Кратък преглед на литературата по ултразвукова диагностика на композитни материали

4.1. Кратък преглед на литературата по ултразвукова диагностика на композитни материали.

Проблемът с диагностицирането на композитни материали въз основа на действителното им състояние е много спешен, тъй като структурните дефекти, възникнали по време на производството и по време на работа, могат значително да намалят якостта на материала [100]. Поради това е от особено значение да се разработят неразрушаващи диагностични методи, които дават възможност да се контролира не само производствения процес, но и промените в структурата на композита по време на експлоатацията на продуктите.

Композитните вещества подлежат на стареене, т.е. техните свойства (например еластични модули) се променят с течение на времето под действието на натоварвания. Модулите могат да се променят до 20-25% от първоначалните им стойности. Следователно, за да се контролира процесът на стареене, е необходимо правилно и точно да се измерват еластичните характеристики на композитите. Стандартните механични методи за изследване на еластичните свойства на такива среди обаче не са много ефективни поради тяхната обемност. Тъй като еластичните модули на твърдите тела еднозначно определят фазовите скорости на акустичните вълни, препоръчително е да се използват по-точни ултразвукови методи за измерване на модулите. .

Многократно са провеждани експериментални изследвания на еластичните характеристики на композитите. В статии [101, 102] е използвана стандартната техника на потапяне. Показано е, че в композити от такава структура, когато акустична вълна се разпространява в посока к, има една квази-надлъжна и две квази-напречни вълни. Въпреки това, както е посочено в [103], тази измервателна техника, използваща пиезоелектрични ултразвукови източници, има значителни недостатъци. Поради факта, че отклонението на вектора на вълната от вектора на лъча в 1-D g/e композити може да достигне 40-45 градуса, тази схема за измерване налага значителни ограничения върху максималната дебелина на изследваните проби поради страничния дрейф на ултразвуковия (US) лъч. Техниката на потапяне се основава на измерване на закъснението във времето между референтния звуков сигнал, преминал през потапящата среда и изследвания сигнал, преминал през пробата. Следователно е необходимо импулсите на квази-надлъжните и квази-напречните вълни да бъдат разделени във времето. Това от своя страна ограничава минималната дебелина на пробите. Както е показано в [103], допустимата дебелина може да варира само в рамките на няколко милиметра.

В [104-107] е използвана друга техника за измерване на фазовите скорости на акустичните вълни в 1-D водноелектрически композити. Той се основава на измерване на коефициента на двойно отражение на ултразвукови вълни от повърхността на композита в посока напред и назад (след отражение от цилиндричната стена на клетката). Експерименталните резултати бяха представени под формата на зависимости на коефициентите на отражение от ъгъла на падане на акустичните вълни върху повърхността на пробите в различни секции на композита и зависимостите на фазовите скорости на ултразвуковите вълни в същите оси и в същите раздели, преизчислени от тези данни. Първата от споменатите зависимости обаче имаше силно неправилна структура, което можеше да се обясни само с голяма грешка в измерванията. Освен това промяната в ъгловия спектър, дължаща се на отражение от цилиндричната повърхност, прави тълкуването на резултатите от двойното отражение на ултразвука от пробата неясно.

Тези проблеми могат да бъдат преодолени чрез използване на лазерни източници на ултразвук. Разпространението на ултразвукови вълни в композити е изследвано при фокусирано лазерно облъчване на повърхността [108]. В този случай обаче могат да се определят само групови скорости и изчисляването на еластичните модули се превръща в сериозен проблем. По този начин, за да се реши проблемът с изучаването на разпространението на еластични вълни в 1-D g/e композити, за да се получи пълен набор от еластични модули и да се изгради адекватен механичен модел на такива среди, е необходимо по-точно да се измери ъгловата зависимости на фазовите скорости на ултразвуковите вълни в широк честотен диапазон за пробите, като цяло, произволно дебелина.

Модулите на еластичност на композитите обаче могат да бъдат изчислени чрез ултразвукови методи само в случай на напречна изотропия или ортотропия на тяхната структура [80]. За композити с по-сложна структурна анизотропия такова изчисление е практически невъзможно. Поради факта, че типични увреждания на композитната структура, като разкъсване на влакна, микропукнатини, пори в свързващото вещество, разслояване на влакна от свързващото вещество и др водят до промяна в затихването на ултразвука, един от най-често срещаните методи за неразрушаващо изпитване на композитите е ултразвукът. За да се получи надеждна информация за естеството на структурните дефекти, е необходимо да се измерват спектралните характеристики в широка честотна лента, тъй като разсейването на ултразвук от микрохомогенности се случва само при дължини на вълните, сравними с техните размери. Следователно повечето методи за ултразвуково тестване използват импулсно лъчение [81,108]. Използването на традиционни пиезоелектрични преобразуватели обаче за генериране на мощни широколентови сондиращи импулси е затруднено преди всичко от ниската ефективност на пиезоелектричното генериране на широколентови акустични сигнали [109]. За получаване на мощни широколентови ултразвукови импулси в методите за неразрушително изследване на композити се предлага да се използва лазерно термооптично възбуждане на звука [3]. От честотната зависимост на коефициента на затихване на ултразвука в доста широк спектрален диапазон могат да се оценят характерните размери на нехомогенностите на композитната структура (вж. Например [110, 111]). Трансформацията на спектрите на затихване на ултразвука в композити при промени в умората в структурата дава възможност да се оцени остатъчният му живот [112]. Използвайки такива източници, беше предложена техника на широколентова акустична спектроскопия на нехомогенни структурни материали [1] и експериментално внедрена [112, 113]. Тази техника дава възможност да се получат честотните зависимости на коефициента на затихване и скоростта на ултразвуковите вълни в проба в спектралния диапазон на импулсите на лазерен ултразвуков източник и да се изследва трансформацията на тези зависимости с различни промени в структурата на проби. Например в [112] ефектът от увреждане на умората върху структурата на композитите от фибростъкло, възникващи при циклични и статични натоварвания, върху честотните зависимости на коефициента на затихване на ултразвука в спектралния диапазон 1 ¸ 20 MHz.

Следователно използването на лазерно възбуждане на ултразвук при неразрушаващо изпитване и диагностика на композити е целесъобразно и обещаващо.