Способ определения физико-химических характеристик листовых неметаллических композиционных материалов

О П И С А Н И Е (п)930093ИЗОВРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветсникСоциалистичесниаРеспублик(22) Заявлено 08. 10. 80 (21) 2995352/18-25 с присоелиненнеи заявки М С 01 Й 27/22 Ввударстееаыб квинтет СССР ав делан изабретеанй н вткрытнй(7) Заявитель 54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЗИКО-ХИНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЛИСТОВЫХ НЕИЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ ИАТЕРИАЛОВсудить о товерности данны мен ел Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам контроля качества листовых не- металлических композиционных материалов, точнее к способам определения их физико-химических характеристик, и может быть использовано в самолетостроении, судостроении, машиностроении и других областях народного хозяйства. Для определения качества композиционного материала в его технические условия входят так называемые сдаточ ные параметры, каждый из которых определяется в отдельности по существующим нормативным документам.Причем вследствие того, что существующие разрушающие методы определения кажущейся плотности, содержания связующего, пористости предусматривают полное разрушение или сжигание образца, то повторить данное определе 7 ние не представляется возможным и Известен способ определения одной иэ физико-химических характеристик неметаллического композиционного материала путем измерения одного иэ его электро-физических параметров и нахождения корреляционного уравнения связи между этими физико-химическими характеристиками и его электро-физическими свойства- ми, например определение содержания связующего на основе корреляционной связи между скоростью ультразвуковых колебаний и содержанием связую- щего, определение пористости на основе корреляционной, связи между диэлектрической проницаемостью и пористостью и определение содержания связующего на основе корреляционной связи между диэлектрической проницаемостью и содержанием связующего 11.Однако для нахождения корреляционной связи необходимы образцы неме3 93009 таллического композиционного материала с изменяющимся в заданных пределах контролируемом параметром (например, плотности) и постоянными другими параметрами (например содер- .3 жание смолы в материале, его пористость), ыа практике трудно осуществимо.Кроме того, в известном способе отсутствует комплексное определение О нескольких физико-химических характеристик.Наиболее близким решением из известных является способ определения физико-химицеских характеристик 13 неметаллицеских композиционных материалов, заклюцающийся в измерении диэлектрической проницаемости,включающий измерение двух или более электро-физических свойств материала, 2 О которые коррелируют с одной из его физико-химической характеристикой, находят корреляционное уравнение связи и по нему рассчитывают определенную физико-химическую характеристику.Например, для стеклопластика на основе хаотического рубленого стекловолокна и фенолформальдегидного связующего был произведен анализ ста- в тистической связи между пористостью материала и электро-физическим свойством, диэлектрической проницаемостью ( Е ), На основе корреляционного анализа находят корреляционные уравнения, Для определения пористости материала должна быть измерена диэлектрическая проницаемость и по найденным уравнениям определяют искомую характеристику 2.Мотя множественная корреляция существенно повышает надежность статистической связи по сравнению с единичной, однако этот способ имеет недостатки, заклюцающиеся в высокой45 трудоемкости, так как требуется для нахождения корреляционных уравнений проводить обработку большего статистического массива, сложность изготовления образцов с одним изменяющимЯ ся параметром, в то время как другие должны быть постоянны, определении только одного из комплекса сдаточных параметров.(4) где Чд- кажущаяся плотность мате-, риала; Цель изобретения - упрощение 5 контроля физико-химических характеристик неметаллических композиционных материалов. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения физико-химических характеристик листовых композиционных материалов, основанном на измерении их электрофизицеских свойств, измеряют диэлектрическую проницаемость массы единичной площади наполнителя, толщину материала и по номограмме определяют комплекс физико-химических характеристик композиционного материала: кажущуюся плотность материала, содержание связующего, пористость.Способ осуществляется следующим образом.Для листового неметаллицеского композиционного материала можно сос. тавить уравнение объемного баланса1) где- коэффициент заполнениянединицы объема неметаллического композиционного материала наполнителем;коэффициент заполнениясединицы объема неметаллиЧЕСКОГО КОМПОЗИЦИОННЬГОматериала, связующим;пористость композиционного материала и уравнение весовогб баланса,где щ - масса материала в единицеМобъема;щ - масса наполнителя в единиНце объема;щ - масса связующего в единицесобъема;щ - масса воздуха в единицеЬобъема.Считая щв 0, уравнение (2) имеет следующий вид: мн с(3)Массу единичного объема композиционного материала, а также его составляющих можно представить следующим образом930093 6напол- Физико-химическими характеристиками,т.е. на номограмме можно построитьсвя" семейство изолиний диэлектрическойпроницаемости. Измеряя диэлектривид 5 ческую проницаемость и, определивкажущуюся плотность наполнителя пу(5)тем измерения массы 1 м наполнителя и толщину материала, можно найти точку на номограмме, характери 10 зующуюся также комплексом Физико-химических характеристик композиционного материала(РЧтКм 1 См 1)На чертеже приведены номограммысвязующей кажущуюся плотность, со 1 держание связующего и пористостькомпозицибнного материала.В выбранном масштабе строится пор= (" р Рчн р Рсl квадрат, одна сторона которого Тбк)равна плотности одной из компоненттрехкомпонентного композиционногоматериала с максимальной плотностью.В.предлагаемом конкретном случае - плотность наполнителя (стекла) 5Дчн - кажущаяся плотностьнителя;- кажущаяся плотностьзующегоТогда уравнение (3) примет 9 чм = 9 чн 9 чс Содержание связующего определяется уравнением где 1 н - плотность наполнителя; 20- плотность связующего.На основании уравнений (6) и (7)а также экспериментальных данных можно построить номограмму, связывающую физико-механические характеристики композиционных материалов в координатах 9 чм 1 Рчн 1 См порОднако между кажущейся плотностью наполнителя и толщиной листового материала существует взаимосвязь, З 0 поясняющая следующими выкладками.(9) 2 где Я = 1 см - единичная площадь листового материала 45 11 - толщина одного слоя наполнителя. Подставляя (9) в (8) получаемЛиния бм - линия двухкомпонентного материала: связующее - воздуххарактеризует изменение его плотности от О до 1,4 г/см.Проводится линия щд, которая характеризует изменение плотностидвухкомпонентного материала связующее - наполнитель от 1,4 г/смз(100связующего, ОФ наполнителя) до2,5 г/см(1003 наполнителя, 0связующего).Проводится линия бд, которая характеризует изменение плотностидвухкомпонентного материала наполнитель - воздух от 2,5 г/см (1 ООФнаполнителя, ОФ пористости) до щм чн 5 113 Ъс 100 Рчм Рчн,10 (6)Рчм УчаНа основании (1), (2) и (3) пористость материала Каждая точка на номограмме,кроме физико-химических характеристик . может характеризоваться также электро-физическими (например диэлектрической проницаемостью), причем существует целый ряд точек, обладающих одной и той же диэлектрической проницаемостью но различными Другая сторона (бс) в этом же масштабе - равна плотности всего ма. териала С рчм)В связи с тем, что при содержании наполнителя равном нулю и содержании связующего равном 100 плотность материала (Чм) равна плотности связующего (Дчс), то на стороне откладывается плотнЬсть второй компоненты (точка И) .В конкретном случае - плотность связующего (отвержденного бакелитового лака)930093 30 40 7О г/см 3(100 пористости, ОЖ наполнителя).Треугольник бмд характеризует свойства трехкомпонентного материала "наполнитель-связующее-воздух" 5 при различных соотношениях компонент.Пользуясь формулой (6), можно построить изолинии содержания связующего, выходящие. из точки А и 10 разбивающие линию сд на участки, соответствующие процентному содержайию связующего в выбранном масштабе.Задаваясь поочередно одним значением содержания связующего (С) и различными значениями кажущейся плотности наполнителя (он),из формулы (6) можно найти значения кажущейся плотности материалаум). Каждое из этих вычислений позволяет 30 найти на диаграмме одну точку изолинии для заданного содержания связующего. Затем эти точки соединяются,Подобным образом строятся и другие изолинии содержания связующе го,. которое может изменяться от 0 до 1 ООЖ.Из формулы (6) видно, что в предельных случаях при ун = 0 С =100, при уц"-ум"-мо 1(С = 0Пользуясь формулой (7) можно построить изолинии пористости.Для этого преобразуется формула (7), учитывая, что9 чс. Ьм- Рун35 кнор рРчн Я(9 чюа-РчнЯОО (Э( В формуле (8) рн и рс плотностьнаполнителя и связующего (табличныеданные) И = 2,5 г/см ; р1,4 г/см.3,Задаваясь поочередно одним значением пористости (П) и различными значениями кажущейся плотностинаполнителя ( уИ ) из формулы (8)можно найти значения кажущейся плотности материала ( 9 ум ). Каждое изэтих вычислений позволяет найти на50номограмме одну точку изолинии пористости. Затем соединяются этиточки.Подобным образом строятся другиеизолинии пористости, задаваясь ееразличными значениями от 0 до ООЖ, ф55Построение изолиний диэлектрической проницаемости производится аналогично,Для этого неразрушающими методами измеряется диэлектрическая проницаемость и две физико-химическиххарактеристики (например уд и рн )контролируемого материала. Эти измерения проводятся на большом количестве образцом, Затем из полученного массива данных выбираются данныеобразцов с одинаковой диэлектрической проницаемостью Г Е ) и различными физико-химическими характеристиками. Данные каждого из этих образцов позволяют по двум физико-химическим характеристикам ( )(ум и 9 чн) по номограмме найти одну точку изоляции.Соединяя на диаграмме точки с одинаковой , получается изолиния диэлектрической проницаемости. Аналогично строится все семейство изолиний. диэлектрической проницаемости.Номограмма для пересчета толщины контролируемого материала и массы 1 единичной площади наполнителя в его кажущуюся плотность строится на основании уравнения 10. Она представляет собой квадрат, размер которого аналогичен размерам номограммы,сторона бк является общей для двух номограмм, а изолинии толщины строятся путем подстановки в уравнение 10 значений массы единичной площади наполнителя.Для неметаллического композиционного материала, армированного объемно-плетенной тканью МКТ,25, пропитанной связующимфЛБС, по экспериментальным и расчетным данным предварительно построена номограмма связующая физико-химические и диэлектрические проницаемости неметаллического композиционного материала. На основании экспериментальных данных на диаграмме построено семейство изолиний одного из физических параметров, диэлектрической проницаемости.В качестве исходных данных приняты диэлектрическая проницаемость масса 1 см наполнителя и толщина листового материала.Измеряют диэлектрическую проницаемость с помощью измерителя диэлектрической проницаемости "ИДП", толщину материала с помощью стандартного толщиномера или измерительной скобы, массу 1 смф наполнителя,По номограмме определяют физико- химические характеристики данного9 930093материала, содержание в нем связующего и его пористость.Использование предлагаемого способа обеспечивает упрощение контро.- ля физико-химических характеристик йеметаллических листовых композиционных материалов. 10л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью упрощения определения, дополнительно измеряют массу единичной площади наполнителя, толщину контролируемого материала и по номограмме определяют кажущуюсяплотность материала, содержание связующего и пористость.формула изобретения 30 Способ определения физико-химических характеристик листовых не- металлических композиционных материалов, заключающийся в измерении ди 1 з электрической проницаемости, о тИсточники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Потапов А.И. и др. Неразрушающий контроль конструкций из композиционных материалов. Л., "Машиностроение", 1977, с. 121-138.2. Там же,с. 161 (прототип).