Overview of the multi-layer sheet deformable materials for protection against noise

Abstract

The article describes the multi-layered deformable materials, which can reduce the noise level. Possibility of deformation of multi-layer billets, which provide a high noise protection and noise insulation, is estimated.

Full Text

Возможность улучшить условия труда и жизни людей является очень актуальной задачей. Одним из важных направлений в данной области является применение шумозащитных и шумоизоляционных материалов, так как с ростом промышленного производства растёт число источников шума, что может приводить к ухудшению здоровья населения. Шум подразделяется на два типа: а) воздушный – производится звуковыми волнами в виде колебаний воздуха; б) структурный – образуется в твёрдом теле, в котором скорость передачи звуковых волн в 10 раз выше, чем в воздухе. Создается в результате соприкосновения двух движущихся поверхностей различных деталей. Избежать вредного воздействия шума на здоровье населения можно, снизив энергию воздействия звуковой волны. Это достигается двумя способами: а) снизить уровень шума его источника, б) установить преграды на пути звуковой волны. Первый способ снижения воздействия звуковой волны возможен не всегда, поэтому наиболее доступным является второй способ. В таблице 1 представленные ослабления энергии звуковой волны при прохождении через различные материалы [1]. Таблице 1 Ослабления энергии звуковой волны Материал Толщина, мм Коэффициент ослабления, дБ Оштукатуренная с одной стороны кладка в полкирпича 140 53 Сосновая доска 30 12 Войлок 50 12 Стекло 6 мм 6 30 Многослойное стекло 4.4.1 8,38 37 Стеклопакет с многослойным стеклом 3.3.1 – 12 – 6 24,38 39-45 Металл - ~10 Как видно из приведенных в таблице данных, одним из самых эффективных способов защиты от шума является применение многослойных конструкций. Данные конструкции состоят из нескольких слоёв, на границе которых происходит отражение и рассеивание звуковой волны. Многослойные конструкции можно разделить на два типа: конструкции, которые могут быть подвергнуты формоизменению, и конструкции, которые нельзя подвергнуть формоизменению. Многослойные конструкции, которые нельзя подвергать формоизменению, как правило, применяются в строительстве – это различные перегородки, строительные панели, перекрытия, ограждения и т.д. Больший интерес представляет второй тип конструкций в связи с возможностью их формоизменения [2, 3, 19-21]. Многослойные конструкции, которые можно подвергать формоизменению, применяются в разных областях от строительства до общего машиностроения. Прокат с полимерным покрытием является ярким примером многослойной конструкции, способной подвергаться формоизминению (рисунок 1). Рисунок 1 – Прокат с полимерным покрытием: 1 – прокат тонколистовой холоднокатаный; 2 – слой цинка; 3 – многослойное полимерное покрытие Многослойность конструкции обеспечивают две составляющие – металл с полимерным покрытием. В качестве основы в большинстве случаев используют прокат тонколистовой холоднокатаный горячеоцинкованный, а также используют неоцинкованный прокат (прокат тонколистовой холоднокатаный). В качестве полимерного покрытия могут применяться различные материалы: обычное лакокрасочное покрытие, полиэстер, основой которого является полиэфирная краска, матовый полиэстер, полиуретан, PVDF (данное покрытие состоит из поливинилфторида и акрила). Полимерное покрытие может состоять из одного или нескольких слоёв. Толщина проката составляет от 0.2 до 1,2 мм [10], толщина слоя покрытия разнится в зависимости от вида покрытия, в среднем составляет 25-50 мкм. Данный прокат используется как исходный материал при производстве различных изделий, в частности изделий, получаемых путем обработки давлением (штамповкой, гибкой и т.д.): корпуса бытовых приборов; элементы стальных конструкций, лифты, двери, полки, стеллажи, профильные панели, металлочерепица и т.д. В качестве примера можно привести технологию производства металлочерепицы. Данный тип многослойной конструкции эстетичен, обладает хорошими пластическими свойствами, антикоррозийными свойствами, хорошим звукопоглощением по сравнению с однослойным металлическим листом, коэффициент ослабления звуковой волны равен примерно 26 дБ, что зависит от типа полимерного покрытия. В таблице 2 приведены некоторые характеристики проката с полимерным покрытием фирмы Rautaruukki [4]. Алюминиевые композитные панели. Данный вид многослойных конструкций получил большое распространение в различных областях строительства. Структура данных конструкций состоит из листов алюминия, покрытых защитными покрытиями, соединенных между собой через клеевой слой наполнителем (рисунок 2). Чаще всего используют листы из алюминиевых сплавов АмГ и АмЦ толщиной от 0.05 до 0.5 мм. В качестве защитного покрытия применяют эмали РЕ и PVDF. PE-эмаль для панелей внутренней отделки, основой данной эмали является ароматическая полиэфирная смола, толщина слоя эмали составляет 35мкм. PVDE-эмаль для фасадных панелей, основа данной эмали поливинилденфторидная смола в сочетании с акриловой полимерной смолой. Таблица 2 Свойства проката Rautaruukki Материал Предел прочности Н/мм2 Предел текучести Н/мм2 Удлинение % RAGAL 51F 480 300 22 RAGAL 280S 360 280 18 RAGAL 320S 420 320 17 RAGAL 550S 560 550 - RACOLD 01F 410 280 28 Рисунок 2 – Сочетание слоев влюминиевой композитной панели: 1 – защитное покрытие; 2 – алюминий; 3 – клеевой слой; 4 – наполнитель Данные панели имеют малый вес и большую жёсткость по сравнению с однослойными аналогами. Обладают хорошей звукоизоляцией за счет поглощения звуковых волн. Панели могут быть подвержены формоизменению без нарушения структуры конструкции – гибке, вальцовке. Также они могут подвергаться различной механической обработкой – резке, фрезеровке, сверлению и т.д. Характеристики данных многослойных конструкций различаются в зависимости от структуры (от того, что входит в данную многослойную конструкцию). В таблицах 3 [6] и 4 [8] приведены некоторые характеристики данных многослойных конструкций. Таблица 3 Свойства панелей BILDEX BDX(F) Предел прочности при растяжении МПа 60 Предел прочности при изгибе МПа 85 Модуль упругости при изгибе МПа 2.0х10 Допустимое напряжение при изгибе МПа 48 Удлинение при разрыве % 6% Коэффициент шумопоглащения дБ 26 Таблица 4 Свойства панелей ALTEC толщиной 2 мм Модуль эластичности МПа 70000 Предел прочности накладок при растяжении МПа 145 - 185 Предел текучести при растяжении МПа 110 - 175 Коэффициент шумопоглащения дБ 20 Применение многослойных листовых материалов с упругим или упруговязким демпфирующим слоем наиболее интенсивно развивается в авиастроении. Развитием данного направления стало создание многослойного материала из чередующихся слоев алюминиевого сплава и органостеклопластика. Данный материал выпускается сейчас как за рубежом (марки ARALL, GLARE), так и в нашей стране (марки АЛОР, СИАЛ) [5, 7]. Металлооргонопластики (АЛОР) изготавливаются двух основных видов: среднепрочные ( =430÷550 МПа) и высокопрочные ( =650÷900 МПа) с предельной деформацией 3¸3,5%. Металлостеклопластики способны деформироваться на 4¸5% и выдерживают предельную нагрузку: среднепрочные ( =500÷900 МПа) и высокопрочные ( =1100÷1200 МПа). Использование данных материалов в авиастроении целесообразно в обшивках носовой части крыла, для обшивок люков, дверей, предкрылка, части днища флюзеляжа и других деталей, подверженных воздействию виброакустических нагрузок от винтовентиляторных двигателей. Металл-полимер-металл (МПМ). В качестве основных свойств данной конструкции можно выделить два: первое – это предотвращение распространения шумовых колебаний по структуре, и второе свойство – это замена обыкновенных листов, так как для достижения эффекта шумозащиты конструкции МПМ толщину обычного листа необходимо увеличивать, а следовательно, возрастает и вес. Конструкция МПМ имеет большую шумозащиту, чем одинарный лист той же толщины. Примером данной конструкции является «antiphon MPM» [9]. Основным элементом данной конструкции можно считать полимерный слой, который может быть различным, оптимальным для работы при температурах между +5° и +125° градусами. Толщина данной прослойки может быть от 0.03 до 0.2 мм. Листы, находящиеся сверху и снизу данного полимерного слоя, могут быть различными металлами и сплавами. Толщина данных металлических листов в конструкции может варьироваться от 0,4 до 3мм. Листы могут быть несимметричными, то есть разной толщиной в одной конструкции, но для лучшего затухания звуковых волн желательно использовать металлические листы одной толщины (рисунок 3). Рисунок 3 – Многослойный материал (металл-полимер-металл): 1 – листовой метал; 2 – полимер При применении данной конструкции коэффициент звуковых потерь η достигает значения, равного 0,1. При сравнении с обычными стальными листами, у которых данный коэффициент может варьироваться от 0,001 до 0,01, это очень высокое значение (максимальное значение коэффициента потерь равняется 1). В таблице 5 приведены некоторые характеристики материала «antiphon MPM» Таблице 5 Характеристики материала типа «antiphon MPM» Модуль упрочнения МПа 415 Предел прочности МПа 360 - 380 Предел текучести МПа 312 Коэффициент шумопоглощения дБ 16 Отдельная группа многослойных материалов, способных выдерживать значительные деформации, выполняется из металлических листов, соединенных эластомерной средой [10]. Эластомеры – это полимерные материалы на основе резиноподобных материалов. Данные материалы изготавливаются различными способами: · соединение металлических листов с эластомером происходит в процессе вулканизации в пресс-форме; · путем склеивания. В процессе деформации таких листов эластомерный слой, находясь в упругом состоянии, способен выдерживать очень большие деформации (30¸50%) без разрушения. Эти материалы легче подвергаются сдвиговым деформациям, чем объемному сжатию. Исходя из того, что для штамповки необходима постоянная толщина клеевой прослойки по всей поверхности склеивания, как правило, выбирают пленочные клеи ВК-25, ВК-25А, ВК-50, выпускаемые отечественной промышленностью. Они обладают повышенной стойкостью к виброакустическим нагрузкам. Как показали испытания, проведенные в МГТУ «МАМИ», данные виды клеев выдерживают достаточно большие сдвиговые и сжимающие нагрузки [16-18, 22-23]. Выводы Применение многослойных конструкций обусловлено несколькими факторами, одним из которых является шумозащита. Многослойные конструкции обладают более высокой шумозащитой, нежели однослойные аналоги. Чтобы добиться равного результата между ними, однослойные материалы требуют применения дополнительных шумозащитных материалов, как правило, эластичных или покрытий. Проблема сочетания размера, веса, шумозащитных свойств является одной из определяющей в отраслях общего машиностроения при создании кузова автомобиля, обшивки самолета, корпуса электродвигателя, различных бытовых корпусных приборов и т.д. Многослойные конструкции, которые могут быть подвержены формоизменению путём обработки давлением, позволяют в той или иной степени решить данную проблему. При их применении появляется возможность отказаться от использования дополнительных защитных материалов в кузове автомобиля или корпусе прибора, что позволяет снизить вес, габариты изделия, повысить шумозащитные и шумоизоляционные свойства. Ярким примером данного типа многослойный конструкций является МПМ (металл-полимер-металл), о котором говорилось выше. Данные конструкции имеют высокие характеристики формоизменения, что позволяет им придавать различную форму. Их можно подвергать вытяжке, гибке, разделительным операциям и т.д. Очевидно, что и в дальнейшем будут проводиться исследования, связанные с изучением возможностьи формоизменения многослойных конструкции (МПМ). Эти исследования необходимы для лучшего понимания областей их применения и особенностей обработки. Это позволит расширить сферу использования данного материала, а также поможет оптимально подбирать оборудование и необходимые технологические режимы для его обработки.