RU2453071C1

RU2453071C1 - Loudspeaker diffuser from composite material

Info

Publication number: RU2453071C1
Application number: RU2011105864/28A
Authority: RU
Inventors: Михаил Романович Козлов (RU); Михаил Романович Козлов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Наноконпроект РД"
Priority date: 2011-02-17
Filing date: 2011-02-17
Publication date: 2012-06-10

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: loudspeaker diffuser comprises matrix from porous nickel with degree of porosity varying from 90% to 98% with aluminium foil glued on its surface by glue composition based on epoxy resin and hardener. Additionally, hardening filler is added to epoxy resin and made up of 1-1000 nm-grain size powder of material with elasticity modulus exceeding 2.46 GPa in amount of up to 50 vol. % and carbon nanotubes in amount of 0.01-10 vol. %.

EFFECT: higher rigidity and hardness.

Description

Изобретение относится к области диффузоров громкоговорителей с катушкой подвижного типа, в частности к диффузорам из матрицы из пористого никеля со степенью пористости от 90 до 98%, к задней поверхности которой приклеена алюминиевая фольга при помощи смеси, в состав которой входят эпоксидная смола, отвердитель и упрочняющий наполнитель в виде комбинации порошка размером 1-1000 нм материала с модулем упругости более 2,46 ГПа в количестве от 0 до 50 об.% и углеродных нанотрубок в количестве от 0,01 до 10 об.%. Может применяться для изготовления громкоговорителей высококачественных акустических систем.The invention relates to the field of loudspeaker diffusers with a movable type coil, in particular to porous nickel matrix diffusers with a porosity of 90 to 98%, to the back surface of which aluminum foil is glued using a mixture of epoxy resin, hardener and hardener filler in the form of a combination of powder with a size of 1-1000 nm of a material with an elastic modulus of more than 2.46 GPa in an amount of from 0 to 50 vol.% and carbon nanotubes in an amount of from 0.01 to 10 vol.%. It can be used for the manufacture of high-quality speaker systems.

В производстве диффузоров громкоговорителей требуются материалы, обладающие высокой прочностью, жесткостью (высоким значением модуля упругости) и высоким значением коэффициента демпфирования акустических волн. Электромеханическая модель диффузора громкоговорителя предполагает наличие резонанса амплитудно-частотной характеристики на частоте, значение которой обратно пропорционально его площади, прямо пропорционально толщине и скорости звука в материале, из которого изготовлен диффузор. Добротность резонанса обратно пропорционально коэффициенту демпфирования. Наличие указанного резонанса диффузора ограничивает область рабочих частот громкоговорителя, в котором уровень коэффициента нелинейных искажений имеет приемлемо низкий уровень. С учетом этого, развитие технологии материалов для диффузоров высококачественных громкоговорителей с низким уровнем искажений осуществляется в направлении максимизации модуля упругости Е при минимальной плотности и максимально достижимом коэффициенте демпфирования.In the production of loudspeaker diffusers, materials are required that have high strength, stiffness (high modulus of elasticity) and a high value of the damping coefficient of acoustic waves. The electromechanical model of the loudspeaker diffuser assumes the presence of a resonance of the amplitude-frequency characteristic at a frequency whose value is inversely proportional to its area, directly proportional to the thickness and speed of sound in the material of which the diffuser is made. The quality factor of the resonance is inversely proportional to the damping coefficient. The presence of the specified resonance of the diffuser limits the region of the working frequencies of the loudspeaker, in which the level of the coefficient of nonlinear distortion has an acceptably low level. With this in mind, the development of material technology for diffusers of high-quality loudspeakers with a low level of distortion is carried out in the direction of maximizing the elastic modulus E at the minimum density and the maximum achievable damping coefficient.

За счет повышения параметров модуля упругости материала диффузора и коэффициента его демпфирования достигается расширение рабочей полосы частот и снижение коэффициента нелинейных искажений громкоговорителя. Одним из способов достижения оптимального сочетания указанных параметров является изготовление диффузора в виде слоистой структуры, в которой слои материала с высокой жесткостью и прочностью примыкают к слоям с высоким коэффициентом демпфирования. Одним из наиболее подходящих материалов для диффузоров громкоговорителей являются композиционные материалы с использованием металлической матрицы из пористого металла и эпоксидного связующего.By increasing the parameters of the elastic modulus of the material of the diffuser and its damping coefficient, an expansion of the working frequency band and a decrease in the coefficient of nonlinear distortion of the loudspeaker are achieved. One way to achieve the optimal combination of these parameters is to manufacture a diffuser in the form of a layered structure in which layers of material with high rigidity and strength are adjacent to layers with a high damping coefficient. One of the most suitable materials for speaker cones is composite materials using a porous metal matrix and an epoxy binder.

Известно устройство-диффузор на основе заготовки из пористого никеля в форме боковой поверхности усеченного конуса в соответствии с патентом США №4129195. Заготовки получаются напылением никелевого сплава на специальные поролоновые формы, которые помещались в высокотемпературную печь, где никель вспенивается до строго определенной структуры, а поролон при этом выгорает. На никелевую заготовку толщиной порядка 1,7 мм, пористостью до 98% и размером пор от 0,15 до 0,4 мм с обратной стороны при помощи эпоксидного полимера наклеивается алюминиевая фольга толщиной 20-30 микрон. При этом одновременно обеспечивается акустическая непрозрачность диффузора и повышенная жесткость его слоистой структуры. Значение коэффициента демпфирования слоистой структуры диффузора определяется коэффициентом демпфирования пористого никеля с незаполненными порами, для которого указанный коэффициент составляет 0,02-0,03, что в 20-30 раз выше данного параметра большинства металлов. Жесткость композиционного материала диффузора составила 75 кг/мм².A device-diffuser based on a preform of porous nickel in the form of a lateral surface of a truncated cone in accordance with US patent No. 4129195. Billets are obtained by spraying a nickel alloy onto special foam molds that were placed in a high-temperature furnace, where nickel foams to a strictly defined structure, and the foam burns out. An aluminum foil with a thickness of 20-30 microns is glued onto the nickel billet with a thickness of about 1.7 mm, porosity of up to 98% and a pore size of 0.15 to 0.4 mm from the back side using an epoxy polymer. At the same time, the acoustic opacity of the diffuser and the increased rigidity of its layered structure are simultaneously ensured. The damping coefficient of the layered structure of the diffuser is determined by the damping coefficient of porous nickel with unfilled pores, for which the specified coefficient is 0.02-0.03, which is 20-30 times higher than this parameter of most metals. The stiffness of the diffuser composite was 75 kg / mm ² .

Недостатком этого способа является невозможность получения диффузора с жесткостью, которая превышала бы жесткость диффузоров из композиционных материалов с использованием углеродных волокон, а также его недостаточная прочность. При подаче на вход громкоговорителя с диффузором данного типа возможно появление механических повреждений диффузора в виде трещин.The disadvantage of this method is the inability to obtain a diffuser with a stiffness that would exceed the stiffness of the diffusers made of composite materials using carbon fibers, as well as its lack of strength. When applying to the input of a speaker with a diffuser of this type, mechanical damage to the diffuser in the form of cracks may occur.

Технической задачей настоящего изобретения является создание диффузора из композиционного материала с матрицей из пористого никеля с повышенными значениями прочности и жесткости.An object of the present invention is to provide a diffuser from a composite material with a matrix of porous nickel with increased values of strength and stiffness.

Предлагаемый диффузор громкоговорителя из композиционного материала включает матрицу из пористого никеля со степенью пористости от 90 до 98% с наклеенной на ее заднюю поверхностью алюминиевой фольгой при помощи клеевого состава на основе эпоксидной смолы и отвердителя, отличающийся тем, что в эпоксидную смолу дополнительно вводят упрочняющий наполнитель в виде смеси порошка частиц размером 1-1000 нм материала с модулем упругости более 2,46 ГПа содержанием до 50 об.% и углеродных нанотрубок в количестве от 0,01 до 10 об.%.The proposed loudspeaker cone made of composite material includes a matrix of porous nickel with a porosity of 90 to 98% with an aluminum foil glued onto its rear surface using an adhesive composition based on epoxy resin and hardener, characterized in that reinforcing filler is additionally introduced into the epoxy resin into in the form of a mixture of powder particles with a size of 1-1000 nm material with an elastic modulus of more than 2.46 GPa containing up to 50 vol.% and carbon nanotubes in an amount of from 0.01 to 10 vol.%.

К получению целевого продукта с требуемыми параметрами приводит использование сочетания дисперсного и волоконного упрочнителей и соответственно двух механизмов повышения прочности и жесткости.The use of a combination of dispersed and fiber hardeners and, accordingly, two mechanisms for increasing strength and stiffness lead to the desired product with the required parameters.

Выбор значений модуля упругости материала дисперсного упрочнителя на уровне более 2,46 ГПа в предлагаемом устройстве объясняется тем, что данный параметр должен превышать модуль упругости полимеризованной эпоксидной смолы, и чем больше их разность, тем выше модуль упругости композиционного материала в целом. Данное условие обеспечивается при использовании нанодисперсного порошка оксида алюминия Аl₂О₃. Примером использования данного материала в слоистом композиционном материале может служить патент RU 2381904, в котором использовались волокна оксида алюминия с модулем упругости 110 ГПа. Различные способы производства нанопорошков данного материала описаны в патенте RU 2383638.The choice of the elastic modulus of the dispersed hardener material at a level of more than 2.46 GPa in the proposed device is explained by the fact that this parameter should exceed the elastic modulus of the polymerized epoxy resin, and the greater their difference, the higher the elastic modulus of the composite material as a whole. This condition is provided when using nanodispersed powder of aluminum oxide Al ₂ About ₃ . An example of the use of this material in a layered composite material is the patent RU 2381904, in which aluminum oxide fibers with an elastic modulus of 110 GPa were used. Various methods for the production of nanopowders of this material are described in patent RU 2383638.

Физическое обоснование предлагаемого технического решения основывается на том, что обладая высокими значениями модуля упругости и плотности, оксид алюминия способствует увеличению этих параметров металлокомпозита в целом, а следовательно, и прочности диффузора. В случае если количество упомянутого выше оксида больше 50%, то дальнейшего повышения предела прочности не происходит, наблюдается существенное увеличение вязкости смеси, массы диффузора и снижение прочности клеевого контакта с алюминиевой фольгой. Если размеры частиц оксида меньше 1 нм, то весьма сложно добиться их равномерного распределения по объему эпоксидного связующего в объеме пор никеля, а если больше 1000 нм, то резко уменьшается их количество и понижается однородность микроструктуры материала, а это в свою очередь приводит к снижению прочности и эксплуатационных характеристик материала диффузора.The physical justification of the proposed technical solution is based on the fact that, having high values of the modulus of elasticity and density, alumina helps to increase these parameters of the metal composite as a whole, and therefore the strength of the diffuser. If the amount of the aforementioned oxide is more than 50%, then there is no further increase in the tensile strength, a significant increase in the viscosity of the mixture, the mass of the diffuser and a decrease in the strength of adhesive contact with aluminum foil are observed. If the size of the oxide particles is less than 1 nm, it is very difficult to achieve their uniform distribution over the volume of the epoxy binder in the pore volume of nickel, and if more than 1000 nm, their number sharply decreases and the uniformity of the microstructure of the material decreases, and this in turn leads to a decrease in strength and operational characteristics of the material of the diffuser.

Вторым механизмом повышения прочности и жесткости диффузора является применение УНТ. Повышение прочностных и упругих свойств полимеризованной эпоксидной смолы при ее модифицировании УНТ было показано в значительном количестве научных работ последних лет.The second mechanism for increasing the strength and stiffness of the diffuser is the use of CNTs. An increase in the strength and elastic properties of polymerized epoxy resin during its modification of CNTs has been shown in a significant number of scientific papers of recent years.

В таблице 1 приведены результаты испытаний механических свойств стандартной смолы и эпоксидных смол, усиленных УНТ.Table 1 shows the test results of the mechanical properties of a standard resin and epoxy resins reinforced with CNTs.

Таблица 1Table 1 Модуль упругости, ГПаModulus of elasticity, GPa Прочность, МПаStrength, MPa Стандартная эпоксидная смолаStandard epoxy 2,462.46 93,593.5 0,1% УНТ0.1% CNT 2,542.54 109109 0,2% УНТ0.2% CNT 2,602.60 115115 0,3% УНТ0.3% CNT 2,652.65 121121 0,4% УНТ0.4% CNT 2,752.75 113113

Клеевой состав, помимо эпоксидной смолы и отвердителя, может содержать модифицирующую добавку. В качестве одного из возможных примеров компонентов такого состава можно привести следующий.The adhesive composition, in addition to epoxy resin and hardener, may contain a modifying additive. The following can be cited as one of the possible examples of components of such a composition.

ПримерExample

Эпоксидная диановая кислота с молекулярной массой 390-430 и массовой долей эпоксидных групп 20-22,5%,Epoxy dianic acid with a molecular weight of 390-430 and a mass fraction of epoxy groups of 20-22.5%,

Ангидрид малеиновой кислоты в качестве отвердителя,Maleic anhydride as a hardener,

Олигоэфиракрилат с молекулярной массой 337-742 в качестве модифицирующей добавки.Oligoester acrylate with a molecular weight of 337-742 as a modifying additive.

Предлагаемый клеевый состав готовят следующим образом. Вначале осуществляется подготовка УНТ и получение двухкомпонентной смеси с нанодисперсным порошком оксида алюминия. В эпоксидную смолу вводят модифицирующую добавку олигоэфиракрилат марки МГФ-9, перемешивают и нагревают до температуры 40-80°С. В эту смесь добавляют предварительно прогретую при температуре 40-80°С смесь оксида алюминия и УНТ и перемешивают для более равномерного распределения УНТ в растворе при помощи ультразвука в течение интервала времени от 30 мин до 48 ч. Затем смесь смолы, олигоэфиракрилата МГФ-9 и наполнителя вакуумируют при остаточном давлении не более 30 мм рт.ст. и температуре от 100 до 120°С в течение 20 мин и после этого смешивают с предварительно расплавленным ангидридом малеиновой кислоты, перемешивают и вновь вакуумируют в течение 5-10 мин. В полученную смесь, разогретую до температуры 85°С, добавляют катализатор диметиланилин и снова перемешивают ультразвуком и вакуумируют при остаточном давлении не более 30 мм рт.ст. в течение 2-3 мин. Отверждение клеевого состава производят при температуре 70-75°С избыточным давлением 0,5-0,55 МПа в течение 16 ч.The proposed adhesive composition is prepared as follows. Initially, the preparation of CNTs and the preparation of a two-component mixture with nanodispersed alumina powder are carried out. The modifying additive oligoester acrylate brand MGF-9 is introduced into the epoxy resin, mixed and heated to a temperature of 40-80 ° C. A mixture of alumina and CNTs preheated at a temperature of 40-80 ° C is added to this mixture and mixed to distribute the CNTs in the solution more evenly using ultrasound for a time interval of 30 minutes to 48 hours. Then a mixture of resin, MGF-9 oligoester acrylate and the filler is evacuated at a residual pressure of not more than 30 mm Hg and a temperature of from 100 to 120 ° C for 20 minutes and then mixed with pre-molten maleic acid anhydride, stirred and again vacuum for 5-10 minutes. The dimethylaniline catalyst is added to the resulting mixture, heated to a temperature of 85 ° C, and again mixed with ultrasound and vacuum at a residual pressure of not more than 30 mm Hg. within 2-3 minutes Curing of the adhesive composition is carried out at a temperature of 70-75 ° C with an excess pressure of 0.5-0.55 MPa for 16 hours

Поскольку геометрия диффузора исключает возможность прямого измерения его механических параметров, были изготовлены эталонные образцы компаунда с уровнями содержания наполнителя в эпоксидной смеси 0% (прототип) и 15% (14,5 оксид алюминия и 0,5% УНТ) в соответствии с предложенным техническим решением. По результатам измерений скорости звука акустических волн в эталонных образцах было установлено наличие косвенного положительного эффекта повышения модуля упругости материала диффузора с 75 кг/мм² до 83 кг/мм², т.е на 10%. Полученные результаты измерений подтверждаются результатами измерений амплитудно-частотной характеристики громкоговорителей с различными диффузорами, которые показывают расширение частотного диапазона громкоговорителя более чем на 8% за счет применения добавок оксида алюминия.Since the diffuser geometry excludes the possibility of direct measurement of its mechanical parameters, reference compound samples were prepared with filler levels in the epoxy mixture of 0% (prototype) and 15% (14.5 aluminum oxide and 0.5% CNT) in accordance with the proposed technical solution . According to the results of measuring the speed of sound of acoustic waves in the reference samples, it was found that there is an indirect positive effect of increasing the elastic modulus of the diffuser material from 75 kg / mm ² to 83 kg / mm ² , i.e. by 10%. The obtained measurement results are confirmed by measurements of the amplitude-frequency characteristics of loudspeakers with various diffusers, which show an extension of the frequency range of the loudspeaker by more than 8% due to the use of aluminum oxide additives.

При проведении патентных исследований не обнаружены решения, идентичные заявленному, а следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию «новизна». Сущность заявленного изобретения не следует явным образом из известных технических решений, а следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию «изобретательский уровень».When conducting patent research, no solutions were found that are identical to the claimed one, and therefore, the claimed invention meets the criterion of "novelty." The essence of the claimed invention does not follow explicitly from the known technical solutions, and therefore, the claimed invention meets the criterion of "inventive step".

Считаем, что сведений, изложенных в материалах заявки, достаточно для практического осуществления изобретения.We believe that the information set forth in the application materials is sufficient for the practical implementation of the invention.

Claims

Loudspeaker diffuser, comprising a matrix of porous nickel with a porosity of 90 to 98%, on the back surface of which aluminum foil is glued using an adhesive composition based on epoxy resin and hardener, characterized in that reinforcing filler is additionally introduced into the epoxy resin in the form of a powder combination the size of 1-1000 nm of a material with an elastic modulus of more than 2.46 GPa, a content of up to 50 vol.% and carbon nanotubes in an amount of from 0.01 to 10 vol.%.