Акустический контроль защитных шлемов

Содержание 
 

 

ВВЕДЕНИЕ 
 

      Цель  данной работы – определение эффективности и особенностей применения комбинированных методов акустического контроля изделий из органопластиков, на наличие наиболее опасных в эксплуатации дефектов, – трещин и расслоений.

      Актуальность  этой темы следует из стратегического  значения органопластиков в решении проблем создании новых, значительно более эксплуатационно - инвариантных материалов буквально во всех областях промышленности, а особенно – в авиа -, судо- , и ракетостроении.

      В данной работе была поставлена следующая  задача: на основе анализа методов неразрушающего контроля изделий этого класса показать (при рассмотрении материала органопластика, как такового, и на примере конкретного изделия из органопластиков):

- особенности  класса изделий из органопластиков, как объектов неразрушающего контроля, и особенно, ввиду выбранной темы, контроля акустическими методами;

- причины  широкого применения именно комбинированных методов акустического контроля рассмотренного типа изделий;

- преимущества и недостатки комбинированных методов акустического контроля по сравнению с другими методами неразрушающего контроля, в той или иной степени к ним применяемых, но использующими другие физические воздействия на изделие; при этом необходимо будет сравнить комбинированные методы и с другими, в принципе применимыми в данном случае, акустическими методами.

      В связи с данным тезисом, в работе показано, почему, например, потенциально наиболее информативный неразрушающий метод контроля материалов типа органопластиков, - вычислительная рентгеновская томография, на практике имеет очень ограниченное применение. Т.е. эффективность конкретного метода в реальной ситуации контроля, - более общая категория, чем его возможная, в принципе, информативность.

      В связи с большим и постоянно  растущим разнообразием, как самих органопластиков, так и изделий из них, в данной работе, по необходимости ограничения её объема, в качестве примера выбрано одно достаточно простое изделие. Это защитный шлем, - наиболее массовое изделие (наряду с бронежилетом), выполненное из данного вида материалов, с серийной технологией изготовления и известными характеристиками дефектов. Корпуса целого ряда современных защитных шлемов изготовляются полностью из органопластиков с единым процессом переработки.  В работе рассмотрена вероятность образования дефектов различного типа в защитных шлемах в процессе их изготовления и эксплуатации. Рассмотрена эффективность комбинированных методов акустического контроля этого изделия для обнаружения указанных дефектов.

      В первом разделе было рассмотрено:

а) описание особенностей структуры органопластиков и конструкции выбранного изделия, наиболее важных с точки выбора метода и параметров неразрушающего контроля;

б) обзор  основных вариантов технологии изготовления изделия с определением наиболее опасных дефектов, которые могут появиться на этом этапе.

      Во  втором разделе, на основе данных раздела 1, выполнена оценка реальной эффективности различных методов контроля данного типа изделий; обоснование выбора комбинированных методов акустического контроля, как наиболее эффективных.

      Третий  раздел включил следующие вопросы:

а) обзор теоретических основ акустического контроля;

б) определение основных особенностей выбранных методов контроля органопластиков на основе результатов, полученных в первом и втором разделах, а именно: особенности зеркально – теневого, эхо – сквозного и реверберационно – сквозного методов.

      В четвертом разделе результаты, полученные в предыдущих  разделах, конкретизированы для рассмотрения неразрушающего контроля выбранного в качестве образца изделия типа защитный шлем:

а) описаны общие требования к аппаратуре;

б) рассмотрены  возможности аппаратурной элиминации основной проблемы неразрушающего акустического  контроля органопластиков – структурных  помех;

в) приведены примеры конкретной реализации аппаратурного оснащения современными приборами, доступными на рынке;

г) рассмотрены  основные принципиальные вопросы технологии контроля данного изделия, начиная  с изготовления эталонных образцов с искусственными дефектами и  заканчивая последовательностью основных регламентных операций.

      В конце работы приведены основные итоговые выводы по разделам выполненной работы.

      В работе сознательно не рассмотрен, являющийся стандартным приложением к данной теме, значительный пласт теории акустического контроля, как заведомо редко используемый в его конкретной практике, - расчет акустических трактов. Он займет значительный объем текста, но будет просто переложением многочисленных имеющихся пособий по неразрушающему контролю акустическими методами. В практике же разработок методов неразрушающего контроля конкретных изделий из различных типов композиционных материалов используются, как правило, качественные выводы известных теоретических расчетов, выполненных много лет назад, а также экспериментальные исследования конкретных материалов и изделий, плюс подбор аппаратурных характеристик и создание изделий с эффективными эталонными дефектами.

 

1. Особенности конструкции и технологии  изготовления изделия 
 

      1.1 Основные характеристики органопластиков 

            Органопластики –  это композиционные материалы, представляющие собой матрицу из связующего (обычно, эпоксидной, полиэфирной или фенольной смолы) и армирующего наполнителя из органических волокон, нитей, тканей и т.п.

      Органопластики  имеют выдающиеся физико-механические характеристики, которые делают их, в настоящее время, незаменимыми при изготовлении различных деталей в самых различных отраслях промышленности.

      В органопластике, армированном полимерными волокнами, происходит диффузия полимерного связующего в поверхностные слои волокон с образованием промежуточного межфазного слоя. Благодаря этому, свойства наполнителя в составе композиционного материала отличаются от свойств исходного волокна. Именно развитый межфазный слой в органопластиках на границе раздела "волокно – матрица" принципиально отличает эти материалы от угле- и стеклопластиков, определяя, в том числе, и их особые акустические свойства. Такие материалы обладают более высокими ударной вязкостью, вибропрочностью, эрозионной стойкостью и усталостной прочностью, при той же небольшой плотности.

      Сложная структура органопластиков определяет высокую сложность их неразрушающего контроля. При этом, контроль изделий из органопластиков, часто 100% - ый, как правило, необходим из-за тяжелых условий эксплуатации, для которых они предназначены. 
 

      1.2 Конструкция изделия и структура его материала 

      Примерами защитных шлемов с корпусом из органопластика являются [8]:

- броневой защитный шлем "БЗШ (01)", предназначенный для использования в комплекте боевой экипировки в качестве средства бронезащиты военнослужащих различных видов войск (в основном войск специального назначения, и воздушно-десантных войск) при ведении всех видов боевых действий;

- "Скат 1М", предназначенный для оснащения служб охраны, ГИБДД, представителей экстремальных видов спорта и т.д.

      Т.к. принципиально конструкция этих и подобных им изделий одинакова, так же как и технология изготовления, в дальнейшем будем, в качестве примера, рассматривать шлем БЗШ.

      Собственно  конструкция изделия, т.е. его внешнее  оформление, как известно, очень несложное, - это слегка видоизменная полусферическая оболочка, не требующая специальной иллюстрации. Но структура изделия, или, иначе, конструкция самого материала изделия, – термореактивного органопластика, достаточна сложна. Она состоит из матрицы – модифицированной эпокси-фенольной смолы, армированной арамидным волокном в виде ориентированной ткани (по другой технологии – из рубленного ровинга, т.е. жгута из нитей непрерывного волокна), уложенного слоями под различными углами (всего 15 слоев). Толщина стенки готового изделия – 16…20 мм (толщина больше в местах оформляющих закруглений и при переходе в "козырек"). Масса готового изделия: 1,7 кг.

      Требуемые свойства изделия – защищать голову от поражения пулей, выпущенной из современного стрелкового оружия с прицельного (т.н. "запреградного") расстояния, и вторичных осколков, что достигается именно применением для армирования матрицы арамидным волокном, для получения которого используются высокопрочные высокомодульные полимеры.

      Предельно ориентированные арамидные волокна на основе ароматических полиамидов выпускаются в разных странах под различными названиями. В России - это СВМ и "Армос" ("Русар"), "Арус", в США – "Кевлар", "Таврон" (Япония – Нидерланды).

      Арамидное волокна в силу своего химического строения и надмолекулярной организации обладают чрезвычайно высокими прочностью (до 5,0-5,5 ГПа) и модулем упругости (до 160-180 ГПа). Из них изготавливают комплексные нити, жгуты, ленты, ткани, нетканые материалы и другие армирующие наполнители. Для изготовления шлема БЗШ в настоящее время используются ткани на основе волокон "Тварон" и "Армос" [8]. Изготовление волокна армос осуществляет ОАО "Каменскволокно", г. Каменск-Шахтинский (Ростовская область)[9].

      Плетение  армирующей ткани – сатиновое, т.е. каждая нить основы и утка проходит над несколькими нитями основы и утка в зависимости от раппорта переплетения, т.е. над 3, 5, 7 и большим числом нитей. Такие ткани имеют необходимую для формования шлема БЗШ гибкость. Отношение объема связующего к объему армирующего волокна -

 –  45…50 % [7, С. 340 - 360].

      Все эти данные о строении конкретного органопластика необходимо учитывать при подборе технологии неразрушающего контроля этих изделий, т.к. строение, т.е. "конструкция" материала изделия является, как будет показано ниже, в данных случаях определяющей. 
 

      1.3 Технология изготовления изделия 

      Как было сказано выше, свойства органопластиков  во многом определяются межфазной границей "волокно-связующее". Арамидные волокна имеют, непосредственно после их получения, чрезвычайно низкую адгезию практически ко всем известным связующим. Поэтому, несмотря на то, что переработка органопластиков использует готовые для формования ткани, имеет смысл рассматривать в технологии изготовления, в качестве начального этапа, процесс обработки поверхности арамидных волокон, тем более что он должен быть максимально приближен по времени к процессу формования.  Повышение адгезионного взаимодействия в системе "армирующие волокна - полимерная матрица" существенно улучшает статические и динамические свойства композиционных материалов. Конкретные технологии обработки, как правило, являются "know-how" компаний-производителей. Однако известно, что для поверхностной обработки волокон используют различные аппреты, обработку поверхности низкотемпературной плазмой, ионное травление, радиационную обработку с последующей пропиткой различными материалами, имеющими химическое сродство с матрицей органопластика, и другие, более экзотичные, методы.[1]

      Собственно  формование относительно небольших  изделий из органопластиков, которыми являются корпуса защитных шлемов, которые при этом обязаны иметь максимально высокие прочностные показатели, уже много лет выполняется методом контактного формования в его ручном варианте.

      Технологический процесс ручного контактного формования изделия "защитный шлем БЗШ" схематично проиллюстрирован на рисунке 1.[3, C.50 - 67]

      Основные  стадии этого процесса:

— нанесение  разделительных покрытий на формы;

— раскрой  тканых армирующих материалов;

— приготовление  связующего;

— нанесение на разделительное покрытие т.н. гелькоута, толщиной 0,6…0,8 мм, который станет внешней поверхностью изделия; гелькоут, это, обычно, модифицированная (с уменьшенной вязкостью) эпоксидная смола, которая предохраняет готовое изделие от влаги и содержит жирорастворимые красители, придающие изделию требуемый цвет (в нашем случае, защитно-зеленый или черный).

— укладка  армирующего материала на форму и нанесение на армирующий материал связующего и пропитка им арматуры, в несколько слоев, до получения требуемой толщины; после нанесения каждого слоя пакет уплотняется кистью или, чаще, валиком для удаления воздушных пузырей;