Features of application of adaptive interferometric fiber sensors of acoustic emission to monitor the condition of polymer composite materials

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время полимерные композиционные материалы (ПКМ) становятся все более востребованными современной промышленностью. Внимание к этим материалам обусловлено тем, что ПКМ удовлетворяют жестким, порой противоречащим друг другу требованиям, таким как обеспечение малого веса конструкций при сохранении максимальной прочности и упругости, а также надежности и долговечности работы конструкций в тяжелых условиях, в том числе при высоких температурах и в агрессивных средах [1]. Однако при сильных, особенно циклических, механических нагрузках внутренняя структура ПКМ может испытывать необратимые изменения, проявляющиеся в появлении внутри материала пор, трещин, отслоений и других дефектов, что неизбежно влечет собой падение прочностных характеристик материала. С учетом того, что такие изменения могут протекать катастрофически быстро, повышается актуальность разработки экспресс-методов диагностики ПКМ для обеспечения безопасности и надежности их использования.

Одним из перспективных методов диагностики и неразрушающего контроля является метод акустической эмиссии (АЭ), который позволяет обнаруживать и контролировать появление и развитие дефектов и трещин в конструкционных материалах на ранних стадиях. Этот метод использует акустические сигналы, сопровождающие появление внутренних дефектов или структурных изменений материала. За последние годы разработаны множество подходов и алгоритмов анализа данных АЭ для обнаружения и локализации развивающихся дефектов в ПКМ [2—5].

Классические методы регистрации сигналов АЭ базируются на использовании пьезоэлектрических преобразователей (ПЭП) [6]. Высокая чувствительность ПЭП АЭ делает их перспективными для исследования свойств материалов на стадии изготовления или испытания, однако значительный вес, габариты и низкая помехозащищенность ПЭП затрудняют их применение для контроля элементов конструкций непосредственно в процессе эксплуатации последних. Кроме того, значительная экстинкция акустических сигналов в ПКМ обуславливает необходимость использования множества точечных ПЭП для диагностики протяженных элементов и конструкций [7]. В свою очередь, альтернативный подход в построении АЭ систем неразрушающего контроля базируется на основе применения для регистрации сигналов АЭ волоконно-оптических датчиков (ВОД) [8—10]. В отличие от традиционных для АЭ контроля пьезоэлектрических датчиков ВОД имеют ряд преимуществ, таких как малый вес, гибкость, устойчивость к электромагнитным помехам, агрессивным средам и высоким температурам [11]. Кроме того, протяженные ВОД АЭ, обладающие распределенной чувствительностью, способны обеспечить регистрацию акустических сигналов по всей длине укладки датчика на объекте исследования, что в итоге повышает эффективность системы диагностики в целом [12, 13]. При этом сами волоконные световоды, будучи внедренными в ПКМ на стадии его изготовления, могут выполнять не только функцию сенсора, но и армирующего волокна [14, 15], а применение методов адаптивной голографической интерферометрии для детектирования сигналов волоконно-оптических датчиков АЭ [16] открывает перспективы для использования последних в задаче диагностики элементов из ПКМ непосредственно в процессе их эксплуатации.

Вместе с тем механическая нагрузка, под воздействием которой находится ПКМ, может приводить к ухудшению метрологических параметров ВОД, внедренных в структуру композитного материала, и тем самым ограничивать область их применения в задачах неразрушающего контроля. С другой стороны, открытым остается вопрос влияния волоконных световодов, внедряемых в структуру ПКМ, на прочностные свойства последнего. В этой связи в настоящей работе выполнено экспериментальное исследование влияния механических напряжений, возникающих в нагруженном ПКМ, на чувствительность интегрированных в его структуру волоконно-оптических чувствительных сенсоров АЭ. Кроме этого, выполнено исследование влияния плотности укладки ВОД в структуре ПКМ на его механические свойства.

ОБРАЗЦЫ ПКМ И ПРИНЦИП РЕГИСТРАЦИИ АЭ

Образцы ПКМ, использованные в настоящем исследовании, изготавливали методом вакуумной инфузии из стеклоткани марки «СТ-62004», 10 слоев которой пропитывали эпоксивинилэфирной смолой на основе бисфенола А марки «Derakane 411-350». Из полученных таким образом плит ПКМ толщиной 2 мм вырезали полосы шириной 16 мм и длиной 150 мм.

Система регистрации сигналов АЭ в ПКМ основана на использовании волоконно-оптического датчика, чувствительным элементом которого является протяженный кварцевый волоконный световод, интегрированный внутрь композиционного материала на стадии его изготовления. В работе для реализации датчика использовали многомодовый волоконный световод (сердцевина диаметром 62,5 мкм, оболочка — 125 мкм) длиной 1 м, центральную часть которого (15 см) размещали внутри изготавливаемого образца ПКМ вдоль его длинной стороны между 5-м и 6-м слоями стеклоткани.

Оптическая схема системы регистрации АЭ показана на рис. 1. Волны АЭ, генерируемые развивающимися в материале дефектами, распространяясь по образцу ПКМ, воздействуют и на материал волоконного световода, приводя к модуляции фазы проходящего по нему лазерного излучения (длина волны 1064 нм). Далее фазомодулированный объектный световой пучок, полученный на выходе волоконного световода, направляется в фоторефрактивный кристалл теллурида кадмия (CdTe), где его интерференция с опорным пучком приводит к формированию динамической объемной фоторефрактивной голограммы [17]. В свою очередь, взаимодействие объектной и опорной волн на голограмме приводит к преобразованию модуляции фазы объектного пучка в модуляцию его интенсивности, которая регистрируется фотодетектором. Таким образом, использование волоконно-оптического световода в схеме адаптивного голографического интерферометра позволяет обеспечить регистрацию акустических сигналов, возникающих в ПКМ.

 

Рис. 1. Оптическая схема системы регистрации АЭ на основе волоконно-оптического датчика и адаптивного голографического интерферометра

 

Для демонстрации возможности регистрации волоконно-оптической системой акустических сигналов, в оптический тракт объектного пучка посредством калиброванного пьезоэлектрического модулятора вводилась модуляция фазы световой волны на частоте 50 кГц и амплитудой 0,2 рад, что эквивалентно акустическому давлению 50 мПа. На рис. 2 на вставке «тестовый сигнал» показан зарегистрированный при этом выходной сигнал адаптивного интерферометра, отношение сигнал/шум которого составило 6 дБ, что является приемлемым для проведения измерений.

 

Рис. 2. Динамика изменения сигнала в чувствительном элементе ВОД АЭ, интегрированном в образец ПКМ, в процессе его нагружения в схеме трехточечного изгиба

 

РАБОТА ВОД В КОМПОЗИТАХ В НАГРУЖЕННОМ СОСТОЯНИИ

Для того, чтобы определить, насколько оптическое волокно и соответственно ВОД АЭ на его основе, будучи внедренным в ПКМ, способно выдерживать механические нагрузки и обеспечивать при этом эффективную регистрацию волн АЭ, проводились следующие экспериментальные исследования. Образец ПКМ подвергался механическому нагружению на изгиб, при этом с помощью ВОД регистрировались сигналы АЭ, генерируемые возникающими внутри ПКМ дефектами. Для контроля изменений метрологических характеристик самого ВОД, интегрированного в образец ПКМ, а также его устойчивости и надежности, использовался вышеописанный подход с внесением дополнительной фазовой тестовой модуляции (50 кГц, 0,2 рад).

Механические испытания образца ПКМ проводились с использованием трехточечного изгиба на универсальной испытательной машине SHIMADZU AG-X plus с максимальным усилием растяжения—сжатия 10 кН (рис. 3). В процессе испытаний образец ПКМ непрерывно нагружался до момента его разрушения (сила нагружения не менее 155 Н). На рис. 2 представлена осциллограмма сигнала, зарегистрированного ВОД в течение всего периода нагружения образца. Как видно из рисунка, нагрузка начала прикладываться к образцу в момент времени 12 с и увеличивалась со скоростью 1,5 Н/с. Начиная с момента времени 17 с, в образце начался процесс образования дефектов, сопровождающихся генерацией сигналов АЭ, регистрируемых ВОД. На вставке рис. 2 «тестовый сигнал + сигнал АЭ» показана развертка типового сигнала, полученного при испытании одного из образцов. Как видно, уровень зарегистрированного сигнала АЭ значительно превышает уровень тестового сигнала при отношении сигнал/шум не хуже 12 дБ. С момента времени 105 с начинается разрушение образца, которое сопровождается повышением частоты появления единичных событий АЭ, превышающих общий уровень шума. Скорость приращения нагрузки при этом замедляется. В интервале времени 123—130 с происходит разрушение (излом) образца в центральной его части в области приложения изгибающей нагрузки. В связи с тем, что ПКМ имеет волокнистую структуру, полного разрушения образца с разделением на две части не происходит. Разрушенный образец показан на вставке рис. 3. При этом волоконный световод, внедренный в образец, после его разрушения сохранил свою целостность и продолжил функционирование, что подтверждается дальнейшей регистрацией сигналов АЭ. Важно отметить, что флуктуации амплитуды тестового сигнала за весь период измерений не превысили 15 %, что указывает на высокую помехозащищенность ВОД на основе адаптивного голографического интерферометра. Более того, после разрушения образца тестовый сигнал сохранился (см. вставку «тестовый сигнал» в момент времени 133 с), хотя и снизился на 2,4 дБ, что свидетельствует о высокой надежности и отказоустойчивости датчика, способного сохранить работоспособность даже после разрушения образца.

 

Рис. 3. Образец ПКМ с внедренным в его структуру ВОД в процессе испытания на трехточечный изгиб.

 

ОЦЕНКА СТРУКТУРНОЙ ПРОЧНОСТИ ПКМ С ВНЕДРЕННЫМИ ВОД

Внедренные в структуру композиционного материала волоконные световоды сами могут играть роль технологических дефектов, приводящих к искажению структуры слоев, а также способных вызывать локальную концентрацию напряжений и деформации, что в итоге может негативно сказаться на прочностных характеристиках ПКМ. В процессе изготовления композитных материалов область вокруг оптического волокна может заполняться эпоксидной смолой, создавая «смоляные карманы», которые часто являются местами концентрации напряжений при нагрузках. Таким образом, возникает необходимость исследования влияния интегрированных в структуру ПКМ оптоволоконных чувствительных элементов на его механические свойства.

С этой целью был проведен сравнительный анализ результатов механических испытаний по схеме трехточечного изгиба 16-ти десятислойных образцов ПКМ с различным числом (от 0 до 5) встроенных в их структуру стандартных оптических волокон диаметром 125 мкм, а именно: 3 образца без волокон, 4 образца с одним волокном, 4 образца с двумя волокнами и 5 образцов с пятью волокнами. Эффективная плотность укладки оптических волокон в поперечном сечении ПКМ составила: для образцов с одним волокном — 3,3 см⁻², для образцов с двумя волокнами — 6,7 см⁻², для образцов с пятью волокнами — 16,7 см⁻². Как и в предыдущем эксперименте, оптические волокна были интегрированы между 5 и 6 слоями стеклоткани вдоль длинной стороны образцов.

В испытаниях на статический изгиб к образцам прикладывалась возрастающая нагрузка в диапазоне 0—200 Н вплоть до их разрушения. По результатам испытаний определены экспериментальные значения предела прочности образцов с разным числом внедренных волоконных световодов. Анализ полученных результатов (рис. 4) показал отсутствие, в пределах статистической ошибки, закономерной зависимости предела прочности образца ПКМ, при котором происходит его разрушение, от числа встроенных в структуру ПКМ волоконных световодов.

 

Рис. 4. Диаграмма значений предела прочности образцов ПКМ с разным количеством внедренных волоконных световодов при испытании на изгиб

 

Полученные результаты показали, что увеличение плотности укладки в образцах ПКМ волоконных чувствительных элементов не приводит к ухудшению его механических свойств. Возможным фактором, который способствует такому поведению композиционного материала, является использование для его изготовления биаксиальной ткани, обладающей специфической структурой армирования и обеспечивающей наличие достаточного свободного пространства для укладки оптического волокна, что создает условия для его более эффективной интеграции в структуру материала без образования смоляных карманов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, в настоящей работе представлены результаты исследований, направленных на разработку и анализ новых подходов к созданию волоконно-оптических распределенных систем регистрации акустической эмиссии. Установлено, что волоконно-оптические датчики, встроенные в структуру ПКМ в процессе изготовления, сохраняют свою работоспособность при приложении к деформируемому материалу механической нагрузки и обеспечивают регистрацию сигналов АЭ от начала возникновения повреждений в композиционном материале и вплоть до его разрушения. Показано, что при одновременном внедрении в структуру ПКМ нескольких плотно размещенных волоконных световодов, материал сохраняет свои механические свойства и изменения предела прочности, определенного по результатам трехточечного изгиба, не происходит.

Полученные результаты могут быть использованы для развития новых систем неразрушающего контроля элементов ответственных инженерных и технических конструкций непосредственно в процессе их эксплуатации.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант РНФ 21-19-00896).

About the authors

R. V. Romashko

Institute of Automation and Control Processes FEB RAS

Author for correspondence.
Email: romashko@iacp.dvo.ru
Russian Federation, 690041, Vladivostok, Radio street, 5

O. V. Bashkov

Institute of Automation and Control Processes FEB RAS; Komsomolsk-na-Amure State University

Email: bashkov@knastu.ru
Russian Federation, 690041, Vladivostok, Radio street, 5; 681013, Komsomolsk-na-Amure, Prospekt Lenina, 27

T. A. Efimov

Institute of Automation and Control Processes FEB RAS

Email: efimov@iacp.dvo.ru
Russian Federation, 690041, Vladivostok, Radio street, 5

M. N. Bezruk

Institute of Automation and Control Processes FEB RAS

Email: bezmisha@iacp.dvo.ru
Russian Federation, 690041, Vladivostok, Radio street, 5

D. A. Bobruyko

Institute of Automation and Control Processes FEB RAS

Email: bobruyko@iacp.dvo.ru
Russian Federation, 690041, Vladivostok, Radio street, 5

N. V. Makarova

Institute of Automation and Control Processes FEB RAS

Email: makarova@iacp.dvo.ru
Russian Federation, 690041, Vladivostok, Radio street, 5

References

Supplementary files