СПОСОБ СОЗДАНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА С ПОВЫШЕННЫМИ ДЕМПФИРУЮЩИМИ СВОЙСТВАМИ
METHOD OF PRODUCING COMPOSITE MATERIAL WITH IMPROVED DAMPING PROPERTIES

Изобретение относится к материаловедению, разработке новых композиционных материалов, обладающих особыми свойствами и предназначенных для использования в авиационной промышленности, в частности для создания элементов авиакосмических систем и конструкций.
Из уровня техники известно изобретение, раскрытое в заявке JP 2010250796. Сущность заявленного технического решения состоит в способе определения эффективных модулей упругости композиционного материала со сферическими включениями, отличающемся использованием специально разработанной расчетной схемы, построенной на основе самосогласованного метода Эшелби. Данный способ позволяет эффективно определять упругие свойства композиционного материала. К недостаткам данного способа относится невозможность его использования для определения демпфирующих свойств композиционного материала.
Известны другие аналоги заявляемого технического решения: в заявках JP 2004093530, JP 2005092718 предложен метод определения демпфирующих свойств волокнистых композиционных материалов, отличающийся использованием метода конечных элементов. В заявке JP 2005092718 также предложено использовать двумерные конечно-элементные модели композиционного материала, построенные на основе фотоснимка его структуры. Такие фотоснимки могут быть получены с помощью микроскопа. Эти методы, в принципе, возможно применять к различным типам композиционных материалов, в том числе к материалам с многослойной структурой покрытий. Однако оба упомянутых метода обладают недостатками, так как они не могут обеспечить оптимальное решение поставленной задачи с точки зрения временных затрат и эффективности. Эти недостатки обусловлены следующими особенностями технических решений, раскрытых в заявках JP 2004093530, JP 2005092718: предлагаемые в данных заявках способы определения демпфирующих свойств композиционных материалов не предполагают использования явных аналитических решений механики композиционных материалов, которые позволяют быстро и в удобной форме подобрать оптимальную микроструктуру исследуемого композиционного материала для получения требуемых свойств.
Известны технические решения, раскрытые в заявках JP 2010205254, US 20100223017 (COMPUTATIONAL METHOD OF MATERIAL CONSTANT OF COMPOSITE MATERIAL AND VOLUME FRACTION OF MATERIAL COMPONENT IN COMPOSITE MATERIAL, AND RECORDING MEDIUM). В данных заявках предлагается способ определения динамических свойств композиционного материала со сферическими включениями, основанный на использовании самосогласованного метода и метода комплексных модулей, известных из механики композиционных материалов. Однако этот метод не позволяет определять свойства дисперсных или волокнистых композиционных материалов, армированных включениями с тонкими покрытиями. В то же время влияние дополнительных вязкоупругих покрытий на включениях может быть чрезвычайно значительным и позволяет получать композиционные материалы с более высокими характеристиками демпфирования, сохраняя при этом достаточно высокую жесткость композиционных материалов.
Ближайшим аналогом заявляемого технического решения, т.е. его прототипом можно считать изобретение, защищенное патентом US 4035550 (Fiber reinforced composite of high fracture toughness). В данном изобретении предложен способ создания волокнистого композиционного материала с волокнами, на которые наносится жидкая смазка-покрытие (состоящая, в частности, из силикона). Толщина этого покрытия определяется посредством использования эмпирического соотношения и составляет величину в пределах от 40 нм до 1 мм. Недостаток технического решения по патенту US 4035550 состоит в том, что данный способ ограничен использованием только жидких покрытий. Этот недостаток преодолевается в заявляемом изобретении. Предлагаемый нами способ создания композиционных материалов позволяет применять не только жидкие покрытия-прослойки в композиционном материале, но и покрытия из твердых веществ. Также в предлагаемом способе толщина покрытия выбирается с использованием точного аналитического расчета механических свойств композиционных материалов, что позволяет выбрать оптимальную толщину покрытия (эту процедуру можно использовать и для жидких покрытий) с целью получения требуемых свойств различных типов композиционных материалов - как волокнистых, так и дисперсных.
Таким образом, техническая задача, решаемая заявленным изобретением, состоит в оптимизации способа получения композиционного материала с требуемыми демпфирующими свойствами, а также в расширении области применения данного способа, которое выражается в возможности его применения к композиционным материалам как с жидкими, так и с твердыми покрытиями входящих в состав данного материала структурных включений (армирующие волокна, дисперсные включения и т.д.).
Указанная техническая задача решается следующим образом. При создании полимерных волокнистых композиционных материалов, содержащих армирующие волокна или дисперсные включения (стеклянные, углеродные, керамические или др.), на эти армирующие волокна или дисперсные включения наносится тонкое вязкоупругое покрытие. При этом предлагаемый способ отличается тем, что:
1. Для получения оптимальных динамических свойств композиционного материала толщина покрытия, наносимого на включения, выбирается путем аналитического математического расчета с использованием модели механики композиционных материалов. При этом в качестве модели композиционного материала выбирается трехфазный композиционный материал со сферическими или цилиндрическими включениями и для расчета используется самосогласованный метод трех фаз и метод комплексных модулей.
2. По результатам расчета толщина покрытия выбирается в области толщин менее 10% от диаметра армирующих волокон, что позволяет получить наиболее высокие значения модулей упругости и модулей потерь композиционного материала.
3. В качестве покрытия может использоваться вязкоупругий материал, как в твердом, так и в жидком состоянии (например, полиуретан или силикон).
Именно данные существенные признаки предлагаемого способа позволяют решить сформулированную выше техническую задачу и обеспечить достижение соответствующего технического результата: оптимизация способа получения композиционного материала с заданными демпфирующими свойствами, применимость данного способа для композиционных материалов с различными (как жидкими, так и твердыми) покрытиями включений.
Предлагаемый способ используется для композиционных материалов, выполняемых на основе полимерной, углеродной или иной матрицы. В качестве армирующего наполнителя могут использоваться длинные ориентированные волокна, короткие дисперсные волокна или дисперсные частицы. На включения предварительно наносится вязкоупругое покрытие, которое состоит из твердого или жидкого материала (например, полиуретан или силикон или другой материал, близкий по свойствам). Толщина покрытия предварительно рассчитывается с использованием модели механики композиционных материалов для двухслойного включения сферической или цилиндрической формы с использованием самосогласованного метода трех фаз и метода комплексных модулей с целью получения наиболее высоких характеристик демпфирования и жесткости. По результатам расчета строится зависимость модулей упругости и диссипативных модулей от толщины вязкоупругого покрытия. Оптимальная толщина покрытия выбирается в области толщин менее 10% от диаметра используемых включений таким образом, чтобы обеспечить достижение требуемых демпфирующих свойств.
На Фиг. 1 представлено схематическое изображение сечения композиционного материала, содержащего матрицу 1, цилиндрическое или сферическое включение 2 с дополнительным слоем покрытия 3.
На Фиг. 2 представлен график характерной зависимости сдвигового модуля потерь слоистого композиционного материала от толщины покрытия Δ, отнесенного к радиусу включений R. Как видно из представленного графика, максимум функции сдвигового модуля потерь приходится на область малых толщин покрытия, которая на Фиг. 2 находится слева от вертикальной пунктирной линии. Толщину покрытия на волокнах следует выбирать именно из этой области.
На Фиг. 3 приведены значения сдвигового модуля потерь композиционных материалов на основе полимерной матрицы, армированной стеклянными волокнами с покрытиями из полиуретана (сплошная линия) и силикона (штриховая линия). Толщину покрытия на волокнах следует выбирать менее 0,1 по отношению к диаметру, в области пиковых значений свойств.
На Фиг. 4 приведены значения сдвигового модуля потерь композиционных материалов на основе полимерной матрицы, армированной углеродными волокнами с покрытиями из полиуретана (сплошная линия) и силикона (штриховая линия). Толщину покрытия на волокнах следует выбирать менее 0,1 по отношению к диаметру, в области пиковых значений свойств.
2
3
На Фиг. 5 приведены значения сдвигового модуля потерь композиционных материалов на основе полимерной матрицы, армированной керамическими (AlO) волокнами с покрытиями из полиуретана (сплошная линия) и силикона (штриховая линия). Толщину покрытия на волокнах следует выбирать менее 0,1 по отношению к диаметру, в области пиковых значений свойств.
На Фиг. 6 приведены значения сдвигового модуля потерь композиционных материалов на основе полимерной матрицы, армированной керамическими (SiC) волокнами с покрытиями из полиуретана (сплошная линия) и силикона (штриховая линия).Толщину покрытия на волокнах следует выбирать менее 0,1 по отношению к диаметру, в области пиковых значений свойств.
Предпочтительный вариант осуществления заявляемого изобретения состоит в выполнении следующих шагов:
1. Выбирается материал матрицы композиционного материала, материал и тип армирующих наполнителей, материал покрытия.
2. Проводится математический расчет с использованием модели механики композиционных материалов для двухслойного включения сферической или цилиндрической формы с использованием самосогласованного метода трех фаз и метода комплексных модулей.
3. По результатам расчета выбирается толщина покрытия на включениях менее 10% от диаметра включений, которая обеспечивает максимальные значения модулей упругости и модулей потерь композиционного материала для заданной частоты вибраций.
4. На включения наносится покрытие рассчитанной толщины. Включения с нанесенным покрытием используются в дальнейшем для получения изделия из композиционного материала.
Хотя настоящее изобретение было описано на примере конкретных вариантов его осуществления, для специалистов будут ясны возможности многочисленных модификаций данного изобретения, не выходящие за границы объема ее правовой охраны, определяемого прилагаемой формулой.