Изобретение относится к технологиям создания нанокомпозита для радиоэлектроники и акустики со специальными свойствами. Конкретное изобретение относится к области создания заливок на основе полиуретана с добавлением углеродных нанотрубкок для защиты радиоэлектронных элементов от ударного ускорения.The invention relates to technologies for creating a nanocomposite for radio electronics and acoustics with special properties. A specific invention relates to the field of creating polyurethane-based fillings with the addition of carbon nanotubes to protect electronic components from shock acceleration.
Известна заливка радиоэлектронных элементов полиуретаном для защиты от ударного ускорения. Достоинством заливки является большой коэффициент поглощения упругих волн, недостаток - малое значение модуля Юнга - 40 МПа. Это приводит к тому, что собственные частоты упругих колебаний конструкции заливок радиоэлектронных элементов имеют значения, близкие к низкочастотной составляющей энергетического спектра импульса ударного ускорения, что приводит к появлению вынужденных колебаний, отрицательно влияющих на работу радиоэлектронных элементов. Использование заливок с большим значением модуля Юнга смещает собственные частоты колебаний конструкций заливок в область более высоких частот, где спектр импульса ударного ускорения имеет небольшие значения, что приводит к уменьшению амплитуд вынужденных колебаний, позволяющих работать радиоэлектронным элементам в нормальном режиме.Known filling electronic components with polyurethane to protect against shock acceleration. The advantage of casting is a large coefficient of absorption of elastic waves, the disadvantage is the low value of Young's modulus of 40 MPa. This leads to the fact that the natural frequencies of the elastic vibrations of the fill design of the electronic components have values close to the low-frequency component of the energy spectrum of the shock acceleration pulse, which leads to the appearance of forced vibrations that adversely affect the operation of the electronic components. The use of fillings with a large value of Young's modulus shifts the natural frequencies of vibrations of the fill structures to a region of higher frequencies, where the spectrum of the shock acceleration pulse has small values, which leads to a decrease in the amplitudes of forced vibrations that allow electronic components to operate in normal mode.
Цель изобретения - создание нанокомпозита для защиты радиоэлектронных элементов от ударного ускорения, обладающих большим коэффициентом поглощения упругих волн и значительным коэффициентом модуля Юнга - 125 МПа.The purpose of the invention is the creation of a nanocomposite for the protection of electronic components from shock acceleration, with a large coefficient of absorption of elastic waves and a significant coefficient of Young's modulus - 125 MPa.
Для реализации цели необходимо изготовить нанокомпозит, в состав которого входят полиуретан и углеродные нанотрубки. Углеродные нанотрубки имеют значения модуля Юнга на один два порядка выше, чем у стали. Небольшое процентное (3-7%) добавление углеродных нанотрубок повышает модуль Юнга нанокомозита, при этом коэффициент поглощения упругих волн остается практически без изменения. Весовые значения принимаются в объемных единицах.To achieve this goal, it is necessary to manufacture a nanocomposite, which includes polyurethane and carbon nanotubes. Carbon nanotubes have Young's modulus values one two orders of magnitude higher than that of steel. A small percentage (3-7%) addition of carbon nanotubes increases the Young's modulus of the nanocomposite, while the coefficient of absorption of elastic waves remains almost unchanged. Weight values are accepted in volume units.
На фиг. 1 показана конструкция блока заливки радиоэлементов. В исследованиях использовались три типа материала: компаунд «Виксинт ПК-68» (плотность - 1100 кг/м3, модуль Юнга - 14 МПа); полиуретан (плотность - 1260 кг/м3, модуль Юнга - 40 МПа); нанокомпозит (полиуретан + углеродные нанотрубки 5% 9 (объемных единиц), плотность - 1200 кг/м3, модуль Юнга - 125 МПа). Скорости распространения продольных и поперечных упругих волн определяются , . Затухание упругих волн учитывается путем введения комплексного модуля Юнга (для продольных волн) и комплексного модуля сдвига (для поперечных волн):In FIG. 1 shows a design of a radio element fill unit. Three types of material were used in the research: Vixint PK-68 compound (density - 1100 kg / m 3 , Young's modulus - 14 MPa); polyurethane (density - 1260 kg / m 3 , Young's modulus - 40 MPa); nanocomposite (polyurethane + carbon nanotubes 5% 9 (volume units), density - 1200 kg / m 3 , Young's modulus - 125 MPa). The propagation velocities of longitudinal and transverse elastic waves are determined , . The attenuation of elastic waves is taken into account by introducing a complex Young's modulus (for longitudinal waves) and a complex shear modulus (for transverse waves):
где αl, ατ - коэффициенты поглощения продольных и сдвиговых упругих волн, ω=2πƒ - частота.where α l , α τ are the absorption coefficients of longitudinal and shear elastic waves, ω = 2πƒ is the frequency.
Ударные ускорения, действующие на конструкцию заливки, приведены на фиг. 2. Для кривой 1 ударное ускорение осуществляется в течение 0,5 мс, для кривой 2 - 0,7 мс, для кривой 3 - 0,8 мс, для кривой 4 - 1,0 мс. Кривые ударного ускорения построены на основе кривых давления пороховых газов в стволе артиллерийского орудия при движении снаряда. На фиг. 3 приведены кривые спектральной плотности зависимостей ударного ускорения от времени в логарифмическом масштабе (фиг. 2) и дискретный спектр собственных частот упругих механических колебаний конструкции заливки (фиг. 1), полученных методом автономных блоков. На графиках: фиг. 3, а - заливка компаунд «Виксинт ПК68»; б - заливка полиуретан; в - заливка нанокомпозита на основе углеродных нанотрубок; кривая 1-Δτ=0,5 мс, 2-Δτ=0,7 мс, 3-Δτ=0,8 мс, 4-Δτ=1,0 мс.Impact accelerations acting on the casting structure are shown in FIG. 2. For curve 1, shock acceleration is performed for 0.5 ms, for curve 2 - 0.7 ms, for curve 3 - 0.8 ms, for curve 4 - 1.0 ms. The shock acceleration curves are based on the pressure curves of powder gases in the barrel of an artillery gun when the projectile moves. In FIG. Figure 3 shows the spectral density curves of the dependences of shock acceleration on time on a logarithmic scale (Fig. 2) and the discrete spectrum of the natural frequencies of elastic mechanical vibrations of the fill structure (Fig. 1) obtained by the autonomous block method. In the graphs: FIG. 3, a - filling compound “Vixint PK68”; b - pouring polyurethane; c - pouring of a nanocomposite based on carbon nanotubes; curve 1-Δτ = 0.5 ms, 2-Δτ = 0.7 ms, 3-Δτ = 0.8 ms, 4-Δτ = 1.0 ms.
Амплитуды вынужденных колебаний зависят от спектральной плотности кривых ударного возбуждения. С уменьшением спектральной плотности амплитуды вынужденных колебаний уменьшаются. Наибольшую амплитуду имеет колебания, которые соответствуют основному (низшему) типу собственной частоте. Амплитуда вынужденного колебания для основного типа будет зависеть и от длительности ударного ускорения Δτ. Для коротких импульсов (Δτ=0,5 мс - кривая 1) амплитуда колебаний наибольшая, для длинных импульсов (Δτ=1,0 мс - кривая 4) наименьшая.The amplitudes of the forced oscillations depend on the spectral density of the shock excitation curves. With a decrease in spectral density, the amplitudes of the forced oscillations decrease. The greatest amplitude has vibrations that correspond to the main (lowest) type of natural frequency. The amplitude of the forced oscillation for the main type will also depend on the duration of the shock acceleration Δτ. For short pulses (Δτ = 0.5 ms - curve 1), the oscillation amplitude is greatest, for long pulses (Δτ = 1.0 ms - curve 4) is the smallest.
Собственные частоты колебаний конструкции заливки зависят от упругих свойств материалов, которые используются в заливке (фиг. 3). С увеличением модуля Юнга собственная частота увеличивается, следовательно, будет уменьшаться и амплитуда вынужденного колебания автодина, т.к. спектральная плотность ударного ускорения с увеличением частоты уменьшается (фиг. 3). При малых значениях модуля Юнга и большом коэффициенте поглощения амплитуда колебаний значительная, но колебания быстро затухают. При больших значениях модуля Юнга и малом коэффициенте поглощения амплитуда колебаний небольшая, но колебания в течение более длительного времени воздействуют на радиоэлементы автодина. Перспективной является заливка на основе полиуретана с 5% добавлением углеродных нанотрубок, она имеет большой коэффициент поглощения и значительный модуль Юнга.The natural vibration frequencies of the fill design depend on the elastic properties of the materials used in the fill (Fig. 3). With an increase in Young's modulus, the natural frequency increases, therefore, the amplitude of the forced oscillation of the autodyne also decreases. the spectral density of shock acceleration decreases with increasing frequency (Fig. 3). For small values of Young's modulus and a large absorption coefficient, the amplitude of the oscillations is significant, but the oscillations decay quickly. With large values of Young's modulus and a small absorption coefficient, the amplitude of the oscillations is small, but the oscillations affect the radio elements of the autodyne for a longer time. Promising is the filling based on polyurethane with 5% addition of carbon nanotubes, it has a large absorption coefficient and a significant Young's modulus.