Способ создания композиционного материала с повышенными демпфирующими свойствами



Способ создания композиционного материала с повышенными демпфирующими свойствами
Способ создания композиционного материала с повышенными демпфирующими свойствами
Способ создания композиционного материала с повышенными демпфирующими свойствами
Способ создания композиционного материала с повышенными демпфирующими свойствами
Способ создания композиционного материала с повышенными демпфирующими свойствами
Способ создания композиционного материала с повышенными демпфирующими свойствами

 


Владельцы патента RU 2568985:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Вычислительный центр им. А.А. Дородницына Российской академии наук (ВЦ РАН) (RU)

Изобретение относится к композиционным материалам для использования в авиационной промышленности и касается способа создания композиционного материала с повышенными демпфирующими свойствами. На дисперсные включения наносят тонкое вязкоупругое покрытие. В качестве дисперсных включений используют стеклянные, углеродные или керамические включения, покрытие выполняют из полиуретана или силикона как в твердом, так и в жидком состоянии. Толщина покрытия составляет менее 10% от диаметра включений. Корректировку толщины покрытия проводят с использованием модели трехфазного композиционного материала, самосогласованного метода трех фаз и метода комплексных модулей. Изобретение обеспечивает оптимизацию получения композиционных материалов как с жидкими, так и с твердыми покрытиями, входящих в материал структурных включений. 2 н.п. ф-лы, 6 ил.

 

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.

На Фиг. 5 приведены значения сдвигового модуля потерь композиционных материалов на основе полимерной матрицы, армированной керамическими (Al2O3) 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.

1. Способ создания полимерного композиционного материала с повышенными демпфирующими свойствами, содержащего дисперсные включения, заключающийся в том, что на включения наносят тонкое вязкоупругое покрытие, отличающийся тем, что в качестве дисперсных включений используют стеклянные, углеродные или керамические включения, покрытие выполняют из полиуретана или силикона, толщина покрытия составляет менее 10% от диаметра включений, при этом корректировку толщины покрытия проводят с использованием модели трехфазного композиционного материала, самосогласованного метода трех фаз и метода комплексных модулей.

2. Способ создания полимерного композиционного материала с повышенными демпфирующими свойствами, содержащего армирующие волокна, заключающийся в том, что на армирующие волокна наносят тонкое вязкоупругое покрытие, отличающийся тем, что в качестве армирующих волокон используют стеклянные, углеродные или керамические армирующие волокна, покрытие выполняют из полиуретана или силикона в твердом состоянии, его толщина составляет менее 10% от диаметра волокон, при этом корректировку толщины покрытия проводят с использованием модели трехфазного композиционного материала, самосогласованного метода трех фаз и метода комплексных модулей.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к средствам проектирования объектов самонаведения, стабилизированных вращением с многими неизвестными. Технический результат заключается в моделировании в реальном времени как цифровых, так и аналоговых форм квадратурных опорных сигналов.

Изобретение относится к области геологии и может быть использовано при исследовании процессов карстообразования. Предложен способ моделирования процессов карстообразования в карстовой области, в котором задают решетчатую геологическую модель карстовой области для моделирования множества сред, содержащих первую среду, описываемую значениями по меньшей мере одного параметра геологической решетки, и вторую среду, описываемую значениями параметров кромки между двумя узлами решетки.

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано для анализа подземной структуры. Заявлен способ моделирования геологического процесса, в результате которого формируется геологическая область, содержащий этапы, на которых: а/ определяют (200) модель геологической области, b/ получают (201) результат наблюдения (Kobs) за заданным параметром геологической области, с/ определяют (202) зону модели, называемую релевантной зоной, для которой результат наблюдения, полученный на этапе b/, является соответствующим, d/ моделируют (203) геологический процесс на основании модели геологической области, определенной на этапе а/, е/ выполняют оценку (204) значения заданного параметра для релевантной зоны модели, используя результаты моделирования, f/ сравнивают (205) результат наблюдения (Kobs) за заданным параметром, полученный на этапе b/, с оценкой ( K ^ ) упомянутого параметра, полученной на этапе е/, и g/ модифицируют параметр моделирования для коррекции влияния моделирования по меньшей мере на часть модели на основании результатов сравнения на этапе f/.

Изобретение относится к конструкциям усиленных панелей и касается расчета сопротивления таких конструкций, подвергшихся комбинированным нагрузкам. Панель выполнена из однородного и изотропного материала.

Изобретение относится к способу для ступенчатой операции интенсификации добычи из скважины. Техническим результатом является повышение интенсификации добычи из скважины.

Группа изобретений предназначена для автоматического определения набора параметров для проектирования турбомашин. Технический результат - создание алгоритма оптимизации определения набора параметров настройки/калибровки для проектирования турбомашин.

Изобретение относится к области летательных аппаратов. Способ построения оптимальной аэродинамической поверхности гиперзвукового летательного аппарата включает воздействие на поверхность летательного аппарата с использованием критерия оптимизации.

Изобретение относится к проектированию подводных трубопроводных систем, подверженных вызванному водородом растрескиванию под напряжением. Технический результат - вычисление локальных напряжений в элементах трубопровода путем постобработки сил и моментов модели трубы, представляющей систему трубопровода.
Изобретение относится к компьютерному проектированию технологического процесса производства металлоизделий, состоящего из последовательности процессов: получения заготовки литьем, обработки давлением и термообработки литой заготовки.
Изобретение относится к области проектирования сложных механических устройств. Техническим результатом является обеспечение возможности синхронизировать множество форматов файлов CAD механического устройства с перечнем деталей.

Изобретение относится к наполнителю для ингибирования вспенивания, вызванного присутствием СО2, который включает частицы соединения гидротальцита и частицы гидроксида кальция и/или гидроксида магния, использованию наполнителя в синтетической смоле и профилированному изделию, полученному из нее.

Изобретение относится к ускорителям отверждения ненасыщенных сложных полиэфирных смол, виниловых сложноэфирных смол и акриловых смол в сочетании с инициаторами пероксидного типа.

Изобретение относится к рецептуре резиновой смеси с использованием поверхностно модифицированного технического углерода и может быть использовано в производстве шин для пассажирских, грузовых и гоночных автомобилей.

Изобретение относится к огнезащитным материалам, которые могут применяться, например, в строительной, авиационной и космической областях. Огнестойкий композиционный материал содержит перфорированный минеральный волокнистый материал в качестве основы и наполнитель, содержащий, как минимум, один каучук или полимер, обладающие огнестойкостью в диапазоне температур от 200 до 700°С, или жидкое стекло, отвердитель и стабилизатор.
Изобретение относится к резиновой смеси, в частности для пневматических шин транспортных средств, ремней безопасности, ремней и шлангов. Резиновая смесь включает, по меньшей мере, один полярный или неполярный каучук и, по меньшей мере, один бледно-окрашенный и/или темный наполнитель, по меньшей мере, один пластификатор, где пластификатор содержит полициклические ароматические соединения в соответствии с Инструкцией 76/769/EEC в количестве менее 1 мг/кг, а источник углерода для пластификатора происходит из неископаемых источников, причем пластификатор и источник углерода получены посредством, по меньшей мере, одного процесса «биомасса в жидкость», и содержит другие добавки.
Изобретение относится к области материаловедения. Способ получения полимерного композита антифрикционного назначения на основе политетрафторэтилена включает предварительную физико-химическую обработку порошка ультрадисперсного детонационного алмаза, механическое диспергирование смеси порошков политетрафторэтилена и ультрадисперсного детонационного алмаза, прессование и термическое спекание композита в инертной среде.

Изобретение относится к технологии получения многослойных пленок, поглощающих кислород, и изделий из них, имеющих покрытие с хорошо диспергированным поглотителем кислорода.

Изобретение относится к лакокрасочному материалу, модифицированному нанодисперсными слоистыми силикатами, диспергированными в растворе высокомолекулярного соединения при помощи ультразвуковой обработки.

Изобретение относится к способу оценки влияния нанокомпонентов на санитарно-химические свойства полимерных материалов заключается в газохроматографическом анализе летучих органических соединений из газовых проб, отобранных из камеры при тестировании образцов полимерных материалов с модифицирующими минеральными добавками.
Изобретение относится к УФ-поглощающей полимерной композиции, широко применяемой для получения УФ-поглощающих полимерных пленок для сельского хозяйства и упаковок, пищевых контейнеров, волокон, тканей.

Изобретение относится к строительным звукопоглощающим панелям. Раскрыта звукопоглощающая строительная панель и способ ее изготовления.
Наверх