ПОЛИМЕРНЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ С ИНТЕГРИРОВАННЫМ ВИБРОПОГЛОЩАЮЩИМ СЛОЕМ
POLYMER COMPOSITE MATERIAL WITH INTEGRATED VIBRATION-ABSORBING LAYER

Изобретение относится к слоистым полимерным композиционным материалам (ПКМ) с повышенными вибропоглощающими свойствами и может быть использовано для снижения вибрации и структурного шума в малонагруженных элементах конструкции изделий авиационной техники.
Известен ПКМ на основе препрега, состоящего из армирующего наполнителя и эпоксидного связующего (бисфенольного типа) с внутренним вибропоглощающим слоем в виде нетканого материала из термоэластопласта (на основе полистирола, поливинилхлорида, полиуретана, полиамида, иономера) или полиолефина - полиэтилена, полипропилена, полибутадиена (WO 2012011487 A1, В32В 5/26, опубл. 09.09.2013). Вибропоглощающая прослойка пластика имеет tgδ≥0,06 при 10°C. Количество монослоев препрега, между которыми заключен вибропоглощающий слой, составляет 20 с каждой стороны от него.
Недостатком указанного материала являются невысокие вибропоглощающие свойства, поскольку в результате соединения с двумя обшивками из 20 монослоев препрега произойдет значительное снижение коэффициента механических потерь. Также значительное количество монослоев препрега должно обеспечить сохранение механических свойств пластика при внедрении вибропоглощающего слоя в его структуру, но при этом приведет к повышению веса и толщины ПКМ.
Для изготовления элементов обшивки фюзеляжа самолета, а также его силовых элементов фирмой Cytec Technology Corp.разработаны композиционные слоистые материалы (US 2012164907 A1, В32В 5/26, опубл. 28.06.2012), включающие армирующие слои на основе углеволокна и связующего и внутренний слой, состоящий из двух различных нетканых материалов (на основе термопластов, термоэластопластов или их смесей), во время отверждения пропитываемые связующим градиентно по толщине. Коэффициент механических потерь ПКМ с интегрированным вибропоглощающим слоем при частоте 100 Гц в диапазоне температур от -50 до 20°C изменяется от 0,0095 до 0,0267.
Недостатками материалов являются невысокие демпфирующие свойства, а также использование внутреннего вибропоглощающего слоя в виде нетканого материала, что не позволяет обеспечить равномерную толщину интегрированного слоя и избежать возможной реакции между полимерным материалом, из которого он изготовлен, и связующим ПКМ.
Известен композиционный материал для изготовления виброудароизоляторов (RU 2353527 C1, В32В 27/04, опубл. 27.04.2009), имеющий тонкую многослойную структуру, состоящую из чередующихся упругих и вязкопластичных слоев, армированных тканым материалом, таким как полиамидными, базальтовыми, угле- и стеклотканями, при этом упругий слой выполнен из композиции, содержащей связующее - эпоксидную смолу, отвердитель и наноуглеродный материал, а вязкопластичный слой выполнен из композиции содержащей связующее, возможно активный пластификатор, возможно отвердитель, наполнитель и наноуглеродный материал, при этом толщина каждого слоя композиционного материала составляет от 50 до 200 мкм при соотношении толщин упругих и вязкопластичных слоев от 1:1 до 1:1,6 соответственно.
Недостатками данного ПКМ являются его горючесть и невысокие показатели прочности при изгибе - от 338 до 369 МПа.
Наиболее близким аналогом является многофункциональный композиционный материал, обладающий вибропоглощающими свойствами и стойкостью к удару (ЕР 3127694 A1, В29В 11/16, опубл. 08.02.2017). Данный ПКМ состоит из слоев на основе неорганического наполнителя и минимум одной внутренней волокнистой структуры на основе ароматического полиэфира, пропитанных одним и тем же термореактивным (например, эпоксидным) или термопластичным связующим, и имеет симметричную или асимметричную структуру. При этом структура материала такова, что внешний слой выполнен на основе неорганического волокна, и, по крайней мере, одна волокнистая структура на основе полиэфирных волокон представляет собой слой, отличный от центрального.
2
Недостатками вышеописанного материала являются низкие виброакустические свойства на уровне 0,015-0,017, высокая поверхностная плотность (7,8 кг/м) из-за значительного количества конструкционных слоев и его горючесть вследствие химической природы используемых исходных компонентов.
Технической задачей и техническим результатом является создание самозатухающего слоистого полимерного композиционного материала с повышенными вибропоглощающими свойствами (коэффициентом механических потерь) при сохранении его механических свойств (прочность при изгибе не менее 400 МПа), обеспечивающего увеличение демпфирующих свойств малонагруженных элементов конструкции изделий авиационной техники.
Для достижения технического результата предложен полимерный композиционный материал с интегрированным вибропоглощающим слоем, включающий конструкционные слои на основе препрега из стеклоткани и внутренний вибропоглощающий слой, при этом внутренний вибропоглощающий слой выполнен в виде пленки из термопластичного полиуретана на основе простого полиэфира, который расположен между двумя барьерными слоями из алюминиевой фольги, при этом упомянутые барьерные слои расположены внутри конструкционных слоев.
Структура предлагаемого ПКМ с внутренним интегрированным вибропоглощающим слоем показана на фиг. 1. Материал состоит из следующих последовательно расположенных слоев:
1 - конструкционный слой из семи монослоев препрега,
2 - барьерный слой из алюминиевой фольги,
3 - вибропоглощающий слой из пленки на основе термопластичного полиуретана.
Наличие внутреннего вибропоглощающего слоя, интегрированного в структуру слоистого пластика, обеспечивает повышение его вибропоглощающих свойств на несколько порядков. Так, например, коэффициент механических потерь ПКМ, не содержащего внутренний вибропоглощающий слой, при Т=20°C и частоте 100 Гц составляет 0,009, в то время как аналогичный материал с интегрированным вибропоглощающим слоем имеет при тех же условиях tgδ=0,110-0,150. При этом благодаря обшивке из конструкционных слоев ПКМ вибропоглощающий слой помимо деформаций растяжения-сжатия испытывает сдвиговые деформации относительно них, что приводит к большей диссипации вибрационной энергии.
Интегрированный вибропоглощающий слой из термопластичного полиуретана обеспечивает максимальные значения коэффициента механических потерь в области температур от -30 до+40°C, соответствующей, например, интервалу температур эксплуатации элементов конструкции интерьера транспортных средств. Данное свойство обеспечивается термодинамическими свойствами вибропоглощающего слоя, а именно - температурой стеклования полимера, из которого он выполнен. Поскольку, как известно, наибольших значений коэффициент механических потерь достигает именно в области температуры стеклования.
Однако, вместе с улучшением вибропоглощающих свойств ПКМ внедрение вибропоглощающего слоя приводит к снижению их механических характеристик, поэтому важно обеспечить оптимальное соотношение этих двух параметров.
Так, использование вибропоглощающего слоя в виде пленочного материала позволяет обеспечить равномерную толщину интегрированного слоя, что положительным образом сказывается на механических свойствах ПКМ с интегрированным вибропоглощающим слоем.
2
2
Оптимальная величина поверхностной плотности (массы 1 м) ПКМ с интегрированным вибропоглощающим слоем - не более 5 кг/м - подбиралась за счет использования определенного количества конструкционных слоев (обеспечивающего при этом прочность при изгибе не менее 400 МПа) и поверхностной плотности исходных компонентов (препрега, вибропоглощающего и барьерных слоев). Указанная величина поверхностной плотности позволяет минимизировать массовые затраты при использовании ПКМ с повышенными вибропоглощающими свойствами.
Сохранение категории горючести слоистого вибропоглощающего материала обеспечивается за счет использования эпоксидного связующего пониженной горючести и экранирования вибропоглощающего слоя при помощи барьерных слоев из алюминиевой фольги, препятствующих распространению пламени.
Также наличие барьерных слоев предотвращает возможное протекание реакции между материалом вибропоглощающего слоя и связующим конструкционных слоев, которое может привести к значительному снижению механических свойств слоистого пластика в целом.
Примеры осуществления
Пример 1.
2
Изготовление ПКМ с интегрированным вибропоглощающим слоем проводили путем прессования на гидравлическом прессе при температуре (140±5)°C и удельном давлении 5 кгс/см пакета, включающего два внешних конструкционных слоя ПКМ (каждый из которых состоит из семи монослоев препрега с направлением выкладки 0°/0° на основе стеклоткани Т-60/2 (ВМП), пропитанной эпоксидным клеевым связующим пониженной горючести марки ВСК-14-6) и внутренний центральный вибропоглощающий слой из листового термопластичного полиуретана на основе простого полиэфира (полифурита с молекулярной массой 1000) толщиной 0,5 мм с обшивкой из двух слоев фольги марки А5М толщиной 0,05 мм. Предварительно пакет прогревался при указанной температуре в течение 0,5 ч., после чего проводилось прессование в течение 3 ч.
Образцы материала по примерам 2 и 3 имеют такую же структуру и изготавливались аналогично примеру 1. В примере 2 в качестве барьерных слоев использовали алюминиевую фольгу марки АД1М толщиной 0,08 мм, а конструкционные слои были выполнены из препрега на основе стеклоткани Т-64 (ВМП)-78 с направлением выкладки 0°/90°. В примере 3 использовали внутренний вибропоглощающий слой из листового термопластичного полиуретана марки Витур Т-0433-85 на основе простого полиэфира (полифурита с молекулярной массой 1500) толщиной 0,5 мм.
Составы слоев материалов по примерам 1-3 приведены в таблице 1.
Для количественной оценки демпфирующих свойств материала использовали коэффициент механических потерь (tgδ), характеризующий способность системы к диссипации вибрационной энергии и представляющий собой отношение энергии, рассеянной за цикл, к общей потенциальной энергии системы.
Коэффициент механических потерь материала оценивали методом динамического механического анализа, построенного на определении упруго-жесткостных характеристик образцов в режиме трехточечного изгиба, в диапазоне температур от -60 до +80°C при частоте 100 Гц с использованием динамического механического анализатора DMA/SDTA861e фирмы Mettler Toledo.
Прочность при изгибе (изгибающее напряжение) при 20°C определяли по ГОСТ 4648-2014.
Горючесть материала определяли по авиационным правилам. Часть 25 (АП-25) (приложение F часть I).
Поверхностную плотность определяли по ГОСТ 17073-71.
Свойства полученных материалов приведены в таблице 2.