寬溫域高阻尼減振復合材料的制備和研究.pdf

1、阻尼材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于交通工具、產(chǎn)業(yè)機械、建筑、家用電器、精密儀器和軍事裝備等領(lǐng)域的減振降噪。聚合物是一類傳統(tǒng)的阻尼材料，是利用其玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)內(nèi)的粘性阻尼部分，將吸收的機械能或聲能部分地轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芎纳⒌?，從而達到減振、降噪的目的。通常，高聚物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫域窄，而高聚物的阻尼性能依賴于玻璃化溫度，從而大大限制了高聚物阻尼材料的應(yīng)用范圍。為了獲得既具有較高損耗峰，又具有較寬有效阻尼溫域的阻尼材料，減少阻尼材料對玻璃化溫度的依賴性，本論文主

2、要包括以下四個方面的研究內(nèi)容： 1．高性能有機雜化阻尼材料 為了深入了解高分子材料與有機小分子功能添加劑之間形成的雜化材料的阻尼機理，本文以氯化聚乙烯(CPE)為基體材料，并選擇了兩種化學結(jié)構(gòu)相似的功能小分子添加劑2，2-甲撐雙-(4-乙基-6-叔丁基苯酚)(EBP)和2，2-甲撐雙-(4-甲基-6-環(huán)己基苯酚)(ZKF)，通過熱壓淬火成型分別制得了CPE/EBP和CPE/ZKF雜化材料。 對CPE/EBP雜化材

3、料DSC研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，CPE和EBP之間是不相容的，在DSC曲線上的20～40℃溫域內(nèi)出現(xiàn)了一個新的玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)域，但是EBP除了在-10～0℃溫域內(nèi)有玻璃化轉(zhuǎn)變外，EBP在其他溫域并沒有出現(xiàn)玻璃化轉(zhuǎn)變。因此，CPE和EBP之間內(nèi)部作用機理并不同于傳統(tǒng)意義上不同組分共混時產(chǎn)生的相分離機理。FTIR研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，EBP分子上的-OH與CPE分子鏈上的Cl之間形成的分子間氫鍵作用而大量聚集，富集成相，并且在淬火處理時被固定下來，產(chǎn)生了相分離

4、，在tanδ-T曲線上表現(xiàn)為兩個分離的損耗峰，拓寬了材料的有效阻尼溫域。 而通過DSC和DMA研究發(fā)現(xiàn)，CPE和ZKF之間是相容的，在tanδ-T曲線上只有一個損耗峰，并隨著ZKF含量的增加，CPE/ZKF雜化材料的損耗峰大幅度提高，并且損耗峰的位置移向高溫方向；FTIR研究發(fā)現(xiàn)，一個ZKF分子上的兩個-OH與不同CPE大分子鏈之間同時形成了兩個氫鍵，稱為“橋式”氫鍵作用。在玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)域，這種“橋式”氫鍵的斷裂和重建所耗散能量

5、地能量遠遠大于分子間摩擦引起的能量耗散。因此，在玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)域CPE/ZKF雜化材料具有優(yōu)異的阻尼減振能力。 2．有機雜化阻尼材料老化現(xiàn)象的研究及性能優(yōu)化 當雜化材料CPE/EBP和CPE/ZKF在環(huán)境溫度下自然放置12個月后，雜化材料表面會出現(xiàn)白色析出現(xiàn)象。文中對CPE/ZKF雜化材料的析出機理及析出對雜化材料阻尼性能影響作了研究。通過DSC研究發(fā)現(xiàn)，材料表面的白色粉末為無定形態(tài)功能添加劑結(jié)晶所引起的；對CPE/ZKF

6、雜化材料FTIR和DMA研究進一步發(fā)現(xiàn)，在環(huán)境溫度下放置12個月后，CPE/ZKF雜化材料在3000～3500cm—1波段內(nèi)形成的分子間氫鍵發(fā)生了明顯的變化，在3208cm—1處產(chǎn)生的“橋式”氫鍵消失，這導致了CPE/ZKF雜化材料失去了高阻尼性能。這表明CPE/ZKF雜化材料的阻尼性能是不穩(wěn)定的。 因此，為了進一步研究雜化材料阻尼性能的穩(wěn)定性，本文研究了三元雜化材料CPE/ZKF/EBP，發(fā)現(xiàn)ZKF和EBP對CPE/ZKF/E

7、BP雜化材料的阻尼性能存在協(xié)同效應(yīng)。少量EBP的加入不僅可以進一步提高CPE/ZKF雜化材料的阻尼性能，而且可以通過ZKF/EBP組分來調(diào)節(jié)雜化材料的損耗峰位置使其處于設(shè)計溫度。進一步研究發(fā)現(xiàn)，柔性大側(cè)基的引入以及氫鍵網(wǎng)絡(luò)的形成是ZKF和EBP對CPE/ZKF/EBP雜化材料阻尼性能產(chǎn)生協(xié)同作用的根源；另一方面，少量EBP的加入可以減緩CPE/ZKF雜化材料損耗峰高度隨退火處理時間延長而下降的趨勢，即少量EBP的加入提高了CPE/ZKF

8、雜化材料阻尼性能的穩(wěn)定性。 3．壓電導電型寬溫域高阻尼減振復合材料 由于以無機壓電陶瓷為填料形成的壓電導電減振復合材料存在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度附近損耗峰低、機電轉(zhuǎn)換效率低及壓電阻尼效果不佳等不足之處，本文中采用具有強介電效果的有機小分子材料ZKF來代替無機壓電陶瓷，通過強介電有機小分子材料所具有的分子級別上的壓電效應(yīng)來進一步研究壓電導電型阻尼材料。 由于在玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)域基體材料的粘彈阻尼性能比較明顯，壓電導電阻尼效果不

9、明顯；在橡膠態(tài)(60～80℃溫域內(nèi))發(fā)現(xiàn)，當VGCF含量較低時，復合材料內(nèi)部沒有形成導電網(wǎng)絡(luò)，壓電導電阻尼效果不明顯；當VGCF含量超過臨界值后，復合材料內(nèi)部形成了一定三維導電網(wǎng)絡(luò)，復合材料在橡膠態(tài)的阻尼減振能力大大提高，在VGCF含量達到16vol.％時tanδ達到了最值，并隨著VGCF含量的進一步增加tanδ值下降。由此可見，CPE/ZKF/VGCF復合材料存在明顯的壓電導電阻尼效應(yīng)，拓寬了材料的有效阻尼溫域，減少了材料阻尼性能對玻

10、璃化溫度的依賴性。 與CPE/PZT/VGCF復合材料相比，CPE/ZKF/VGCF復合材料不僅在玻璃化轉(zhuǎn)變溫域內(nèi)具有高的損耗峰，而且在橡膠態(tài)的壓電導電阻尼效果也更明顯；另一方面，由于ZKF與VGCF的存在，使復合材料的力學性能得到了進一步優(yōu)化。 4.多層雜化體約束寬溫域高阻尼型減振復合材料 在對CPE/ZKF雜化材料的研究中發(fā)現(xiàn)，隨著ZKF含量的增加，CPE/ZKF雜化材料既能大幅度提高阻尼峰高度，又可以調(diào)控阻

11、尼峰位置；但是，損耗峰的半峰寬變窄，限制了材料的使用。因此，本文中提出把多層雜化材料疊加通過熔融熱擠壓技術(shù)來制備寬溫域、高阻尼多層減振復合材料的設(shè)想，從而達到對環(huán)境溫度的變化引起振動響應(yīng)的變化。 本文從理論上對理想狀態(tài)下的多層復合材料來拓寬有效阻尼溫域進行了分析論證，并進一步對多層復合材料的tanδc進行了預測。理論結(jié)果與實驗結(jié)果都表明，可以利用二層雜化材料疊加來有效的拓寬材料的有效阻尼溫域，并可以進一步增加復合材料的層數(shù)來使“