1. Введение.

Графито-эпоксидные (г/э) композиты, представляющие из себя углеродные волокна толщиной 5-20 мкм, упакованные в одном или нескольких направлениях в эпоксидную основу, в последнее время широко используются для сооружения легких и прочных конструкций. Благодаря схожести акустических импедансов их компонент и близости упругих свойств таких тонких графитовых волокон к прочностным свойствам алмаза, композиты выдерживают высокие статические нагрузки. Однако из-за своей двухфазной структуры эти материалы подвержены старению – их прочностные характеристики изменяются под действием динамических нагрузок [1]. Например, для г/э композитов основным усталостным повреждением структуры является отслоение графитовых волокон (наполнителя) от эпоксидной основы (матрицы), что проявляется, в частности, в увеличении объемной пористости материала.

Проблема диагностики композитов по фактическому состоянию является весьма актуальной, поскольку дефекты структуры, возникающие в ходе эксплуатации изделий, могут существенно уменьшить прочность материала [1]. Поэтому особое значение имеет разработка методов неразрушающей диагностики, позволяющих контролировать изменения структуры композита при эксплуатации изделий – так называемых методов структуроскопии.

Характерные усталостные повреждения композитов приводят к изменению затухания и скорости распространения в них ультразвуковых волн. Поэтому одним из наиболее распространенных методов неразрушающей диагностики композитных материалов является ультразвуковой [2]. Он основан на анализе характеристик ультразвуковых сигналов при их распространении в материале [3].

Композиты представляют собой акустически неоднородные материалы, поэтому для количественной оценки состояния их структуры необходимо осуществлять анализ затухания ультразвука в достаточно широкой полосе частот, так как микронеоднородности хорошо рассеивают звук на длинах волн, сравнимых с их размерами. Более того, существенное затухание ультразвука в композите делает проблематичной диагностику изделий толщиной порядка нескольких сантиметров с использованием пьезоэлектрических преобразователей из-за низкой эффективности возбуждения ими широкополосных акустических сигналов [4].

Для получения мощных широкополосных ультразвуковых импульсов в методиках неразрушающей диагностики композитов представляется целесообразным использование лазерного термооптического возбуждения звука – оптико-акустического (ОА) эффекта [5]. Суть его состоит в следующем: лазерный импульс падает из прозрачной среды на поверхность поглощающей среды. При его поглощении происходит неоднородный нестационарный нагрев среды. При последующем тепловом расширении как в прозрачную, так и в поглощающую среду распространяются импульсы звукового давления. Амплитуда и временная форма возбуждаемого ультразвукового импульса определяется временной зависимостью интенсивности поглощенного лазерного импульса и теплофизическими параметрами среды (коэффициентом поглощения света, коэффициентом теплового расширения, теплоемкостью и температуропроводностью). Благодаря высокому коэффициенту поглощения света в г/э композитах (порядка сотни обратных сантиметров) появляется возможность возбуждать в нем с помощью оптико-акустического эффекта мощные широкополосные ультразвуковые импульсы, амплитуда которых может достигать десятков атмосфер при ширине спектра до 100 Мгц.

С использованием оптико-акустических источников ультразвука была предложена [6] и экспериментально реализована [7] методика широкополосной акустической спектроскопии неоднородных конструкционных материалов. Эта методика позволяет получать частотные зависимости коэффициента затухания и скорости ультразвуковых волн в образце в спектральном диапазоне от десятков килогерц до десятков мегагерц и исследовать трансформацию этих зависимостей при различных изменениях структуры образцов.

Метод широкополосной оптико-акустической спектроскопии заключается в следующем: при поглощении лазерного импульса в поглощающей среде (оптико-акустическом источнике) возбуждается ультразвуковой импульс с известным спектром - эталонный импульс. Этот импульс распространяется в образце и регистрируется широкополосным пьезоприемником (прямая схема регистрации сигнала - измерения "на просвет"). За счет затухания ультразвука в образце спектр эталонного импульса искажается. Спектр импульса, прошедшего образец известной толщины L, описывается следующим выражением:

где - зависящий от частоты f коэффициент затухания ультразвука в образце. Зная спектр эталонного импульса и спектр импульса, прошедшего образец, , можно определить частотную зависимость коэффициента затухания ультразвука

.

Использование широкополосной ОА спектроскопии позволило достичь значительных результатов в разработке методов структуроскопии композитных материалов. В работе [7] с использованием описанной выше методики обнаружено влияние усталостных повреждений структуры стеклопластиковых композитов, возникших при циклических и статических нагрузках, на частотные зависимости коэффициента затухания ультразвука в диапазоне 1¸ 20 Мгц. В работе [8] исследовалось влияние пористости образцов слоистых графито-эпоксидных композитов на частотные зависимости коэффициента затухания ультразвука в спектральном диапазоне 0.1¸ 5 МГц. Было обнаружено, что увеличение пористости образца на 1% ведет к возрастанию абсолютного значения коэффициента затухания ультразвука в диапазоне частот 1¸ 5 МГц практически в три раза.

Однако методика широкополосных ультразвуковых исследований композитных материалов “на просвет” имеет два существенных недостатка. Первым из них является требование двустороннего доступа к исследуемому образцу. Вторым - изготовление образца в виде плоскопараллельных пластин (для обеспечения пропускания высокочастотных гармоник сигнала). Эти требования не всегда возможно реализовать на практике. Таким образом, возникает проблема разработки методики структуроскопии композитных материалов при одностороннем доступе к образцу или изделию.

В работе [9] предложена бесконтактная система неразрушающего контроля композитных материалов на основе лазерной термооптической генерации ультразвука. Основные ее узлы – мощный импульсный лазер, работающий в режиме модуляции добротности и предназначенный для генерации звука, лазер и интерферометр для бесконтактной регистрации части звукового импульса, рассеянной назад на дефектах исследуемого образца, и система цифровой обработки данных. В такой системе реализуется бесконтактная дефектоскопия г/э композитов при одностороннем доступе к образцу. Данная система позволяет возбуждать в композитах широкополосные ультразвуковые импульсы (рабочая полоса частот 0,5-10 Мгц), и поэтому обеспечивает высокое пространственное разрешение (0,2мм - 0,3мм) при обнаружении дефектов в исследуемом материале. Однако применительно к исследованию композитов данная система имеет ряд существенных недостатков. В частности, прошедший образец ультразвуковой зондирующий импульс плохо считывается предназначенным для бесконтактной регистрации лазером, луч которого плохо отражается от поверхности образца из-за ее характерной для композитов шероховатости. Интерферометр, входящий в систему бесконтактной регистрации, существенно увеличивает стоимость всей системы. И, наконец, разработчики не упоминают о возможности применения данной системы для структуроскопии композитных материалов.

Другим подходом к решению проблемы структуроскопии изделий из композитов в при одностороннем доступе к образцу является использование оптико-акустических преобразователей с косвенной регистрацией ОА сигналов [8]. Особенностью данной методики является использование образца композита в качестве поглощающей среды, что позволяет возбуждать оптико-акустические сигналы непосредственно в нем. При косвенной регистрации приемник ОА сигналов расположен со стороны прозрачной среды, через которую проводится облучение. Это позволяет осуществлять исследования изделий из композитов при одностороннем доступе к ним. Возбуждаемый в композите акустический импульс проходит образец, и при этом часть импульса рассеивается на неоднородностях структуры образца. Частотный спектр совокупности акустических сигналов, рассеянных назад всей толщиной исследуемого образца или изделия, несет информацию о неоднородностях структуры в целом, и, прежде всего, о пористости композита (поскольку поры рассеивают акустические волны весьма эффективно во всех направлениях).

Целью данной работы является разработка метода неразрушающей лазерной оптико-акустической диагностики пористости слоистых графито-эпоксидных композитов при одностороннем доступе к образцу или изделию. Для этого необходимо найти связь между пористостью композита и спектральными характеристиками ОА сигнала, рассеянного назад на неоднородностях его структуры