空心球环氧复合材料阻尼性能研究.doc

空心球/环氧复合材料的阻尼性能研究顾健，武高辉(哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，哈尔滨 150001)摘 要 针对目前日益严重的振动和噪声问题，本文采用浸渗法分别制得了两种空心球(空心微珠FA和Al2O3空心球)/环氧(EP)复合材料，并对其进行了密度、微观形貌和阻尼性能进行了研究。首先通过排水法测试了复合材料的密度，结果显示空心微珠/环氧复合材料的密度(1.12g/cm3)要高于Al2O3空心球/环氧复合材料的密度(1.06 g/cm3)，通过复合材料表面和断口的扫描(SEM)照片观察发现空心球在基体中分布均匀，并与基体粘结较好；阻尼性能的测试是采用动态力学热分析仪(DMA)，通过拉伸-压缩的方法在变温条件下完成的，研究结果显示，相同体积分数下，空心微珠/环氧复合材料的损耗因子高出Al2O3空心球/环氧复合材料0.035左右，计算表明两者的阻尼/密度比(比密度阻尼)相近。但是前者的阻尼温域(Ttan0.5)更宽，显示了良好的阻尼性能。因此这两种材料在减振降噪、环保和汽车等领域都具有广阔的应用前景。关键词 复合材料 阻尼性能 空心微珠 Al2O3空心球 中图分类号 TB3320 前言现代科学技术的发展带给人们方便和舒适的生活，但同时也造成了许多严重的问题，如资源浪费、环境污染(振动和噪声的污染)等，为了解决日益严重的振动和噪声问题，阻尼材料的设计、开发和应用就显得非常重要1。空心微珠是一种新型的环境材料，是由火力发电厂煤炭燃烧后的粉煤灰中提取出来，其主要成分是硅铝酸类无机粉体材料。作为一种工业废料，其成本低廉，并且大量使用对于环境保护和废物利用有积极的社会意义，此外，由于具有低密度、填充性能好、球形颗粒的应力集中小、低导热、高分散性和易加工等优势2，目前许多学者都在深入研究利用空心微珠来合成新材料以解决上述问题3, 4。Al2O3空心球是一种工业产的空心陶瓷球，其主要成分是Al2O3。与其他空心球相比，也具有低密度(0.4g/cm30.6g/cm3)、低成本等方面的优势。环氧树脂(EP)是常用的工业产品，具有耐热、耐潮湿、化学稳定性好和挥发性小等优点，并且与许多材料具有良好的粘结性能5。蔡小烨等人6进行了含SiO2微球环氧树脂复合材料的实验研究，测定了材料压缩模量和抗压强度。并进行了微观压缩的全程观察，分析了不同SiO2微球含量的材料在压缩过程中的破坏模式。Huang 和Gibson7提出了空心微珠填充复合材料弹性模量的数学方法。国内, 卢子兴等8,9 提出了对含有有限体积比的、一般空心微珠增强的复合材料有效模量的一些预测方法, 并最先开展了聚氨酯复合泡沫塑料力学性能的实验研究。Gupta等10利用实验手段, 研究了填充微珠壁厚对环氧复合材料力学性能的影响, 还考虑了试件长宽比对实验结果的影响。而对于空心球/聚合物的阻尼性能研究的报道很少。因此本实验采用改性环氧树脂为基体，制得空心微珠和Al2O3空心球/环氧两种复合材料。并对其密度、阻尼性能和微观形貌等进行了分析和研究。1 材料制备和试验方法1.1 原料环氧树脂(A组分:E-51、B组分:固化剂和促进剂)；聚氨酯(A组分:异氰酸酯、B组分:聚醚型固化剂、促进剂等)；环氧丙烷丁基醚(活性稀释剂501，分析纯)；-氨丙基三乙氧基硅烷(硅烷偶联剂KH-550，分析纯)；填料：空心微珠：密度约为0.57g/cm30.70g/cm3。Al2O3空心球：密度约为0.4g/cm30.6g/cm3，粒径为0.5mm2mm。1.2 复合材料的制备将环氧树脂A组分及B组分按3:1混合于60恒温搅拌后，再以2:1的比例依次加入聚氨酯A组分及B组分混匀，加入稀释剂和消泡剂搅匀后，再加入已表面改性的空心微珠和Al2O3空心球，通过超声分散和真空脱泡，将混合浆料注入到模具中固化得到复合材料，其中空心微珠和Al2O3空心球的体积分数相同。表1列出了制得的三种材料。表1 制备的三种材料材料体积分数 /%粒径/mEP00EP/FA30119EP/Al2O33050020001.3 密度测试、形貌观察及阻尼性能测试密度测试：采用排水法分别测试了空心微珠和Al2O3空心球/环氧复合材料的密度。形貌观察：采用扫描电镜对拉伸试样的断面进行了形貌观察和分析。动态力学分析(Dynamic Mechanical Analysis, DMA)：在MAK-04型粘弹分析仪上采用拉伸-压缩的方法测试；样品尺寸为30mm35mm3 2mm3；tan-T测试的频率为30Hz，温度扫描区间为-40150，测试过程的升温速率为3min-1；试验气氛为氩气。2 结果与讨论2.1 密度测试复合材料的密度通过排水法测得。将四次测试结果取平均值得到如表2所列。表2 两种复合材料的密度材料密度/(g/cm3)标准偏差基体1.410.013空心微珠/环氧1.120.011Al2O3空心球/环氧1.060.010由表2可见，未添加空心微珠的改性环氧树脂密度基体较大，达到1.41g/cm3，而添加了30%(体积分数)空心微珠的复合材料密度降到1.12g/cm3，降低了20.6%。此外，添加Al2O3空心球的复合材料密度降低更过，约为1.06g/cm3，低于添加空心微珠的环氧复合材料密度。说明空心微珠和Al2O3空心球的加入在改性环氧树脂基体内引入了宏观的孔洞和少量气孔，而这些孔洞和少量气孔不仅降低了复合材料的密度，而且也对阻尼产生一定的促进作用；并且材料中大量气孔也增强了降噪效果11。2.2 微观形貌图1分别给出了空心微珠/环氧和Al2O3空心球/环氧复合材料的断口形貌。从图中可以看出，空心微珠和Al2O3空心球均为球形颗粒。在空心微珠/环氧复合材料中(图(a)和(c)，空心微珠均匀的分散在基体中，并且与基体结合良好。这主要是因为经过硅烷偶联剂表面处理后，在微珠的表面形成无机相-硅烷偶联剂-有机相的界面结合层，从而使空心微珠对基体的润湿性有所改善，但形成的仍是弱相界面。相邻空心微珠之间有足够的距离使空心微珠充分流动，就可能在界面处通过摩擦消耗大量的能量。在Al2O3空心球/环氧复合材料中(图(b)，由于Al2O3空心球本身的粒径很大，达到2mm左右，因此在扫描照片中显得比较大，但从断口也可以看出，其与基体的结合也是较好的，说明Al2O3空心球与基体也具有良好的浸润性。2.3 阻尼性能图2是空心微珠/环氧和Al2O3空心球/环氧复合材料的tan-T曲线。从图中可以看出，环氧基体的损耗因子(tan)峰值为0.536，而添加相同体积分数的空心微珠和Al2O3空心球后，两种复合材料的tan峰值都明显增加，且复合材料的玻璃化转变温度向低温移动，说明空心球的加入提高了环氧树脂的阻尼能力。这是因为复合材料的阻尼主要来源于基体材料的粘弹性12，随着温度的升高，在玻璃化转变温度区tan达到峰值。所以在相同体积分数下，基体粘弹性对阻尼的贡献相当。与此同时，当添加空心微珠和Al2O3空心球后，引入了界面摩擦阻尼和球内气体热阻尼等微观机理，增加了复合材料在受激下的耗能，提高了阻尼能力。此外，空心微珠/环氧复合材料的损耗因子要略高出Al2O3空心球/环氧复合材料约0.03，并且计算得到两者的阻尼/密度比(比密度阻尼)也相差不大。以损耗因子tan值大于0.5所对应的温域范围作为评判阻尼性能优劣的另一个因素。通过比较可知，添加空心微珠时，复合材料对应的高阻尼温域为69，而添加Al2O3空心球复合材料的高阻尼温域为35，并且前者的玻璃化转变温度要低于后者，由此可见，添加空心微珠复合材料的阻尼性能相对更好。图1 两种复合材料的断口形貌(a),(c) 空心微珠/环氧；(b) Al2O3空心球/环氧。图2 复合材料的tan-T曲线3 结论(1) 空心微珠/环氧和Al2O3空心球/环氧复合材料的tan-T曲线表明，环氧基体的tan峰值为0.536，而添加相同体积分数的空心微珠和Al2O3空心球后，复合材料的tan峰值都明显增加，说明空心微珠和Al2O3空心球的加入改善了环氧树脂的阻尼性能。其中空心微珠/环氧复合材料的损耗因子要略高出Al2O3空心球/环氧复合材料0.035左右，但计算表明两者的阻尼/密度比(比密度阻尼)接近。同时，空心微珠/环氧复合材料的高阻尼温域(Ttan0.5)达到69，阻尼性能相对更好。(2) 密度测试表明，空心微珠/环氧和Al2O3空心球/环氧复合材料的密度分别为1.12g/cm3和1.06g/cm3，比环氧树脂的密度低很多。(3) 空心微珠/环氧和Al2O3空心球/环氧复合材料的断口形貌表明，空心微珠均匀的分散到基体中，并且与基体的结合良好，而Al2O3空心球与基体也具有良好的浸润性。参 考 文 献1 谢贤清, 范同祥, 张荻, 等. 高阻尼木质陶瓷/MB15复合材料的制备及性能分析J. 复合材料学报, 2003, 20(1): 7-11.2 LI R K Y, LIANG J Z, TJONG S C. Morphology and dynamic mechanical properties of glass beads filled low density polyethylene compositesJ. Journal of Materials Processing Technology, 1998, 79: 59-65.3 VIKRANT T, AURN S, ARIJIT B. Acoustic properties of cenosphere reinforced cement and asphalt concreteJ. Applied Acoustics, 2004, 65: 263-275.4 万超瑛, 张勇, 徐宏, 等. 超细空心微珠填充聚氯乙稀复合材料的研究J. 工程塑料应用, 2003, 31(9): 15-18.5 陈平, 刘胜平. 环氧树脂M. 化学工业出版社, 北京：1999.6 蔡小烨, 梁小清, 尚嘉兰. SiO2微球复合材料力学性能的实验研究. 复合材料学报. 1994, 11(4): 69-75.7 HUANG J S, GIBSON L J. Elastic moduli of a composite of hollow spheres in a matrixJ . J Mech Phys Solids, 1993, 41(1): 55 - 75.8 卢子兴, 严寒冰. 复合泡沫塑料有效模量的预测方法A. 见: 徐秉业, 黄筑平 主编, 塑性力学和地球动力学进展C. 北京: 万国学术出版社, 2000, 111-117.9 卢子兴, 严寒冰, 刘波, 等. 复合泡沫塑料力学性能的实验研究A. 见: 白以龙, 杨卫 主编. 力学2000 C . 北京: 气象出版社, 2000, 584-586.10 GUPTA N, WOLDESENBET E, MENSH P. Compression properties of syntactic foams: Effect of cenosphere radius ratio and specimen aspect ratioJ. Composites Part A, 2004, 35 (1): 103-111.11 陈艳秋, 李剑锋, 王积森, 孙杰. 聚合矿物复合材料的阻尼性能和减振机理J. 振动与噪声控制, 1998, 5: 34-36.12 COUSIN P, SMITH P. Dynamic Mechanical Properties of Sulfonated Polystyrene/Alumina CompositesJ. J Polym Sci: Polym Phys Ed, 1994, 32(3): 459-468.作者简介：顾健，男，1980年出生，博士研究生，主要研究方向为轻质阻尼材料。E-mail：gujian9804 163.comStudy on Damping Properties of Epoxy Composites Filled With Hollow SpheresGU Jian，WU Gaohui(School of Materials Science and Engineering, Harbin Institute of Technology，Harbin 150001)Abstract According to the increasing severe problems of vibration and noise, two kinds of hollow spheres (fly ash (FA) and Al2O3 microspheres)/epoxy encapsulation composites were prepared by infiltration in our paper. The density, morphology as well as damping properties of composites were investigated. Specifically, the densities of composites were measured by the drainage, and the results indicated that the density of FA/epoxy composites was 1.12g/cm3, which was higher than that of Al2O3 microspheres/epoxy composites (1.06g/cm3). SEM fractographs showed that the hollow spheres were distributed into the matrix homogeneously, and combined well wi