Натуральный пробковый агломерат как экологически безвредное решение для сэндвич-соединений.

Натуральный пробковый агломерат как экологически безвредное решение для сэндвич-соединений.

Исследовательская группа в Университете Делавэра изучила пробковый материал как безопасное решение для окружающей среды. В результате они предоставили отчет о свойствах пробкового агломерата в качестве основы сэндвич-соединений. В состав группы вошли: Джонгван Сахр (доцент в отделе машиностроения и аффилированный преподаватель в Центре композиционных материалов), Джэймс Сарджиэнс (магистр в области машиностроения) и Хьюг-ик Ким (исследователь, эксперт в области механики современных материалов).

Углеродные синтетические сэндвич-соединения с внутренним пенопластовым слоем широко используются благодаря их высокой эффективности и низкому весу. К сожалению, как правило, у данных структур не самые лучшие акустические свойства. На данный момент стоит задача по преодолению шумовой проблемы в сэндвич-структурах. Это исследование показывает, что сочетание углеродистых соединений волокон с естественной пробкой в сэндвич-структуре обеспечивает синергитический эффект, приводящий к бесшумной сэндвич-структуре вне зависимости от веса и производимой механической работы.

Кроме того, сэндвич-соединения обеспечивают 250% улучшение демпфирующих характеристик и увеличивают срок эксплуатации. Также следует отметить, что мир ищет безвредные для окружающей среды материалы, а сбор урожая пробки — естественный, возобновляемый и безопасный процесс. Такой переход от от синтетических пенопластовых материалов-наполнителей к натуральной пробке может обеспечить улучшение акустических и вибрационных свойств сэндвич-соединений для фюзеляжей самолетов и лопастей ветряных двигателей.

Введение

Пробка — это натуральный продукт, полученный из коры пробкового дуба. Так как кора возобновляется каждые 9-12 лет, то можно говорить, что пробка получена естественным путем. Пробка обладает уникальными свойствами, такими как эластичность, высокая сжимаемость (с сохранением целостности) и способность к восстановлению. Дополнительно к механическим свойствам прибавляются тепло- и звукоизоляция, газо- и водонепроницаемость. Пробковый агломерат используется как для производства пробок для закупорки вина, так и в космической сфере.

Интерес к сэндвич-соединениям растет во многих областях, включая космос, автомобилестроение, кораблестроение, ветряные двигатели. Сэндвич-соединение, как правило, представляет собой структуру, состоящую из массивного легкого ядра, закрытого с двух сторон тонкими жесткими пластинами.

В большинстве сэндвич-соединений для наполнения применяется полимерная синтетическая пена (например, Rohacell) или сотовый (например, Nomex или Kevlar). Однако данные соединения имеют низкие акустические свойства, создают нежелательную вибрацию и излучают шум на низких чистотах. Например, шум в самолете излучается из нескольких источников, включая вибрацию двигателя и акустическое возбуждение фюзеляжа, который может вызвать дискомфорт пассажиров. Чтобы уменьшить нежелательный уровень шума, необходим дополнительный звуковой абсорбирующий материал, толщина которого должна быть сопоставима с длиной волны шума.

Пробковый агломерат стал идеальным базовым материалом для сэндвич-соединений благодаря своему легкому весу, звуковой упругости, свойствам гасителя энергии и теплоизоляции. Исследования показали, что пробковый агломерат может противостоять температуре до 200 градусов с минимальной потерей массы (до 6%). Кроме того, при нагреве до 150 грасов наблюдаются лишь незначительные изменения в клеточных структурах и размере. В дополнение к этим уникальным механическим и тепловым свойствам пробка является натуральным, экологически чистым материалом.

Удивительно, что даже при таких благоприятных свойствах, пробковый агломерат намного дешевле, чем синтетический каучук: затраты на пробку, купленную для этого исследования, составили примерно 10% от цены на пену Rohacell.

Результаты

Морфологические характеристики

Морфология и структура как пробкового агломерата, так и пены Rohacell были исследованы до и после сжатия.

Рисунок 1 (a) показывает результаты теста на сжатие. Данные 1 (b), (c) и (d) показывают изображения пробкового агломерата до сжатия, в 90%-ом напряжении, и после тестирования во время расслабления, соответственно. Так же данные 1 (e), (f) и (g) показывают Rohacell 110 WF на тех же самых станциях.

На рисунках показаны результаты сжатия пробкового агломерата, Rohacell 110 IG и Rohacell 110 WF. Мы можем заметить, что как и 110 IG, так и 110 WF имеют одинаковые результаты. По сравнению с пробкой не возвращаются в свою 100% внешнюю форму.

Основываясь на вышеупомянутых наблюдениях, можно сделать вывод, что пробковый агломерат обладает уникальными внутренними свойствами, включая экстраординарную способность восстановления по сравнению с синтетической пеной. Также это показывает нам, что мы можем использовать агломерат пробки как основной материал в сэндвич-соединениях для преодоления акустических проблем.

Акустические характеристики

Для того, чтобы проверить акустические свойства, сэндвич-соединения были изготовлены путем приклеивания к пробковому агломерату углеродных пластин (см. рисунок 2 (a)). Пены Rohacell 110 WF и 110 IG также использовались как базовый материал, чтобы сравнить их акустические возможности с пробковым агломератом в сэндвич-соединениях.

На рисунках 2 (b) и (c) мы видим изображение углеродных пластин, соединенных с пробковым агломератом и Rohacell 110 WF, соответственно. Акустические свойства были определены на основе анализа волнового числа, который часто используется для оценки звуковой и структурной вибрации. Данный метод обеспечивает ясное понимание того, как и когда объект излучит шум под воздействием акустической и механической вибрации окружающей среды, таким образом сформировываются два ключевых свойства: частота совпадения и амплитуда волнового числа. Частота совпадения — это определенная вибрационная частота, когда объект начинает излучать шум. Поэтому большая частота совпадения может привести к уменьшенному частотному диапазону, в котором структура излучит шум, который, следовательно, приводит к улучшению акустической работы. Эти данные проиллюстрированы в виде дисперсионной кривой (рисунок 3 (a)).

При частотах до 1000Гц амплитуда соединения на основе пробкового агломерата составляет всего 25% от амплитуды Rohacell 110 IG, а при частотах свыше 1000Гц — не более 14%. Как следствие, пробковый сэндвич излучает значительно меньше шума при частотах по меньшей мере до 10КГц, при чем частота совпадения в данном диапазоне практически равна нулю.

В ходе экспериментов удалось установить, что восстанавливаемость пробкового агломерата после сжатия составляет 100%, и по акустическим характеристикам (например, по звукоизоляции) он превосходит любые другие материалы, как натуральные, так и синтетические.

Leave a reply

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *