Акустические полимерные материалы нового поколения (обзор)

Введение

Проблема снижения авиационного шума при взлете, наборе высоты и посадке самолета является одной из основных экологических проблем защиты окружающей среды от воздействия авиации. Решения Комитета по охране окружающей среды от воздействия авиации (ИКАО), принятые в феврале 2013 г., существенно ужесточили международные экологические требования, предъявляемые к авиационной технике, в частности – нормы по шуму самолетов на местности.

Пассивные способы снижения шума вентилятора и двигателя в целом связаны с использованием в газовоздушных каналах различного рода звукопоглощающих конструкций (ЗПК), структура которых оптимизирована для поглощения и гашения специфических звуковых частот. Степень снижения шума зависит от общей площади ЗПК и от ее акустической эффективности в каждой температурной зоне двигателя. Применение ЗПК в двигателе позволяет снизить акустическую эмиссию на ~20 ЕPN (дБ).

В авиастроении находят применение ЗПК следующего строения: резонансные однослойные, резонансные многослойные и пористые градиентные.

Однослойные ЗПК резонансного типа относятся к звукопоглощающим конструкциям первого поколения. В состав таких конструкций входят следующие элементы: входная перфорированная панель, сотовый заполнитель высотой 15–25 мм и непроницаемое жесткое основание. Однослойные ЗПК работают в условиях высоких уровней звука (до 150–160 дБ) и высокоскоростного потока (число маха М=0,3–0,5). Основной эксплуатационный недостаток однослойных резонансных ЗПК – это возможность гашения шума в узкой полосе частот (1500–3000 Гц). Кроме того, акустические характеристики таких конструкций (коэффициент звукопоглощения и импеданс) изменяются в зависимости от режима работы двигателя.

Расширение диапазона звукопоглощения и повышение эффективности резонансных ЗПК может быть достигнуто путем использования многослойных ЗПК, состоящих из нескольких слоев резонансного заполнителя, каждый из которых обеспечивает звукопоглощение в определенной полосе частот. Недостатком многослойных ЗПК являются высокая плотность и трудоемкость изготовления.

Перспективное направление для снижения шума авиационных двигателей –разработка пористых материалов и создание на их основе акустических конструкций, обеспечивающих широкий частотный диапазон эффективного звукопоглощения и технологичность применения данных акустических конструкций в ЗПК. Наиболее эффективно использование пористоволокнистых материалов, представляющих собой композиты на основе волокнистых нетканых полотен из полиэфирных, полиамидных, полиоксадиазольных, арамидных или других волокон с полимерным связующим [2–6]; при высоких температурах используются пористоволокнистые материалы из металлических волокон [1, 7–14].

В последние годы в ВИАМ разработаны пористоволокнистые материалы марок ВТИ-7 и ВТИ-12 [15].

Звукопоглощающий материал марки ВТИ-7 разработан на основе волокон полиоксадиазола и кремнийорганического связующего. Свойства материала представлены в табл. 1. Материал изготавливают методом прямого прессования на ограничительных упорах.

Таблица 1

Свойства звукопоглощающего полимерного пористоволокнистого

материала марки ВТИ-7

Материал ВТИ-7 устойчив к воздействию влаги: уровень сохранения механических свойств материала составляет 67% после выдержки в камере тропического климата в течение 2 мес и 85% – после выдержки в условиях повышенной влажности (φ=98%, 30 сут). Акустические свойства материала ВТИ-7 также стабильны при воздействии на материал климатических факторов.

Материал ВТИ-7 рекомендован для изготовления сотовых акустических конструкций. Толщина слоя из материала ВТИ-7 выбирается в соответствии с требованиями к акустическим характеристикам ЗПК.

На рабочую температуру 300°С разработан и паспортизован звукопоглощающий пористоволокнистый материал марки ВТИ-12 на основе нетканого полотна из полиимидных волокон и полиимидного связующего СП-97с. Свойства материала представлены в табл. 2.

Таблица 2

Свойства звукопоглощающего пористоволокнистого материала марки ВТИ-12

Материал ВТИ-12 изготавливают методом прямого прессования на ограничительных упорах. Предварительно проводят пропитку нетканого материала из полиимидных волокон полиимидным связующим СП-97с с последующей сушкой. Прессовое формование материала проводят по ступенчатому режиму с максимальной температурой нагрева 300°С.

Материал ВТИ-12 устойчив к термостарению при температуре 300°С. Коэффициент звукопоглощения двухслойных образцов после термостарения при температуре 300°С в течение 1000 ч составил 0,60–0,81 (в диапазоне частот соответственно 1580–3700 Гц). Коэффициент звукопоглощения трехслойного образца после термостарения при температуре 300°С в течение 1000 ч составил 0,6–0,8 (в диапазоне частот соответственно 1400–4200 Гц).

Прочность материала ВТИ-12 сохраняется на уровне 70% после термостарения при 300°С в течение 1000 ч. Удлинение при разрыве после термостарения материала не изменяется.

На основе пористоволокнистого материала ВТИ-7 разработан материал-конструкция марки ВЗМК-1 нового комбинированного типа, сочетающий преимущества резонансных и пористых звукопоглощающих материалов. Материал представляет собой промышленно выпускаемый стеклосотопласт, в который определенным образом внедрены звукопоглощающие элементы из пористоволокнистого материала. Элементы дополнительно обработаны термостойким пленочным клеем, обеспечивающим надежную фиксацию элемента на заданной глубине. Кремнийорганическая пропитка пористоволокнистого материала ВТИ-7 обеспечивает гидрофобизирующие свойства, что снижает влагопоглощение материала. Структура и внешний вид звукопоглощающего материала приведены на рис. 1.

Рис. 1. Звукопоглощающий сотовый материал марки ВЗМК-1:

1 – сотопласт; 2 – пористоволокнистый материал

Данная структура позволяет повысить прочностные характеристики и снизить плотность конструкции, а также добиться эффективного звукопоглощения в широком диапазоне частот (табл. 3). Снижение плотности достигается за счет уменьшения толщины звукопоглощающего наполнителя при сохранении заданной высоты, что также положительно сказывается на влагопоглощении материала.

Таблица 3

Коэффициент звукопоглощения материала марки ВЗМК-1

Материал ВЗМК-1 имеет следующий комплекс свойств: диапазон рабочих температур -60÷+150°С; поверхностная плотность 3,8–4,2 кг/м²; влагопоглощение материала при φ=98% составляет ~0,86%; после выдержки материала в воде при последующем кондиционировании характеристики восстанавливаются до первоначальных значений; после выдержки материала в агрессивной жидкости (бензин, керосин, НГЖ-5У) при кондиционировании характеристики восстановились после воздействия бензина. В остальных случаях это происходило при промывке в ацетоне.

Таким образом, материал ВЗМК-1 и его модификации могут найти широкое применение в зонах двигательных установок с температурой до 150°С, таких как корпус воздухозаборника, створки реверсивного устройства, кожухи, обшивки газогенератора и др. На базе ВИАМ проводятся дальнейшие работы по созданию комбинированных звукопоглощаюших материалов-конструкций, связанные с защитой данных материалов от воздействия эксплуатационных факторов, со снижением массы и увеличением технологичности.

Для защиты пассажиров и экипажа от воздействия аэродинамического шума, шума двигательных установок и перепада температур в конструкции летательных аппаратов используются теплозвукоизоляционные материалы. В настоящее время в отечественной авиакосмической технике применяются теплозвукоизоляционные материалы типа АТМ (авиационные теплоизоляционные материалы), представляющие собой рубленое стекловолокно, упакованное в мешки-пакеты из тканепленочного полотна.

Материалы АТМ не соответствуют современным требованиям по звукоизоляции, плотности, теплопроводности (>0,06 Вт/(м·К)), толщине (≥10 мм) и имеют высокое влагопоглощение. За рубежом при создании теплозвукоизоляции все больше внимания уделяется полимерным газонаполненным материалам (пенопластам), например – материалам на основе полиимидов. Полиимиды относятся к классу полимерных материалов, обладающих комплексом уникальных эксплуатационных свойств: диапазоном рабочих температур – от -196 до +250–350°С, пожаробезопасностью, коррозионной инертностью и грибстойкостью, устойчивостью к радиационному воздействию и
УФ-лучам, прекрасными диэлектрическими свойствами, низкой газопроницаемостью и т. д. Для теплозвукоизоляции используют эластичные пенополиимиды (ЭППИ), которые являются уникальным материалом, отличающимся низкими плотностью и теплопроводностью, высоким звукопоглощением, огнестойкостью, широким диапазоном рабочих температур, эластичностью, химической стойкостью.

На основе ЭППИ за рубежом выпускается теплоизоляционный материал, который состоит из листового гибкого вспененного полиимида марки «Солимид» (США), облицованного с одной стороны полиимидной пленкой. За рубежом теплоизоляционные материалы на основе пенополиимида «Солимид» используются практически во всех самолетах фирмы Boeing, начато его применение в воздушных судах фирмы Airbus.

В ВИАМ разработан эластичный пенополиимид, не уступающий по свойствам зарубежным аналогам [16, 17]. Важно отметить, что в рецептуре материала предусмотрены исключительно отечественные компоненты. В настоящее время в ВИАМ разработана технология получения трудносгорающего эластичного пенополиимида марки ВПП-1. Свойства материала в сравнении с аналогами представлены в табл. 4.

Таблица 4

Сравнительные свойства гибких полиимидных пенопластов

Таким образом, эластичный пенополиимид ВПП-1 не уступает по физическим свойствам и характеристикам пожарной опасности зарубежному аналогу марки «Солимид» (США). Материал паспортизован и рекомендован для теплоизоляции пневмо-, гидро- и маслосистем авиакосмической техники, в том числе трубопроводов сложной конфигурации, элементов системы кондиционирования воздуха (СКВ) летательных аппаратов.

Материал марки ВПП-1 опробован в качестве звукопоглощающих вкладышей сотопласта (по аналогии с материалом ВЗМК-1). Для этого исходный форполимер с использованием специальной оснастки вспенен в сотопласте толщиной 30 мм, дополнительно оснастка предусматривала удаление образующихся при вспенивании корок и расположение материала на заданной глубине 8 мм с обеих сторон (толщина пенопласта ~14 мм). При вспенивании пенопласт приклеивается к внутренней поверхности стенок сот. Зависимость коэффициента звукопоглощения полученного комбинированного звукопоглощающего материала-конструкции на основе сотопласта и пенополиимида от частоты представлена на рис. 2.

Рис. 2. Коэффициент звукопоглощения материала-конструкции на основе сотопласта и
пенополиимида

Другим эффективным способом снижения уровня шума и вибрации в кабине экипажа и пассажирском салоне является применение вибропоглощающих материалов в виде покрытий, которые наклеиваются на внутреннюю поверхность панелей фюзеляжа, перегородки и другие конструкции самолета, испытывающие повышенный уровень виброакустических нагрузок.

Наиболее эффективными вибропоглощающими материалами (ВПМ) являются полимерные материалы, обладающие способностью к диссипации внешней энергии, обусловленной особенностями их молекулярного и надмолекулярного строения. В основном в авиации для демпфирования применяются каучуки, резины и слоистые материалы на их основе.

Уровень вибропоглощения характеризуется коэффициентом механических потерь (или тангенсом угла механических потерь – tgδ). Основополагающими параметрами любого полимерного вибропоглощающего материала являются tgδ и температура, соответствующая максимальному значению этой характеристики  Коэффициент механических потерь полимеров значительно зависит от температуры и частоты колебаний. В связи с этим значения tgδ принято приводить при определенной температуре и частоте.

Максимальные потери механической энергии (tgδ_max) в полимерах проявляются в области перехода из стеклообразного состояния в высокоэластическое, т. е. в области размораживания сегментальной подвижности, положение которой на шкале температур определяется температурой стеклования Т_с. При частотах >1 Гц значения  как правило, лежат выше температуры Т_с [18–21].

Кроме высокого коэффициента механических потерь, вибропоглощающие материалы, предназначенные для применения в авиации, должны иметь минимальную поверхностную плотность, хорошую адгезию, стойкость к воздействию повышенной влажности и температуры, низкое водопоглощение, отвечать требованиям пожарной безопасности.

В ВИАМ разработаны листовые вибропоглощающие материалы марок: ВТП-1В и ВТП-2В [22] – на основе термоэластопластов, ВТП-3В – на основе термостойких полимерных волокон и термопластичного связующего [5].

Вибропоглощающий листовой материал ВТП-1В получают методом экструзии расплава композиции на основе термоэластопласта со специальными добавками, повышающими атмосферостойкость и пожаробезопасность. Материал ВТП-1В рекомендуется для применения в качестве покрытий, эластичных имитаторов силовых элементов фюзеляжа и вибродемпфирующих прокладок, работающих в диапазоне температур от -60 до +80°С.

Слоистый вибропоглощающий листовой материал ВТП-2В состоит из слоя листового материала ВТП-1В, адгезионного слоя из модифицированного поливинилацетата ВПС-2,5 и армирующего слоя алюминиевой фольги, усиленной стеклосеткой. Материал ВТП-2В предназначен для работы в интервале температур от -60 до +80°С и рекомендуется для применения в качестве покрытий панелей фюзеляжа в местах повышенной виброакустической нагрузки.

Коэффициент механических потерь вибропоглощающих материалов определяли на динамическом механическом анализаторе DMA/SDTA 861 фирмы Mettler Toledo в условиях динамического сдвигового нагружения в диапазоне температур от -60 до +80°С при частоте 100 Гц, а также в условиях трехточечного изгиба комбинированных образцов ВПМ, наклеенных на металлическую подложку из алюминиевого сплава толщиной 1 мм. На рис. 3 приведены температурные зависимости коэффициентов механических потерь вибропоглощающих материалов ВТП-1В и ВТП-2В при частоте 100 Гц в условиях сдвигового нагружения. На рис. 3, а наблюдается один пик при температуре около -15°С, на рис. 3, б ‒ два пика при температурах около -15 и +38°С.

Рис. 3. Температурная зависимость коэффициента механических потерь вибропоглощающих материалов ВТП-1В (а) и ВТП-2В (б) в условиях сдвигового нагружения при частоте 100 Гц

Введение поливинилацетата (ПВА) в состав материала ВТП-2В повышает диссипативные свойства материала в области повышенных температур. Такой эффект объясняется тем, что первый из пиков, лежащий в области отрицательных температур, соответствует температуре стеклования полиуретанового слоя (-25°С), а второй пик относится к области стеклования слоя на основе ПВА (28°С), за счет чего и повышается коэффициент механических потерь материала ВТП-2В в области повышенных температур.

Разработанные вибропоглощающие материалы ВТП-1В и ВТП-2В имеют водопоглощение <2%, являются грибостойкими, не вызывают коррозии алюминиевых сплавов.

Материал ВТП-3В рекомендуется для применения в качестве вибропоглощающего покрытия потолочных панелей вертолетов, воздуховодов различных транспортных средств и других конструкций, работающих одновременно при воздействии вибрации и температур до 180°С.

Заключение

Таким образом, в ВИАМ разработана серия полимерных материалов с акустическими свойствами, которые могут использоваться как в составе звукопоглощающих конструкций двигательных установок, так и для защиты пассажиров и экипажа от воздействия шума и вибраций. Комплексное применение данных материалов может способствовать повышению экологичности летательных аппаратов и, как следствие, повышению акустической комфортности в кабине экипажа и пассажирском салоне, что является одним из факторов, определяющих конкурентоспособность отечественного авиапрома.