Исследование влияния интегрированного вибропоглощающего слоя на свойства композитных трехслойных звукотеплоизолирующих сэндвич-панелей

Введение

В настоящее время современные авиа-, машиностроение и другие отрасли промышленности немыслимы без композиционных материалов [1–6]. Например, трехслойные сотовые конструкции находят широкое применение в авиастроении для изготовления панелей интерьера, пола, лопастей вертолетов, а также при производстве космической техники и в строительстве [7–10].

Трехслойная конструкция включает два несущих слоя из полимерных композиционных материалов (ПКМ) и расположенный между ними легкий заполнитель, как правило сотовый. Главная особенность трехслойной конструкции с заполнителем состоит в том, что в результате разнесения несущих слоев на некоторое расстояние друг от друга достигается большее отношение жесткости конструкции к ее массе [11].

Основными причинами использования ПКМ в конструкции панелей пола самолета также является снижение массы при обеспечении прочностных и эксплуатационных показателей [10]. При этом панели пола являются одним из основных путей передачи шума и вибрации в салон самолета. Из-за того что они имеют структуру, обладающую высокой жесткостью и небольшой массой, их колебания попадают в резонанс с низкочастотными колебаниями, генерируемыми воздушным шумом. По аналогичной причине колебания обшивки фюзеляжа в результате структурного шума могут вызывать вибрацию панелей интерьера.

Одним из эффективных способов снижения вибрации изделий из ПКМ является нанесение на их поверхность полимерных вибропоглощающих покрытий, что приводит к повышению коэффициента механических потерь конструкции из ПКМ и снижению амплитуды колебаний, особенно в области низких частот [12]. Однако это негативным образом сказывается на массовых характеристиках составной конструкции и связано с дополнительными расходами и операциями по нанесению вибропоглощающих материалов. Кроме того, в большинстве случаев изделия из ПКМ имеют поверхность сложной конфигурации, что затрудняет нанесение на нее вибропоглощающих покрытий.

Альтернативным решением данной проблемы является внедрение вибропоглощающих слоев в структуру ПКМ на стадии формования [13, 14]. Актуальность данного направления подтверждается тем, что исследования, посвященные этой теме, осуществляются ведущими производителями ПКМ: Toray Industries, Cytec, Toho Tenax, Du Pont-Toray Co Ltd, 3М Innovative Properties Company, Teijin, SMAC [15–23].

Целью данной работы является исследование свойств изготовленных экспериментальных образцов композитных звукотеплоизолирующих сэндвич-панелей с интегрированным вибропоглощающим слоем.

Материалы и методы

Объектом исследования выступали экспериментальные образцы композитной звукотеплоизолирующей сэндвич-панели с интегрированным вибропоглощающим слоем. Возможны три варианта ее состава:

– вариант А – классическая трехслойная конструкция, включающая два слоя обшивки из стеклопластика и расположенный между ними сотовый заполнитель из стеклосотопласта;

– вариант Б – трехслойная конструкция, включающая два слоя обшивки из стеклопластика, один из которых содержит интегрированную вибропоглощающую прослойку, и расположенный между ними сотовый заполнитель из стеклосотопласта;

– вариант В – трехслойная конструкция, включающая два слоя обшивки из стеклопластика, расположенный между ними сотовый заполнитель из стеклосотопласта и вибропоглощающий слой, находящийся между «сердечником» и одной из обшивок.

В качестве материала для изготовления обшивок сэндвич-панели выбрали препрег на основе конструкционной стеклоткани Т-10-14 и эпоксикаучукового связующего. «Сердечник» трехслойной конструкции выполнен из полимерных сот – стеклосотопласта высотой 2 см, а вибропоглощающий слой – из пленки на основе термопластичного полиуретана толщиной 0,4 мм. Для соединения сотового заполнителя с обшивками в качестве вспомогательного материала использовали пленочный клей марки ВК-51.

Изготовление экспериментальных образцов композитной звукотеплоизолирующей сэндвич-панели с интегрированным вибропоглощающим слоем осуществлялось путем ступенчатого процесса, при помощи прямого контактного горячего прессования и галтелирования при определенных технологических параметрах и включало две стадии: предварительную стадию получения обшивок и последующую – непосредственного формования трехслойной панели.

В исследование свойств экспериментальных образцов композитной звукотеплоизолирующей сэндвич-панели с интегрированным вибропоглощающим слоем входили следующие испытания: определение их поверхностной плотности, звукоизоляции, звукопоглощения, теплопроводности, а также коэффициента механических потерь вибропоглощающего слоя и обшивок.

Поверхностную плотность определяли по ГОСТ 17073–71, исследование звукоизоляции и звукопоглощения проводили по СТО 1-595-19-384–2007 и СТО 595-19-383–2007 соответственно, теплопроводности – по ГОСТ 7076–99, коэффициента механических потерь – методом динамического механического анализа в условиях сдвигового нагружения при температуре от -60 до +80 °С и частоте 100 Гц, в соответствии с СТО 1-595-36-464–2015.

Результаты и обсуждение

В ходе работы изготовили экспериментальные образцы композитной звукотеплоизолирующей сэндвич-панели с интегрированным вибропоглощающим слоем трех вариантов состава. Внешний вид образцов показан на рис. 1.

Рис. 1. Экспериментальные образцы композитной звукотеплоизолирующей сэндвич-панели:

а – образец, не содержащий вибропоглощающего слоя; б – образец с вибропоглощающим слоем, интегрированным во внутреннюю структуру одной из обшивок; в – образец
с вибропоглощающим слоем, расположенным между «сердечником» и одной из обшивок

Для определения влияния наличия интегрированного вибропоглощающего слоя на характеристики экспериментальных образцов композитной звукотеплоизолирующей сэндвич-панели исследованы следующие их свойства: поверхностная плотность (масса 1 м²), звукоизоляция, звукопоглощение, теплопроводность и коэффициент механических потерь вибропоглощающего слоя и обшивок.

Поверхностная плотность (масса 1 м²) экспериментальных образцов, г/м²:

Как видно из представленных данных, наибольшими значениями массы 1 м² обладают экспериментальные образцы сэндвич-панели, имеющие одну из обшивок с интегрированным вибропоглощающим слоем (вариант состава Б). Это объясняется использованием дополнительного монослоя препрега в составе упомянутой обшивки для предотвращения снижения ее прочностных свойств из-за наличия вибропоглощающей прослойки.

Следует также отметить, что внедрение вибропоглощающего слоя привело к увеличению массы экспериментальных образцов вариантов состава Б и В в среднем на 17 и 10% соответственно относительно классической сэндвич-панели варианта А.

Исследование величины звукоизоляции экспериментальных образцов сэндвич-панелей с интегрированным вибропоглощающим слоем в диапазоне частот 500–1600 Гц, графически представленное на рис. 2, показало, что звукоизоляция начинает возрастать в области средних частот (200–400 Гц) и в дальнейшем увеличивается при повышении частоты испытаний, причем эта зависимость сохраняется независимо от ориентации образцов к источнику звука. При этом следует отметить, что частотная зависимость звукоизоляции экспериментального образца классической трехслойной сэндвич-панели, не содержащей интегрированного вибропоглощающего слоя, находится на уровне ~55–56 дБ во всем исследованном диапазоне частот.

Рис. 2. Звукоизоляция экспериментальных образцов композитной звукотеплоизолирующей сэндвич-панели с интегрированным вибропоглощающим (ВП) слоем в диапазоне частот от 50 до 1600 Гц

За исключением небольшого участка в области низких частот, наибольшие значения звукоизоляции имеют экспериментальные образцы сэндвич-панели с вибропоглощающим слоем, интегрированным в структуру одной из обшивок, расположенной этой стороной к источнику звука. Наименьшей звукоизоляцией обладают образцы варианта состава В, обращенные к источнику звука стороной с вибропоглощающим слоем, и образцы сэндвич-панели, не содержащей вибропоглощающего слоя. Промежуточное положение занимают образцы сэндвич-панели с вибропоглощающим слоем, расположенным между стеклосотопластом и одной из обшивок, обращенные к источнику звука противоположной от вибропоглощающей прослойки стороной.

Таким образом, можно предположить, что вибропоглощающий слой, не интегрированный в структуру обшивки, незначительно снижает звукоизоляцию сэндвич-панели, что необходимо учитывать при ориентировании ее относительно источника звука.

Как видно из представленных на рис. 3 данных, при повышении частоты испытаний звукоизоляция всех исследованных экспериментальных образцов композитных звукотеплоизолирующих сэндвич-панелей обладает более высокими показателями по сравнению с областями низких и средних частот. При этом все частотные зависимости также имеют аналогичный характер – минимум в области частот ~1600 Гц и пик в области частот 2000–3000 Гц. Как и в предыдущем случае, минимальные значения звукоизоляции соответствуют образцам сэндвич-панели варианта состава В, обращенным к источнику звука стороной с вибропоглощающим слоем, а максимальные – образцам с вибропоглощающим слоем, интегрированным в структуру одной из обшивок, практически независимо от расположения относительно источника звука.

Рис. 3. Звукоизоляция экспериментальных образцов композитной звукотеплоизолирующей сэндвич-панели с интегрированным вибропоглощающим (ВП) слоем в диапазоне частот от 500 до 6300 Гц

Существенное отличие представленных данных от результатов исследования в области низких и средних частот заключается в том, что образцы сэндвич-панели, не содержащие вибропоглощающего слоя, по величине звукоизоляции выше частоты 1600 Гц превосходят образцы с вибропоглощающим слоем, расположенным между стеклосотопластом и обшивкой, независимо от ориентации последних относительно источника звука.

Однако вышеупомянутые образцы варианта состава В, обращенные к источнику звука стороной с вибропоглощающим слоем, в области низких и средних частот имеют наибольшие значения коэффициента звукопоглощения (рис. 4). Незначительно уступают им образцы сэндвич-панели с вибропоглощающим слоем, интегрированным в структуру одной из обшивок, также обращенные при испытании к источнику звука стороной с вибропоглощающим слоем. Наименьшие значения указанной характеристики имеют образцы вариантов состава Б и В, расположенные к источнику звука стороной, не содержащей вибропоглощающего слоя. Промежуточное положение занимают образцы сэндвич-панели варианта состава А, не содержащие вибропоглощающий слой.

Рис. 4. Коэффициент звукопоглощения экспериментальных образцов композитной звукотеплоизолирующей сэндвич-панели с интегрированным вибропоглощающим (ВП) слоем

В области частот более 1600 Гц зависимость приобретает иной характер – аналогично результатам исследования звукоизоляции максимальные значения коэффициента звукопоглощения имеют образцы с вибропоглощающим слоем, интегрированным в структуру одной из обшивок, расположенные к источнику звука противоположной стороной. Уступают им образцы варианта состава В, причем также большие значения имеют образцы, расположенные к источнику звука стороной без вибропоглощающего слоя. Минимальные значения коэффициента звукопоглощения имеют экспериментальные образцы сэндвич-панели традиционного состава, которые не содержат вибропоглощающего слоя. При высоких частотах у всех исследованных экспериментальных образцов композитной звукотеплоизолирующей сэндвич-панели с интегрированным вибропоглощающим слоем наблюдаются два максимума звукопоглощения – при частотах 2000 и 4000 Гц и на участке его снижения – в области 2000–3000 Гц.

Следует отметить, что в целом все экспериментальные образцы композитной звукотеплоизолирующей сэндвич-панели различных вариантов состава имеют довольно низкие значения коэффициента звукопоглощения (0,01–0,14) и, соответственно, не могут быть рекомендованы для работы в качестве звукопоглощающих материалов.

Из представленных в табл. 1 данных следует, что с увеличением температуры испытаний теплопроводность всех исследованных экспериментальных образцов композитной звукотеплоизолирующей сэндвич-панели возрастает. При этом данный показатель практически не зависит от состава и структуры образцов (наличие вибропоглощающего слоя и его расположение). Вероятно, это происходит вследствие того, что вибропоглощающая прослойка внедряется во внутреннюю структуру и имеет слишком малую толщину, чтобы оказывать влияние на теплопроводность всей сэндвич-конструкции.

Следует также отметить, что по величине теплопроводности экспериментальные образцы композитной звукотеплоизолирующей сэндвич-панели уступают материалам теплоизоляционного назначения, как правило имеющим λ=0,030–0,050 Вт/(м·К) в указанном диапазоне температур.

Таблица 1

Теплопроводность λ экспериментальных образцов

композитной звукотеплоизолирующей сэндвич-панели

с интегрированным вибропоглощающим слоем в диапазоне температур

Из результатов исследования демпфирующих свойств, приведенных в табл. 2, следует, что максимальных значений коэффициент механических потерь вибропоглощающего слоя достигает в диапазоне температур от -20 до +20 °С, что соответствует области стеклования термопластичного полиуретана, из которого он выполнен. Кроме того, установлено, что обшивка сэндвич-панели имеет невысокие значения данного показателя, которые практически не зависят от температуры испытаний.

Таблица 2

Коэффициент механических потерь tgδ вибропоглощающего слоя и обшивок экспериментальных образцов композитных звукотеплоизолирующих сэндвич-панелей

с интегрированным вибропоглощающим слоем в диапазоне температур

при частоте 100 Гц

Благодаря внедрению вибропоглощающего слоя в структуру обшивки ее демпфирующие свойства возрастают практически во всем исследованном диапазоне температур, при этом максимум вибропоглощения также соответствует диапазону температуры стеклования термопластичного полиуретана, несколько смещенному в область положительных температур.

Нанесение вибропоглощающего слоя на обшивку приводит и к возрастанию коэффициента механических потерь, причем полученные значения превосходят показатели обшивки с интегрированным вибропоглощающим слоем. При этом максимальных значений данный коэффициент также достигает в области температуры стеклования материала-основы вибропоглощающего слоя.

В итоге можно заключить, что вибродемпфирующие свойства элементов сэндвич-панелей с интегрированным вибропоглощающим слоем определяются составом внедряемой вибропоглощающей прослойки.

Проанализировав результаты исследования рассматриваемого комплекса свойств экспериментальных образцов композитных звукотеплоизолирующих сэндвич-панелей с интегрированным вибропоглощающим слоем в сравнении с сэндвич-панелями традиционного состава, можно сделать вывод о том, что внедрение вибропоглощающей прослойки в структуру трехслойной панели оказывает положительное влияние на ее звукоизоляцию и демпфирующие свойства ее элементов, однако приводит к возрастанию массы конструкции.

Таким образом, решение о целесообразности применения сэндвич-панелей с интегрированным вибропоглощающим слоем для изготовления панелей пола или интерьера летательных аппаратов должно приниматься конструкторами в зависимости от того, какое из свойств является приоритетным.

Заключения

Проведены комплексные исследования и анализ влияния состава и структуры (наличие и расположение вибропоглощающего слоя) экспериментальных образцов композитной звукотеплоизолирующей сэндвич-панели на ее характеристики.

Установлено, что:

– экспериментальные образцы сэндвич-панели, одна из обшивок которой содержит интегрированный вибропоглощающий слой, имеют большее значение поверхностной плотности по сравнению с сэндвич-панелями, в которых вибропоглощающий слой расположен между «сердечником» из стеклосотопласта и обшивкой, вследствие необходимости использования дополнительного монослоя препрега на стадии формования (4400 и 4140 г/м² соответственно);

– экспериментальные образцы композитных звукотеплоизолирующих сэндвич-панелей имеют высокие показатели звукоизоляции в диапазоне частот от 50 до 6300 Гц, соответствующие показателям материалов аналогичного назначения, однако практически не обладают звукопоглощающими свойствами независимо от состава и структуры;

– наличие внутреннего вибропоглощающего слоя в структуре обшивки композитной звукотеплоизолирующей сэндвич-панели приводит к возрастанию ее звукоизоляции, а расположение его между «сердечником» из стеклосотопласта и обшивкой – к снижению указанного показателя, в сравнении с сэндвич-панелью традиционного состава, не содержащей вибропоглощающей прослойки;

– наличие внутреннего вибропоглощающего слоя в структуре композитной звукотеплоизолирующей сэндвич-панели приводит к возрастанию ее коэффициента звукопоглощения в диапазоне частот от 1600 до 6300 Гц в сравнении с сэндвич-панелью традиционного состава, не содержащей вибропоглощающей прослойки;

– теплопроводность экспериментальных образцов композитных звукотепло-изолирующих сэндвич-панелей в интервале температур от -20 до +70 °С составляет λ=0,075–0,133 Вт/(м·К) и практически не зависит от их состава и структуры;

– коэффициент механических потерь обшивки с интегрированным или нанесенным на нее вибропоглощающим слоем возрастает в сравнении с аналогичными показателями исходной обшивки, при этом положение максимума вибропоглощения указанных составных конструкций на температурной шкале определяется составом внедряемой вибропоглощающей прослойки.