поперечного сечения видна неоднородная по глубине слоистая структура композита, наблюдаются границы армирующих волокон внутри слоя. На изображении полноценно просматриваются границы десяти слоев, далее наблюдаются прерывистые эхо-линии от последующих межслоевых границ. На нижней границе В-скана наблюдаются эхо-сигналы от плоскодонных отверстий. Измеренные диаметры отверстий совпадают с диаметром используемых фрез. Локальная кривизна и нестабильность в положении эхо-сигналов по времени задержки обусловлены тканной структурой композита, наличием множественных границ раздела с варьируемой толщиной связующего между армирующими элементами.

Рис. 2.

Акустическое изображение (В-скан) образца из углепластика с искусственными дефектами типа “плоскодонное отверстие” выполненных на глубине 3 мм: П – поверхность образца, ∅4 (1), 6 (2), 8 мм (3).

На рис. 3 приведены результаты визуализации внутренней микроструктуры в объеме образца вблизи отверстия диаметром 8 мм. Визуализация выполнялась со стороны гладкой ненарушенной поверхности. Дно плоского несквозного отверстия, выполненного с противоположной поверхности на глубину 6 мм, служит абсолютным отражателем для проникающего ультразвукового пучка, расположенным на глубине 0.5 мм от передней поверхности. На рис. 3а представлена эхограмма (А-скан) отраженных сигналов, полученная в центре отверстия. На эхограмме наблюдается группа эхо-импульсов, обусловленных отражением от передней поверхности образца (1) и дна отверстия (2). Между ними располагаются сигналы от двух первых армирующих слоев углеродной ткани и слоя со структурой, нарушенной воздействием фрезы. Развертка этих сигналов (В-скан) при одномерном движении акустической линзы вдоль диаметра выбранного отверстия, приведенная на рис. 3б, позволяет наблюдать структуру образца в поперечном сечении. С помощью изображения можно оценить наличие остаточной деформации, размер отверстия и наличие каких-либо дополнительных отражений от расслоений и сколов. В данном случае В-скан выполнен по центру отверстия, размер отверстия соответствует ожидаемому – 8 мм, никаких повреждений в выбранном сечении не обнаруживается. Повреждения от механической обработки обнаруживаются при послойном сканировании в плоскости образца (т.е. на С-сканах). На рис. 3в видно, что на глубине плоскодонного отражателя – 0.5 мм, наблюдаются небольшие повреждения вблизи кромки отверстия. Эти повреждения при изготовлении настроечного образца не могут быть выявлены визуально из-за ограниченного доступа к кромке. Размер их варьируется в пределах 2 мм². Такие же повреждения наблюдались на глубине 650 мкм. Общая площадь повреждений в плоскости была такой же, как на рис. 3в. Ранее нами было показано, что такие повреждения характерны для ударной и изгибной нагрузок [13]. По-видимому, из-за длительной механической обработки при установленных параметрах резки во время изготовления глубокого отверстия (6 мм), композитный образец подвергается значительной нагрузке, и оставшаяся от выборки часть оказывается достаточно тонкой, чтобы возникли необратимые деформации в виде прогиба оставшихся слоев, как это можно видеть на В-скане (рис. 3б). Для отверстий, выполненных на меньшую глубину выборки (3 мм), таких деформаций и повреждений не выявлялось. На рис. 3г и 3д представлены изображения для отверстия 8 мм на глубине 3 мм от поверхности. Границы видны отчетливо, повреждений микроструктуры вблизи кромки не наблюдается.

Рис. 3.

Акустические изображения плоскодонных отверстий в образце из углепластика диаметром 8 мм на глубине 0.5 (а–в) и 3 мм (г–е) от ненарушенной поверхности. А-скан эхо-сигналов в центре над отверстием (а, г); поперечное сечение (В-скан) (б, д); микроструктура на глубине 450–550 мкм (в, е). 1 – поверхность образца, 2 – дно отверстия.

На рис. 4 приведено акустическое изображение плоскодонного отверстия диаметром 8 мм со стороны сверления. На В-скане показан профиль отверстия глубиной 0.5 мм, для которого отклонение от плоскостности составило 64 ± 15 мкм. Для отверстий диаметром 4 и 6 мм на той же глубине (0.5 мм) отклонения были определены как 51 ± 15 и 63 ± 15 мкм, что не превышало установленные допуски ±0.1 мм.

Рис. 4.

Акустическое изображение (В-скан) плоскодонного отверстия диаметром 8 мм и глубиной 0.5 мм в образце из углепластика со стороны механической обработки (сверления): 1 – поверхность, 2 – дно отверстия.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты представленных экспериментальных исследований показывают, что ультразвуковая микроскопия является высокоэффективным инструментом для оценки влияния механической обработки на структуру углепластиков, что особенно актуально при изготовлении различных испытательных и настроечных образцов, при проведении сборочных и ремонтных работ с применением режущего инструмента.

Метод позволяет выявлять, отображать, оценивать размеры и глубину залегания внутренних трещин и расслоений вблизи кромки отверстий и срезов на глубине до 3–4 мм с разрешением 30–100 мкм в зависимости от необходимой глубины и частоты зондирующего ультразвука.

Работа выполнена при частичной поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 18-29-17039).