Введение

В основе создания человеком всего нового лежит определенная идея, но для ее реализации как минимум необходимы инструменты, материалы и специалисты, осуществляющие эту идею. Современные задачи по созданию антропогенных объектов требуют нестандартных решений, и зачастую только рабочих рук бывает недостаточно. В настоящее время большой объем производства, воспроизводимось результатов и высокое качество продукции обеспечиваются благодаря разработкам новейшего оборудования, роботизации и автоматизации систем управления производством, а в некоторых случаях – даже благодаря применению искусственного интеллекта. Развитие авиастроительной отрасли, связанное с ужесточением требований к безопасности и уровню комфорта пассажиров, а также к уменьшению удельного расхода топлива и повышению удельной тяги двигателей, диктует необходимость создания материалов с новым уровнем свойств. Перед материаловедами ставятся сложнейшие задачи по разработке технологий получения материалов, связанные с созданием оборудования для их производства.

Стремление к независимости от поставок импортных материалов, доля применения которых в современных отечественных грузопассажирских самолетах составляет до 70 %, должно способствовать не только импортозамещению, но и разработке конкурентоспособной продукции и технологий производства, чтобы в дальнейшем ориентироваться на внешний рынок для экспорта. В частности, существует потребность в разработке технологии получения теплозвукоизоляционного материала взамен материала марки Microlite AA blankets производства фирмы Jonson Marvell (США), поставки которого в РФ приостановлены, и отечественного аналога – материала марки АТМ-1, выпуск которого прекращен, причем восстановление оборудования и технологии для его производства, в том числе сырьевой базы, ‒ крайне сложная задача, требующая больших капиталовложений и значительных человеческих ресурсов.

Поэтому необходимо создать отечественный гибкий теплозвукоизоляционный волокнистый материал низкой плотности, превосходящий по характеристикам материалы Microlite AA blankets и АТМ-1, и технологию его производства. Такой материал должен обладать низкими плотностью и теплопроводностью, высокими гидрофобными и звукопоглощающими свойствами, сохранять работоспособность в условиях циклических тепловых нагрузок и вибраций, а также отвечать современным требованиям по пожарной безопасности. В НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ создан большой научный задел в области разработок волокнистых теплозвукоизоляционных материалов для летательных аппаратов [1–8] как на основе волокон растительного (марка АТИМХ ‒ из хлопка) и животного (марка АТИМО ‒ из оленьей шерсти) происхождения, так и на основе синтетических волокон (материалы марок ВТ4 и ВТ4С ‒ из штапельного капронового волокна с полиамидным клеем в качестве связующего), а также упомянутого ранее материала марки АТМ-1 из стеклянных волокон и фенолформальдегидного связующего.

Основной задачей при разработке нового теплозвукоизоляционного материала являлось достижение оптимальных теплофизических и физико-механических свойств, что обеспечивалось определенными технологическими параметрами его получения, включая технологию производства связующего и разработку экспериментальной установки, на которой возможно достичь заданных параметров.

Разработанная экспериментальная установка по получению материала методом аэрационного осаждения стеклянных и керамических волокон позволяет достичь высокой пористости за счет хаотичного расположения волокон в объеме материала, что в свою очередь позволяет придать ему высокие теплоизоляционные и звукопоглощающие свойства. Преимуществом данной установки является ее компактность, простота и возможность получения образцов широкой номенклатуры, так как в качестве исходного сырья могут использоваться волокна разных видов и различные связующие. Это дает возможность использовать устройство для получения различных видов теплоизоляционных материалов в зависимости от требований заказчика, а также в качестве лабораторной установки для сравнения свойств получаемых материалов. Например, при последовательной загрузке различных видов волокон (таких как стеклянные, минеральные, органические, растительные) можно получить слоистый материал, а при загрузке смеси различных волокон ‒ комбинированный тип теплоизоляционного материала. Еще одно преимущество данной установки ‒ возможность производства теплозвукоизоляционных материалов на любой площадке без совмещения с производством волокна [9].

Разработанное связующее марки ВС-74, помимо гибкости и упругости, придает пожаробезопасные свойства (небольшое выделение дыма, ограниченное распространение пламени при воздействии теплового потока и склонность к самозатуханию), а также гидрофобность теплозвукоизоляционному материалу [10–12] за счет введения дополнительных компонентов – гидрофобизаторов. Разработанному в соответствии с поставленной задачей материалу присвоена марка ВТИ-29.

В данной статье исследованы основные эксплуатационные свойства теплозвукоизоляционного материала марки ВТИ-29, такие как плотность, коэффициент теплопроводности, потеря массы материала после выдержки в течение 168 ч при температуре 70 °С, коэффициент звукопоглощения, сорбционная влажность после выдержки в течение 30 сут при температуре 22±5 °С и относительной влажности воздуха φ = 98 %, время остаточного горения и длина прогорания материала.

Материалы и методы

Объект исследования ‒ образцы гибкого волокнистого теплозвукоизоляционного материала низкой плотности марки ВТИ-29, которые получены аэрационным осаждением волокна (из стекла типа Е) с послойным нанесением связующего марки ВС-74. Нанесение связующего на стекловолокно при изготовлении образцов гибкого теплозвукоизоляционного материала марки ВТИ-29 проводили в экспериментальной установке для аэрационного осаждения стеклянных и керамических волокон [9]. Данная установка позволяет получать волокнистые теплозвукоизоляционные материалы низкой плотности (от 7 кг/м³). Достижение таких низких плотностей материала в данной установке возможно благодаря первоначальному разделению волокон в камере диспергирования с помощью сжатого воздуха с последующим осаждением их в камере волокноосаждения, оборудованной форсунками для нанесения связующего в процессе осаждения волокон.

Объектом исследования также являются образцы аналогов материала ВТИ-29 из теплозвукоизоляционных материалов Microlite AA blankets фирмы Jonson Marvell (США) и отечественного АТМ-1.

В данной работе определены следующие характеристики образцов гибкого волокнистого теплозвукоизоляционного материала низкой плотности марки ВТИ-29:

– плотность в соответствии с методикой из ГОСТ 17177‒94;

– коэффициент теплопроводности в соответствии с методикой из ГОСТ 7076‒99;

– потеря массы после выдержки в течение 168 ч при температуре 70 °С в соответствии с методикой из ГОСТ 2678‒94;

– коэффициент звукопоглощения в соответствии с методикой из ISO 10534-2 и ASTM Е1050;

– сорбционная влажность после выдержки в течение 30 сут при температуре 22±5 °С и относительной влажности воздуха φ = 98 % в соответствии с методикой из ГОСТ 17177‒94;

– время остаточного горения и длина прогорания в соответствии с АП-25, Приложение F, Часть VI.

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Результаты и обсуждение

Результаты исследований плотности, коэффициентов звукопоглощения и теплопроводности, потери массы после выдержки в течение 168 ч при температуре 70 °С, сорбционной влажности после выдержки в течение 30 сут при температуре 22±5 °С и относительной влажности воздуха φ = 98 % образцов из теплозвукоизоляционного материала низкой плотности марки ВТИ-29 представлены в табл. 1.

Таблица 1

Основные эксплуатационные характеристики образцов

теплозвукоизоляционного материала низкой плотности марки ВТИ-29

и их сравнение с материалами марок Microlite AA blankets и АТМ-1

Видно, что плотность теплозвукоизоляционного материала марки ВТИ-29 составляет 9,0 кг/м³ и в среднем имеет меньшее значение по сравнению с материалами марок Microlite AA blankets (плотность 9,6 кг/м³) и АТМ-1 (плотность 9,8 кг/м³). Меньшее среднее значение плотности материала марки ВТИ-29 достигается за счет равномерного распределения связующего в его объеме (рис. 1, а), которое обеспечивает трехмерную каркасную структуру, как и в материале Microlite AA blankets (рис. 1, б). Следует отметить, что в теплозвукоизоляционном материале АТМ-1 связующее нанесено крайне неравномерно, что наблюдается на фотографии, полученной с помощью оптической микроскопии (рис. 1, в).

Рис. 1. Оптическая микроскопия структуры материалов ВТИ-29 (а), Microlite AA blankets (б) и АТМ-1 (в)

Уменьшению плотности материала также способствует хаотичное расположение волокон в материале ВТИ-29 (рис. 2, а), в свою очередь материал Microlite AA blankets обладает слоистой структурой, что видно на микрофотографии, полученной с помощью сканирующей электронной микроскопии (рис. 2, б).

Рис. 2. Электронная микроскопия структуры материалов ВТИ-29 (а) и Microlite AA blankets (б)

Установлено, что коэффициент теплопроводности теплозвукоизоляционного материала марки ВТИ-29 составляет 0,050 Вт/(м×К) при температуре 100 °С и в пределах доверительного интервала находится на одном уровне со значениями для материалов марок Microlite AA blankets и АТМ-1, коэффициенты теплопроводности которых составляют соответственно: 0,051 Вт/(м×К) при 93 °С и 0,047 Вт/(м×К) при 100 °С.

В данной работе исследована потеря массы образцов теплозвукоизоляционных материалов марок ВТИ-29 и Microlite AA blankets с целью определения количества легколетучих компонентов, таких как формальдегид, ацетон и др. В результате исследований установлено, что потеря массы материала марки ВТИ-29 составляет 0,21 %, а для материала марки Microlite AA blankets эта характеристика равна 0,24 %, что свидетельствует об очень низкой токсичности данных теплозвукоизоляционных материалов.

С целью исследования гидрофобных свойств материалов марок ВТИ-29, Microlite AA blankets и АТМ-1 определена сорбционная влажность после выдержки образцов материалов в течение 30 сут при температуре 22±5 °С и относительной влажности воздуха φ = 98 %. Результаты исследований показывают, что материал марки ВТИ-29 обладает наименьшей сорбционной влажностью (22,2 %) по сравнению с аналогами. Следует отметить, что теплозвукоизоляционный материал марки ВТИ-29 более чем в 3 раза превосходит по этому показателю импортный аналог.

Результаты исследований коэффициента звукопоглощения при разных толщинах теплозвукоизоляционных материалов марок ВТИ-29 и АТМ-1 (рис. 3) в диапазоне частот от 60 до 1600 Гц показывают, что с увеличением толщины теплозвукоизоляционного материала максимум коэффициента звукопоглощения смещается в область низких частот, что является типичным для волокнистых теплозвукоизоляционных материалов [13]. Видно, что при толщине материала 25 мм коэффициент звукопоглощения материала ВТИ-29 больше, чем у материала АТМ-1. Следует также отметить, что у материала ВТИ-29 при толщине 50 мм коэффициент звукопоглощения на частотах, превышающих 800 Гц, больше, чем у материала АТМ-1. В сравнении с импортным материалом марки Microlite AA blankets толщиной 90 мм материал марки ВТИ-29 обладает бо́льшим значением коэффициента звукопоглощения на частотах 500 и 1000 Гц уже при толщине 75 мм. Коэффициенты звукопоглощения для материала марки Microlite AA blankets на частотах 500 и 1000 Гц составляют 0,75 и 0,87 соответственно, а для материала марки ВТИ-29 соответственно 0,87 и 0,96, что видно из данных рис. 3 и табл. 1. На частоте 250 Гц коэффициент звукопоглощения материала марки Microlite AA blankets при толщине 90 мм составляет 0,35, а у материала марки ВТИ-29 при толщине 100 мм равен 0,7, что позволяет сделать предположение, что на частоте 250 Гц материал ВТИ-29 обладает звукоизоляционными свойствами не хуже, чем у материала Microlite AA blankets. С учетом вышеизложенного можно сделать вывод, что материал марки ВТИ-29 превосходит по звукоизоляционным свойствам как импортный, так и отечественный аналоги.

Рис. 3. Зависимость коэффициента звукопоглощения от частоты в теплозвукоизоляционных материалах марок ВТИ-29 и АТМ-1 при разных толщинах материалов

Одним из важнейших требований к авиационным теплозвукоизоляционным материалам является их пожаробезопасность [14, 15]. В табл. 2 представлены результаты испытаний на распространение пламени теплозвукоизоляционного материала марки ВТИ-29 в соответствии с АП-25, Приложение F, Часть VI.

Таблица 2

Результаты испытаний теплозвукоизоляционного материала марки ВТИ-29

на распространение пламени

Видно, что материал марки ВТИ-29 полностью соответствует требованиям АП-25, Приложение F, Часть VI. В частности, время остаточного горения составляет 0 с, а длина прогорания не превышает 30 мм, что свидетельствует о пожаробезопасности материала марки ВТИ-29.

Заключения

Исследованы основные эксплуатационные свойства образцов теплозвукоизоляционного материала марки ВТИ-29: плотность, коэффициенты звукопоглощения и теплопроводности, потеря массы после выдержки в течение 168 ч при температуре 70 °С, сорбционная влажность после выдержки в течение 30 сут при температуре 22±5 °С и относительной влажности воздуха φ = 98 %, время остаточного горения и длина прогорания.

В среднем плотность теплозвукоизоляционного материала ВТИ-29 (9,0 кг/м³) меньше, чем у зарубежного материала-аналога Microlite AA blankets с плотностью 9,6 кг/м³ и отечественного материала-аналога АТМ-1 с плотностью 9,8 кг/м³, что обеспечивается равномерностью нанесения связующего и хаотичным расположением волокон в объеме материала ВТИ-29.

Коэффициент теплопроводности теплозвукоизоляционного материала марки ВТИ-29 составляет 0,05 Вт/(м×К) при температуре 100 °С и находится на одном уровне со значениями аналогичного показателя для материалов марок Microlite AA blankets и АТМ-1.

Результаты исследований показывают, что материал марки ВТИ-29 обладает наименьшей сорбционной влажностью (22,2 %) по сравнению с импортным и отечественным аналогами. Кроме того, теплозвукоизоляционный материал ВТИ-29 более чем в 3 раза превосходит по этому показателю материал Microlite AA blankets.

По значению коэффициента звукопоглощения при частотах до 800 Гц материал ВТИ-29 находится приблизительно на одном уровне с материалами-аналогами Microlite AA blankets и АТМ-1, а при частотах, превышающих 800 Гц, ‒ превосходит их.

Материал марки ВТИ-29 полностью соответствует требованиям АП-25, Приложение F, Часть VI и является пожаробезопасным.