Технологии

Существует много способов получения интеллектуальных материалов, и один из наиболее простых и эффективных – это использование в качестве сенсоров углеродных волокон. Известно, что углеродные волокна обладают способностью реагировать изменением своего электрического сопротивления на изменение внешней нагрузки. Именно это свойство углеродных волокон, нитей и тканей делает возможным их применение в качестве чувствительных элементов для оценки напряженно-деформированного состояния металлоконст-рукций машин.
Углеродные волокна принято подразделять на высокопрочные и высо-комодульные, которые между собой различаются тем, что на первом техноло-гическом этапе получают карбонизированные волокна (или высокопрочные), а на втором – графитизированные (или высокомодульные). При разработке данного метода диагностирования использовались высокомодульные угле-родные волокна марок УКН-2-500, УКН-П, УКН-М/6к и углеродные ленты Кулон и ЛЖУ-35, поскольку величины электрического сопротивления этих материалов изменяются в большом диапазоне при изменении внешних нагру-зок, т.е. они являются более тензочувствительными по сравнению с высоко-прочными (карбонизированными) волокнами.
При разработке данного метода исследовались (методом линейной ди-латометрии) значения коэффициентов линейного термического расширения (КЛТР) углеродных волокон и лент (табл. 1) при однократном и многократ-ном нагреве. Низкие значения КЛТР углеродных волокон приводят к тому, что в изделии отсутствуют термические напряжения и практически отсутст-вует усадка.

Из полученных экспериментальных данных следует, что значения КЛТР при первичном и повторном нагревании существенно отличаются. Это связа-но с тем, что в состоянии поставки в волокне имеются некоторые остаточные термические напряжения. Первичный нагрев приводит к стабилизации КЛТР и к его существенному уменьшению. После первичного нагрева углеродные волокна имеют практически постоянные значения КЛТР. Таким образом, по этому показателю углеродные волокна могут быть использованы в качестве термостабильных датчиков в системах мониторинга, поскольку у них отсут-ствуют (или минимальны) остаточные напряжения. Если бы такие напряже-ния имелись, то в этом случае углеродные волокна изменяли бы свое напря-женно-деформированное состояние под действием исходных остаточных на-пряжений, неизбежно возникающих в процессе получения микроуглепласти-ка (волокно с нанесенным на него слоем связующего после отверждения по-следнего превращается в микроуглепластик). При практически нулевых ис-ходных значениях остаточных напряжений углеродные волокна реагируют только на изменения эксплуатационных нагрузок, что и позволяет диагности-ровать металлоконструкции (т.е. определять уровень возникших напряжений) в условиях реального времени.
При разработке данного метода диагностирования экспериментально исследовалась способность углеродных волокон изменять свои электрические свойства под действием внешней механической нагрузки. В результате экспе-риментальных исследований (при использовании углеродных волокон марок УКН-П (1) и УКН-2-500 (2), рис. 1) было установлено, что исходное значение электрического сопротивления зависит от длины волокна. При увеличении дли-ны волокна нелинейность данной зависимости возрастает и также увеличива-ется разброс данных.

Из полученных результатов следует, что при разработке нового метода диагностирования при использовании углеродных волокон в качестве тензо-чувствительного элемента нельзя ограничиться общими рекомендациями. Каждое конкретное углеродного волокно определенной длины характеризу-ется своими электрофизическими свойствами, которые существенно изменя-ются при изменении длины волокна.
Методика использования предлагаемого метода диагностирования за-ключается в следующем.
Диагностируемые участки («слабые» участки, в которых наиболее часто происходят усталостные разрушения) металлоконструкций машин покрывают тонким слоем связующего (эпоксидного клея). Затем на данный участок за-крепляется графитизированное углеродное волокно – волокно можно нано-сить параллельными линиями или обматывать им металлоконструкцию. Шаг нанесения волокна выбирается произвольно, однако следует помнить, что чем он будет меньше, тем точнее будет произведено диагностирование. Волокно следует наносить на участок металлоконструкции с максимальным натягом, которое можно обеспечить вручную. Если волокно будет располагаться на металлоконструкции свободно (т.е. с некоторым, пусть даже и очень незначи-тельным провисанием), то это создаст дополнительные сложности при даль-нейшей его пропитке связующим.
Затем непосредственно на волокно по всей его наружной поверхности наносят слой связующего. После нанесения связующего необходимо, чтобы оно полностью отвердилось. Оптимальный режим отверждения: температура 15-27 °С, в течение 24 ч.
После отверждения связующего концы углеродного волокна подсоеди-няют к прибору (омметру), позволяющему измерять электрическое сопротив-ление. Исходное значение электрического сопротивления фиксируют и даль-ше, в режиме реального времени, фиксируют любые изменения величины электрического сопротивления. При возникновении усталостных поврежде-ний рост значений электрического сопротивления происходит непрерывно и монотонно, и можно заранее определить период времени, когда эксплуатация техники должна быть прекращена.
Предлагаемый способ диагностирования рекомендуется для металло-конструкций машин (в первую очередь кранов и др. элементов грузоподъем-ных машин, расчет устойчивости которых ведут как для тонкостенных стержней с изменяемой по длине жесткостью в соответствии с общей линей-ной теорией устойчивости) в режиме реального времени, а также для диагно-стирования металлоконструкций после устранения в них дефектов. Исполь-зование данного метода позволит обеспечивать контроль технического со-стояния металлоконструкций машин в процессе эксплуатации. Данный спо-соб обеспечивает получение своевременной и достоверной информации, что позволит более точно планировать дальнейший срок эксплуатации данной конструкции и проведение ремонтно-восстановительных работ.