Abstract

Este prezentată o abordare eficientă pentru un strat piezo-diagnostic încorporat într-un material compozit gros. Eficacitatea abordării este evaluată în comparație cu stratul montat la suprafață. Producția propusă atenuează dificultățile asociate cu tăierea muchiilor compozitelor la încorporarea firelor. Tehnica de impedanță electromecanică este utilizată pentru a accesa integritatea procesului de legare a senzorilor piezoelectrici. Comparațiile undelor ghidate cu ultrasunete se fac între straturile de diagnostic încorporate și montate la suprafață și pătrunderea lor prin și peste grosimea compozitelor. Sunt investigate influențele de temperatură cu intervalul de la -40 ° C până la 80 ° C pe undele ghidate încorporate și montate la suprafață. Se efectuează o investigație cu privire la relația dintre amplitudine și timpul de zbor cu temperatura la diferite frecvențe de excitație. Temperatura are efecte semnificative, dar diferite asupra amplitudinii și schimbării de fază a undelor ghidate pentru stratul încorporat comparativ cu stratul montat la suprafață. Un vibrometru laser Doppler este utilizat pentru a identifica aderența albastră și daunele cauzate de impact. Atât straturile încorporate, cât și cele montate la suprafață s-au dovedit a fi un mijloc eficient de generare a dispersiei undelor detectabile în urma deteriorării.

compozite

1. Introducere

În ultimele decenii, compozite groase, în principal componente structurale care au sarcină, au luat un rol din ce în ce mai semnificativ în aplicațiile aeronautice [1,2]. Sunt utilizate pe scară largă, în special în structurile de aeronave mari (Boeing 787 și Airbus 350 XWB), datorită rigidității și rezistenței ridicate și rezistenței la coroziune. Una dintre cele mai importante probleme de siguranță pentru aceste structuri mari este de a garanta integritatea structurală și toleranța la avarie în limitele proiectului [3]. Aceste daune potențiale, în special daunele cauzate de impact, care determină crăparea și delaminarea fibrelor, se pot propaga și, în cele din urmă, pot cauza defectarea componentelor critice. Prin urmare, este necesar să se monitorizeze continuu integritatea structurală a acestor structuri compozite groase pe durata de viață a acestora.

Un sistem de monitorizare a sănătății structurale (SHM) poate oferi o evaluare în timp real a integrității aeronavei în timpul funcționării [1]. De asemenea, permite analiza periodică a componentelor sensibile, identificarea defectelor complexe nevizibile și evaluarea integrității structurale prin teledetecție [4]. Sistemul SHM bazat pe unde ghidate cu ultrasunete (UGW) excitate de actuatori cu titanat de zirconat de plumb (PZT) a atras multă atenție [5]. UGW se poate răspândi pe distanțe mari cu pierderi de energie mai mici și, prin urmare, utilizarea UGW este o modalitate potențială de a inspecta structuri compozite mari [6]. În plus, utilizarea UGW sa dovedit a fi eficientă și eficientă în identificarea și localizarea daunelor în structurile compozite [7]. Prin urmare, sistemul SHM poate fi o modalitate eficientă de a monitoriza integritatea compozitelor groase.

Traductoarele PZT sunt utilizate pe scară largă în sistemul SHM deoarece sunt ușoare și relativ ieftine [8,9,10]. În plus, pot prezenta simultan comportamente ale actuatorului/senzorului, ceea ce permite atât detecții pasive cât și active [8,9,11]. Traductoarele PZT sunt de obicei încorporate în interior sau montate la suprafață pe compozite. Pentru tehnici de încorporare, Mall și Yocum și colab. [12,13,14] a propus două metode tradiționale: metodele de inserție și decupare. O abordare alternativă a fost raportată în Referințe [15,16,17,18], unde traductoarele PZT au fost conectate pe SMART (Stanford Multi-Actuator Receiver Transduction) LayerTM ca strat suplimentar în timpul așezării. Acest strat, bazat pe tehnica de imprimare a circuitului, a acționat ca un strat suplimentar în timpul așezării, în loc să încorporeze pur și simplu traductoare PZT în laminate compozite.

Alte tehnici de încorporare se referă la senzorii de fibră Bragg (FBG). Batte și colab. [19] a propus o metodă tradițională prin simpla introducere a senzorilor FBG în straturile încorporate în timpul așezării, iar în zona de ieșire/intrare au fost folosite împletituri termoplastice impregnate cu siliciu pentru a proteja zona de conectare dintre senzorii FBG și compozite. Cu toate acestea, marginea compozitelor nu poate fi tăiată folosind această metodă, ceea ce nu este acceptabil în industria prelucrătoare. Pentru a rezolva această problemă, Beukema [20] a propus două metode de încorporare, prima metodă presupunea crearea unui tub gol în timpul întinderii, iar senzorul FBG putea fi alimentat prin tubul gol după întărire. Cealaltă metodă presupunea integrarea conectorului miniatural Diamond Micro Interface (DIM) în senzorul FBG încorporat. Sa raportat că această metodă a fost calificată de standardul aerospațial și a fost utilizată de Administrația Națională pentru Aeronautică și Spațiu (NASA) în proiectul Marte. În plus, a fost introdusă o metodă diferită prin tăierea părții de straturi compozite în zona de margine pentru a face ieșirea senzorului FBG mult mai ușoară [21]. Luyckx și colab. [22] și Teitelbaum și colab. [23] a propus, de asemenea, să încorporeze transmisii fără fir ale unității de citire miniaturizate pentru a elimina complet punctul de intrare.

Datorită importanței SHM pentru compozite groase, au fost investigate multe metode și tehnologii de identificare a daunelor. Kirikera și colab. [24] și Kesavan și colab. [25] a folosit o rețea neuronală artificială (ANN) pentru a prezice locația de delaminare pentru fibrele de sticlă groase. Katunin și colab. [26] a propus un algoritm numeric de detectare a fisurilor de dimensiunea fractală pentru grinzile compozite groase. Sohn și colab. [27] a folosit un Vibrometru Laser Doppler (LDV) pentru a detecta debondarea în secțiunea aripii compozite. Capacitățile de detectare a deteriorării impactului abia vizibil (BVID) ale traductoarelor PZT încorporate și montate la suprafață au fost comparate în gama largă de frecvență a excitației de către Dziendzikowski și colab. [28]. Alte abordări legate de traductoare PZT încorporate au fost raportate în Referințe [29,30,31,32,33,34,35]. Au existat, de asemenea, studii axate pe senzori de fibre încorporate Bragg (FBG). De exemplu, Herszberg și colab. [36] a încercat să modeleze și să prezică daunele cauzate de degajare prin evaluarea distribuției tensiunii și a răspunsului la vibrații pentru o articulație T din sticlă. Ghoshal și colab. [37] a efectuat un test de oboseală și a prezis locația de delaminare a fibrelor groase de carbon.

Metodele tradiționale de conectare a firelor pentru încorporarea și montarea la suprafață a traductoarelor PZT pot crește semnificativ greutatea structurii gazdă. Recent, sa demonstrat că un strat de diagnostic dezvoltat [38] care utilizează tehnologia imprimată cu jet de cerneală reduce considerabil greutatea și grosimea straturilor integrate. Stratul de diagnostic s-a dovedit a fi destul de eficient pentru compozite subțiri. Mai mult, s-a arătat că stratul a trecut testele legate de condiții extreme de mediu și operaționale. Cu toate acestea, așa cum se va demonstra în această lucrare, traductoarele PZT montate la suprafață nu pot detecta în mod eficient daunele în compozit gros, deoarece sunt proiectate pentru a genera unde de suprafață (unde de miel). Prin urmare, încorporarea senzorilor în compozite groase este o provocare care trebuie depășită pentru compozitele groase.

Această lucrare prezintă pentru prima dată o investigație privind încorporarea stratului de diagnostic în compozite groase. În plus, a fost propusă și o nouă tehnică de încorporare decupată pentru fabricarea compozitelor care a permis tăierea muchiilor după întărire. Comparațiile UGW se fac între straturile de diagnostic încorporate și montate la suprafață și pătrunderea lor prin și peste grosimea compozitului. Investigația se efectuează în amplitudinea primului pachet de unde cu diferite frecvențe de excitație și influențe de temperatură asupra compozitelor groase pentru semnale încorporate și montate la suprafață. În plus, se efectuează un test de deteriorare a impactului și sunt prezentate semnale reziduale între curat și daune. În plus, un Vibrometru Laser Dropper (LDV) este utilizat pentru a arăta împrăștierea UGW de la daune de impact atât pentru straturile încorporate, cât și pentru cele montate la suprafață.

2. Configurare experimentală

2.1. Strat de diagnosticare

Stratul de diagnostic a fost pregătit în urma procesului raportat în Referință [38]. Pentru circuitele conductive, a fost utilizată o cerneală pe bază de argint cu o concentrație de nanoparticule de 30-35% în greutate. Imprimanta pentru materiale Dimatix (DMP-2580) a fost utilizată pentru a imprima circuite pe un film transparent de polimidă Kapton cu o grosime de 25,4 (m. Pentru procesul tipărit cu jet de cerneală, tensiunea piezo a fost setată la 20 V și o formă de undă optimizată cu o frecvență de jet de 5 kHz a permis o formare satisfăcătoare de cădere. Temperatura substratului în timpul imprimării a fost de 55 ° C și s-a selectat distanța de picătură de 35 μm, rezultând o formare uniformă a liniei. Pentru a reduce rezistența electrică a circuitelor imprimate, s-au imprimat 5 straturi de cerneluri una peste alta, în timp ce lățimea liniilor imprimate a fost selectată la 1,4 mm. Sinterizarea cernelii a avut loc în cuptorul de laborator (OF-01E/11E/21E) timp de 1 oră la 135 ° C pentru a contopi particulele conductoare într-o urmă conductivă coezivă.

2.2. Instalarea senzorului

Traductoarele DuraAct PZT (P-876K025) au fost utilizate în acest experiment. Rășină adezivă epoxidică conductivă din argint în două părți/întăritor (RS 186-3616) a fost utilizată ca agent conductiv pentru conectarea traductoarelor și circuitelor. Pentru încorporare, doi traductori au fost pre-legați cu Kapton® prin folii adezive pentru a preveni delaminarea dintre traductoare și Kapton®. Figura 1 prezintă schema procedurii de pre-lipire. Două bucăți mici de straturi de film adeziv au fost plasate peste Kapton® în poziția desemnată, urmate de un traductor PZT. Traductorul a fost apoi fixat de banda albastră. Kapton ® a fost introdus într-un cuptor timp de 20 de minute la 80 ° C pentru a vindeca mai întâi agentul conductiv pentru a preveni curgerea acestora și a provoca scurtcircuitarea în timpul procedurii de pre-lipire. Apoi, Kapton ® a fost pus într-o masă încălzită de vid (G-Sub-1310) pentru a se întări timp de o oră la 150 ° C și a fost răcit la temperatura camerei cu vidul pentru a se asigura că lichidele adezive de topire nu vor curge. Pentru montarea la suprafață, doi traductori au fost conectați prin adezivi epoxidici și întăriți timp de 20 de minute la 80 ° C. După pre-lipire, banda albastră a fost îndepărtată cu atenție.