Full Text

Рентгеновская компьютерная микротомография (микроКТ, μCT) – один из наиболее динамично развива- ющихся методов, применяемых для изучения строения различных материалов [1–7]. Главной задачей рентге- новской компьютерной томографии является получение изображений внутренней структуры материалов, рекон- струкция ее трехмерной модели, определение морфоло- гии, особенностей распределения и структурных соотно- шений между рентгеноконтрастными фазами. Несмотря на широкое распространение рентгеногра- фии [7; 8], основным ее недостатком является получение двумерных изображений, не позволяющих ни каче- ственно, ни количественно охарактеризовать сложную трехмерную геометрию разноконтрастных слагающих ма- териал объектов. Первые математические алгоритмы, поз- воляющие восстанавливать внутреннюю трехмерную структуру из двухмерных изображений, возникли еще до появления цифровых компьютеров [9–12]. Первая ком- мерческая установка компьютерной томографии для ме- дицинских приложений появилась в начале 1970-х гг. [13]. Системы компьютерной томографии для неразрушаю- щего изучения структуры и характеристик материалов, представляющих научный и технологический интерес, появились в 1990-х гг. и, по сравнению с томографами ме- дицинского назначения, обладают более широким диапазоном мощности рентгеновского излучения и высо- ким разрешением вплоть до нанометрового [7]. Одним из направлений, в которых используется ком- пьютерная томография, является разработка и производ- ство высококачественных композиционных материалов для аэрокосмической, военной, медицинской и др. обла- стей промышленности. Рентгеновская компьютерная микротомография позволяет контролировать весь произ- водственный процесс такого класса материалов in situ благодаря быстроте сбора данных, возможности созда- ния 3D-моделей, соответствующих различным этапам производственного процесса, для прогнозирования ито- говых механических и физических свойств. Композиционные материалы, в особенности армиро- ванные волокнами, являются структурно-неоднород- ными и анизотропными и вследствие различий свойств связующего компонента и волокна, что отражается, прежде всего, на зависимости деформационного поведе- ния материала от ориентации волокон [14–18]. При де- формировании накопление дефектов в таких композитах принимает форму сложных разветвлённых трёхмерных структур [19]. При этом считается [7], что разрушение армированных волокном композитов происходит, когда плотность разорванных волокон достигает некоторого критического числа N. В работе [20] с помощью синхро- тронной микроКТ показано, что простые модели стоха- стического разрушения занижают реальное значение N в 3–5 раз. Покадровый анализ показал [19], что новые разрывы волокон в подавляющем большинстве случаев приурочены к новому месторасположению, а не локали- зуются вблизи уже существующих разрывов волокон. Испытания на одноосное растяжение образцов компо- зита C/SiC показали, что повреждение материала сначала происходит на технологических дефектах, а затем разви- вается в направлении границ раздела «волокно – мат- рица» [17]. Помимо дефектов, возникающих в процессе дефор- мирования, существенной проблемой изделий из компо- зиционных материалов является тенденция образования технологических дефектов при их производстве, в осо- бенности при изготовлении изделий сложной геометрии [21–24]. Эти дефекты имеют вид тканевых складок, смо- ляных карманов, меж- и внутрижгутовых пустот, микро- трещин матрицы, расслоений и отслоений и многих дру- гих [25–27]. Наличие технологических дефектов приводит к ухудшению механических и прочностных свойств ком- позиционных материалов. В связи с этим задача получе- ния информации о появлении и развитии дефектов струк- туры на разных этапах изготовления и последующей об- работки композиционных материалов с использованием микроКТ имеет неоценимое значение [22; 28–30]. С каждым годом разрабатываются новые и улучша- ются используемые математические алгоритмы и ме- тоды постобработки данных рентгеновской томографии [31–35]. В работе [32] предложен оригинальный алго- ритм трехмерной сегментации для мультинаправленных армированных волокном микроструктур. Процесс сег- ментации и анализ порового пространства, включая ана- лиз формы и размера пор, толщины и ориентации элек- тропряденых желатиновых волокнистых матов исполь- зовались для оценки временных морфологических изменений матов, вызванных химическим сшиванием желатиновых волокон [36]. Для трехмерных тканных композитов автоматизирована методология сглаживания воксельной геометрии нитей и их конформной дискрети- зации предложена в [16]. Анализ результатов показал, что геометрия и распределение волокон внутри 3D-ткан- ного композита действительно оказывают существенное влияние на прогнозирование возникновения и локализа- цию повреждений в зонах контакта нитей и областях с более высокой объемной долей волокна [16]. На при- мере плоских панелей, армированных углеродным волок- ном (CFRP), которые подвергались низкоскоростному ударному повреждению, была разработана методология обработки данных компьютерной томографии, позволяю- щая разделить, визуализировать и количественно оценить ударные повреждения для каждого слоя [37]. Применительно к композиционным материалам, в особенности к полимерам, армированным углерод- ными и другими волокнами, обладающими сходными с полимерной матрицей рентгеновскими плотностями, особое значение имеет оптимизация параметров скани- рования для минимизации ошибки в процессе сегмента- ции и анализа волокон [18; 38; 39]. В последней работе показано существенное влияние расстояния между ис- точником и детектором, напряжения и размера исследу- емого образца на качество КТ-изображения. Наряду с исследованиями микромеханизмов дефор- мации и эволюции волокнистых материалов, подвергну- тых макромасштабной физической или механической нагрузке, большая часть работ посвящена вопросам улуч- шения прочностных характеристик, в частности, путем модификации процессов их производства для повышения качества и устранения технологических дефектов. В [40] изучалось влияние отжига при низком давлении на терми- ческие, механические свойства и микроструктуру матрич- ных композитов PEEK, армированных углеродным волок- ном. Показано, что улучшение межслойной прочности на сдвиг связано с увеличением кристалличности матрицы за счет образования межслоевых молекулярных цепочек и уменьшения пористости композита. Изучение усталостных свойств металлов показало, что остаточные сжимающие напряжения могут повысить трещиностойкость [41]. Для создания сжимающих напряжений в промышленности используются разные методы, такие как дробеструйная обработка [41], пласти- ческое выглаживание [42], лазерный поверхностный нагрев [43]. В [44] предпринята попытка послойной дробеструйной обработки образцов ABS-композита (ак- рилонитрил бутадиен стирола) для улучшения его меха- нических свойств. Необходимость такой обработки свя- зана с известным недостатком технологии послойного изготовления образцов – слабой межслойной связью (вы- сокой межслойной пористости) из-за перепадов темпера- туры от нижнего к верхнему слою [45; 46]. Результаты показали, что послойное упрочнение при дробеструйной обработке в процессе 3D-печати повышает жесткость и ударную вязкость материала при воздействии динами- ческой нагрузки [44]. Одним из наиболее перспективных подходов к обра- ботке поверхности является лазерное ударное упрочне- ние, которое позволяет создавать значительные сжимаю- щие остаточные напряжения глубиной до нескольких миллиметров [47]. Метод основан на применении высоко- энергетического импульсного лазерного воздействия. В работе [48] было показано, что импульс давления на по- верхности обработки в 100 раз сильнее импульсов фото- нов в лазерном пучке. Этот эффект подробно описан в [49–51]. Лазерный луч, проходя через ограничивающий слой, фокусируется на защитном покрытии и образуется активно расширяющаяся плазма. В качестве ограничива- ющего слоя обычно используется вода, что позволяет уве- личить давление на материал. В результате чего генериру- ется упругопластическая волна, распространяющаяся вглубь материала и вызывающая пластические деформа- ции. Пластические деформации генерируют в области об- работки сжимающие остаточные напряжения, которые уравновешиваются растягивающими напряжениями во- круг нее. Глубина обработки и уровень остаточных напря- жений зависят от механических свойств обрабатываемого материала, защитного и ограничивающего слоев. Данное исследование направлено на изучение исход- ной микроструктуры образцов полимеров полиэфирэфир- кетона (PEEK) и акрилонитрил бутадиен стирола, армиро- ванного углеродными волокнами (ABS+CF), и ее измене- ния в результате лазерного ударного воздействия при помощи рентгеновской компьютерной микротомографии.

About the authors

V. A. Mubassarova

Institute of Continuous Media Mechanics of the UB of RAS – branch of Perm Federal Research Center of the UB of RAS

I. A. Panteleev

Institute of Continuous Media Mechanics of the UB of RAS – branch of Perm Federal Research Center of the UB of RAS

O. A. Plekhov

Institute of Continuous Media Mechanics of the UB of RAS – branch of Perm Federal Research Center of the UB of RAS

A. Yu. Iziumova

Institute of Continuous Media Mechanics of the UB of RAS – branch of Perm Federal Research Center of the UB of RAS

A. N. Vshivkov

Institute of Continuous Media Mechanics of the UB of RAS – branch of Perm Federal Research Center of the UB of RAS

I. V. Vindokurov

Perm National Research Polytechnic University

M. A. Tashkinov

Perm National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 106

PDF (Russian) - 63