宽温域高阻尼减振复合材料的制备和研究

论文摘要

阻尼材料已经广泛应用于交通工具、产业机械、建筑、家用电器、精密仪器和军事装备等领域的减振降噪。聚合物是一类传统的阻尼材料,是利用其玻璃化转变区内的粘性阻尼部分,将吸收的机械能或声能部分地转变为热能耗散掉,从而达到减振、降噪的目的。通常,高聚物的玻璃化转变温域窄,而高聚物的阻尼性能依赖于玻璃化温度,从而大大限制了高聚物阻尼材料的应用范围。为了获得既具有较高损耗峰,又具有较宽有效阻尼温域的阻尼材料,减少阻尼材料对玻璃化温度的依赖性,本论文主要包括以下四个方面的研究内容:1.高性能有机杂化阻尼材料为了深入了解高分子材料与有机小分子功能添加剂之间形成的杂化材料的阻尼机理,本文以氯化聚乙烯（CPE）为基体材料,并选择了两种化学结构相似的功能小分子添加剂2,2-甲撑双-（4-乙基-6-叔丁基苯酚）（EBP）和2,2-甲撑双-（4-甲基-6-环己基苯酚）（ZKF）,通过热压淬火成型分别制得了CPE/EBP和CPE/ZKF杂化材料。对CPE/EBP杂化材料DSC研究结果发现,CPE和EBP之间是不相容的,在DSC曲线上的20～40℃温域内出现了一个新的玻璃化转变区域,但是EBP除了在-10～0℃温域内有玻璃化转变外,EBP在其他温域并没有出现玻璃化转变。因此,CPE和EBP之间内部作用机理并不同于传统意义上不同组分共混时产生的相分离机理。FTIR研究结果发现,EBP分子上的-OH与CPE分子链上的Cl之间形成的分子间氢键作用而大量聚集,富集成相,并且在淬火处理时被固定下来,产生了相分离,在tanδ-T曲线上表现为两个分离的损耗峰,拓宽了材料的有效阻尼温域。而通过DSC和DMA研究发现,CPE和ZKF之间是相容的,在tanδ-T曲线上只有一个损耗峰,并随着ZKF含量的增加,CPE/ZKF杂化材料的损耗峰大幅度提高,并且损耗峰的位置移向高温方向;FTIR研究发现,一个ZKF分子上的两个-OH与不同CPE大分子链之间同时形成了两个氢键,称为“桥式”氢键作用。在玻璃化转变区域,这种“桥式”氢键的断裂和重建所耗散能量地能量远远大于分子间摩擦引起的能量耗散。因此,在玻璃化转变区域CPE/ZKF杂化材料具有优异的阻尼减振能力。2.有机杂化阻尼材料老化现象的研究及性能优化当杂化材料CPE/EBP和CPE/ZKF在环境温度下自然放置12个月后,杂化材料表面会出现白色析出现象。文中对CPE/ZKF杂化材料的析出机理及析出对杂化材料阻尼性能影响作了研究。通过DSC研究发现,材料表面的白色粉末为无定形态功能添加剂结晶所引起的;对CPE/ZKF杂化材料FTIR和DMA研究进一步发现,在环境温度下放置12个月后,CPE/ZKF杂化材料在3000～3500cm-1波段内形成的分子间氢键发生了明显的变化,在3208cm-1处产生的“桥式”氢键消失,这导致了CPE/ZKF杂化材料失去了高阻尼性能。这表明CPE/ZKF杂化材料的阻尼性能是不稳定的。因此,为了进一步研究杂化材料阻尼性能的稳定性,本文研究了三元杂化材料CPE/ZKF/EBP,发现ZKF和EBP对CPE/ZKF/EBP杂化材料的阻尼性能存在协同效应。少量EBP的加入不仅可以进一步提高CPE/ZKF杂化材料的阻尼性能,而且可以通过ZKF/EBP组分来调节杂化材料的损耗峰位置使其处于设计温度。进一步研究发现,柔性大侧基的引入以及氢键网络的形成是ZKF和EBP对CPE/ZKF/EBP杂化材料阻尼性能产生协同作用的根源;另一方面,少量EBP的加入可以减缓CPE/ZKF杂化材料损耗峰高度随退火处理时间延长而下降的趋势,即少量EBP的加入提高了CPE/ZKF杂化材料阻尼性能的稳定性。3.压电导电型宽温域高阻尼减振复合材料由于以无机压电陶瓷为填料形成的压电导电减振复合材料存在玻璃化转变温度附近损耗峰低、机电转换效率低及压电阻尼效果不佳等不足之处,本文中采用具有强介电效果的有机小分子材料ZKF来代替无机压电陶瓷,通过强介电有机小分子材料所具有的分子级别上的压电效应来进一步研究压电导电型阻尼材料。由于在玻璃化转变区域基体材料的粘弹阻尼性能比较明显,压电导电阻尼效果不明显;在橡胶态（60～80℃温域内）发现,当VGCF含量较低时,复合材料内部没有形成导电网络,压电导电阻尼效果不明显;当VGCF含量超过临界值后,复合材料内部形成了一定三维导电网络,复合材料在橡胶态的阻尼减振能力大大提高,在VGCF含量达到16vol.%时tanδ达到了最值,并随着VGCF含量的进一步增加tanδ值下降。由此可见,CPE/ZKF/VGCF复合材料存在明显的压电导电阻尼效应,拓宽了材料的有效阻尼温域,减少了材料阻尼性能对玻璃化温度的依赖性。与CPE/PZT/VGCF复合材料相比,CPE/ZKF/VGCF复合材料不仅在玻璃化转变温域内具有高的损耗峰,而且在橡胶态的压电导电阻尼效果也更明显;另一方面,由于ZKF与VGCF的存在,使复合材料的力学性能得到了进一步优化。4.多层杂化体约束宽温域高阻尼型减振复合材料在对CPE/ZKF杂化材料的研究中发现,随着ZKF含量的增加,CPE/ZKF杂化材料既能大幅度提高阻尼峰高度,又可以调控阻尼峰位置;但是,损耗峰的半峰宽变窄,限制了材料的使用。因此,本文中提出把多层杂化材料叠加通过熔融热挤压技术来制备宽温域、高阻尼多层减振复合材料的设想,从而达到对环境温度的变化引起振动响应的变化。本文从理论上对理想状态下的多层复合材料来拓宽有效阻尼温域进行了分析论证,并进一步对多层复合材料的tanδc进行了预测。理论结果与实验结果都表明,可以利用二层杂化材料叠加来有效的拓宽材料的有效阻尼温域,并可以进一步增加复合材料的层数来使“凹谷”区域的tanδ值上升,获得一个较大的最小值区域,即利用多层杂化材料叠加来拓宽材料的有效阻尼温域,无论在理论上和实验上都是切实可行的,为研究和开发“宽温域、高阻尼”减振复合材料提供了新的思路和理论依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 阻尼材料国内外研究现状及动向
• 1.2.1 互穿网络结构阻尼材料
• 1.2.2 智能型阻尼材料
• 1.2.3 有机杂化阻尼材料
• 1.2.4 阻尼复合材料
• 1.3 本课题研究目的、意义及主要内容
• 1.3.1 研究的目的、意义
• 1.3.2 研究的目标
• 1.3.3 研究的主要内容
• 本章参考文献
• 第二章 高性能有机杂化阻尼材料
• 2.1 原料、试样制备以及测试仪器
• 2.1.1 原料
• 2.1.1.1 氯化聚乙烯
• 2.1.1.2 有机小分子功能添加剂
• 2.1.2 试样制备
• 2.1.3 测试仪器
• 2.2 CPE基二元有机杂化材料
• 2.2.1 CPE/EBP有机杂化材料
• 2.2.1.1 CPE/EBP有机杂化材料相容性的研究
• 2.2.1.2 CPE/EBP有机杂化材料粘弹性的研究
• 2.2.1.3 CPE/EBP有机杂化材料FTIR分析
• 2.2.1.4 CPE/EBP有机杂化材料作用机理探讨
• 2.2.2 CPE/ZKF有机杂化材料
• 2.2.2.1 CPE/ZKF有机杂化材料相容性的研究
• 2.2.2.2 CPE/ZKF有机杂化材料粘弹性的研究
• 2.2.2.3 CPE/ZKF有机杂化材料FTIR分析
• 2.2.2.4 CPE/ZKF有机杂化材料作用机理探讨
• 2.3 本章小结
• 本章参考文献
• 第三章 有机杂化阻尼材料老化现象的研究及性能优化
• 3.1 原料、试样制备以及测试仪器
• 3.1.1 原料及试样制备
• 3.1.2 退火处理
• 3.1.3 测试仪器
• 3.2 CPE/ZKF杂化材料“析出”现象研究
• 3.2.1 CPE/ZKF杂化材料“析出”现象
• 3.2.2 CPE/ZKF杂化材料白色粉末“析出”机理
• 3.3 CPE/ZKF/EBP有机杂化材料
• 3.3.1 CPE/ZKF/EBP三元杂化材料的阻尼性能
• 3.3.2 CPE/ZKF/EBP有机杂化材料阻尼性能的稳定性
• 3.4 本章小结
• 本章参考文献
• 第四章 压电导电型宽温域高阻尼减振复合材料
• 4.1 原料、试样制备以及测试仪器
• 4.1.1 原料及试样制备
• 4.1.2 测试仪器
• 4.2 实验结果与讨论
• 4.2.1 CPE/ZKF/VGCF复合材料的导电性能
• 4.2.2 CPE/ZKF/VGCF复合材料DSC研究
• 4.2.3 CPE/ZKF/VGCF复合材料粘弹性能
• 4.2.3.1 CPE/ZKF/VGCF复合材料储能模量E′
• 4.2.3.2 CPE/ZKF/VGCF复合材料损耗模量E″
• 4.2.3.3 CPE/ZKF/VGCF复合材料减振机理探讨
• 4.3 本章小结
• 本章参考文献
• 第五章 多层杂化体约束宽温域高阻尼减振复合材料
• 5.1 原料、试样制备及测试
• 5.1.1 原料
• 5.1.2 试样的设计思路及制备
• 5.1.2.1 多层杂化体叠加复合材料的设计思路
• 5.1.2.2 试样制备
• 5.1.3 测试仪器
• 5.2 多层约束阻尼理论分析与阻尼性能预测
• 5.2.1 多层约束阻尼理论分析
• 5.2.1.1 Voigt结构的粘弹性能
• 5.2.1.2 Reuss结构的粘弹性能
• 5.2.2 多层约束阻尼性能预测
• 5.3 实验结果与讨论
• 5.4 本章小结
• 本章参考文献
• 第六章 本论文主要结论及研究展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 研究展望
• 攻读博士学位期间主要科研成果
• 致谢