RU2645431C1

RU2645431C1 - Method for detecting impact damage to a structure

Info

Publication number: RU2645431C1
Application number: RU2016147381A
Authority: RU
Inventors: Сергей Леонидович Чернышев; Михаил Чеславович Зиченков; Светлана Александровна Смотрова; Андрей Васильевич Смотров; Владимир Михайлович Новоторцев; Игорь Леонидович Еременко; Жанна Вениаминовна Доброхотова; Азиз Мансурович Музафаров
Priority date: 2016-12-02
Filing date: 2016-12-02
Publication date: 2018-02-21

Abstract

FIELD: monitoring systems.

SUBSTANCE: invention relates to the field of nondestructive testing and relates to a method for detecting impact damage to a structure. Method includes application of a luminescent coating to the surface that is luminescent in the visible spectral range under the influence of UV radiation, inspection of the coating when the structure is irradiated with UV radiation, and detection of the impact damage due to color differences. Luminescent coating is multilayered and contains an indicator layer with a luminescent material and a protective layer with a working component that absorbs UV radiation. To create an indicator layer, a solution of a binder based on organosilicon block copolymers in toluene is used with the addition of a phosphor, which is a europium pivalate complex with heterocyclic diimine in an amount of up to 1.4 % by weight with respect to the binder. Protective layer is prepared by spraying a solution of a silicone-block copolymer-based binder in toluene with the addition of a working component β-diketone of dibenzoylmethane with a concentration of 2÷6⋅10^-2 mol/l.

EFFECT: technical result consists in simplifying the method and increasing the efficiency, accuracy and reliability of detecting nearly invisible impact damages.

1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области неразрушающего контроля (НК) и может быть использовано в диагностике состояния конструкций, в том числе, по обнаружению малозаметных повреждений на конструкциях, изготовленных с применением полимерных композиционных материалов (ПКМ), испытывающих динамические нагрузки, с целью получения полной и достоверной информации об их состоянии, требующих особых мер контроля и обеспечения безопасности, например, воздушные суда, другие летательные аппараты и транспортные конструкции.The invention relates to the field of non-destructive testing (NDT) and can be used in the diagnosis of the state of structures, including the detection of subtle damages on structures made using polymer composite materials (PCM) experiencing dynamic loads in order to obtain complete and reliable information about their condition, requiring special control and safety measures, for example, aircraft, other aircraft and transport structures.

Обеспечение безопасности полетов воздушных судов (ВС) и защита авиационных конструкций от катастроф является важнейшей государственной задачей.Ensuring the flight safety of aircraft (aircraft) and protecting aircraft structures from catastrophes is an essential state task.

Как известно, для предотвращения различных видов неисправностей, обеспечения целостности конструкции планера ВС, а также для продления срока службы самолета выполняется комплекс необходимых мероприятий на основе оценки его технического состояния, которые включают сбор, систематизацию и анализ сведений обо всех неисправностях, отказах, повреждениях и дефектах, выявленных в процессе их эксплуатации.As you know, to prevent various types of malfunctions, to ensure the integrity of the aircraft glider design, as well as to extend the life of the aircraft, a set of necessary measures is carried out based on an assessment of its technical condition, which includes the collection, systematization and analysis of information about all malfunctions, failures, damage and defects identified during their operation.

Повреждения ударного характера (внезапные повреждения) могут появиться в авиаконструкциях на любом этапе их эксплуатации, включая транспортировку, аэродромную стоянку, регламентное обслуживание, и они обусловлены либо ошибками персонала, занятого в техническом обслуживании и ремонте (ТОиР) и обслуживании ВС на перроне (удары при съеме или установке элементов конструкций, оброненным инструментом, багажом и т.д.), либо ударами посторонних объектов (град, камни, кусочки бетона, вылетающие из-под колес шасси при взлете-посадке, а также столкновениями с птицами в полете).Impact damage (sudden damage) can occur in aircraft structures at any stage of their operation, including transportation, airfield parking, and routine maintenance, and they are either caused by errors in personnel engaged in maintenance and repair (MRO) and aircraft maintenance on the apron (impacts during removal or installation of structural elements, dropped tools, luggage, etc.), or by impacts of foreign objects (hail, stones, concrete pieces flying out from under the chassis wheels during take-off and landing, as well as a collision veniyami with birds in flight).

На основе анализа большого количества случаев эксплуатационных ударных повреждений планеров ВС было сделано заключение: самый распространенный случай - это вмятина на корпусе, имеющая условный диаметр до 50 мм и глубину до 2 мм, которая возникла по неизвестной для персонала, обслуживающего авиационную технику, причине (А.Е. Ушаков, СВ. Дубинский, А.А. Селихов, Ал.А. Сафонов, М.Р. Таланов, В.Я. Сеник, И.Г. Хлебникова, И.В. Сергеичев, Ф.К. Антонов, А.Ю. Шаенко, Е.А. Матвеев. Разработка проектов НД для материалов и конструкций из ПКМ по условиям прочности, долговечности, эксплуатационной живучести и аэроупругости. Альбом ударов для композитного крыла коммерческого самолета транспортной категории. 2-я редакция, выпуск №1. Жуковский: ФГУП «ЦАГИ». - 2013. - Инв. №86-80. - С. 9-14.).Based on the analysis of a large number of cases of operational impact damage to aircraft gliders, the conclusion was made: the most common case is a dent in the hull, with a nominal diameter of up to 50 mm and a depth of 2 mm, which arose for an unknown reason for personnel servicing aircraft, (A .E. Ushakov, SV Dubinsky, A.A. Selikhov, Al.A. Safonov, M.R. Talanov, V.Ya. Senik, I.G. Khlebnikova, I.V.Sergeichev, F.K. Antonov , A.Yu. Shaenko, EA Matveev.Development of design documents for materials and structures from PCM according to the conditions of strength, durability, operational survivability and aeroelasticity. Impact album for the composite wing of a commercial aircraft of the transport category. 2nd edition, issue No. 1. Zhukovsky: FSUE TsAGI. - 2013. - Inv. No. 86-80. - P. 9-14 .).

Для металлических конструкций проблема малоразмерных случайных эксплуатационных механических повреждений с практической точки зрения не представляет интереса. Однако для авиационных конструкций, изготовленных из ПКМ, такие повреждения могут представлять серьезную опасность. В отличие от металлов, которые поглощают энергию удара пластическим деформированием, практически сохраняя при этом свою прочность, в ПКМ в момент удара при относительно низком уровне энергии происходит хрупкое разрушение матрицы и волокон. Поэтому наиболее распространенным в эксплуатации для авиаконструкций из ПКМ являются малозаметные ударные повреждения в виде вмятин, сколов, сопровождающиеся расслоением и растрескиванием внутренних слоев композита, которые нельзя обнаружить визуально. В этих областях происходит существенное ослабление или исчезновение связей между соседними слоями ПКМ, что приводит к значительному ухудшению прочностных и эксплуатационных характеристик. Величина такой деградации по данным экспериментальных исследований может достигать до 1,5÷4,0 раз (Васильев В.В., Протасов В.Д., Болотин В.В. и др. Композиционные материалы. Справочник. - М.: Машиностроение, 1990. - 512 с.).For metal structures, the problem of small-sized random operational mechanical damage is not of practical interest from a practical point of view. However, for aircraft structures made from PCM, such damage can be a serious hazard. In contrast to metals, which absorb the energy of impact by plastic deformation, while practically maintaining their strength, brittle fracture of the matrix and fibers occurs in PCM at the moment of impact at a relatively low energy level. Therefore, the most common in operation for aircraft from PCM are subtle impact damage in the form of dents, chips, accompanied by delamination and cracking of the inner layers of the composite, which cannot be detected visually. In these areas, there is a significant weakening or disappearance of bonds between adjacent PCM layers, which leads to a significant deterioration in the strength and operational characteristics. The magnitude of such degradation according to experimental studies can reach up to 1.5 ÷ 4.0 times (Vasiliev V.V., Protasov V.D., Bolotin V.V. et al. Composite materials. Reference book. - M.: Engineering, 1990 .-- 512 p.).

В связи с тем, что высоконагруженные агрегаты авиационных конструкций из ПКМ имеют области с трудно обнаруживаемыми, малозаметными или вообще незаметными невооруженному глазу повреждениями, для диагностики состояния ВС и выявления опасных мест конструкции весьма актуальна задача создания способа обнаружения ударных повреждений с помощью ударочувствительных полимерных покрытий.Due to the fact that high-loaded units of aircraft structures made from PCM have areas with damages that are difficult to detect, barely visible or even invisible to the naked eye, the task of creating a method for detecting impact damage using impact-sensitive polymer coatings is very urgent for diagnosing the state of the aircraft and identifying hazardous locations.

В настоящее время одним из наиболее распространенных способов диагностики состояния конструкций (способом визуализации и контроля деформации поверхности, ударных нагрузок и повреждений) является способ обнаружения повреждений с помощью полимерных покрытий, содержащих микрокапсулированные красители или механохромные добавки, либо люминофоры.Currently, one of the most common methods for diagnosing the state of structures (a method for visualizing and monitoring surface deformation, impact loads and damage) is a method for detecting damage using polymer coatings containing microencapsulated dyes or mechanochromic additives, or phosphors.

Технология микрокапсулирования известна и применяется во многих областях промышленности уже многие годы как в России, так и за рубежом, и представляет собой процесс заключения мелких частиц какого-либо вещества, в том числе красителей, в тонкую оболочку из пленкообразующего материала (микрокапсулу).The microencapsulation technology has been known and has been used in many industries for many years both in Russia and abroad, and is a process of enclosing small particles of a substance, including dyes, in a thin shell of a film-forming material (microcapsule).

Известен способ обнаружения мест удара в элементах конструкции из волокнистых ПКМ (№ ЕР 0538580 A1 «Beschichtung zum Auffinden von Druck- oder Stossstellen an Bauteilen», Германия, C09D 5/00, C09D 7/12, G01N 21/88 / K. Drechsler, W. Martin, B. Schuler, Wendel), в котором задача решается путем нанесения смывающегося пленочного лакокрасочного покрытия (ЛКП), содержащего наполненные индикатором микрокапсулы, которые перемешаны с полимерной основой покрытия. Микрокапсулы могут различаться по чувствительности к нагрузкам, при этом в качестве индикаторов использованы отличные друг от друга по цвету красящие вещества. Вследствие этого повреждения на поверхности конструкции, полученные в результате действия отличающихся по силе или энергии ударов, а следовательно, и по тяжести последствий, распознают с помощью различной окраски. Состав покрытия включает три химически активных вещества: 1) инициатор; 2) краситель и 3) ингибитор, ограничивающий реакционную способность красителя. Так как микрокапсулы имеют диаметр примерно 0,1 мм, ЛКП наносят обычными способами окунания или разбрызгивания. Недостатком этого способа является то, что точность диагностирования мест ударных повреждений конструкции существенно зависит от равномерности распределения в покрытии инициатора, красителя и ингибитора, а следовательно, от качества перемешивания в процессе создания полимерной композиции, а также связано с возникновением проблемы коагулирования (слипания) частиц наполнителей между собой. Если не будет равномерного распределения химически активных наполнителей в ЛКП, инициатор не сможет выполнить роль окислителя красителя, а значит, не произойдет изменения цвета покрытия. Кроме того, в данном способе обнаружения ударных повреждений разработанное покрытие используют также для выполнения защитных функций от механических повреждений, таких как, например, царапины, а также от загрязнений, а следовательно, оно не чувствительно к едва заметным ударным повреждениям и поэтому не сможет служить их надежным индикатором.A known method of detecting impact sites in structural elements of fibrous PCM (No. EP 0538580 A1 "Beschichtung zum Auffinden von Druck-oder Stossstellen an Bauteilen", Germany, C09D 5/00, C09D 7/12, G01N 21/88 / K. Drechsler, W. Martin, B. Schuler, Wendel), in which the problem is solved by applying a washable film coat (LCP) containing indicator-filled microcapsules that are mixed with the polymer base of the coating. Microcapsules can vary in sensitivity to loads, while dyes that are different from each other in color are used as indicators. As a result of this damage to the surface of the structure, resulting from the action of impacts differing in strength or energy, and therefore, in the severity of the consequences, are recognized using various colors. The coating composition includes three chemically active substances: 1) initiator; 2) a dye; and 3) an inhibitor that limits the reactivity of the dye. Since microcapsules have a diameter of about 0.1 mm, the LCP is applied by conventional dipping or spraying methods. The disadvantage of this method is that the accuracy of diagnosing places of impact damage to a structure substantially depends on the uniform distribution in the coating of initiator, dye and inhibitor, and therefore, on the quality of mixing during the creation of the polymer composition, and is also associated with the problem of coagulation (sticking) of filler particles between themselves. If there is no uniform distribution of chemically active fillers in the paintwork, the initiator will not be able to play the role of an oxidizing agent for the dye, which means that the coating will not change color. In addition, in this method of detecting impact damage, the developed coating is also used to perform protective functions against mechanical damage, such as scratches, as well as dirt, and therefore it is not sensitive to barely noticeable impact damage and therefore cannot serve them reliable indicator.

Известен другой способ диагностирования состояния конструкции (RU №2439518 С1 «Способ диагностирования состояния конструкции», G01M 3/20, G01N 19/08 / Баурова Н.И., Зорин В.А.; Баурова Н.И.), обеспечивающий выявление повреждений, которые авторами называются дефектами, на стадии их возникновения с помощью полимерного покрытия, выступающего в роли датчика. Технический результат изобретения обеспечивается тем, что как минимум на одном участке вероятного возникновения повреждения конструкции формируют датчик, по состоянию которого определяют возникновение и/или развитие этого повреждения. В качестве датчика используют полимерный материал, в который введены микрокапсулы с красящим веществом и который наносят на участок вероятного возникновения повреждения. Наличие и/или развитие повреждения определяют визуально по изменению цвета датчика, при этом толщина слоя, наносимого на участок вероятного повреждения, составляет 0,1÷0,15 мм. При формировании датчика может быть использована широкая гамма полимерных материалов, в том числе эпоксидные и полиуретановые композиции, например эпоксидиановая смола. В качестве отвердителей эпоксидных смол возможно использование алифатических и ароматических аминов, ангидридов, фенольных смол и др. В качестве красящих веществ, как правило, применяют растворимые красители антрахинонового ряда. Материалами для изготовления микрокапсул могут служить производные ацетобутираля целлюлозы.There is another method for diagnosing the state of the structure (RU No. 2439518 C1 "Method for diagnosing the state of the structure", G01M 3/20, G01N 19/08 / Baurova N.I., Zorin V.A .; Baurova N.I.), which provides damage detection , which are called defects by the authors, at the stage of their occurrence with the help of a polymer coating acting as a sensor. The technical result of the invention is ensured by the fact that at least in one area of the probable occurrence of structural damage, a sensor is formed, the state of which determines the occurrence and / or development of this damage. As the sensor, a polymeric material is used in which microcapsules with a coloring matter are introduced and which are applied to the site of the likely occurrence of damage. The presence and / or development of damage is determined visually by the color change of the sensor, while the thickness of the layer applied to the area of probable damage is 0.1 ÷ 0.15 mm. When forming the sensor, a wide range of polymeric materials can be used, including epoxy and polyurethane compositions, for example, epoxy resin. Aliphatic and aromatic amines, anhydrides, phenolic resins, etc. can be used as hardeners of epoxy resins. As a rule, soluble dyes of the anthraquinone series are used as coloring substances. Derivatives of cellulose acetobutyral can serve as materials for the manufacture of microcapsules.

Для проведения диагностирования состояния конструкции первоначально определяют ее «слабые места», то есть зоны, в которых возникают наибольшие внутренние напряжения в процессе работы и в которых высока вероятность возникновения повреждений. Затем в этих местах конструкции, диагностирование которых необходимо проводить в режиме реального времени, формируют датчики, представляющие собой покрытие на основе полимерного материала - композиции с инкапсулированным наполнителем - красителем. Выход на поверхность материала инкапсулированных красителей позволяет, например, выявить место и момент зарождения трещины.To diagnose the state of the structure, its “weak points” are initially determined, that is, the zones in which the greatest internal stresses arise during operation and in which there is a high probability of damage. Then in these places the structures, the diagnosis of which must be carried out in real time, form sensors that are a coating based on a polymeric material — a composition with an encapsulated filler — a dye. The emergence of encapsulated dyes on the surface of the material makes it possible, for example, to reveal the place and moment of crack initiation.

Недостатками данного способа диагностирования состояния конструкции и обнаружения повреждений являются: 1) зависимость чувствительности покрытия от равномерности распределения инкапсулированного красителя в полимерном материале; 2) необходимость исключения коагулирования частиц красителя между собой в более крупные образования; 3) разработанное покрытие «настроено» на определение лишь некоторых видов повреждений, которые возникают при воздействии силы определенной величины, что связано с толщиной стенок микрокапсул и материалом, из которого они изготовлены.The disadvantages of this method of diagnosing the state of construction and detecting damage are: 1) the dependence of the sensitivity of the coating on the uniform distribution of the encapsulated dye in the polymer material; 2) the need to eliminate coagulation of the dye particles with each other in larger formations; 3) the developed coating is “tuned” to determine only certain types of damage that occur when a certain force is applied, which is associated with the thickness of the walls of the microcapsules and the material from which they are made.

Существуют альтернативные способы диагностики едва заметных повреждений конструкций, заключающиеся в использовании «умных» механохромных покрытий, реагирующих на внешнее воздействие изменением цвета. Применение явления механохромии - обратимого изменения цвета окрашенного материала при наличии деформационных нагрузок (давление, растяжение, трение), которое наиболее наглядно проявляется в случае окрашенных полимеров, главная цепь которых представляет длинную цепочку сопряженных двойных π-связей, позволяет зарегистрировать изменения физического состояния поверхности.There are alternative methods for diagnosing barely noticeable structural damage, consisting in the use of "smart" mechanochromic coatings that respond to external influences by a color change. The application of the phenomenon of mechanochromy, a reversible change in the color of a colored material in the presence of deformation loads (pressure, tension, friction), which is most clearly manifested in the case of colored polymers, the main chain of which is a long chain of conjugated double π bonds, makes it possible to detect changes in the physical state of the surface.

Известен способ обнаружения повреждений материала (№ US 8236914 В2 «Self-assessing mechanochromic materials», C08F 120/18, G01B 11/16, C08G 63/00, C08G 63/66, C08G 65/00 / Stephanie L. Potisek, Douglas A. Davis, Scott R. White, Nancy R. Sottos, Jeffrey S. Moore) с использованием полимерного материала, содержащего механофор в основной цепи, который вызывает изменение цвета при его нагружении. С использованием покрытия на основе такого полимера обнаруживают повреждения на поверхности конструкции и устраняют их задолго до ее отказа что, в конечном счете, продляет срок службы конструкции. Механофор внедряют в основную цепь полимера и размещают в середине главной цепи. Механофор претерпевает структурные преобразования при нагружении, так как молекулы таких веществ используют механическую деформацию для инициирования химических превращений. Это и является причиной изменения цвета полимерного материала, которое можно увидеть невооруженным глазом. У такого способа обнаружения повреждений есть несколько преимуществ: 1) так как механофор включен в матрицу на молекулярном уровне, он равномерно распределен по всему материалу; 2) не нужно применять никакой дополнительной обработки и постполимеризации, так как механофор не разрушится при эксплуатации конструкции; 3) повреждения могут быть обнаружены визуально без удаления каких-либо слоев или использования дорогого оборудования; 4) энергия, необходимая для изменения цвета, возникает от механического воздействия; 5) полимер практически бесцветен, но после воздействия нагрузки приобретает яркую окраску, и подобное изменение легко зафиксировать визуально.A known method of detecting material damage (No. US 8236914 B2 "Self-assessing mechanochromic materials", C08F 120/18, G01B 11/16, C08G 63/00, C08G 63/66, C08G 65/00 / Stephanie L. Potisek, Douglas A Davis, Scott R. White, Nancy R. Sottos, Jeffrey S. Moore) using a polymer material containing a mechanophore in the main chain that causes a color change when loaded. Using a coating based on such a polymer, damage to the surface of the structure is detected and repaired long before its failure, which ultimately extends the life of the structure. The mechanophore is introduced into the main chain of the polymer and placed in the middle of the main chain. The mechanophore undergoes structural transformations under loading, since the molecules of such substances use mechanical deformation to initiate chemical transformations. This is the reason for the color change of the polymer material, which can be seen with the naked eye. This method of detecting damage has several advantages: 1) since the mechanophore is included in the matrix at the molecular level, it is evenly distributed throughout the material; 2) it is not necessary to apply any additional processing and postpolymerization, since the mechanophore will not be destroyed during the operation of the structure; 3) damage can be detected visually without removing any layers or using expensive equipment; 4) the energy required to change color arises from mechanical stress; 5) the polymer is almost colorless, but after exposure to the load acquires a bright color, and such a change is easy to visually fix.

Механофор выбирают из группы, включающей в себя спиропиран. В последнее время было установлено, что именно спиропираны могут выступать в качестве механофоров в твердых полимерах (Preston A. May, Cassandra М. Kingsbury, Asha-Dee Celestine, Douglas A. Davis, Scott. S. White, Nancy R. Sottos and Jeffery S. Moore. Design and Testing of Mechanochromic Spiropyran-Linked Polymers. Allerton Conference, 2010. Интернет-ресурс: http://www.chemistry.illinois.edu/events/conferences/Allerton_Conference/posters_2010/Preston_May_-_abstract.pdf, 22.09.2016). Когда они ковалентно связаны с полимером достаточной молекулярной массы, можно наблюдать видимое изменение цвета, если полимерный материал подвергается механической деформации. Это связано с раскрытием 6-π электронного кольца спиропирана, инициируемого механохимической трансдукцией макроскопических сил на молекулярном уровне. Как правило, полимер для создания механохромного материала выбирают из группы, включающей полиметакрилат, полиметилметакрилат, полистирол и поливинилхлорид.The mechanophore is selected from the group consisting of spiropyran. Recently, it has been established that it is spiropyrans that can act as mechanophores in solid polymers (Preston A. May, Cassandra M. Kingsbury, Asha-Dee Celestine, Douglas A. Davis, Scott. S. White, Nancy R. Sottos and Jeffery S. Moore. Design and Testing of Mechanochromic Spiropyran-Linked Polymers. Allerton Conference, 2010. Internet resource: http://www.chemistry.illinois.edu/events/conferences/Allerton_Conference/posters_2010/Preston_May_-_abstract.pdf, 09/22 .2016). When they are covalently bonded to a polymer of sufficient molecular weight, a visible color change can be observed if the polymer material undergoes mechanical deformation. This is due to the discovery of the 6-π electron ring of spiropyran, initiated by mechanochemical transduction of macroscopic forces at the molecular level. Typically, the polymer for creating the mechanochromic material is selected from the group consisting of polymethacrylate, polymethyl methacrylate, polystyrene, and polyvinyl chloride.

Мониторинг повреждений конструкций с применением механохромных ударочувствительных покрытий состоит в следующем:Monitoring structural damage using mechanochromic shock-resistant coatings is as follows:

1) из разработанного материала на поверхности конструкции формируют покрытие,1) a coating is formed from the developed material on the surface of the structure,

2) конструкцию эксплуатируют с нанесенным покрытием,2) the structure is operated coated

3) покрытие анализируют на наличие видимых изменений цвета.3) the coating is analyzed for visible color changes.

Известен способ обнаружения повреждений, также связанный с нанесением покрытия на основе механохромной композиции на поверхность конструкции (№ US 20130269445 «Mechanochromic coating composition», AG01B 1116FI / Anu Chopra, Jun Deng, Charles R. Hickenboth, Robin M. Peffer). Композиция содержит полимерную структуру с механофором, имеющую возможность раскрытия кольца химических связей, при этом механофор связан с этой структурой как минимум в двух местах. Способ изготовления механохромного покрытия включает приготовление отверждаемой композиции, содержащей прекурсор и механофор, а также их взаимодействие таким образом, чтобы связи образовались, по крайней мере, в двух местах, в результате чего можно получить полиуретановую структуру с внедренным в нее механофором. Под механофором подразумевают компонент, имеющий кольцевую структуру, которая способна раскрываться и давать видимое изменение цвета при приложении к ней нагрузки. Нагрузка приводит к удлинению или механическому разрушению механофора, который указывает на поврежденные участки, вызывая изменение цвета материала. Это позволяет узнать, когда ремонт конструкции является необходимым и оправданным. В одном из вариантов осуществления этого способа механофором является спирооксазин и/или инденонафтопиран. Введение красителя в полимерную структуру достигают за счет его функционализации инициатором в ходе реакции полимеризации. Иногда механохромный краситель функционализируют гидроксильными группами, по меньшей мере, в двух положениях. Краситель затем реагирует с галогенами ацилгалоида с образованием инициатора полимеризации с переносом атома, который пригоден для введения в полимерную структуру. Примеры подходящих ацилгалоидов: 2-бромпропионил бромид и бромистый 2-бромизобутирил.A known method for detecting damage, also associated with the coating on the basis of the mechanochromic composition on the surface of the structure (No. US 20130269445 "Mechanochromic coating composition", AG01B 1116FI / Anu Chopra, Jun Deng, Charles R. Hickenboth, Robin M. Peffer). The composition contains a polymer structure with a mechanophore having the ability to open a ring of chemical bonds, while the mechanophore is associated with this structure in at least two places. A method of manufacturing a mechanochromic coating involves preparing a curable composition containing a precursor and a mechanophore, as well as their interaction so that bonds are formed in at least two places, as a result of which a polyurethane structure with a mechanophore embedded in it can be obtained. By mechanophore is meant a component having an annular structure that is able to open and give a visible color change when a load is applied to it. The load leads to elongation or mechanical destruction of the mechanophore, which indicates damaged areas, causing a discoloration of the material. This allows you to find out when the repair of the structure is necessary and justified. In one embodiment of this method, the mechanophore is spirooxazine and / or indenone naphthopyran. The introduction of dye into the polymer structure is achieved due to its functionalization by the initiator during the polymerization reaction. Sometimes the mechanochromic dye is functionalized with hydroxyl groups in at least two positions. The dye then reacts with the acyl halide halogens to form an atom transfer polymerization initiator that is suitable for incorporation into the polymer structure. Examples of suitable acyl halides: 2-bromopropionyl bromide and 2-bromisobutyryl bromide.

Полиуретановая структура в соответствии с этим изобретением включает в себя уретанакрилат, который получается в ходе полимеризации с помощью фотоинициатора, обеспечивая покрытие, имеющее достаточную прочность и адгезию к субстратам. Полимерная структура из уретанакрилата представляет собой жесткий или мягкий полимер в зависимости от типа и количества полиизоцианатных функциональных групп.The polyurethane structure in accordance with this invention includes urethane acrylate, which is obtained during polymerization using a photoinitiator, providing a coating having sufficient strength and adhesion to the substrates. The polymer structure of urethane acrylate is a hard or soft polymer depending on the type and amount of polyisocyanate functional groups.

Недостатками указанных выше способов определения мест повреждений конструкции с помощью механохромных покрытий являются следующие:The disadvantages of the above methods for determining the location of structural damage using mechanochromic coatings are as follows:

1) необходимость постоянного мониторинга конструкции, так как явление механохромии является обратимым процессом;1) the need for continuous monitoring of the structure, since the phenomenon of mechanochromy is a reversible process;

2) механохромные свойства полимера проявляются при воздействии силы строго определенной величины, которая зависит от химической природы механофора, содержащегося в полимере;2) the mechanochromic properties of the polymer are manifested by the action of a force of a strictly defined value, which depends on the chemical nature of the mechanophore contained in the polymer;

3) сложно регулировать скорость изменения цвета механохромного полимерного материала; длительность изменения цвета материала может занимать от нескольких минут до нескольких часов в зависимости от условий эксплуатации покрытия;3) it is difficult to control the color change rate of a mechanochromic polymer material; the duration of the color change of the material can take from several minutes to several hours, depending on the operating conditions of the coating;

4) для проявления механохромии полимерами часто требуется комбинированное действие механических импульсов, нагрева и изменения рН среды.4) the manifestation of mechanochromy by polymers often requires the combined action of mechanical impulses, heating and changing the pH of the medium.

Известен способ диагностирования состояния конструкции, основанный на создании датчика с чувствительным к повреждениям покрытием (RU №2395786 С1 «Способ диагностирования состояния конструкции», G01B 7/16 / Баурова Н.И., Зорин В.А.; Баурова Н.И.). Согласно этому способу определяют, как минимум, один локальный участок вероятного возникновения повреждения, который авторами называется дефектом, устанавливают на данном участке конструкции датчик и по его показаниям определяют состояние конструкции. Ключевым обстоятельством является то, что датчик представляет собой основу из графитизированных углеродных волокон (нить, лента или ткань), на которую наносят цветовой индикатор, в качестве которого используют жидкокристаллический полимер, способный изменять свой цвет в зависимости от изменения электрического сопротивления основы, в качестве которой может использоваться, например, нематический азоксипроизводный полиэфир. Датчик с натягом фиксируют на исследуемом локальном участке, покрытом отверждаемым связующим (до его отверждения), а для определения состояния локального участка к датчику подсоединяют источник тока и определяют напряженно-деформируемое состояние диагностируемой конструкции по экспериментально определенной зависимости цвета цветового индикатора от деформации. В качестве основы связующего может быть выбрана эпоксидная диановая смола марки ЭД-20¹ (¹ Эпоксидные диановые смолы являются самыми распространенными и составляют 85-90% от общего числа всех эпоксидных смол, выпускаемых в России и за рубежом) В качестве отвердителей эпоксидных смол используют алифатические и ароматические амины, ангидриды, фенольные смолы и др. Наиболее предпочтительны для данного использования алифатические амины (для создания связующих холодного отверждения). Данный способ обеспечивает получение своевременной и достоверной информации, что позволяет обеспечить безопасность эксплуатации машин (мониторинг), а по динамике развития повреждений в «слабых местах» - прогнозирование ресурса конструкций, обоснование необходимости проведения ремонтно-восстановительных работ.A known method for diagnosing the state of a structure, based on the creation of a sensor with a damage-sensitive coating (RU No. 2395786 C1 “Method for diagnosing a state of a structure”, G01B 7/16 / Baurova NI, Zorin VA; Baurova NI) . According to this method, at least one local site of the probable damage occurrence, which is called a defect by the authors, is determined, a sensor is installed on this site of the structure, and the state of the structure is determined by its readings. The key circumstance is that the sensor is a basis of graphitized carbon fibers (thread, tape or fabric), on which a color indicator is applied, which is used as a liquid crystal polymer that can change its color depending on the change in the electrical resistance of the base, as for example, a nematic azoxy derivative polyester can be used. The sensor with an interference fit is fixed on the studied local area covered with a curable binder (before it is cured), and to determine the state of the local area, a current source is connected to the sensor and the stress-strain state of the diagnosed structure is determined by the experimentally determined dependence of the color of the color indicator on the deformation. The binder base can be selected with an ED-20 ¹ epoxy dian resin ( ¹ Epoxy dianic resins are the most common and make up 85-90% of the total number of all epoxies produced in Russia and abroad) Aliphatic are used as hardeners for epoxies and aromatic amines, anhydrides, phenolic resins, etc. Aliphatic amines are most preferred for this use (to create cold curing binders). This method provides timely and reliable information, which ensures the safe operation of machines (monitoring), and the dynamics of damage in the "weak spots" - prediction of the resource structures, justification for the need for repair and restoration work.

Основными недостатками такого способа обнаружения повреждений конструкции являются необходимость наличия источника тока, а также необходимость постоянного мониторинга конструкции и отслеживания показания приборов; кроме того, такой способ применим в основном для определения повреждений конструкций, находящихся в напряженно-деформируемом состоянии (статическое растяжение-сжатие).The main disadvantages of this method for detecting structural damage are the need for a current source, as well as the need for continuous monitoring of the structure and monitoring the readings; in addition, this method is mainly applicable for determining damage to structures that are in a stress-strain state (static tension-compression).

Наиболее удобным, простым и эффективным способом НК в составе визуально-оптического метода может быть люминесцентный, который основан на создании полимерного покрытия, содержащего специальные химические вещества - люминофоры, способные излучать свет с определенной длиной волны при облучении их ультрафиолетовым светом.The most convenient, simple and effective NK method as part of the visual-optical method can be luminescent, which is based on the creation of a polymer coating containing special chemicals - phosphors that can emit light with a certain wavelength when irradiated with ultraviolet light.

Известен способ обнаружения ударных повреждений (№ US 2008/0277596 A1 «Impact indicating microcapsules». F21K 2/00 / James D. Oxley), в котором для определения областей удара на поверхность конструкции наносят чувствительное к ударам покрытие, представляющее собой индикатор повреждений. Покрытие состоит из множества микрокапсул, содержащих индикатор, высвобождаемый из них вследствие внешних механических воздействий. Микрокапсулы получают при помощи различных приемов (межфазной полимеризацией и/или простой коацервацией). После высвобождения индикатора из микрокапсулы он проявляет флуоресцентные свойства при воздействии светового излучения с определенной длиной волны.A known method for detecting impact damage (No. US 2008/0277596 A1 "Impact indicating microcapsules". F21K 2/00 / James D. Oxley), in which to determine the areas of impact on the surface of the structure is applied to the impact-sensitive coating, which is an indicator of damage. The coating consists of many microcapsules containing an indicator released from them due to external mechanical influences. Microcapsules are prepared using various techniques (interfacial polymerization and / or simple coacervation). After the indicator is released from the microcapsule, it exhibits fluorescence properties when exposed to light radiation with a specific wavelength.

В качестве индикаторов используют любые соединения, способные к флуоресценции под воздействием выбранного источника излучения и при диспергировании в среде с определенным значением рН. Индикаторы не должны проявлять флуоресцентных свойств, когда находятся внутри микрокапсул, а только при их высвобождении в среду с контролируемым значением рН. Электромагнитная энергия света, действующая на индикатор, приводит к его люминесценции: поглощение фотонов его молекулами вызывает выброс фотона с другой длиной волны иной степени интенсивности. В целом, свечение может включать в себя как флуоресценцию, так и фосфоресценцию. Регулировать величину рН можно, например, путем смешивания микрокапсул в среде, которая обеспечивает желаемый уровень рН, и/или при помощи внедрения рН-активатора в микрокапсулы, который высвобождается при ударе и разрушении микрокапсулы.Any compounds capable of fluorescence under the influence of a selected radiation source and when dispersed in a medium with a certain pH value are used as indicators. Indicators should not show fluorescent properties when they are inside the microcapsules, but only when they are released into the medium with a controlled pH value. The electromagnetic energy of light acting on the indicator leads to its luminescence: the absorption of photons by its molecules causes the emission of a photon with a different wavelength of a different degree of intensity. In general, luminescence can include both fluorescence and phosphorescence. The pH can be adjusted, for example, by mixing the microcapsules in a medium that provides the desired pH level and / or by incorporating the pH activator into the microcapsules, which is released upon impact and destruction of the microcapsules.

Флуоресценцию или спектры флуоресценции измеряют с помощью ряда методов, таких как флуоресцентная спектроскопия (также известная как фотометрия или спектрофотометрия). Подобные методы измерения включают облучение образца светом с заданной длиной волны, как правило, ультрафиолетового спектра (УФ-спектра), а затем регистрацию излучения, испускаемого образцом. Микрокапсулы, содержащие флуоресцентное вещество и/или активатор, входят в состав лакокрасочного покрытия (ЛКП), наносимого на диагностируемую поверхность.Fluorescence or fluorescence spectra are measured using a number of methods, such as fluorescence spectroscopy (also known as photometry or spectrophotometry). Such measurement methods include irradiating the sample with light with a given wavelength, usually the ultraviolet spectrum (UV spectrum), and then registering the radiation emitted by the sample. Microcapsules containing a fluorescent substance and / or activator are part of the paint coating (LCP) applied to the diagnosed surface.

Существует похожий способ обнаружения малозаметных ударных повреждений с помощью ударочувствительного покрытия, содержащего микрокапсулы, заполненные индикатором с флуоресцентными свойствами (Richard De Meis. Aircraft skin that bruises. -Aerospace America, july, 1987. - C. 33-34). Для определения мест повреждений конструкции и силы удара авторы - исследователи из США - наносят разработанное покрытие, содержащее «скрытые» индикаторы в виде микрокапсулированного красителя на основе химических соединений, обладающих флуоресцетными свойствами при действии УФ или рентгеновского излучения. Благодаря такому покрытию поверхности агрегатов ВС после ударов выглядят более эстетично, так как пятна другого цвета появляются только при облучении УФ или рентгеновскими лучами. Микрокапсулы диаметром от 1 до 10 мкм изготавливают из желатина или полиуретана. Микрокапсулы могут содержать индикаторы, включающие в свой состав химические элементы с разными порядковыми номерами, но при этом они должны оставаться жидкими во всем диапазоне температур, при которых происходит эксплуатация ВС. Самые большие микрокапсулы разрушатся в первую очередь. При попадании гамма-излучения на поверхность покрытия, данные элементы проявляют флуоресценцию с длиной волны, соответствующей их заряду ядра. Таким образом, рентгеновская картина показывает серьезность повреждения. Микрокапсулы должны содержать элементы с большим зарядом ядра, чтобы рентгеновская картина неповрежденной конструкции отличалась от поврежденной, в то время как флуоресценция под ультрафиолетовыми лучами может быть замаскирована введением в стенки капсул сажи или диоксида титана. Специалисты ВВС США в этой работе сосредоточили свои усилия на изучении совместимости микрокапсул с авиационным ЛКП. Краситель или активатор заключали в микрокапсулы и затем смешивали с полиуретановой основой ЛКП. Первой проблемой для них стала химическая активность ЛКП на полиуретановой основе. Покрытия на основе кремнийорганических соединений не давали подобных проблем, но имели меньшую стойкость при износе и трении. После введения красителя в микрокапсулы следы от удара не могли быть зафиксированы с помощью данной технологии из-за того, что ЛКП, содержащее изоцианаты, реагировало с активатором. Поэтому активатор вводили в микрокапсулы, а краситель замешивали в полиуретановую основу, далее фиксировали следы от ударов, однако, через несколько дней оставшаяся окрашенная часть становилась синей, так как краситель реагировал с полиуретановой основой на свету.There is a similar method for detecting subtle shock damage using a shock-resistant coating containing microcapsules filled with an indicator with fluorescent properties (Richard De Meis. Aircraft skin that bruises. -Aerospace America, july, 1987. - C. 33-34). To determine the places of structural damage and impact force, authors - researchers from the USA - apply a developed coating containing "hidden" indicators in the form of a microencapsulated dye based on chemical compounds that have fluorescent properties when exposed to UV or X-ray radiation. Due to this coating, the surfaces of the aircraft aggregates after impacts look more aesthetically pleasing, since spots of a different color appear only when irradiated with UV or X-rays. Microcapsules with a diameter of 1 to 10 microns are made from gelatin or polyurethane. Microcapsules may contain indicators that include chemical elements with different serial numbers, but they must remain liquid in the entire temperature range at which the aircraft is operated. The largest microcapsules will be destroyed first. When gamma radiation enters the coating surface, these elements exhibit fluorescence with a wavelength corresponding to their core charge. Thus, the x-ray picture shows the severity of the damage. Microcapsules must contain elements with a large nuclear charge so that the x-ray picture of the intact structure differs from the damaged one, while fluorescence under ultraviolet rays can be masked by the introduction of soot or titanium dioxide into the walls of the capsules. US Air Force specialists in this work focused their efforts on studying the compatibility of microcapsules with aviation paintwork. The dye or activator was enclosed in microcapsules and then mixed with the polyurethane base LCP. The first problem for them was the chemical activity of LCP on a polyurethane basis. Coatings based on organosilicon compounds did not give similar problems, but had less resistance to wear and friction. After the dye was introduced into the microcapsules, impact traces could not be detected using this technology because the LCP containing isocyanates reacted with the activator. Therefore, the activator was introduced into the microcapsules, and the dye was mixed into a polyurethane base, then traces of impacts were recorded, however, after a few days the remaining colored part turned blue, since the dye reacted with the polyurethane base in the light.

Для решения этой задачи исследователи разработали метод введения в микрокапсулы двух компонентов, а метод нанесения ударочувствительного покрытия совместили с процедурами покраски и ремонта самолета (распыление или нанесение кистью). В ходе итоговых испытаний специалисты диспергировали микрокапсулы в полиуретановой основе ЛКП при помощи ультразвука в массовом отношении 4-12%. Панели из углепластика площадью около 14,6 см с количеством слоев 8, 16 и 48 покрыли тестируемым материалом с помощью распыления без закупорки насадок или разрушения микрокапсул. Перед использованием микрокапсулы были сухими и замешивались в ЛКП по мере необходимости. Срок хранения микрокапсул до их использования не превышает 1 год. Распыленные на поверхность авиационной конструкции или какую-либо другую чистую поверхность, микрокапсулы оказывают на окружающую среду такое же воздействие, как и основа ЛКП.To solve this problem, the researchers developed a method for introducing two components into microcapsules, and combined the method of applying an impact-sensitive coating with the procedures for painting and repairing an airplane (spraying or brushing). During the final tests, experts dispersed microcapsules in a polyurethane-based LCP using ultrasound in a mass ratio of 4-12%. Carbon fiber panels with an area of about 14.6 cm with the number of layers 8, 16 and 48 were coated with the test material by spraying without clogging nozzles or breaking microcapsules. Before use, the microcapsules were dry and mixed in LCP as needed. The shelf life of microcapsules before use does not exceed 1 year. Sprayed onto the surface of an aircraft structure or some other clean surface, microcapsules have the same effect on the environment as the base coat.

Недостатком данного способа обнаружения повреждений является недостаточная чувствительность микрокапсул к ударам с малой энергией, а следовательно, это препятствует обнаружению малозаметных ударных повреждений конструкции ВС; кроме того, сложно регулировать толщину стенок микрокапсул, заполненных различными флуоресцентными индикаторами, дающих при облучении различную цветовую окраску, для точного определения силы ударных воздействий; кроме того, флюоресцентные индикаторы должны представлять собой жидкости при эксплуатации покрытия в широком температурном диапазоне (от -63°С до 203°С).The disadvantage of this method of detecting damage is the lack of sensitivity of microcapsules to shock with low energy, and therefore, this prevents the detection of subtle shock damage to the aircraft structure; in addition, it is difficult to control the thickness of the walls of the microcapsules filled with various fluorescent indicators, which give a different color when irradiated, to accurately determine the strength of the impact; in addition, fluorescent indicators should be liquids when operating the coating in a wide temperature range (from -63 ° C to 203 ° C).

Разновидностью люминесцентного метода определения мест ударных повреждений конструкции может быть механолюминесцентный, основанный на создании полимерного покрытия, содержащего люминофоры, способные излучать свет с определенной длиной волны при механических деформациях материала, причем интенсивность излучения ими света зависит от величины деформации конструкции.A variation of the luminescent method for determining the places of impact damage to a structure can be mechanoluminescent, based on the creation of a polymer coating containing phosphors capable of emitting light with a certain wavelength during mechanical deformation of the material, and the intensity of light emission from them depends on the magnitude of the deformation of the structure.

Известен наглядный и информативный способ обнаружения и визуализации повреждений конструкции (RU №2443975 «Способ визуализации и контроля динамических деформаций поверхности и ударных нагрузок», G01B 11/16 / Банишев А.Ф., Банишев А.А.), который заключается в том, что на поверхность исследуемого объекта наносят высокочувствительный к механическим деформациям слой механолюминесцирующего в видимой области спектра материал, интенсивность свечения которого пропорциональна величине деформации объекта. Чувствительным к деформациям материалом является фотополимер, однородный по составу и прозрачный в видимой области спектра, который легко формируется из жидкой композиции на поверхности объекта любой формы на основе фотополимеризующейся полимера и фотоинициатора. Такое покрытие можно использовать для контроля работоспособности и предотвращения аварийных ситуаций при работе объектов различной формы и размеров, как элементов конструкции, подвергаемых сложному нагружению, например, ударным нагрузкам, изгибу, кручению, так и при исследовании прочностных свойств различных образцов материалов на ударные нагрузки, с целью измерения пространственного распределения и величины напряжений и деформаций на поверхности исследуемых объектов, возникающих в результате нагружения. Для регистрации свечения используют цифровую видеокамеру или другие фотоприемные устройства.A well-known visual and informative method for the detection and visualization of structural damage (RU No. 2443975 "Method for visualization and control of dynamic surface deformations and impact loads", G01B 11/16 / Banishev AF, Banishev AA), which consists in that a layer of material luminescent in the visible spectral region highly sensitive to mechanical deformations is applied to the surface of the object under study, the luminous intensity of which is proportional to the value of the object’s deformation. The material sensitive to deformations is a photopolymer, uniform in composition and transparent in the visible spectrum, which is easily formed from a liquid composition on the surface of an object of any shape based on a photopolymerizable polymer and a photoinitiator. Such a coating can be used to monitor performance and prevent accidents when objects of various shapes and sizes, both structural elements subjected to complex loading, for example, shock loads, bending, torsion, and when studying the strength properties of various samples of materials for shock loads, with the purpose of measuring the spatial distribution and the magnitude of stresses and strains on the surface of the studied objects arising as a result of loading. To register the glow using a digital video camera or other photodetector devices.

Недостатки этого способа обнаружения повреждений конструкций состоят в необходимости постоянного мониторинга конструкции с регистрацией свечения при помощи цифровой видеокамеры или других фотоприемных устройств и оборудования, что усложняет процедуру НК ВС, увеличивает время ее проведения, требует соответствующей квалификации обслуживающего персонала, а также увеличивает финансовые затраты.The disadvantages of this method for detecting structural damage are the need for continuous monitoring of the structure with the registration of the glow using a digital video camera or other photodetector devices and equipment, which complicates the procedure for low-cost aircraft, increases its time, requires appropriate qualification of maintenance personnel, and also increases financial costs.

Известен способ обнаружения ударных повреждений с помощью датчика, содержащего в своей конструкции механолюминесцентное покрытие, излучающее световой импульс при возникновении ударного давления (RU №2305847 С1, «Механолюминесцентный датчик удара», G01P 15/093 / Татмышевский К.В., Рахманов З.Т.О., Макарова Н.Ю., Спажакин А.Г.; Татмышевский К.В., Рахманов З.Т.О., Макарова Н.Ю., Спажакин А.Г.). Разработанный датчик удара содержит сенсорный элемент из механолюминесцентного материала в виде пленки. В качестве такого материала используют сульфид цинка, легированный марганцем (ZnS:Mn), с весовым содержанием марганца - 5%. Толщина слоя сенсорного элемента составляет 2-3 d_ср, где d_cp - средний диаметр частиц механолюминесцентного материала. Один из торцов сенсорного элемента находится в механическом контакте с сердечником-концентратором, который усиливает механическое напряжение на своем выходном конце. Другой торец сенсорного элемента находится в оптическом контакте с волоконно-оптическим жгутом. Сенсор и волоконно-оптический канал связи выполнены из материалов, нечувствительных к электромагнитным помехам, что повышает надежность датчика и снижает возможность ложного срабатывания, например, при колебаниях и вибрациях. Датчик удара работает следующим образом. При возникновении ударного импульса, действующего на механолюминесцентный датчик, ударное давление распространяется по сердечнику-концентратору, усиливается в нем и вызывает деформацию прозрачной пленки сенсорного элемента. Если при этом возникает ударное давление выше предела текучести пленки, то слой механолюминофора проявляет свечение - излучает световой импульс. Волоконно-оптический жгут, находящийся в оптическом и механическом контакте с датчиком, передает световой сигнал на фотоприемное устройство. Фотоприемник, находящийся на противоположной стороне волоконно-оптического жгута, преобразует световой сигнал в электрический. Механолюминесцентный датчик удара используют, например, для управления «подушками безопасности» в автомобилях.A known method of detecting shock damage with a sensor containing in its design a mechanoluminescent coating emitting a light pulse when shock occurs (RU No. 2305847 C1, "Mechanoluminescent shock sensor", G01P 15/093 / Tatmyshevsky KV, Rakhmanov Z.T .O., Makarova N.Yu., Spazhakin A.G .; Tatmyshevsky K.V., Rakhmanov Z.T.O., Makarova N.Yu., Spazhakin A.G.). The developed shock sensor contains a sensor element made of a mechanoluminescent material in the form of a film. As such material, zinc sulfide doped with manganese (ZnS: Mn) is used, with a weight content of manganese - 5%. The thickness of the layer of the sensor element is 2-3 d _cf , where d _cp is the average particle diameter of the mechanoluminescent material. One of the ends of the sensor element is in mechanical contact with the core-hub, which amplifies the mechanical stress at its output end. The other end of the sensor element is in optical contact with the fiber optic bundle. The sensor and the fiber-optic communication channel are made of materials insensitive to electromagnetic interference, which increases the reliability of the sensor and reduces the possibility of false triggering, for example, during vibrations and vibrations. The shock sensor works as follows. When a shock pulse arises that acts on the mechanoluminescent sensor, the shock pressure propagates through the hub core, amplifies in it and causes deformation of the transparent film of the sensor element. If, in this case, a shock pressure arises above the yield strength of the film, then the layer of the mechanophosphor exhibits a glow - it emits a light pulse. A fiber optic bundle in optical and mechanical contact with the sensor transmits a light signal to a photodetector. A photodetector located on the opposite side of the fiber optic bundle converts the light signal into an electric signal. A mechanoluminescent shock sensor is used, for example, to control "airbags" in cars.

Недостатками этого способа обнаружения повреждений конструкций являются сложная конструкция датчика, содержащая несколько различных устройств: сердечник-концентратор, волоконно-оптический жгут, фотоприемное устройство, а также ограниченная площадь поверхности конструкций при сборе информации о ее повреждениях.The disadvantages of this method for detecting structural damage are the complex design of the sensor, containing several different devices: a core-hub, fiber optic bundle, a photodetector, as well as a limited surface area of structures when collecting information about its damage.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является способ определения мест повреждения и/или качества покрытия в конструкциях, основанный на нанесении люминесцентного покрытия (патент US № 20020165294 A1 «Luminescent coating», B05D 5/12; C09D 5/29 / W.R. Cooper, H.M. Jess), которое представляет собой эпоксидное ЛКП, в него добавляют люминесцентный пигмент (люминофор) в количестве менее чем 10% по массе, что значительно меньше, чем в люминесцентных красках, где количество люминесцентного вещества составляет более 45% от массы.The closest technical solution adopted for the prototype is a method for determining damage points and / or coating quality in structures based on applying a luminescent coating (US patent No. 20020165294 A1 “Luminescent coating”, B05D 5/12; C09D 5/29 / WR Cooper , HM Jess), which is an epoxy paint, add luminescent pigment (phosphor) in an amount of less than 10% by weight, which is significantly less than in luminescent paints, where the amount of luminescent substance is more than 45% by weight.

Люминесцентное покрытие, а также метод определения качества нанесенного на конструкцию покрытия, описанные в этом способе, были разработаны для определения мест ударных повреждений и износа аэрокосмических аппаратов и ВС в процессе эксплуатации (например, вследствие удара птицы), а также для выявления мест повреждений поверхностей других конструкций (морских судов, подводных секций морских буровых установок и промышленных платформ, наземных установок, таких как емкости для хранения нефти или химикатов, реакционные сосуды на промышленных предприятиях, железнодорожные цистерны и т.д.) в процессе сварки, климатических воздействий (коррозия), эрозионного износа или других случаях, в широком диапазоне эксплуатационных условий.The luminescent coating, as well as the method for determining the quality of the coating applied to the structure described in this method, were developed to determine the places of impact damage and wear of aerospace vehicles and aircraft during operation (for example, due to a bird strike), as well as to identify places of damage to surfaces of other structures (marine vessels, underwater sections of offshore drilling rigs and industrial platforms, ground installations, such as tanks for storing oil or chemicals, reaction vessels in industrial s facilities, railroad tank cars, etc.) in the welding process, climatic influences (corrosion), erosive wear or other cases, a wide range of operating conditions.

Контроль указанных конструкций требует значительных затрат рабочего времени квалифицированного персонала, а следовательно, дорог в эксплуатации. Из-за сложности некоторых конструкций также затруднительно обеспечить надлежащее обслуживание их особо важных частей с необходимой степенью достоверности результатов.The control of these structures requires a significant investment of working time by qualified personnel, and therefore, is expensive to operate. Due to the complexity of some designs, it is also difficult to ensure proper maintenance of their critical parts with the necessary degree of reliability of the results.

Способ-прототип состоит в следующем: 1) наносят на конструкцию разработанное люминесцентное покрытие; 2) регистрируют первоначальное состояние нанесенного на конструкцию люминесцентного покрытия без повреждений при облучении ультрафиолетом с длиной волны порядка 360 нм (360÷365 нм), при этом изображение записывают на цифровой носитель для сохранности на длительный период времени; 3) просматривают изображение на предмет наличия ударных повреждений: вмятин, трещин, сколов и других повреждений, а также износа за счет различий в интенсивности люминесценции покрытия; на полученной картине пробелы указывают на места повреждений покрытия, тогда как более яркое или слабое свечение свидетельствует о наличии более толстых или тонких зон покрытия; 4) наличие ударных повреждений контролируемой конструкции определяют путем периодического сравнения первоначального с последующими изображениями поверхности при НК конструкции и определения вновь появившихся зон повреждений, эрозии или износа.The prototype method consists in the following: 1) the developed luminescent coating is applied to the structure; 2) register the initial state of the luminescent coating applied to the structure without damage when irradiated with ultraviolet radiation with a wavelength of about 360 nm (360 ÷ 365 nm), while the image is recorded on a digital medium for preservation for a long period of time; 3) view the image for impact damage: dents, cracks, chips and other damage, as well as wear due to differences in the luminescence intensity of the coating; in the resulting picture, gaps indicate the location of damage to the coating, while a brighter or weaker glow indicates the presence of thicker or thinner coating zones; 4) the presence of shock damage to the controlled structure is determined by periodically comparing the initial with subsequent images of the surface with the NK structure and determining the newly appeared zones of damage, erosion or wear.

Недостаток данного способа-прототипа обнаружения повреждений конструкции заключается в необходимости постоянного проведения мониторинга конструкции, записи и хранении первоначального изображения поверхности конструкции, сравнении изображений поверхности до повреждений и после, что усложняет процедуру, исключает ее из номенклатуры процедур визуального осмотра ВС, увеличивает время ее проведения, требует сложных аппаратных средств и высокой квалификации обслуживающего персонала, а также увеличивает финансовые затраты.The disadvantage of this prototype method for detecting structural damage is the need for continuous monitoring of the structure, recording and storage of the initial image of the surface of the structure, comparing surface images before and after damage, which complicates the procedure, excludes it from the list of procedures for visual inspection of aircraft, increases its time, requires complex hardware and highly qualified staff, and also increases financial costs.

Задачей предложенного изобретения является создание простого и удобного способа обнаружения ударных повреждений конструкции с целью упрощения процедуры визуального осмотра ВС, исключения сложного специального оборудования и обслуживающего персонала высокой квалификации путем получения достоверных данных о техническом состоянии авиационных конструкций и их безопасной эксплуатации с использованием люминесцентного ударочувствительного полимерного покрытия.The objective of the proposed invention is to create a simple and convenient method for detecting impact damage to structures with the aim of simplifying the visual inspection of aircraft, eliminating complex special equipment and highly qualified service personnel by obtaining reliable data on the technical condition of aircraft structures and their safe operation using fluorescent shock-resistant polymer coating.

Технический результат при использовании разработанного способа обнаружения ударных повреждений конструкции заключается в повышении безопасности полетов ВС, сокращении времени обслуживания авиатехники, облегчении технической поддержки летной годности конструкции планера за счет упрощения и повышения оперативности процедуры визуального контроля технического состояния, высокой точности и достоверности обнаружения малозаметных ударных повреждений без использования сложного оборудования и обслуживающего персонала высокой квалификации.The technical result when using the developed method for detecting structural impact damage is to increase flight safety, reduce aircraft maintenance time, facilitate technical support for airworthiness of the airframe design by simplifying and increasing the efficiency of the visual inspection of the technical condition, high accuracy and reliability of detecting subtle impact damage without the use of sophisticated equipment and highly qualified staff katsii.

Технический результат достигается тем, что в способе обнаружения ударных повреждений конструкции, включающем нанесение на подготовленную поверхность конструкции люминесцентного покрытия на основе полимерной композиции связующего, в которой распределена добавка люминофора в количестве менее чем 10% от массы связующего, люминесцирующего в видимой области спектра под воздействием УФ-излучения с длиной волны 360÷365 нм, просмотр покрытия при облучении конструкции УФ и обнаружение возможных ударных повреждений: вмятин, трещин, сколов и других повреждений за счет цветовых различий, люминесцентное покрытие является многослойным и содержит первый (по направлению от конструкции) индикаторный слой с люминофором и второй защитный (покровный) слой с рабочим компонентом, поглощающим УФ-излучение, причем для создания индикаторного слоя используют раствор связующего на основе кремнийорганических блок-сополимеров в толуоле с добавлением люминофора, представляющего собой пивалатный комплекс европия с гетероциклическим диимином в количестве до 1,4 мас.% относительно связующего, после чего раствор распыляют на поверхности конструкции, а полученное полимерное покрытие высушивают при температуре 20÷25°С в течение 8÷10 часов, затем при 90÷100°С в течение 2÷3 часов, поверх индикаторного слоя на поверхность конструкции наносят защитный полимерный слой, поглощающий УФ-излучение, путем распыления раствора связующего на основе кремнийорганических блок-сополимеров в толуоле с добавлением рабочего компонента р-дикетон дибензоилметана с концентрацией 2÷6⋅10^-2 моль/л, полученное полимерное покрытие сушат сначала при температуре 20÷25°С в течение 1÷2 часов, затем при 90÷100°С в течение 2÷3 часов, при этом количество наносимых защитных слоев может варьироваться от 2-х до 3-х, а обнаружение едва заметных ударных повреждений осуществляют путем визуальной фиксации цветовых различий защитного слоя покрытия при облучении конструкции УФ без предварительной записи картины неповрежденной поверхности конструкции и без последующего сравнения картины поврежденной поверхности с неповрежденной.The technical result is achieved in that in a method for detecting impact damage to a structure, including applying to the prepared surface of the structure a luminescent coating based on a polymer binder composition, in which the phosphor additive is distributed in an amount of less than 10% by weight of the binder that is luminescent in the visible spectrum under the influence of UV -radiation with a wavelength of 360 ÷ 365 nm, viewing the coating upon irradiation of the UV structure and the detection of possible impact damage: dents, cracks, chips and other x damage due to color differences, the luminescent coating is multilayer and contains the first (in the direction from the design) indicator layer with a phosphor and the second protective (coating) layer with a working component that absorbs UV radiation, and a binder solution based on organosilicon block copolymers in toluene with the addition of a phosphor, which is a pivate complex of europium with heterocyclic diimine in an amount of up to 1.4 wt.% relative to the binder, last why the solution is sprayed on the surface of the structure, and the resulting polymer coating is dried at a temperature of 20 ÷ 25 ° C for 8 ÷ 10 hours, then at 90 ÷ 100 ° C for 2 ÷ 3 hours, a protective polymer coating is applied on the surface of the indicator layer UV-absorbing layer by spraying a binder solution based on organosilicon block copolymers in toluene with the addition of the working component p-diketone dibenzoylmethane with a concentration of 2 ÷ 6⋅10 ^-2 mol / l, the obtained polymer coating is dried first at a temperature of 20 ÷ 2 5 ° C for 1 ÷ 2 hours, then at 90 ÷ 100 ° C for 2 ÷ 3 hours, while the number of applied protective layers can vary from 2 to 3, and the detection of subtle impact damage is carried out by visual fixing the color differences of the protective coating layer upon irradiation of the UV structure without first recording the pattern of the intact surface of the structure and without subsequently comparing the pattern of the damaged surface with the undamaged.

Сущность изобретения поясняется следующими прилагаемыми иллюстрациями.The invention is illustrated by the following accompanying illustrations.

Фиг. 1 - фотография люминесцентного покрытия, нанесенного на конструктивно подобный образец из углепластика, содержащего индикаторный и защитный слои, при естественном освещении.FIG. 1 is a photograph of a luminescent coating applied to a structurally similar carbon fiber specimen containing indicator and protective layers under natural light.

Фиг. 2 - фотография люминесцентного покрытия при облучении УФ.FIG. 2 is a photograph of a luminescent coating under UV irradiation.

Фиг. 3 - фотография то же покрытия, нанесенного на конструктивно подобный образец из углепластика, после ударного воздействия при естественном освещении.FIG. 3 is a photograph of the same coating applied to a structurally similar carbon fiber specimen after impact under natural light.

Фиг. 4 - фотография того же покрытия, нанесенного на конструктивно подобный образец из углепластика, после ударного воздействия при облучении УФ.FIG. 4 is a photograph of the same coating applied to a structurally similar carbon fiber sample after impact under UV irradiation.

Способ обнаружения ударных повреждений конструкции, включающий нанесение на подготовленную поверхность конструкции люминесцентного покрытия на основе полимерной композиции связующего, в которой распределена добавка люминофора в количестве менее чем 10% от массы связующего, люминесцирующего в видимой области спектра под воздействием УФ-излучения с длиной волны 360÷365 нм, просмотр покрытия при облучении конструкции УФ и обнаружение возможных ударных повреждений: вмятин, трещин, сколов и других повреждений за счет цветовых различий осуществляют следующим образом. Наносимое на поверхность конструкции люминесцентное покрытие является многослойным и содержит первый (по направлению от конструкции) индикаторный слой с люминофором и второй защитный (покровный) слой с рабочим компонентом, поглощающим УФ-излучение. Для создания индикаторного слоя используют раствор связующего на основе кремнийорганических блок-сополимеров в толуоле и добавляют в него люминофор, в качестве которого применяют пивалатный комплекс европия с гетероциклическим диимином в количестве до 1,4 мас.% относительно связующего, после чего раствор распыляют на подготовленную поверхность конструкции, а полученное полимерное покрытие высушивают при температуре 20÷25°С в течение 8÷10 часов, затем при 90÷100°С в течение 2÷3 часов. Затем на индикаторный слой покрытия наносят защитный слой путем распыления раствора связующего на основе кремнийорганических блок-сополимеров в толуоле с добавлением рабочего компонента β-дикетон дибензоилметана с концентрацией 2÷6⋅10^-2 моль/л, полученное полимерное покрытие сушат сначала при температуре 20÷25°С в течение 1÷2 часов, затем при 90÷100°С в течение 2÷3 часов. Защитный слой предотвращает излучение индикаторного слоя покрытия при воздействии солнечных лучей во время рейсового полета ВС, что сохраняет эстетичный вид конструкции ВС при его эксплуатации. Количество наносимых защитных слоев может варьироваться от 2-х до 3-х. Далее ВС с нанесенным люминесцентным покрытием планово эксплуатируется, после чего с помощью технического персонала в назначенный срок выполняют визуальный осмотр планера с использованием ультрафиолетового излучателя (УФ фонаря) и отмечают места ударных повреждений согласно видимым глазу цветовым различиям защитного слоя покрытия, количественную оценку мест повреждений производят штатными (стандартными) средствами НК.A method for detecting impact damage to a structure, including applying a luminescent coating on the prepared surface of the structure based on a binder polymer composition in which the phosphor additive is distributed in an amount of less than 10% by weight of the binder luminescent in the visible spectrum under the influence of UV radiation with a wavelength of 360 ÷ 365 nm, viewing the coating during irradiation of the UV structure and detecting possible impact damage: dents, cracks, chips and other damage due to color differences are as follows. The luminescent coating applied to the surface of the structure is multi-layer and contains the first (in the direction from the structure) indicator layer with a phosphor and the second protective (coating) layer with a working component that absorbs UV radiation. To create an indicator layer, a binder solution based on organosilicon block copolymers in toluene is used and a phosphor is added to it, as the pivate complex of europium with heterocyclic diimine is used in an amount of up to 1.4 wt.% Relative to the binder, after which the solution is sprayed onto the prepared surface structures, and the resulting polymer coating is dried at a temperature of 20 ÷ 25 ° C for 8 ÷ 10 hours, then at 90 ÷ 100 ° C for 2 ÷ 3 hours. Then, a protective layer is applied to the indicator coating layer by spraying a binder solution based on organosilicon block copolymers in toluene with the addition of the working component β-diketone dibenzoylmethane with a concentration of 2 ÷ 6⋅10 ^-2 mol / l, the obtained polymer coating is first dried at a temperature of 20 ÷ 25 ° C for 1 ÷ 2 hours, then at 90 ÷ 100 ° C for 2 ÷ 3 hours. The protective layer prevents the emission of the indicator coating layer when exposed to sunlight during the scheduled flight of the aircraft, which preserves the aesthetic appearance of the aircraft structure during its operation. The number of applied protective layers can vary from 2 to 3. Next, the aircraft with the luminescent coating applied is planned to be operated, after which, with the help of technical personnel, the glider is visually inspected using an ultraviolet light (UV lamp) and the places of impact damage are marked according to the color differences of the protective layer visible to the eye, the damage sites are quantified by regular (standard) means of tax.

В заявленном способе нет необходимости фиксировать первоначальное изображение покрытия конструкции без повреждений и записывать его на цифровой носитель для сохранности на длительный период времени с целью использования для сравнения с последующими изображениями поверхности при неразрушающем контроле конструкции и определении вновь появившихся зон повреждений, эрозии или износа. При выполнении визуального осмотра с использованием УФ-излучения места ударных повреждений защитного слоя покрытия определяют согласно видимым глазу цветовым различиям, т.е. поврежденные места конструкции будут иметь цветовую окраску, отличную от цвета защитного слоя покрытия, и будут давать характерное люминесцентное свечение в области длин волн 360+365 нм, либо на фоне люминесцентного свечения будут просматриваться темные места или затемнения, что будет указывать на ударные повреждения как защитного, так и индикаторного слоев покрытия.In the claimed method, it is not necessary to fix the initial image of the coating of the structure without damage and record it on a digital medium for preservation for a long period of time in order to use it for comparison with subsequent images of the surface with non-destructive testing of the structure and to determine newly appeared zones of damage, erosion or wear. When performing a visual inspection using UV radiation, the points of impact damage to the protective coating layer are determined according to the color differences visible to the eye, i.e. Damaged construction sites will have a color different from the color of the protective coating layer and will give a characteristic luminescent glow in the wavelength range 360 + 365 nm, or dark spots or blackouts will be visible against the background of the fluorescent glow, which will indicate impact damage as a protective and indicator coating layers.

С использованием предлагаемого способа в ФГУП «ЦАГИ» проведены ряд экспериментов по обнаружению малозаметных повреждений на элементарных и конструктивно подобных образцах агрегатов конструкции самолета, изготовленных из ПКМ. Разработанный способ обладает высокой достоверностью, весьма прост и удобен в осуществлении, не требует больших финансовых затрат, сложного и дорогостоящего оборудования и позволяет визуально осуществлять неразрушающий контроль технического состояния конструкции. Результат использования этого способа - повышение безопасности эксплуатации конструкции ВС, оперативное осуществление визуального контроля ВС без использования сложного специального оборудования и привлечения высококвалифицированного персонала, простой и удобной способ получения достоверных данных о техническом состоянии конструкции, облегчение технической поддержки летной годности конструкции планера, сокращение времени обслуживания авиационной техники.Using the proposed method, TsAGI conducted a series of experiments to detect subtle damages on elementary and structurally similar samples of aircraft structural units made from PCM. The developed method has high reliability, is very simple and convenient to implement, does not require large financial costs, complex and expensive equipment and allows you to visually perform non-destructive testing of the technical condition of the structure. The result of using this method is to increase the operational safety of the aircraft structure, the operational visual inspection of the aircraft without the use of sophisticated special equipment and the involvement of highly qualified personnel, a simple and convenient way to obtain reliable data on the technical condition of the structure, facilitating technical support for the airworthiness of the airframe design, reducing the time of maintenance technicians.

Claims

A method for detecting impact damage to a structure, including applying a luminescent coating on the prepared surface of the structure based on a binder polymer composition in which the phosphor additive is distributed in an amount of less than 10% by weight of the binder luminescent in the visible spectrum under the influence of UV radiation with a wavelength of 360 ÷ 365 nm, viewing the coating upon irradiation of the UV structure and detecting possible impact damage: dents, cracks, chips and other damage due to color differences, the fact that the luminescent coating is multilayer and contains the first (in the direction from the design) indicator layer with a phosphor and the second protective (coating) layer with a working component that absorbs UV radiation, moreover, to create an indicator layer, a binder solution based on organosilicon block copolymers in toluene with the addition of a phosphor, which is a pivate complex of europium with heterocyclic diimine in an amount of up to 1.4 wt.% relative to the binder, after which the solution is sprayed on the surface of the structure, and the resulting polymer coating is dried at a temperature of 20 ÷ 25 ° C for 8 ÷ 10 hours, then at 90 ÷ 100 ° C for 2 ÷ 3 hours, a protective polymer layer that absorbs UV is applied onto the surface of the structure over the indicator layer -radiation by spraying a solution of a binder based on organosilicon block copolymers in toluene with the addition of the working component β-diketone dibenzoylmethane with a concentration of 2 ÷ 6⋅10 ^-2 mol / l, the resulting polymer coating is dried first at a temperature of 20 ÷ 25 ° C for 1 ÷ 2 hours, per at 90 ÷ 100 ° C for 2 ÷ 3 hours, while the number of applied protective layers can vary from two to three, and the detection of barely noticeable impact damage is carried out by visually fixing the color differences of the protective coating layer when the UV structure is irradiated without first recording the picture intact surface of the structure and without subsequent comparison of the damaged surface with the intact.