Конструкционный многофункциональный слоистый металлополимерный материал

 

Изобретение относится к получению многослойных материалов, которые могут быть использованы в судостроении, автомобильной промышленности, на железнодорожном транспорте, в строительстве, в авиационной технике и в других областях, где требуется сочетание высокой прочности, демпфирования и теплозащиты. Предложен конструкционный многофункциональный металлополимерный материал, содержащий чередующиеся слои металлических листов и заключенные между ними полимерные прослойки из эластичного вязкоупругого полимера. Прослойки изготовлены из смеси блоколигомеров карбоновых кислот и отвердителя в соотношении, обеспечивающем модуль нормальной упругости не менее 800 МПа и коэффициент потерь механической энергии изгибных колебаний не менее 0,3. Толщина прослоек составляет не менее 5% от общей толщины металлических листов и толщина каждой прослойки не более 0,2 мм. Техническим результатом изобретения является повышение изгибной прочности материала. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к судостроению и может быть использовано в автомобильной промышленности, железнодорожном транспорте, строительстве, авиационной и ракетной технике при изготовлении корпусных конструкций, платформ, переборок, элементов корпусов автомобилей и т.д. в тех случаях, когда требуется сочетание высокой прочности, демпфирования и теплозащиты.

Известно, что металлы обладают низким внутренним трением, поэтому листовые металлические конструкции, подверженные периодическим или ударным нагрузкам, преобразовывают механические напряжения в вибрационные характеристики, в результате чего излучают передающийся по воздуху шум в виде гула. В большинстве случаев источником шума являются листовые металлические конструкции с большой поверхностью излучения звука и для его снижения используются различные методы демпфирования (патенты США 3847726 и 5356715, 5338599 и а. с. 1077259 РФ). Недостатком этого материала является невысокая прочность и жесткость при изгибе, вызванная тем, что для обеспечения демпфирующих характеристик слоистого материала прослойка из полимерного связующего имеет большую толщину и недостаточно высокие прочностные характеристики и модуль упругости. Этот недостаток исключает возможность применения слоистого материала в качестве конструкционного в силовых элементах высоконагруженных конструкций.

Наиболее близким по технической сущности является вибродемпфирующий слоистый материал, сформованный из наружных металлических листов и заключенной между ними прослойки из полимерного связующего (патент 2035256 РФ, принятый нами за прототип), недостатком которого является невысокая прочность и жесткость при изгибе.

Задачей изобретения является повышение изгибной жесткости и прочности вибродемпфирующих слоистых материалов.

Поставленная задача решается тем, что полимерная прослойка в слоистом металлополимерном материале, содержащем чередующиеся металлические слои, выполнена из смеси блоголигомеров карбоновых кислот и отвердителя в соотношении, обеспечивающем модуль нормальной упругости прослойки не менее 800 МПа и коэффициент потерь механической энергии изгибных колебаний не менее 0,3, при этом суммарная толщина прослойки составляет не менее 5% и каждая прослойка не более 0,2 мм.

В качестве металлических слоев в металлополимерном материале могут использоваться алюминиевые и титановые сплавы, стали и другие конструкционные материалы.

Применение в слоистом материале прослойки, состоящей из смеси блоголигомеров карбоновых кислот и отвердителя с указанными выше свойствами, объемным содержанием и толщиной, обеспечивает получение слоистого материала с механическими свойствами при растяжении на уровне механических свойств используемых металлических материалов, при изгибе от 0,75 до 0,9 от прочности этих материалов, а коэффициент механических потерь энергии колебаний (показатель демпфирования) слоистого металлополимерного материала 0,05 и более, что позволяет относить такие материалы к классу вибродемпфирующих.

Кроме высокого уровня демпфирующих, шумопоглощающих и прочностных свойств, эластичная эпоксидная прослойка обеспечивает повышенные теплозащитные характеристики слоистого металлополимерного материала, т.е. металлополимерный материал является многофункциональным.

Конструкционный многофункциональный металлополимерный материал может применяться как самостоятельный материал, например, при изготовлении шумо- и теплозащитных переборок машинных отделений, камеральных помещений или кожухов источников с повышенным акустическим излучением, так и в составе трехслойной объемной облегченной малонаборной многофункциональной конструкции для наружных несущих слоев или в качестве коробчатого, треугольного, гофрированного и др. заполнителя, обеспечивая трехслойной объемной конструкции высокий уровень прочности, демпфирования, шумо- и теплозащиты.

Эпоксидная композиция с модулем упругости более 800 МПа и коэффициентом потерь энергии механических колебаний более 0,3 обладает оптимальным сочетанием прочностных и демпфирующих характеристик.

В качестве примера для оценки эффективности предлагаемого решения были изготовлены образцы конструкционного многофункционального металлополимерного материала и образцы слоистого вибродемпфирующего материала-прототипа.

В составе металлополимерного материала использовалась эпоксидная композиция следующего состава, мас.ч.: Эпоксидная смола УП 680 - 10 Эпоксидная смола УП 671 - 15 Отвердитель ТЭАТ - 10 Эластичная композиция наносилась на контактные поверхности алюминиевых листов, которые затем соединялись в пакет. Для изготовления образцов металлополимерного материала использовались алюминиевые листы из сплава 1561 толщиной 1,0 и 2,0 мм, толщина прослойки составляла 0,05, 0,15 и 0,2, 0,25 и 0,3 мм.

Для изготовления образца-прототипа использовались листы алюминиевого сплава 1561 толщиной 1,0 мм и полимерное связующее толщиной 0,5 мм, содержащее эпоксидныс смолы ЭД 20-40 мас.ч. и ДЭГ - 1-60 мас.ч., аэросил - 10 мас. ч и фталиевую кислоту - 30 мас.ч.

Определялись прочностные свойства полученных материалов при растяжении и трехточечном изгибе, демпфирующие - коэффициент потерь механических колебании и теплофизические.

Результаты исследований прочностных свойств металлополимерного материала (отношение прочности металлополимерного материала σ_{в мпм} к прочности алюминиевого сплава σ_{к мет}) в зависимости от толщины полимерной композиции (h_просл и ее объемного содержания ∑ h_просл\∑ h_мет приведены в таблице 1, а в зависимости от ее свойств - в таблице 2.

Как видно из приведенных данных, при сохранении более высоких по сравнению с прототипом значений демпфирования и прочности при растяжении изгибная прочность слоистого металлополимерного материала составляет 0,75-0,9, а прототипа - 0,2.

Теплопроводность слоистого металлополимерного материала так же, как и прототипа, значительно ниже, чем у используемого алюминиевого сплава.

При модуле упругости менее 800 МПа снижаются жесткость и прочность прослойки, что приводит к уменьшению прочностных свойств металлополимерного материала, а при коэффициенте потерь менее 0,3 снижаются демпфирующие свойства. При суммарном содержании прослоек менее 5% коэффициент потерь металлополимерного материала становится менее 0,05, а при увеличении толщины отдельной прослойки более 0,2 мм снижаются прочностные свойства металлополимерного материала при изгибном нагружении.

Физико-механические и акустические свойства предлагаемого материала и прототипа приведены в таблицах 1 и 2.

Технический эффект от использования изобретения по сравнению с прототипом заключается в повышении изгибной прочности слоистого вибродемпфирующего материала и в возможности его использования в силовых нагруженных конструкциях, обеспечивая при этом высокие демпфирующие, шумопоглощающие и теплозащитные характеристики конструкций, улучшая тактико-технические характеристики судов и других транспортных средств.

Формула изобретения

1. Конструкционный многофункциональный металлополимерный материал, содержащий чередующиеся слои металлических листов и заключенные между ними полимерные прослойки из эластичного вязкоупругого полимера, отличающийся тем, что прослойки изготовлены из смеси блоколигомеров карбоновых кислот и отвердителя в соотношении, обеспечивающем модуль нормальной упругости не менее 800 МПа и коэффициент потерь механической энергии изгибных колебаний не менее 0,3.

2. Конструкционный многофункциональный металлополимерный материал по п. 1, отличающийся тем, что толщина прослоек составляет не менее 5% от общей толщины металлических листов и толщина каждой прослойки не более 0,2 мм.

РИСУНКИ

Рисунок 1