Czigány, Tibor

Forintos, Norbert

Repository of the Academy's Library

1. BEVEZETÉSA kompozit anyagok elterjedésével egyre több méretezési in-formáció áll a mérnökök rendelkezésére, ezáltal a tervezés so-rán kifinomultabb, könnyebb szerkezetek alkothatók. A gon-dos számítások ellenére előfordulhatnak nem várt terhelésekvagy nagy energiájú behatások, amelyek roncsolhatják a kom-pozit anyagot. Repedésekkel, törésekkel gyengített alkatrészmár nem képes a tervezett módon üzemelni, ezért e hibák ész-lelése különösen fontos a biztonságos használat érdekében.A kompozit alkatrészeket jellemzően hosszú élettartamratervezik, ezért a sérülések kimutatására érdemes olyan eljárástalkalmazni, amely a vizsgálat közben nem roncsolja a darabot.Társított anyagokra is alkalmazható roncsolásmentes anyag-vizsgálatok egy lehetséges csoportosítása az 1. ábrán látható.Az eljárások két nagy csoportja az időszakos (off-line), va-lamint a valós idejű (in-situ) adatgyűjtést megvalósító folya-matos technológiák. Az off-line technológiák üzemen kívül,tervezett karbantartások során alkalmazhatók, jellemzőengondos előkészítést és bonyolult berendezéseket (például su-gárzás kibocsájtó és detektor) igényelnek. Az in-situ eljárásokezzel szemben folyamatos visszajelzést adnak az anyag álla-potáról az üzem közbeni mérések segítségével, szenzorok be-építésével, vagy valamilyen különleges anyagi tulajdonság fel-használásával valósíthatók meg.Az időszakos, sugárzásos eljárások fizikai alapja, hogy va-lamilyen frekvencia-tartományú besugárzásra a sérült anyag-rész a megszokottól eltérő válaszjelet ad. Alkalmazhatóságuk-hoz elengedhetetlenek a gondos felület-előkészítés és a bonyo-lult, nehezen mozgatható berendezések, ezért nagy minták(pl. repülőgépszárny, szélerőmű-lapát) teljes vizsgálata igenkörülményes. Az infravörös termográfia során a vizsgálandóanyagrészt meghatározott hőmennyiséggel besugározzák,majd a hűlési folyamatot hőkamerával vizsgálják. Sérült anyagkörnyékén a hővezetési tulajdonságok megváltoznak, ezért otta kihűlés tovább tart. Az ilyen, magasabb hőmérsékletű helyeka hőkamera képén észlelhetők [1]. A feszültség és törés meg-határozása Raman spektroszkópiával a monokromatikus fényés a vizsgált anyag atomjainak kölcsönhatásán alapul. A foto-nok szóródása lehet a rugalmas Rayleigh szórás, ekkor a fotonenergiája nem, csak terjedésének iránya változik, vagy a Ra-man szórás, amely során a foton energiájának egy része azatom egy elektronját gerjeszti. Az energiakülönbség mérésévelkövetkeztetni lehet a vizsgált minta összetételére, vagy az is-mert anyag feszültségállapotára. Arjyaval és társai [2] az ún.távoli lézer Raman spektroszkópia eljárást alkalmazták kom-pozit próbatesteken: kísérletük során egy kisRaman szórású anyagba (üvegszálas kompo-zit) helyeztek egy nagy Raman szórású anya-got (aramid szál), ezáltal a próbatest belső fe-szültségi állapotáról kaptak mérhető adatot.Számos alkalmazási területen, ahol az üze-mi terhelés huzamosabb ideig éri az alkat-részt, például szélerőművek turbinalapátjá-ban, nem elegendő az üzemszünetek alatt el-lenőrizni az anyag sértetlenségét.A keletkező repedések azonnali kimutatá-Kompozitba épített érzékelő196 Polimerek 2. évfolyam 7. szám, 2016. júliusKompozitba épített elektromosan vezetőérzékelőForintos Norbert1*, Czigány Tibor1,21Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Gépészmérnöki Kar, Polimertechnika Tanszék, Budapest2MTA-BME Kompozittechnológiai Kutatócsoport, BudapestA cikk egy olyan új eljárást mutat be, amely alkalmas polimer kompozitokban létrejövő deformáció, illetve repedés üzem közbenikimutatására. A jelzési mechanizmus alapja az elektromosan vezető szenzor fizikai tulajdonságainak megváltozásakor létrejövőellenállás-változás. Érzékelőként szénszál köteget építettünk üvegszövet erősítésű, epoxi mátrixú kompozitba, és vizsgáltuk a szenzorstatikus igénybevételre adott válaszát.Kulcsszavak: kompozit, szénszál, állapotfelügyelet, nyúlásmérés*forintos@pt.bme.hu1. ábra. Roncsolásmentes anyagvizsgálatok csoportosításaKompozitba épített érzékelő2. évfolyam 7. szám, 2016. július Polimerek 197sára alkalmasak a kompozit szerkezetbe épített kisméretű ér-zékelők. A piezoelektromos elven működő szenzorok fizikaialapja a kristályokban deformáció hatására létrejövő feszült-ségkülönbség, illetve e folyamat megfordítása, azaz a feszült-ségkülönbség hatására deformálódó (elektrostrikciós) aktuá-torok alkalmazása. Yam és társai [3] aktuátorokat és szenzo-rokat építettek próbatestükbe, majd az aktuátorra több frek-venciakomponensű feszültséget kapcsoltak. A deformálódókristályok ismert hullámokat indítottak a kompozit lemezen,amelyek a hibás részeken áthaladva megváltoztak. A beépítettszenzorok segítségével a mért és az eredeti jelek különbségé-ből következtetni lehet a hiba típusára. A nyúlásmérő bélyegekműködéséhez hasonló eszköz hozható létre, ha elektromosanszigetelő kompozitba gyártás közben vezető fémhuzalt építe-nek. A terhelt alkatrészben a fémszál együtt nyúlik a környe-zetével, a hossz- és keresztmetszet-változás hatására változikaz ellenállása, ezért a szál két pontja közti feszültség esés mé-résével meghatározható a szerkezet deformációja, ugyanakkora végtelen ellenállás a szál elszakadására, az alkatrész tönkre-menetelére utal [4].A kompozit anyag valamely tulajdonságát felhasználva in-telligens, azaz a környezetük megváltozását érzékelni képesanyag hozható létre. A távközlésben alkalmazott optikai ká-belek analógiájára az erősítésként használt üvegszál is alkal-mazható fényjel továbbítására. A szálak sérülése esetén az át-jutó fény mennyisége csökken, szakadáskor teljesen megszű-nik, tehát a kilépő fény mérésével vizsgálni lehet a szerkezetintegritását [5]. A beépített nyúlásmérő elvét más, elektromo-san vezető anyaggal is alkalmazni lehet, így a kompozitok elő-állításához használt szénszál is alkalmas a folyamatos állapot-felügyelet megvalósítására. A mechanikai feszültség és a szálelektromos ellenállása közti kapcsolatot vizsgálva Owston [6]megállapította, hogy egyértelmű, lineáris összefüggés van ekét érték közt. A szénszál vagy két szénszálköteg közti elekt-romos vezetőképességet a geometriai tulajdonságokon kívülkörnyezetük más jellemzői is befolyásolják: Chung [7] kutattaaz összefüggést az ellenállás-változás és a páratartalom, hő-mérséklet, valamint nyomás között.A folyamatos adatgyűjtés segítségével a szerkezet végzeteshibájának észlelésén kívül más fontos információ is gyűjthető:a szenzorok kalibrálása után a mért jel már kismértékű válto-zásakor következtetni lehet az alkatrész kihasználtságára, ez-által elkerülhető a túlterhelésből adódó tönkrementel.A cikk célja bemutatni egy újfajta roncsolásmentes anyag-vizsgálati eljárást, amely a kompozit szerkezetet alkotó anya-gok elektromosan vezető tulajdonságára épít. Az eljárás fizikaiháttere, hogy elektromosan szigetelő, üvegszál erősítésű epoximátrixú kompozitba helyezett vezető szénszálköteg ellenállásaa nyúlás hatására megváltozik. Az így kapott szenzor alkalmasa folyamatos adatgyűjtésre, tehát a szerkezetben bekövetkezősérülések azonnali kimutatásán kívül lehetőség nyílik a vizs-gált test bizonyos fizikai állapotváltozásának, például megnyú-lásának meghatározására.2. KÍSÉRLETI RÉSZKísérleteink során először külön vizsgáltuk a szénszálkötegelektromos tulajdonságait, majd kompozit próbatestbe építet-tük. Az így előállított mintákat statikus terheléssel deformál-tuk, és eközben mértük a szénszálköteg ellenállását.Az alakváltozás és az ellenállás-változás közti kapcsolat ki-mutatásához először vizsgáltuk a szénszálköteg (ZOLTEK PX35folyamatos száltekercs) elektromos tulajdonságait terheletlenés statikusan terhelt állapotban, Mastech MY-64 digitális mul-timéterrel. Az előkísérletek eredményeként megállapítottuk,hogy az 50 ezer elemi szálból álló köteg elektromosan vezető,hosszra fajlagosított ellenállása 0,6 Ω/cm. E fajlagos érték avezető anyagokra jellemző Ohm törvénnyel összhangban nő,ha csökkentjük a szálak számát, azaz a keresztmetszetet, vagynöveljük a vizsgált hosszt [8]. ZWICK Z020 típusú szakítógépen2 mm/perc szakítási sebességgel terheltük a szálköteget, és köz-ben fém csatlakozók felhelyezésével, digitális multiméterrelvizsgáltuk az ellenállás-változást. A nyúlás közben mért érté-kek nem mutattak egyértelmű összefüggést a hosszváltozással,amelyet a csatlakozó és a szálak közti érintkezés esetlegessége,illetve a kezdetben nem egységesen megfeszített szálak nemazonos hosszváltozása okozhatott. A szálköteg szakadásakoraz ellenállás jelentősen megnőtt, tehát a módszer be nem épí-tett szálkötegként is alkalmas szálszakadás kimutatására.Az eljárás alkalmazhatóságának vizsgálatához a szálkötegetszigetelő üvegszövet epoxi kompozitba (IPOX ER 1010 nagyviszkozitású gyantát IPOX MH 3124 térhálósítóval 100:34 arány-ban), hosszirányban építettük be. A térhálósítás idejére hőke-zeltük 24 órán keresztül szobahőmérsékleten, majd 6 órán ke-resztül 60 °C-on. Az elkészült próbatest méretei: 350 mmhosszú, 35 mm széles, 4 mm vastag, a darabok mindkét végéna szénszálkötegek 5–5 cm-rel túllógtak. Egy próbatest kereszt-metszeti képe látható a 2. ábrán, a felvétel OLYMPUS BX51Mtípusú optikai mikroszkóppal és C-5060 Camedia típusú di-gitális fényképezőgéppel készült.A biztos és állandó elektromos kapcsolat érdekében a szál-köteg szabad végeihez fémhuzalt ragasztottunk LOCTITE 3888típusú, kétkomponensű, ezüsttöltetű, elektromosan vezető ra-gasztóval, melynek hőkezelését 80 °C-on végeztük 2 órán ke-resztül. A kísérletet 5 mm/perc statikus terheléssel ZWICKZ020 szakítóberendezéssel végeztük el, az ellenállást AGILENT34970A adatgyűjtő berendezéssel, négyvezetékes módszerrelmértük (3. ábra).A négyvezetékes mérés elve, hogy a berendezésen keresztüla két szélső vezetéken megadott áramot juttatunk át, míg a kétközépső vezetékkel mérjük a feszültségesést. Ezzel a módszer-rel kiküszöbölhető a rendszer- és a kontaktellenállás zavaróhatása, illetve a kétvezetékes elrendezéshez képest a változá-sokra érzékenyebb ez a mérés [9].2. ábra. Próbatest keresztmetszetének optikai mikroszkópos képeAz eredmények kiértékelésekor a nyúlást és a fajlagos el-lenállás változást közös diagramban ábrázolva (4a. ábra) meg-figyelhető az egyértelmű összefüggés a két érték között. Azo-nos időpillanathoz tartozó adatpárokat ábrázolva (4b. ábra)olyan kalibrálási diagramot kaptunk, amely segítségével meg-határozható az úgynevezett bélyegállandó.A fajlagos értékek összehasonlításakor a kezdeti, kis nyú-lású szakaszhoz kvázi lineáris ellenállás változás tartozik,amely később progresszíven egyre meredekebb lesz. Az ellen-állás megváltozásának kezdete és vége szignifikánsan egybe-esik a terhelés kezdetével és végével, azaz a szénszálköteg vizs-gálatával ki lehet mutatni a nyúlást.A nyúlásmérő bélyegeknél ismert bélyegállandó (K) az aviszonyszám, amely megmutatja az összefüggést a bélyegenmért ellenállás-változás (ΔR/R) és a hosszváltozás (ε) között(1) [10]:(1)A bélyegállandó meghatározásának lépései a kalibrálási di-agram alapján: lineáris összefüggést feltételezve a pontpárokraegyenes illesztése, az egyenes meredeksége megadja a K értékreciprokát, az illesztés pontossága az R2 értékkel jellemezhető.A mérések során K = 0,9397±0,0944, illetve R2 =0,9815±0,0130 érték adódott.A nyújtás megszüntetésével az ellenállás értéke a kezdeti ér-ték közelébe tért vissza, de nem egyezett a kiindulási értékkel,hanem enyhén növekedett. Ez a hatás a polimerekre jellemző,ami a már kis nyúlásoknál is jelenlévő maradó alakváltozásokozta megnövekedett kezdeti hosszal magyarázható [11].A kísérletek során előfordult, hogy a próbatest kicsúszott abefogópofák közül, ekkor a terheletlen állapotnak megfelelőena maradó alakváltozással megnövelt kezdeti hosszra tért vissza.Az adatgyűjtő berendezés segítségével rögzítettük az ellenállásértékeket, amelyben hirtelen ugrás látható, az állandósult értékkicsivel nagyobb, mint a kezdeti érték volt (5. ábra).Az adatok elemzésekor megállapítottuk, hogy az ellenállásváltozása azonnal, az adatgyűjtő berendezés időbeli felbontá-sán belül követte a hirtelen deformáció-csökkenést. E változásegyértelmű jelzője lehet a hirtelen folyamatoknak, például jár-mű karosszériájába építve mutathatja az alkatrész vagy a rög-zítés tönkremenetelét. A szenzor hibakimutatásra való hasz-nálatakor ugyanakkor fontos a jó időlépés megválasztása: na-gyon sűrű mintavételezés megnöveli a számítási kapacitást,túl nagy lépésekkor viszont hosszú idő telhet el a behatás ésannak érzékelése között.3. ÖSSZEFOGLALÁSEgy kompozit szerkezeti elemben létrejövő repedés kimuta-tására a szénszál elektromos tulajdonságát használtuk, ezáltalintelligens anyagot hoztunk létre. A szenzor működésénekalapját először a szénszálkötegen végzett előkísérletekkel vizs-gáltuk, ekkor megállapítottuk, hogy a szénszálköteg klasszikusvezetőként viselkedik, tehát hosszának vagy keresztmetszeté-nek változtatásával arányosan változik a vizsgált szakasz el-lenállása.Ezután kompozit próbatesteket gyártottunk, és vizsgáltukRRK K LL$ $fD D= =Kompozitba épített érzékelő198 Polimerek 2. évfolyam 7. szám, 2016. július4. ábra. Fajlagos változások az idő függvényében (a), kalibrálási diagram (b)5. ábra. Fajlagos változások a próbatest megcsúszásakor3. ábra. Négyvezetékes mérési elrendezésKompozitba épített érzékelő2. évfolyam 7. szám, 2016. július Polimerek 199a szénszál ellenállásának alakulását statikus terhelés alatt. Aszigetelő üvegszál-epoxi kompozitba épített szénszál ellenál-lás-mérés eredményeként megállapítottuk, hogy a fajlagos el-lenállás-változás jó közelítéssel megegyezik a fajlagos nyúlásváltozásával. Az így kapott mérési elrendezés jellegében ha-sonlít a nyúlásmérő bélyegek működésére, viszont alkalma-zásához nem szükséges külső érzékelő. A szénszál ellenállásváltozásához is hozzárendelhető bélyegállandó, amely segít-ségével a próbatest nyúlása meghatározható, ám ezen értékmegállapításához kalibrálás szükséges. A szorító pofákból valókicsúszáskor tapasztalt jelenség alapján az elektromosan ve-zető szenzor nem csak statikus terhelések jelzésére, hanemhirtelen változások érzékelésére is alkalmas lehet, ehhez to-vábbi vizsgálatok szükségesek.A bemutatott szenzort összetettebb szerkezetekbe építvetehát megoldható a folyamatos állapotfelügyelet úgy, hogynem szükséges a vizsgáló személyzetnek pontról pontra szem-revételeznie az alkatrészeket. Több, hálószerűen elhelyezettszénszálköteg segítségével létrehozható egy struktúra, amitöbb irányú deformációt is képes kimutatni, valamint sérülé-sek, repedések pontos helyét is meg lehet határozni.A cikk megjelenését a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innová-ciós Hivatal – NKFIH, OTKA K 116070 pályázata támogatta.FELHASZNÁLT FORRÁSOK[1] Vavilov, V. P.; Billard, S.; Ayvazyan, V. M.: A thermal tomo-graphic unit for testing composite materials, Russian Journalof Nondestructive Testing, 50, 679–683 (2014).[2] Arjyal, B. P.; Galiotis, C.; Ogin, S. L.; Watthingham, R. D.: Mon-itoring local strain in cracked cross-ply composites using anembedded aramid fibre strain sensor, Journal of Materials Sci-ence, 33, 2745–2750 (1998).[3] Yam, L. H.; Yan, Y. J.: Online detection of crack damage in com-posite plates using embedded piezoelectric actuators/sensorsand wavelet analysis, Composite Structures, 58, 29–38 (2002).[4] Salzano, T. B.; Calder, C. A.; Dehart, D. W.: Embedded-strain-sensor development for composite smart structures, Experi-mental Mechanics, 32, 225–229 (1992).[5] Fernando, G. F.; Hayes, S.; Liu, T.; Brooks, D.; Monteith, S.;Ralph, B.; Vickers S.: In situ self-sensing fibre reinforced com-posites, Smart Materials and Structures, 6, 432–440 (1997).[6] Owston, C. N.: Electrical properties of single carbon fibres,Journal of Physics D: Applied Physsics, 3, 1615–1626 (1970).[7] Chung, D. D. L.: Continuous carbon fiber polymer-matrixcomposites and their joints, studied by electrical measure-ments, Polymer Composites, 22, 250–270 (2001).[8] Lerner, L. S.: Physics for scientists and engineers, Jones andBartlett, Boston (1996).[9] Heaney, M. B.: Electrical conductivity and resistivity, in ‘Elec-trical measurement, signal, processing and displays’ (Szerk.:Webster, J. G.), CRC Press, Boca Raton, 14. oldal (2003).[10] Hannah, R. L.; Reed, S. L.: Strain gage users’ handbook, ElsevierScience Publishers Ltd and Society for Experimental Mechan-ics, London (1992).[11] Alger. M. S. M.: Polymer science dictionary, Chapman & Hall,London (1997).

Kompozitba épített elektromosan vezető érzékelő

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Repository of the Academy's Library