книги / Методические указания по проведению научно-исследовательской работы для студентов бакалавриата по направлению 22.03.01 Материаловедение и технологии материалов

22.Полимерные конструкционные материалы (структура, свойства, применение) : учебное пособие для вузов / Б. Б. Бобович .— Москва :

ФОРУМ, 2014 .— 398 с.

23.Романко В.К. Курс дифференциальных уравнений и вариационного исчисления. - М.-СПб.:Физматлит, 2000. - 342 с.

24.Соколкин Ю.В., Вотинов А.М., Ташкинов А.А., Постных А.М., Чекалкин А.А. Технология и проектирование углерод–углеродных композитов и конструкций. — М.:Наука, 1996. — 240 с.

25.Соколкин Ю.В., Паньков А.А. Электроупругость пьезокомпозитов с нерегулярными структурами. — М.: Физматлит, 2003. — 176 с.

26.Соколкин Ю.В., Ташкинов А.А. Механика деформирования и разрушения структурно–неоднородных тел. — М.: Наука, 1984. — 116 с.

27.Специальные полимерные композиционные материалы / Ю.А. Михайлин .— Санкт-Петербург : Науч. основы и технологии, 2014 .— 658 с.

28.Способы сверления отверстий в полимерных композиционных материалах. Разработка и исследование методов стабилизации процесса сверления отверстий в полимерных композиционных материалах : учебное пособие для вузов / А. С. Дударев .— Пермь : LAP LambertAcademicPubl., 2014 .— 170 с.

29.Технология инструментального обеспечения производства изделий из композиционных неметаллических материалов : монография / Д.В. Лобанов, А. С. Янюшкин .— Старый Оскол : ТНТ, 2013 .— 295 с.

30.Технология намотки композитных конструкций ракет и средств поражения : учебное пособие для вузов / М. А. Комков, В. А. Тарасов

А.И. Мелешко, С.П. Половников .— Москва : Сайнс-Пресс, 2007 .— 189 с.

32.Углеродные материалы. Свойства, технологии, применения : учебное пособие для вузов / С. Н. Колокольцев .— Долгопрудный : Интеллект, 2012 .— 295 с.

33.Физико-химические основы технологии композиционных материалов: директивная технология композиционных материалов : учебное пособие для вузов / В. И. Костиков ; Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС", Кафедра порошковой металлургии и функциональных покрытий .— Москва : Издат. дом МИСиС, 2011 .— 162 с.

34.Физико-химические основы технологии композиционных материалов: теоретические основы процессов создания композиционных материалов : учебное пособие для вузов / В.И. Костиков; Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС",

31

Кафедра порошковой металлургии и функциональных покрытий .— Москва : Издат. дом МИСиС, 2011 .— 239 с.

35.Физикохимия и механика композиционных материалов : учебное пособие для вузов / А. А. Шевченко .— Санкт-Петербург : Профессия, 2010 .— 223 с.

36.Шермергор Т.Д. Теория упругости микронеоднородных сред. — М.:

Наука, 1977. — 400 с.

Дополнительная литература

37.Babushkin A.V., Sokolkin Yu.V., Chekalkin A.A. Fatigue resistance of structurally inhomogeneous powdered materials in a complex stress-strain state//Mechanics of Composite Materials. -2014. -Vol. 50, № 1. -Р. 1-8.

38.Efimik V.A., Chekalkin A.A. Analysis of the dynamic behavior of soundabsorbing structures by the method of finite elements and a technique of assessment of the efficiency of noise absorption//Mechanics of Composite

Vol. 40, № 11-12. -Р. 569-572.

40.Long-term durability of glass-fiber-reinforced composites under operation in pulp and reactant pipelines/A.A. Chekalkin, A.V. Babushkin, A.G. Kotov, S.E. Shakleina//Mechanics of Composite Materials. -2003. - Vol. 39, № 3. -Р. 273-282.

41.Postnykh A.M., Chekalkin A.A., Khronusov V.V. Structural-statistical model of the reliability and durability of the fiber composite//Mechanics of Composite Materials. -1991. -Vol. 26, № 5. -Р. 633-637.

42.Sokolkin Yu.V., Chekalkin A.A., Babushkin A.V. Structure analysis, fatigue testing, and lifetime prediction of composite steels//Mechanics of Composite Materials. -1998. -Vol.34, №3. -P.269-278.

43.Sokolkin Yu.V., Chekalkin A.A., Kotov A.G. A structural multiscale approach to the design of spatially reinforced carbon-carbon composites//Mechanics of Composite Materials. -1995. -Vol. 31, № 2. - Р. 143-148.

44.Sokolkin Yu.V., Kotov A.G., Chekalkin A.A. Structural multistage model of the bearing capacity of carbon-carbon laminate shells//Mechanics of Composite Materials. -1994. -Vol. 30, № 1. -Р. 55-60.

45.Sokolkin Yu.V., Postnykh A.M., Chekalkin A.A. Probabilistic model of the strength, crack resistance and fatigue life of a unidirectionally reinforced fibrous composite//Mechanics of Composite Materials. -1992. - Vol. 28, № 2. -Р. 133-139.

46.Анциферов В.Н., Соколкин Ю.В., Чекалкин А.А., Бабушкин А.В. Численная модель циклической долговечности порошкового материала//Порошк. металлургия. -1994. -№ 5-6. -С. 112–118.

32

47.Ефимик В.А., Чекалкин А.А. Колебания звукопоглощающей перфорированной панели с системой ячеек трубчатого типа//Механика композиционных материалов и конструкций. -2007. -

Т. 13, №3. -С. 385-400.

48.Исследование микроструктуры углерод-углеродного композита 2D +

1 при термохимической обработке и насыщении пироуглеродом / А.В. Долгодворов, А.Г. Докучаев, П.А. Судюков, А.А. Чекалкин//Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2013. -Т. 79, № 12. -С. 31-33

49.Макарова Е.Ю., Соколкин Ю.В., Чекалкин А.А. Структурнофеноменологические модели прогнозирования упругих свойств высокопористых композитов//Вестн. Сам. Гос. техн. ун-та. Сер.: Физ.-

мат. науки. -2010. -№ 5(21). -С. 276-279.

50.Соколкин Ю.В., Аношкин А.Н., Котов А.Г., Чекалкин А.А. Информационная система «Композиционные материалы и конструкции»//Механика композиционных материалов и конструкций. -1996. -Т. 2, №1. -С. 91-93.

51.Соколкин Ю.В., Вотинов А.М., Ташкинов А.А., Постных А.М., Чекалкин А.А. Технология и проектирование углерод-углеродных композитов и конструкций. Москва, Наука, Физматлит, 1996, 240 с.

52.Соколкин Ю.В., Чекалкин А.А., Бабушкин А.В. Прогнозирование физических и механических свойств порошковых и армированных высокопрочными волокнами металлических материалов//Изв. вузов. Цветная металлургия. -1995. -№ 2. -С. 53-57.

53.Чекалкин А.А., Котов А.Г. Динамика и устойчивость композитных конструкций/Перм. гос. техн. ун-т, Пермь, 2006.-66 с.

54.Чекалкин А.А., Паньков А.А. Лекции по механике конструкций из композиционных материалов/Перм. гос. техн. ун-т, Пермь, 1999.-150 с.

33

ПРИЛОЖЕНИЕ

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

аэрокосмический факультет кафедра «Механика композиционных материалов и конструкций»

направление: 22.03.01 – Материаловедение и технологии материалов

ОТ Ч Е Т

онаучно-исследовательской работе

Выполнил студент гр.______

________________________________

(Фамилия, имя, отчество)

_____________________________

(подпись)

Проверили:

______________________________________

(должность, Ф.И.О. научного руководителя)

______________________________________________________

(должность, Ф.И.О. руководителя от кафедры)

Пермь 20__

34

УДК 620.1

А.В. Козлова1, С.М. Никулин1, 2, О.Ю. Кустов1

A.V. Kozlova1, S.M. Nikulin1, 2, O.Yu. Kustov1

1Пермский национальный исследовательский политехнический университет

2Уральский научно-исследовательский институт композиционных материалов

1Perm National Research Polytechnic University

2Ural Research Institute of Composite Materials

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ АКУСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВЫСОКОПОРИСТОГО ЯЧЕИСТОГО УГЛЕРОДНОГО МАТЕРИАЛА

EXPERIMENTAL DETERMINATION OF THE ACOUSTICAL CHARACTERISTICS OF THE HIGH-POROSITY POROUS CARBON MATERIAL

Проведены акустические испытания высокопористого ячеистого углеродного материала на интерферометре. Образцы испытаны в диапазоне частот 0–6,5 кГц при разных уровнях звукового давления. Получены зависимости коэффициента звукопоглощения однослойных образцов из высокопористого ячеистого углеродного материала.

Ключевые слова: звукопоглощающая конструкция, высокопористый ячеистый углеродный материал, углерод, коэффициент звукопоглощения, шумопоглощение, звуковое давление, пенополиуретан, интерферометр.

Acoustic testing high-porosity porous carbon material with an interferometer made in this work. Samples were tested in the range 0–6,5 kHz frequency, at different levels of sound pressure. The dependence of sound absorption coefficient of single-layer samples from high-porosity porous carbon material.

Keywords: sound-absorbing structures, highly porous cellular carbon material, carbon, sound absorption coefficient, noise absorption, sound pressure, polyurethane foam, interferometer.

Снижение шума реактивных двигателей– одна из проблем современной авиации, которую необходимо решить. Необходимость снижения шума проявляетсяв случаепримененияреактивныхдвигателей напассажирскихсамолетах.

Конкурентная борьба среди известных авиакомпаний и изготовителей авиационной техники привела к образованию шкалы приоритетов при создании новых самолетов, где второе место после безопасности полетов занимает необходимость снижения шума самолетов. Нормы ИКАО, принятые в начале 2013 г., ужесточили требования к новым самолетам. Эти нормы будут реализованы в два этапа к 2020 г. [1].

99

Одним из способов решения проблемы снижения шума при проектировании летательных аппаратов (ЛА) является необходимость использования звукопоглощающих конструкций (ЗПК). Применение конструкций с заполнителем позволяет не только снизить уровень шума в пассажирских самолетах, но и уменьшить массу ЛА, что ведет к сокращению затрат на топливо (это является несомненным плюсом для авиакомпаний) [2].

В настоящее время для ЗПК используются следующие материалы: полимерные (акустическая эффективность достигается за счет конструктивнотехнологических решений: геометрии ЗПК, перфорации слоев, – поэтому эти материалы используют для ЗПК резонансного типа), пористоволокнистые полимерные и металлические (шумопоглощение таких материалов связано с технологией их получения и формируемой при этом структурой), воздухопроницаемые (используются в качестве слоев между сотовыми заполнителями). Толщина этого слоя может быть разная, в зависимости от требований, которые применяются к конструкции [3–5].

Целью данной работы является определение акустических свойств высокопористого ячеистого углеродного материала (ВПЯУМ) (коэффициент звукопоглощения α – характеристика поглощения шума). Коэффициент звукопоглощения равен 1, если материал полностью поглощает звук; в случае, когда звуковая волна отражается, коэффициент звукопоглощения равен 0. Коэффициент звукопоглощения можно рассчитать по формуле

α = Eрас + Eпрош ,

Eпал

где Ерас – волна, рассеянная в материале; Епрош – волна, прошедшая через материал; Епад – падающая звуковая волна.

Для проведения испытаний были изготовлены образцы нескольких видов в Уральском научно-исследовательском институте композиционных материалов (ОАО «УНИИКМ»). Они имеют дискообразную форму, диаметр – 29 мм, высота – 5 мм, состоят из пористого наполнителя и форполимера, который выступает в роли матрицы. Для снижения кажущейся плотности материала было принято решение о модификации матрицы. В результате получилось несколько групп образцов.

Образцы первой группы представляют собой высокопористый ячеистый углеродный материал с открытыми порами.

Вторая группа образцов – пористые материалы, но поры заполнены эластичной матрицей.

Третья группа представляет собой образцы, выполненные из пористого наполнителя, и матрицы со сформированными несплошностями. При формировании матрицы форполимер разбавили нефтяным растворителем.

100

Четвертая группа образцов представляет собой пористый наполнитель

иматрицу с порами внутри и на поверхности материала, для их формирования во форполимер ввели порофор.

Получение ВПЯУМ связано с получением ячеистой структуры из высокопористого сетчато-ячеистого полимера (например, эластичного пенополиуретана (ППУ) с разным размером ячеек) [6, 7].

Термическая обработка обеспечивает удаление ППУ из заготовок, они подвергаются пиролизу, газообразные продукты которого удаляются без на-

рушения структуры ячеистого материала. Одним из параметров, определяющих свойства материала, является размер ячеек ППУ1 [8].

Испытания проводились в лаборатории механизмов генерации шума

имодального анализа (ЛМГШиМА) Пермского национального исследова-

тельского политехнического университета (ПНИПУ) на интерферометре с нормальным падением волн (рис. 1). Установка была спроектирована сотрудниками ЛМГШиМА. Она состоит из персонального компьютера, анализатора спектра, усилителя, динамика, микрофона и импедансной трубы. На интерферометре можно выполнить исследования с созданием давления до 160 дБ и частоты до 6500 Гц [8].

Рис. 1. Установка «Интерферометр с нормальным падением волн»: 1 – персональный компьютер; 2 – анализатор спектра; 3 – усилитель; 4 – динамик; 5 – микрофон; 6 – импедансная труба [8]

В результате акустических испытаний ВПЯУМ, модифицированного различными видами матриц, были получены зависимости коэффициента звукопоглощения от частоты при разных уровнях звукового давления (кривая 1 –

140 дБ, кривая 2 – 150 дБ).

1 Способ получения высокопористого ячеистого углеродного материала: пат. 2578151 Рос. Федерация / В.Ю. Чунаев, С.М. Никулин, А.В. Рожков, П.Г. Удинцев. Опубл. 2015. Бюл. № 8.

101

Результаты исследования позволяют сделать вывод, что ВПЯУМ с различными модификациями матриц наиболее эффективен в зоне высоких частот и достигает максимального значения α ≥ 1 при различных уровнях звукового давления. На рис. 2 представлена зависимость коэффициента звукопоглощения от частоты образцов третьей группы.

Рис. 2. Коэффициент звукопоглощения материала, состоящего из пористого наполнителя и разбавленной матрицы:

кривая 1 – 140 дБ; кривая 2 – 150 дБ

В дальнейшем планируется провести испытания на комбинированных образцах (двух и более слоях) и наиболее крупными ячейками ППУ, заполненными разной матрицей, определить физико-механические характеристики (тепло- и электропроводность, термостойкость, прочность на растяжение (сжатие) и изгиб), устойчивость к вибрации.

Список литературы

1.Дударев А.С. Анализ технологичности конструкций заполнителя звукопоглощающих панелей авиационных двигателей // Вестник Саратов. гос.

техн. ун-та. – 2013. – № 3. – С. 68–73.

2.Ковалев Е.С., Тиняков Д.В., Рябков В.И. Возможности гашения шума

спомощью конструкций с сотовыми заполнителями // Открытые информаци-

онные и компьютерные интегрированные технологии. – 2014. – № 63. –

С. 25–32.

3. Материалы для звукопоглощающих конструкций [Электронный ресурс] / Г.Ф. Железина, Э.Я. Бейдер, А.Е. Раскутин, В.П. Мигунов, Ю.В. Смолянков // Все материалы. Энциклопедический справочник. – 2012. – № 4. – URL: http: //viam.ru/public/files/2011/2011-205873.pdf (датаобращения: 10.03.2016).

102

4.Расчетно-экспериментальные исследования резонансных многослойных звукопоглощающих конструкций / А.Н. Аношкин, А.Г. Захаров, Н.А. Городкова, В.А. Чурсин // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2015. – № 1. – С. 5–20.

5.Efimik V.A., Chekalkin A.A. Analysis of the dynamic behavior of soundabsorbing structuresby the method of finite elements and a technique of assessment

of the efficiency of noise absorption // Mechanics of Composite Materials. – 2015. – Vol. 51, № 1. – Р. 99–114.

6.Щурик А.Г. Искусственные углеродные материалы. – Пермь, 2009.

7.Технология и проектирование углерод-углеродных композитов и конструкций / Ю.В. Соколкин, А.М. Вотинов, А.А. Ташкинов, А.М. Постных, А.А. Чекалкин. – М.: Наука: Физматлит, 1996. – 240 с.

8.Кустов О.Ю., Лапин И.Н., Пальчиковский В.В. Экспериментальные исследования звукопоглощающих конструкций с перспективными формами резонаторов // Наука будущего – наука молодых: сб. тез. участников форума. – Севастополь, 2015. – Т. 1.

Получено 20.09.2016

Козлова Анастасия Викторовна – бакалавр, аэрокосмический факультет, Пермский национальный исследовательский политехнический универси-

тет, e-mail: kozlova.nastya2011@yandex.ru.

Никулин Сергей Михайлович – начальник лаборатории 53, Уральский научно-исследовательский институт композиционных материалов, e-mail: photoperm@yandex.ru.

Кустов Олег Юрьевич – магистр кафедры «Ракетно-космическая техника и энергетические системы», аэрокосмический факультет, Пермский национальный исследовательский политехнический университет, e-mail: KustovOU@yandex.ru.

103

Учебное издание

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

по проведению научно-исследовательской работы для студентов бакалавриата по направлению 22.03.01 «Материаловедение и технологии материалов»

Составители: Макарова Е.Ю., Соколкин Ю.В., Чекалкин А.А.

Издается в авторской редакции

Подписано в печать 28.06.2017. Формат 60×90/16. Усл. печ. л. 2,5. Тираж 1 экз. Заказ № 154/2017.

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета.

Адрес: 614990, г. Пермь, Комсомольский проспект, 29, к. 113.

Тел. (342) 219-80-33.

35