Научная статья на тему 'Молниезащита и встроенный контроль для конструкций из ПКМ'

Молниезащита и встроенный контроль для конструкций из ПКМ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
461
377
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Журнал
Труды ВИАМ
ВАК
RSCI
Ключевые слова
КОМПОЗИЦИОННЫЙ КОНСТРУКЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ / УГЛЕПЛАСТИК / ПОЛИМЕРНЫЕ СВЯЗУЮЩИЕ / НАНОЧАСТИЦЫ / МОЛНИЕЗАЩИТНОЕ ПОКРЫТИЕ / МОЛНИЕСТОЙКОСТЬ / ВСТРОЕННЫЙ КОНТРОЛЬ / ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ СЕНСОР / ВОЛОКОННАЯ БРЭГГОВСКАЯ РЕШЕТКА / УДАРНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ / COMPOSITE STRUCTURAL MATERIAL / CARBON FIBER / POLYMER RESIN / BUILT-IN MONITORING / FIBER OPTIC SENSOR / FIBER BRAGG GRATING / IMPACT

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Гуляев И. Н., Гуняева А. Г., Раскутин А. Е., Федотов М. Ю., Сорокин К. В.

Рассмотрены аспекты повышения надежности и безопасности применения полимерных композиционных конструкционных материалов в элементах конструкций летательных аппаратов. Освещена проблема защиты от молниевых разрядов конструкций из углепластиков, выходящих на внешнюю поверхность летательного аппарата, изложены принципы создания конструкционных молниезащитных покрытий из полимерных композиционных материалов и приведены результаты исследований по их разработке на основе структурных компонентов полимерных композиционных материалов, которые могут входить в расчетную силовую схему конструкции из углепластика. Молниезащитное покрытие представляет собой слой углепластика на основе тканной армирующего наполнителя и теплостойкого полимерного связующего, модифицированный углеродными наночастицами, основными преимуществами которого в сравнении с применяемыми в настоящее время бронзовыми сетками является: снижение площади поражения с 65 см2 до 4 см2; отсутствие увеличения веса конструкции при нанесении

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Гуляев И. Н., Гуняева А. Г., Раскутин А. Е., Федотов М. Ю., Сорокин К. В.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Lightning protection and built-in control for structures made of polymer composites

The research into the aspects of improving the reliability and safety of the polymer composite structural materials in structural elements of aircraft is carried out. The problem of protecting structures against lightning discharges of carbon fiber reinforced plastics onto the outer surface of the aircraft is covered, principles of structural lightning protection coatings made of polymeric composites are stated and the results of research to develop them on the basis of the structural components of the polymeric composite materials which may be incorporated in the estimated power circuit design of carbon fiber is widely covered. Lightning coating is a layer of woven carbon fiber-based heat-resistant reinforcing filler and binder polymer-modified carbon nanoparticles, the main advantages of which in comparison with the currently used bronze grids is: lower area of the lesion with 65 cm 2 to 4 cm 2, the lack of weight gain during the application design lightning protection coverage, except corrosion processes at the interface of bronze mesh, carbon fiber, incorporating layers of lightning protection coating power circuit design of the product, the ability to repair lightning protection coverage in the event of lightning. Possibilities of internal controls structural elements of the polymer composite material, including impact shock due to integration in the structure of optical sensors with Bragg gratings are presented. Examples of the manufacture of such materials are given, as well as the experiment with integrated fiber Bragg gratings to monitor building structures and as a road load indicator.

Текст научной работы на тему «Молниезащита и встроенный контроль для конструкций из ПКМ»

ВИАМ/2013-Тр-04-11 св

УДК 678.8

МОЛНИЕЗАЩИТА И ВСТРОЕННЫЙ КОНТРОЛЬ ДЛЯ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ПКМ

И.Н. Гуляев

кандидат технических наук

А.Г. Гуняева

А.Е. Раскутин кандидат технических наук

М.Ю. Федотов

К.В. Сорокин

Апрель 2013

Всероссийский институт авиационных материалов (ФГУП «ВИАМ» ГНЦ)

- крупнейшее российское государственное материаловедческое предприятие, на протяжении 80 лет разрабатывающее и производящее материалы, определяющие облик современной авиационно-космической техники. 1700 сотрудников ВИАМ трудятся в более чем тридцати научноисследовательских лабораториях, отделах, производственных цехах и испытательном центре, а также в четырех филиалах института. ВИАМ выполняет заказы на разработку и поставку металлических и неметаллических материалов, покрытий, технологических процессов и оборудования, методов защиты от коррозии, а также средств контроля исходных продуктов, полуфабрикатов и изделий на их основе. Работы ведутся как по государственным программам РФ, так и по заказам ведущих предприятий авиационно-космического комплекса России и мира.

В 1994 г. ВИАМ присвоен статус Государственного научного центра РФ, многократно затем им подтвержденный.

За разработку и создание материалов для авиационно-космической и других видов специальной техники 233 сотрудникам ВИАМ присуждены звания лауреатов различных государственных премий. Изобретения ВИАМ отмечены наградами на выставках и международных салонах в Женеве и Брюсселе. ВИАМ награжден 4 золотыми, 9 серебряными и 3 бронзовыми медалями, получено 15 дипломов.

Возглавляет институт лауреат государственных премий СССР и РФ, академик РАН, профессор Е.Н. Каблов.

Статья подготовлена для опубликования в журнале «Труды ВИАМ», №4, 2013 г.

УДК 678.8

И.Н. Гуляев, А.Г. Гуняева, А.Е. Раскутин, М.Ю. Федотов, К.В. Сорокин МОЛНИЕЗАЩИТА И ВСТРОЕННЫЙ КОНТРОЛЬ ДЛЯ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ПКМ

Рассмотрены аспекты повышения надежности и безопасности применения полимерных композиционных конструкционных материалов в элементах конструкций летательных аппаратов. Освещена проблема защиты от молниевых разрядов конструкций из углепластиков, выходящих на внешнюю поверхность летательного аппарата, изложены принципы создания конструкционных молниезащитных покрытий из полимерных композиционных материалов и приведены результаты исследований по их разработке на основе структурных компонентов полимерных композиционных материалов, которые могут входить в расчетную силовую схему конструкции из углепластика. Молниезащитное покрытие представляет собой слой углепластика на основе тканной армирующего наполнителя и теплостойкого полимерного связующего, модифицированный углеродными наночастицами, основными преимуществами которого в сравнении с применяемыми в настоящее время бронзовыми сетками является: снижение площади поражения с 65 см2 до 4 см2; отсутствие увеличения веса конструкции при нанесении молниезащитного покрытия; исключение протекания коррозионных процессов на границе раздела бронзовая сетка-углепластик; включение слоев молниезащитного покрытия в силовую схему конструкции изделия; возможность проведения ремонта молниезащитного покрытия в случае поражения молнией. Также рассмотрены возможности осуществления встроенного контроля в элементах конструкций из полимерного композиционного материала, в том числе ударных воздействий, за счет интегрирования в структуру оптоволоконных сенсоров с брэгговскими решетками. Приведены примеры изготовления подобных материалов, а также приведен опыт применения углепластиков с интегрированными брэгговскими решетками для мониторинга строительных конструкций и в качестве дорожного индикатора нагрузки.

Ключевые слова: композиционный конструкционный материал, углепластик, полимерные связующие, наночастицы, молниезащитное покрытие,

молниестойкость, встроенный контроль, волоконно-оптический сенсор, волоконная Брэгговская решетка, ударное воздействие

LIGHTNING PROTECTION AND BUILT-IN CONTROL FOR STRUCTURES MADE OF POLYMER COMPOSITES

The research into the aspects of improving the reliability and safety of the polymer composite structural materials in structural elements of aircraft is carried out. The problem of protecting structures against lightning discharges of carbon fiber reinforced plastics onto the outer surface of the aircraft is covered, principles of structural lightning protection coatings made of polymeric composites are stated and the results of research to develop them on the basis of the structural components of the polymeric composite materials which may be incorporated in the estimated power circuit design of carbon fiber is widely covered. Lightning coating is a layer of woven carbon fiber-based heat-resistant reinforcing filler and binder polymer-modified carbon nanoparticles, the main advantages of which in comparison with the currently used bronze grids is: lower area of the lesion with 65 cm2 to 4 cm2, the lack of weight gain during the application design lightning protection coverage, except corrosion processes at the interface of bronze mesh, carbon fiber, incorporating layers of lightning protection coating power circuit design of the product, the ability to repair lightning protection coverage in the event of lightning. Possibilities of internal controls structural elements of the polymer composite material, including impact shock due to integration in the structure of optical sensors with Bragg gratings are presented. Examples of the manufacture of such materials are given, as well as the experiment with integrated fiber Bragg gratings to monitor building structures and as a road load indicator.

Keywords: composite structural material, carbon fiber, polymer resin, built-in monitoring, fiber optic sensor, fiber Bragg grating, impact

В XXI веке углепластики становятся основным конструкционным материалом для авиационной техники гражданского назначения. Зарубежные фирмы такие как «Airbus» и «Boeing» работают над задачей повышения объема применения углепластиков до 60% от массы конструкций. Российские авиастроители, также стремятся увеличить объемы элементов конструкций выполняемых из углепластиков в своих новых машинах «ОАО» Сухого» в SSJ NG и корпорация «Иркут» в МС-21. Решение этой задачи вполне реально, учитывая свойства и качество углепластиков, их стоимость, экономичность в производстве и развитие технологий и оборудования. На сегодняшний день фирма

«Airbus» является лидером по применению ПКМ в конструкции самолета A350 - 53% от массы планера.

Увеличение объемов применения углепластиков в силовых и высоконагруженных ответственных конструкциях, требует новых подходов в обеспечении надежности и безопасности эксплуатации авиационной техники.

Важной проблемой, связанной с обеспечением надёжности эксплуатации самолетов, является обеспечения молниезащищенности самолетных конструкций из углепластиков выходящих на внешнюю поверхность аэродинамического контура, доля которых в планере составляет более 30 % масс.

Конструкционные углепластики являются слабыми проводниками (их сопротивление на 3-4 порядка выше, чем у металлов), незащищенные углепластиковые конструкции при поражении молнией получают повреждения, недопустимые по ресурсным и эксплуатационным требованиям. Применение конструкционных углепластиков в конструкции летальных аппаратов возможно только при условии их молниезищищенности [1-3].

Наиболее подвержены ударам молний концевые участки летательных аппаратов (ЛА): носовая часть, законцовки крыльев, руля высоты и стабилизатора, антенны, гондолы двигателей и т. п. В связи с тем, что воздействие молнии на поверхности летательного аппарата неодинаково, всю поверхность планера условно подразделяют на три зоны. Зона А (зона прямых разрядов молнии) - это поверхности летательного аппарата, для которых существует высокая вероятность первоначальных (прямых) разрядов молнии и на которые воздействуют токи с максимальными параметрами (1=200 кА, Q = 200 Кл); Зона В (зона смещающихся или скошенных разрядов) - это поверхности летательного аппарата, для которых существует высокая вероятность перемещения разрядов из зоны 1. Интенсивность токов молнии в этой зоне несколько ниже, чем в зоне А (1=200 кА, Q = 20 Кл). Зона С - поверхности летательных аппаратов, не вошедшие в зоны А или В.

При поражении молнией металлических конструкций, повреждения носят, как правило, локальный характер и имеют вид кратеров или сквозных отверстий, образующихся в результате плавления или сублимации сплавов. Например, дюралевая обшивка толщиной 1 мм при прямом попадании молнии получает повреждения в виде сквозного отверстия диаметром 6 мм.

В отличие от металлов, углепластик получает повреждения в виде сквозного пробоя, расщепления и растрескивания на десятки сантиметров от канала разряда, эрозии и расслоения материала и, как следствие, отрыв слоев в потоке воздуха при полете. Такой

характер разрушения объясняется термической природой процесса, обусловливающей взрыв материала продуктами деструкции связующего.

Для современных летательных аппаратов разработаны различные варианты защиты от молнии. Все существующие системы молниезащиты заключаются в обеспечении близких (по отношению к свойствам металлических конструкций) величин поверхностной электро- и теплопроводности. Достигается это путем нанесения на поверхность углепластиковых обшивок сплошных или дискретных металлических молниезащитных покрытий (МЗП). Используются, в частности, молниезащитные системы на основе приклеенной фольги или напыленных металлов (алюминий, медь, никель), медных или алюминиевых шин, сеток. При этом такие параметры, как, например, толщина покрытия, шаг шин, диаметр проволоки и величина ячейки, выбираются в зависимости от возможного характера воздействия молнии на конкретный агрегат [4].

Большинство применяемых до настоящего времени вариантов защиты имеют весьма ограниченные возможности. Практически ни одна из молниезащитных систем не отвечает в полном объеме требованиям норм летной годности по молниестойкости, весовой эффективности, аэродинамическим характеристикам, эксплуатационной надежности.

Во ФГУП «ВИАМ» в течение ряда лет проводятся исследования по созданию молниезащитных покрытий входящих в структуру углепластиков. Данные исследования позволили сформулировать требования к физическим свойствам молниестойкого материала и основные принципы конструкционных МЗП для углепластиков:

1. Дробление канала молнии (увеличение точек привязки);

2. Повышение электропроводности поверхностного слоя;

3. Повышение температуры деструкции матрицы;

4. Создание многовекторности растекания электрического разряда:

- Включение в работу 2-го слоя ткани;

- Создание трансверсальной электропроводности;

5. Включение МЗП в расчет прочности и жесткости.

Итогом исследований явилось создание молниезащитных углеродных покрытий, обладающих способностью к дроблению канала молнии, высокими значениями проводящих характеристик, высокой теплостойкостью материала, ограничивающих степень его разрушения.

Преимущества МЗП на основе углеродного наполнителя, содержащего наноразмерные частицы [5-7]:

1. Снижение площади поражения с 65 см2 (отслоение бронзовой сетки) до 4 см2 (эрозия связующего);

2. Отсутствие увеличения веса конструкции при нанесении МЗП на основе углеродного наполнителя с УНЧ (при нанесении бронзовой сетки привес составляет 80-310 г/м2);

3. Исключение протекания коррозионных процессов на границе раздела Бронзовая сетка-Углепластик;

4. Включение слоев МЗП с УНЧ в силовую схему конструкции изделия (механические свойства МЗП с УНЧ аналогичны свойствам углепластика силовой части конструкции, а МЗП из бронзовой сетки используется только для молниезащиты);

5. Возможность проведения ремонта МЗП с УНЧ в случае поражения молнией (восстановить сплошность МЗП из бронзовой сетки невозможно).

Другим новым направлением повышения безопасности и надежности эксплуатации углепластиковых конструкций является переход от традиционных материалов к материалам нового типа - информкомпозитам. Информкомпозиты - материалы с интегрированными сенсорами. Одними из видов перспективных сенсоров являются волоконно-оптические датчики. Это датчики физических величин на основе решеток показателя преломления Брэгга. Являясь датчиками деформации, они так же могут выполнять роль датчиков температуры [8-9].

В странах ЕС и США успешно реализован целый ряд пилотных проектов по внедрению и эксплуатации систем контроля состояния механизмов, агрегатов и конструкций, подвергающихся механическим и тепловым нагрузкам различного характера с применением волоконных брэгговских решеток (ВБР). В частности, такие системы прошли успешные испытания для контроля состояния автомобильных и железнодорожных мостов, линий электропередач; для измерения распределения механических нагрузок в конструктивных материалах лопастей вертолетов и крыльев самолетов. Во многих случаях (особенно если речь идет о распределенных измерениях в условиях повышенной взрыво- и пожароопасности, об удаленной регистрации стационарных и динамических процессов) отмечается отсутствие альтернативных способов измерения. Уже сейчас авиационными властями США принято решение, что с 2017 года в стране не будет эксплуатироваться ни один самолет, который не будет иметь в конструкции крыла оптоволоконные датчики с брэгговскими решетками.

Во ФГУП «ВИАМ» проводятся исследования по созданию и совершенствованию информкомпозитов, в том числе с интегрированными оптоволоконными сенсорами на

основе решеток Брэгга [10-13]. Разработана технология изготовления углепластика с интегрированными оптоволоконными сенсорами, позволяющая сохранить стабильность работы датчика при изготовлении и эксплуатации. Проведены исследования чувствительности опто-волоконной системы, в том числе в процессе ударного воздействия на углепластик.

Разработанная система встроенного контроля на основе оптоволоконных Брэговских решеток опробована для контроля деформаций в строительных конструкциях и для мониторинга нагрузки на дорожное полотно.

ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» ГНЦ РФ

«Молниезащита и встроенный контроль для конструкций из ПКМ»

Докладчик: к.т.н. Гуляев И.Н,

Применение ПКМ в гражданской авиационной

технике

Boing 787

Airbus A380

Применения ПКМ в российской гражданской

авиационной технике

Проекты Бви N6 и МС 21

Повышение надежности и безопасности полетов!

Поражаемость молнией конструкции планера самолета

Образец алюминиевого сплава толщиной 2 мм после воздействия токов молнии с параметрами 1=200 кА, Q = 200 Кл (зона А)

21?.

■ - Зона А - прямых первоначальных разрядов молнии;

- Зона В - с высокой вероятностью перемещения разряда;

□ - Зона С - в которой не отмечаются точки первоначального контакта молнии - пути протекания тока молнии по корпусу самолета.

Образец алюминиевого сплава толщиной 2 мм после воздействия токов молнии с параметрами 1=200 кА, Q = 20 Кл (зона В)

Способы защиты конструкций из ПКМ от попадания молниевого разряда:

- нанесение на поверхность углепластиковых обшивок сплошных или дискретных металлических МЗП:

- алюминиевая фольга или напыленные металлы (алюминий, медь, никель);

- медные и алюминиевые шины;

- бронзовая сетка.

Принципы создания конструкционных молниезащитных покрытий для ПКМ

Принципы создания конструкционных МЗП для углепластиков:

1. Дробление канала молнии (увеличение точек привязки);

2. Повышение электропроводности поверхностного слоя;

3. Повышение температуры деструкции матрицы;

4. Создание многовекторности растекания электрического разряда:

- Включение в работу 2-го слоя ткани;

- Создание трансверсальной электропроводности;

5. Включение МЗП в расчет прочности и жесткости.

Молниезащитный

конструкционный

углепластик

(МКУ)

Слои тканной структуры Ориентация слоя О0

Ориентация слоя 450

однонаправленного углепластика с требуемой ориентацией

МКУ ОКУ

Температура стеклования, Т§ Электропроводность, о ТеплопроводностьД

;Гд1>

А« ^ А»

Преимущества МЗП на основе углеродного наполнителя, содержащего наночастицы:

1. Снижение площади поражения с 65 см2 (отслоение бронзовой сетки) до 4 см2 (эрозия связующего);

2. Отсутствие увеличения веса конструкции при нанесении МЗП на основе углеродного наполнителя с УНЧ (при нанесении бронзовой сетки привес составляет 80-310 г/м2);

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

3. Исключение протекания коррозионных процессов на границе раздела Бронзовая сетка-Углепластик;

4. Включение слоев МЗП с УНЧ в силовую схему конструкции изделия (механические свойства МЗП с УНЧ аналогичны свойствам углепластика силовой части конструкции, а МЗП из бронзовой сетки используется только для молниезащиты);

5. Возможность проведения ремонта МЗП с УНЧ в случае поражения молнией (восстановить сплошность МЗП из бронзовой сетки невозможно).

рочность при сжатии I сдвиге

Водостойкость

200%

Ударная

стойкость

145%

180%

Ресурс

эксплуа

15 0%

Остаточная

прочность

К вар

Толпивостойкость

Свойства молниезащитных слоев градиентного угленанокомпозита, содержащих наномодификаторы на отечественных и зарубежных равнопрочных тканях

Свойства Ткань УТ-900-3к

без н.ч. с н.ч. квоты превосходства [%]

Предел прочности при сжатии, МПа 620 710 ‘5

Предел прочности при межслойном сдвиге, МПа 40 48 20

Температура стеклования, ОС 180 200 11

Водопоглощение за 30 суток 1,12 0,52 300

Молниестойкость, балл 3 9 200

Предел прочности при растяжении, МПа 580 590 2

Модуль упругости при растяжении, ГПа 72 72 0

Ткань Porcher Ind. Арт. 3692

без н.ч. с н.ч.

680 750

48 56

180 200

- -

4 9

930 940

68 68

квоты превосходства [%]

Методика испытания образцов на молниестойкость

Алюминиевая

пластина

Удар молнии

Металлическая

пластина

Схема нагружения образцов током молнии

Л

Образец

Устройство коаксиального подвода тока молнии к образцу

Компонента А - импульс главного разряда максимальное значение тока 1г=200 кА ± 5%

длительность фронта Тфа=50мкс;

средняя крутизна тока К=4кА;

длительность импульса Т=175мкс;

Компонента С - постоянная составляющая тока:

максимальное значение тока длительность импульса тока на уровне 0,51г длительность импульса тока на уровне 0,11п переносимый заряд

1П=700А;

Т0,5пс=30мС

Т0,1пс=85мС;

д=21Кл ± 5%.

2

3

1

1 - образец углепластика; 2 - алюминиевая пластина; 3

- разрядный промежуток; 4 - токоподводящий электрод; 5 - заземленная металлическая пластина;

6 - токопроводящие стержни.

лицевая сторона

обратная сторона

Типичные зоны поражения углепластика при воздействии тока с

параметрами 1=200 кА, 0=20Кл :

-сквозной пробой материала;

-отслоение и унос поверхностных слоев;

-сквозные трещины;

-расслоение материала, определенное методом УЗК.

б)

Сквозной пробой и расщепление слоев

Разрушение волокна вблизи эпицентра удара

Трещины

Образец стеклопластика толщиной 2,5 мм после воздействия токов молнии с параметрами 1=200 кА, О = 20 Кл (зона В)

Образец органопластика толщиной 2,5 мм после воздействия токов молнии с параметрами 1=200 кА, О = 20 Кл (зона В)

Типичные зоны поражения образцов молниезащитного конструкционного углепластика

Образец углепластика с МЗП без наномодификатора после воздействия токов молнии с параметрами !=200 кА, Q = 20 Кл

(зона В)

Обратная сторона образца углепластика эрозия связующего (сквозных прогаров) вдоль волокон углеродного наполнителя

Типичные зоны поражения образцов (образец с МЗП)

а)

Типичные зоны поражения углепластика с МЗП при воздействии тока с параметрами 1=200 кА, Q=20Кл :

4-расслоение материала, определенное методом УЗК;

5- обессмоливание и отслоение верхнего слоя ткани.

Сравнение ПКМ без и с молниезащитным покрытием (МЗП)

Воздействие зарядов молний с параметрами 1=200 кА и 0=20 Кл

Разрушение

поверхностного и

~ с « последующих слоёв

Сквозной пробои к а

образца площадью площадью 75 см2 16 см2

Углекомпозит без МЗП

Выгорание бронзовой сетки и разрушение углеродного материала на площади 12 см2

Отслоение Растрескивание и

бронзовой сетки на разрывы бронзовой площади 65 см2 сетки

Углекомпозит с традиционным МЗП

(бронзовая сетка)

Углекомпозит с МЗП (содержащий наночастицы)

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Повышение электропроводности поверхностного слоя и создание | трансверсальной электро- и |

теплопроводности.рРРРРРРРРРРРРРРРРРРИИ

Сохранение прочности молниезащитного слоистого градиентного углепластика в различных участках зоны поражения

№ п/п Параметры тока при высоковольтных испытаниях Сохранение прочности, %

Расстояние от эпицентра поражения, мм

0 10 20 30 40 50

1 1=200 кА, О=20Кл 65 78 84 97 98 100

2 1=200 кА, 0=200Кл (единичный образец) 63 76 80 97 98 100

3 !=200 кА, 0=0Кл 85 - - 95 100 100

Интеллектуальные полимерные композиционные материалы для умных конструкций

Самоадаптирующиеся полимерные композиционные материалы.

Материал осуществляет перераспределение нагрузок в конструкциях в зависимости от условий эксплуатации

Информкомпозиты - материалы с интегрированными сенсорами .

Материалы для изготовления «умных» конструкций с функцией мониторинга за деформациями . температурой.

Обладает высокой чувствительностью к деформации 0,0001%, помехозащищенностью и коррозии

Механокомпозиты - материалы с обратной противодействующей связью.

Материалы для изготовления «умных» конструкций с функциями мониторинга за деформациями, температурой и активного противодействия внешним силам на основе актюаторных элементов.

Могут быть применены для замены механических узлов (рули, заслонки), для активного гашения вибраций и перераспределения механических напряжений в конструкциях.

«Разработка методов встроенного контроля и оценки ресурсных характеристик высоконагруженных элементов конструкции планера самолета из полимерных композиционных материалов в процессе эксплуатации»

Авиационными властями США принято решение, что с 2017 года в стране не будет эксплуатироваться ни один самолет, который не будет иметь в конструкции крыла

оптоволоконные датчики с брэгговскими решетками

400 электрических тензодатчиков 3000 оптоволоконных сенсоров на

брэгговских решетках

Основные достоинства волоконно-оптических сенсорных систем:

^ Абсолютная электромагнитная помехоустойчивость

^ Взрыво-/пожаро-безопасность

^ Минимальное энергопотребление при значительной удаленности от точки измерений

^ Высокая технологичность, возможность интегрирования в материал конструкции на стадии изготовления

^ Высокая коррозионная стойкость и работоспособность в агрессивных внешних условиях

^ Высокая степень защищенности информации от несанкционированного доступа

ПКМ с функцией встроенного контроля на основе оптических волокон

Технологическая схема изготовления ПКМ с функцией самодиагностики

Оптическое волокно с ВБР (диаметр волокна 200 мкм, диаметр сердцевины 9 мкм, период ВБР от 300 до 600 нм)

Раскрой препрега

Выкладка препрега и укладка оптического волокна с ВБР

Формование датчика

ПКМ с функцией самодиагностики

Устройство регистрации I-MON 5^

ФГУП «ВИАМ» разработал технологию изготовления ПКМ с функцией самодиагностики с включением оптических волокон, позволяющую сохранить стабильность работы датчика при изготовлении и эксплуатации. Применение датчиков при изготовлении высоконагруженных конструкций изделий авиационного машиностроения, строительной индустрии и в других отраслях промышленности позволяет осуществлять:

•Непрерывный контроль напряженно-деформированного состояния конструкций в процессе эксплуатации

•Контроль ударных воздействии, вибрации конструкций •Контроль температуры

Углепластик с интегрированной в структуру опто-волоконной системой

Образец углепластика с опто-волоконной системой на основе ВБР

Изменение длинны волны в брэгговских решетках в зависимости от интенсивности ударного

воздействия

ВБР регистрируют ударное воздействие на расстояние до 100-150 мм

Осуществление мониторинга строительных конструкций

удаление до 15 - 20 км

Обеспечивает:

Точность: 0,001 % деформации периодичность: непрерывный мониторинг

Общий вид углепластика с введенными волоконно-оптическими сенсорными элементами на основе брэгговских решеток под ребром

плиты в помещении

X

„-V

Дорожное полотно армированное углепластиком с введенными волоконно-оптическими сенсорными

элементами

ЛИТЕРАТУРА

1. Гуняев Г.М., Митрофанова Е.А., Ярцев В. А., Соболевская Е.Г. «Молниестойкость углепластиковых конструкций» / В сб. Авиационные материалы на рубеже XX-XXI веков. М.: ВИАМ. 1994. С. 595-599.

2. Гуняев Г.М., Митрофанова Е.А., Ярцев В.А., Сорина Т.Г., Соболевская Е.Г.,

Ларионов В.П., Агапов В.Г., Сергиевская И.М. «Молниезащита высокомодульных полимерных композиционных материалов // Авиационная промышленность. 1985. №10. С. 44-48.

3. Гуняев Г.М., Чурсова Л.В., Раскутин А.Е., Комарова О.А., Гуняева А.Г.

Конструкционные полимерные угленанокомпозиты - новое направление материаловедения // Все материалы. Энциклопедический справочник. 2011 г. № 12 С. 2-9.

4. Гуняев Г.М., Чурсова Л.В., Раскутин А.Е., Гуняева А.Г. Молниестойкость

современных полимерных композитов //Авиационные материалы и технологии. 2012. № 2. С.36-42.

5. Гуняев Г.М., Чурсова Л.В., Раскутин А.Е., Начинкина Г.В., Гуняева А.Г., Куприенко В. М. Молниезащитные покрытия для конструкционных углепластиков, содержащие наночастицы // Все материалы. Энциклопедический справочник. 2012. № 3. С. 24-35.

6. Гуняев Г.М., Чурсова Л.В., Комарова О.А., Гуняева А.Г. Конструкционные

углепластики, модифицированные наночастицами /В сб.: Авиационные материалы и технологии: Юбилейный науч.-техн. сб. (приложение к журналу «Авиационные материалы и технологии»). М.: ВИАМ. 2012. С. 277-286.

7. Каблов Е.Н., Гуняев Г.М. Наноматериалы - прорыв в материаловедении микромира //«75 лет. Авиационные материалы/Избранные труды «ВИАМ»». -М.: ФГУП «ВИАМ», 2007. С. 225-232

8. Гуняев Г.М., Машинская Г.П., Железина Г.Ф., Гуляев И.Н., Соловьева Н.А., Шалин Р.Е. «Сенсоры для интеллектуальных и самоаадампирующихся композитов» /Научно-технический сборник «Авиационные материалы и технологии». Выпуск «Полимерные композиционные материалы», Москва, ВИАМ, 2002, с.45-49

9. Е.Н. Каблов, Г.А. Морозов, Д.В. Сиваков, И.Н. Гуляев Встроенный контроль: от датчиков до информкомпозитов //«75 лет. Авиационные материалы/Избранные труды «ВИАМ»». -М.: ФГУП «ВИАМ», 2007. С. 331 -341

10. Каблов Е.Н., Сиваков Д.В., Гуляев И.Н., Федотов, М.Ю, Сорокин, К.В., Гончаров В. А. Методы исследования конструкционных композиционных материалов с

интегрированной электромеханической системой //Авиационные материалы и технологии. 2010. № 4. с.3-6.

11. Каблов Е.Н., Сиваков Д.В., Гуляев И.Н., Сорокин К.В., Федотов М.Ю, Дианов Е.М., Васильев С.А., Медведков О.И. Применение оптического волокна в качестве датчиков деформации в полимерных композиционных материалах //Все материалы. Энциклопедический справочник. 2010. № 3. C. 10-15.

12. Kablov E.N., Sivakov D.V., Gulyaev I.N., Sorokin K.V., Fedotov M.Y., Dianov E.M., Vasil'ev S.A., Medvedkov O.I. Application of optical fiber as strain gauges in polymer composite materials //Polymer Science - Series D. 2011.Т. 4. № 3. С. 246-251.

13. Гуляев И.Н., Гуняев Г.М., Раскутин А.Е. Полимерные композиционные материалы с функциями адаптации и диагностики состояния /В сб.: Авиационные материалы и технологии: Юбилейный науч.-техн. сб. (приложение к журналу «Авиационные материалы и технологии»). М.: ВИАМ. 2012. С. 242 - 253

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.