Легкий энерго- и звукопоглощающий, теплоизолирующий материал

 

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано в авиа- и транспортном машиностроении, приборостроении, в строительной индустрии. Предложен легкий энерго- и звукопоглощающий, теплоизолирующий материал, состоящий из слоев пенометалла и плотного металлического материала. Слои из пенометалла и плотного металлического материала выполнены чередующимися, при этом толщина слоев, разделяющих слои пенометалла, составляет (0,5-1,5) h_яч, где h_яч - средняя толщина стенок ячеек пенометалла, мм. Суммарная толщина слоев пенометалла составляет не менее 70-95% толщины готового материала. Слои пенометалла могут быть выполнены из сплавов на основе алюминия, меди, олова, цинка, свинца, никеля или железа, а также из алюминиевых композитов, армированных частицами тугоплавких соединений. Материал дополнительно может содержать по крайней мере один наружный слой, выполненный из коррозионно-стойкого и пластичного плотного металла, выбираемого из группы, включающей малолегированные сплавы на основе алюминия, титана или никеля, а также стали аустенитного класса. Между одним из наружных слоев и слоем из пенометалла дополнительно может быть расположен более прочный и жесткий, чем наружный, слой из высокомодульного композиционного материала на основе алюминиевых или титановых сплавов. Техническим результатом изобретения является обеспечение экологической, пожаро- и противоударной безопасности за счет повышение модуля упругости, прочности и жесткости материала при изгибе, уровня поглощения энергии при деформировании. 5 з.п.ф-лы, 4 табл., 2 ил.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано во многих отраслях промышленности (авиа- и транспортное машиностроение, приборостроение, строительная индустрия и т. д. ), где требуется повышение прочности, жесткости, надежности и срока службы конструкций, обеспечивающих защиту от шума, механического удара и теплового потока.

Известен легкий энерго- и звукопоглощающий, теплоизолирующий материал, выполненный из пеноалюминия (патент США 4973358, МКИ В 22 D 27/00, 1990 г.).

Основными недостатками такого материала являются низкие механические и технологические свойства.

Известен также легкий энерго- и звукопоглощающий, теплоизолирующий материал, выполненный из пенометалла, плакированного слоями плотного металла (патент ФРГ 4101630, МКл. В 22 F 3/18, 1992 г.) - прототип.

Основными недостатками прототипа являются низкие механические и функциональные свойства материала.

Изобретение направлено на решение задачи повышения механических и функциональных свойств материала.

Техническим результатом изобретения является повышение механических свойств: модуля упругости, прочности и жесткости при изгибе, и функциональных свойств, например: уровня поглощения энергии при деформировании, что позволяет расширить область применения материала и повысить технико-экономический эффект от внедрения изделий из него при обеспечении экологической, пожаро- и противоударной безопасности.

Предлагается легкий энерго- и звукопоглощающий, теплоизолирующий материал, содержащий соли пенометалла и плотного металлического материала, отличающийся тем, что слои из пенометалла и плотного металлического материала выполнены чередующимися, при этом толщина слоев, разделяющих слои пенометалла, составляет (0,5-1,5) h_яч, где h_яч - средняя толщина стенок ячеек пенометалла, мм, а суммарная толщина слоев пенометалла составляет не менее 70-95% от толщины готового материала.

При этом слои пенометалла выполнены из материалов, выбранных из группы, включающей сплавы на основе алюминия, меди, олова, цинка, свинца, никеля или железа, а также алюминиевые композиты, армированные частицами тугоплавких соединений.

Слои плотных металлических материалов выполнены из материалов, температура плавления которых выше по крайней мере на 20-50^oС температуры плавления материала пенометалла.

Материал содержит по крайней мере один наружный слой, выполненный из коррозионно-стойкого и пластичного плотного металла, выбираемого из группы, включающей малолегированные сплавы на основе алюминия, титана или никеля, а также стали аустенитного класса. Толщина по крайней мере одного из наружных слоев составляет не более (0,5-1,5) h_яч, где h_яч - средняя толщина стенок ячеек пенометалла, мм.

По крайней мере между одним из наружных слоев и слоем из пенометалла дополнительно может быть расположен по крайней мере один более прочный и жесткий, чем наружный, слой плотного металлического материала, выбранного из группы, включающей высокомодульные композиционные материалы на основе алюминиевых или титановых сплавов, при этом суммарная толщина полученного слоистого наружного слоя составляет не менее 2-4% от общей толщины готового материала.

При прочном соединении чередующихся слоев пенометалла с слоями металлических материалов, обладающих значительно более высокими по сравнению с пенометаллом механическими свойствами, а также наличие наружных металлических слоев из малолегированных сплавов на основе алюминия, титана или никеля, а также сталей аустенитного класса, обладающих высокой (20-30%) пластичностью, приводит к возрастанию работы разрушения и снижению чувствительности хрупких слоев пенометалла к концентраторам напряжений, и, как следствие, к повышению прочности, модуля упругости и вязкости разрушения, а также уровня поглощения энергии при деформации. Такие материалы обладают высокой коррозионной стойкостью.

В свою очередь, тонкие слои плотных металлов толщиной, сопоставимой с средней толщиной ячеек пенометалла, разделяющих чередующиеся слои пенометалла, и плакирующие по крайней мере с одной стороны предлагаемую композицию, позволяют сохранить звуко- и теплоизолирующую способность пенометалла, определяемую его структурой и заданной суммарной толщиной слоев.

Наличие по крайней мере с одной наружной стороны более прочных по сравнению с пенометаллом слоев металлического материала толщиной не менее 2-4% от толщины готового материала обеспечивает надежность механического соединения предлагаемого материала с другими материалами и элементами конструкций.

Отклонение от заданных величин толщин слоев и температуры плавления металлических материалов не обеспечивает требуемых свойств и возможность получения качественного материала соответственно.

Такие материалы могут быть получены при совместном пластическом деформировании многослойной заготовки, составляющие которой выполнены из плотных металлических материалов и плотной смеси металла с порофором с последующей высокотемпературной термообработкой для формирования слоев из пенометалла при использовании высокопроизводительного металлургического оборудования, предназначенного для обработки давлением промышленных металлических сплавов. При этом материал может быть изготовлен как в виде плоского проката, так и в виде фасонных полуфабрикатов (профили, панели, трубы и т.д.).

Многослойные композиции предлагаемого материала и прототипа, приведенные в нижеописанных примерах, были получены при горячей прокатке пакета, составляющие которого выполнены из катаных листов металлических материалов, а также смеси порошков алюминиевого сплава марки Д16 и гидрида титана в качестве порофора.

Пример 1 Полученная композиция (фиг. 1) состоит из чередующихся слоев пеноалюминия (ПАЛ-1) удельным весом 0,5 г/см³ и плотных слоев металлических сплавов (1, 3, 5, 6, 7). Наружные слои выполнены из малолегированного алюминиевого сплава Al - 0,5 Si, обладающего высокой коррозионной стойкостью и пластичностью (23%). Один наружный слой выполнен слоистым и включает слой 6 из стали марки 0,8 кп, обладающей высоким модулем упругости. Общая толщина готового материала 10 мм. Состав и свойства этого материала приведены в табл. 1 и 4.

Материал 1 был использован для изготовления элементов конструкций шумопоглощающих панелей для ограждения населенных пунктов от шума на автомобильных магистралях, а также в качестве звуко- и теплоизолирующих, декоративных материалов при облицовке и изготовлении перегородок в производственных помещениях с повышенным уровнем шума и пожароопасности.

Пример 2.

Полученная композиция (фиг. 2) состоит из 2 чередующихся слоев пеноалюминия (ПАЛ-2) удельным весом 0,7 г/см³, разделенных тонкой прослойкой из алюминиевого сплава АМц (cл. 3 ) и чередующихся слоев плотных металлов (сл. 5, 6). Один наружный слой 6 выполнен из пластичного (30%), прочного, высокомодульного и стойкого в агрессивных средах титанового сплава ВТ 1-1, обеспечивающего надежное механическое соединение этого материала с другими материалами или элементами конструкций. Толщина материала 11 мм. Состав и свойства материала 2 приведены в табл. 2 и 4.

Катаные плиты из материала 2 использовали для пакетирования высокочастотных преобразователей и облицовки каминов, а прессованные слоистые трубы из материала 2, внутренняя поверхность которых выполнена из титана, были использованы в качестве теплоизолирующих для перекачки горячих растворов щелочи (едкого натрия).

Пример 3 Представленная композиция (табл. 3) состоит из чередующихся слоев пеноалюминия ПАЛ-2 удельным весом 0,7 г/см³, разделенных тонкой прослойкой сплава АМц, и наружных слоев из чередующихся слоев плотных металлов (1, 2 и 6, 7), включающих слои (2, 8) из высокомодульного (Е=130 ГПа) композиционного материала (КМ) на основе сплава АД31, армированного частицами карбида бора. Толщина материала 11,1 мм. Состав и свойства материала приведены в табл. 3 и 4.

Такая композиция отличается наиболее высокой жесткостью при изгибе, модулем упругости и уровнем поглощения энергии при деформации. Такие материалы использовали для изготовления амортизаторов дверей, аварийных перегородок и других элементов конструкций автомобиля.

Прототип выполнен из пеноалюминия толщиной 10 мм, плакированного с двух сторон алюминием толщиной 0,5 мм.

Таким образом, предлагаемый материал обладает по сравнению с прототипом более высокими механическими свойствами (модуль упругости повышается на 30-130%, удельный модуль упругости - в 1,2-2,2 раза, прочность на изгиб - на 40-80%, жесткость на изгиб - в 1,5-2,4 раза, а также повышенным на 21-53% уровнем поглощения энергии при деформации. Такие материалы имеют низкий удельный вес (менее 1,0 г/см³), по жесткости на изгиб превосходят в 6-9 раз алюминиевые и в 53-70 раз стальные листы при одинаковой массе, пригодны для работы в агрессивных средах, технологичны и могут быть использованы в качестве конструкционного, функционального и декоративного материала.

Формула изобретения

1. Легкий энерго- и звукопоглощающий, теплоизолирующий материал, состоящий из слоев пенометалла и плотного металлического материала, отличающийся тем, что слои из пенометалла и плотного металлического материала выполнены чередующимися, при этом толщина слоев, разделяющих слои пенометалла, составляет (0,5-1,5)h_яч, где h_яч - средняя толщина стенок ячеек пенометалла, мм, а суммарная толщина слоев пенометалла составляет не менее 70-95% толщины готового материала.

2. Материал по п. 1, отличающийся тем, что слои пенометалла выполнены из материалов, выбранных из группы, включающей сплавы на основе алюминия, меди, олова, цинка, свинца, никеля или железа, а также алюминиевые композиты, армированные частицами тугоплавких соединений.

3. Материал по п. 1 или 2, отличающийся тем, что слои плотных металлических материалов выполнены из материалов, температура плавления которых выше по крайней мере на 20-50^oС температуры плавления материала пенометалла.

4. Материал по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что он содержит по крайней мере один наружный слой, выполненный из коррозионностойкого и пластичного плотного металла, выбираемого из группы, включающей малолегированные сплавы на основе алюминия, титана или никеля, а также стали аустенитного класса.

5. Материал по п. 4, отличающийся тем, что толщина по крайней мере одного из наружных слоев составляет не более (0,5-1,5)h_яч, где h_яч - средняя толщина стенок ячеек пенометалла, мм.

6. Материал по п. 4, отличающийся тем, что по крайней мере между одним из наружных слоев и слоем из пенометалла дополнительно расположен по крайней мере один более прочный и жесткий, чем наружный, слой плотного металлического материала, выбранного из группы, включающей высокомодульные композиционные материалы на основе алюминиевых или титановых сплавов, при этом суммарная толщина полученного слоистого наружного слоя составляет не менее 2-4% общей толщины готового материала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6