Глава IV.
Неразрушающий контроль и диагностика композитных материалов импульсным оптико-акустическим методом.
4.1. Краткий обзор литературы по ультразвуковой диагностике композитных материалов.
Проблема диагностики композитных материалов по фактическому состоянию является весьма актуальной, поскольку дефекты структуры, возникающие при изготовлении и в процессе эксплуатации, могут существенно уменьшить прочность материала [100]. Особое значение поэтому имеет разработка неразрушающих методов диагностики, позволяющих контролировать не только процесс изготовления, но и изменения структуры композита в процессе эксплуатации изделий. Композиционные вещества подвержены старению, т.е. их свойства (например, упругие модули) изменяются со временем под действием нагрузок. Изменения модулей могут достигать 20-25% от их первоначальных значений. Следовательно, для контроля процесса старения необходимо правильно и с высокой точностью измерять упругие характеристики композитов. Стандартные механические методы исследования упругих свойств таких сред, однако, мало эффективны ввиду своей громоздкости. Поскольку упругие модули твердых тел однозначно определяют фазовые скорости акустических волн, для измерения модулей целесообразно использовать более точные - ультразвуковые методы. Экспериментально исследования упругих характеристик композитов проводились неоднократно. В работах [101,102] использовалась стандартная иммерсионная техника. Было показано, что в композитах такой структуры при распространении акустической волны в направлении k, существуют одна квазипродольная и две квазипоперечные волны. Однако, как указано в работе [103], данная методика измерений, использующая пьезоэлектрические источники ультразвука, обладает существенными недостатками. В связи с тем, что отклонение волнового вектора от лучевого в 1-D г/э композитах может достигать 40-45 градусов, данная схема измерений налагает существенные ограничения на максимальную толщину исследуемых образцов из-за бокового сноса ультразвукового (УЗ) пучка. Иммерсионная методика основана на измерении временной задержки между опорным звуковым сигналом, прошедшим иммерсионную среду, и исследуемым сигналом, прошедшим образец. Поэтому необходимо, чтобы импульсы квазипродольной и квазипоперечной волн были разделены во времени. Это обстоятельство, в свою очередь, ограничивает минимальную толщину образцов. Как показано в работе [103] допустимая толщина может изменяться только в пределах нескольких миллиметров.В работах [104-107] использовалась другая методика измерений фазовых скоростей акустических волн в 1-D г/э композитах. Она основывалась на измерении коэффициента двукратного отражения УЗ волн от поверхности композита в прямом и обратном (после отражения от цилиндрической стенки кюветы) направлениях. Результаты экспериментов были представлены в виде зависимостей коэффициентов отражения от угла падения акустических волн на поверхность образцов в различных сечениях композита и пересчитанным по этим данным зависимостям фазовых скоростей УЗ волн в тех же осях и в тех же сечениях. Однако первые из упомянутых зависимостей имели сильно изрезанную структуру, что можно было объяснить только большой ошибкой проводимых измерений. Кроме того, изменение углового спектра за счет отражения от цилиндрической поверхности делает интерпретацию результатов двукратного отражения ультразвука от образца неоднозначной. Указанные проблемы могут быть преодолены с использованием лазерных источников ультразвука. Исследование распространения УЗ волн в композитах производилось при фокусированном лазерном облучении поверхности [108]. Однако в этом случае могут быть определены только групповые скорости и расчет упругих модулей становится серьезной проблемой. Таким образом, для решения задачи исследования распространения упругих волн в 1-D г/э композитах с целью получения полного набора упругих модулей и построения адекватной механической модели таких сред необходимо более точное измерение угловых зависимостей фазовых скоростей УЗ волн в широком диапазоне частот для образцов, вообще говоря, произвольной толщины. Для этой цели, на наш взгляд, представляется наиболее целесообразным использование иммерсионной методики с применением лазерного термооптического источника ультразвука (см. § 3.3). Данная методика позволяет получать мощные, короткие (10¸ 300 нс) акустические видеоимпульсы с близким к плоскому фазовым фронтом [1,3]. Исследуя распространение УЗ импульса в композите при различных углах падения его из иммерсионной жидкости, можно определить анизотропию фазовой скорости и затухания УЗ волн в исследуемых образцах. Кроме того, можно исследовать и дисперсию фазовой скорости УЗ, данные о которой необходимы для уточнения картины распространения акустических волн в таких средах, а также для получения зависимостей упругих модулей от частоты УЗ волны. Важно отметить, что широкополосность и малая длительность сигналов снимают жесткие требования [103] на толщину образцов. Однако упругие модули композитов можно вычислить ультразвуковыми методами только для случая трансверсальной изотропии или ортотропии их структуры [80]. Для композитов с более сложной анизотропией структуры такой расчет практически невозможен. Вследствие того, что типичные повреждения структуры композита, такие как разрывы волокон, микротрещины, поры в связующем, отслоения волокон от связующего и т.п. приводят к изменению затухания ультразвука, одним из наиболее распространенных методов неразрушающего контроля композитов является ультразвуковой. Для получения надежной информации о характере дефектов структуры необходимы измерения спектральных характеристик в широкой полосе частот, т.к. рассеяние ультразвука на микронеоднородностях происходит только на длинах волн, сравнимых с их размерами. Поэтому в большинстве методов ультразвукового контроля используется импульсное излучение [81,108]. Однако применение традиционных пьезоэлектрических преобразователей для генерации мощных широкополосных зондирующих импульсов затруднено прежде всего из-за низкой эффективности пьезогенерации широкополосных акустических сигналов [109]. Для получения мощных широкополосных ультразвуковых импульсов в методиках неразрушающих исследований композитов предлагается использовать лазерное термооптическое возбуждения звука [3]. По частотной зависимости коэффициента затухания ультразвука в достаточно широком спектральном диапазоне можно оценить характерные размеры неоднородностей структуры композита (см., например, [110,111]). Трансформация спектров затухания ультразвука в композитах при усталостных изменениях структуры дает возможность оценить его остаточный ресурс [112]. С использованием таких источников была предложена [1] и экспериментально реализована [112,113] методика широкополосной акустической спектроскопии неоднородных конструкционных материалов. Эта методика позволяет получать частотные зависимости коэффициента затухания и скорости ультразвуковых волн в образце в спектральном диапазоне импульсов лазерного источника ультразвука и исследовать трансформацию этих зависимостей при различных изменениях структуры образцов. Например, в [112] обнаружено влияние усталостных повреждений структуры стеклопластиковых композитов, возникших при циклических и статических нагрузках, на частотные зависимости коэффициента затухания ультразвука в спектральном диапазоне 1¸ 20 МГц. Следовательно, применение в неразрушающем контроле и диагностике композитов лазерного возбуждения ультразвука является целесообразным и перспективным.
|
