（材料物理与化学专业论文）溴化丁基压电阻尼橡胶研究.pdf

啥尔滚工程大学壤学位论文 _ i l l - 摘要 本文辑突7 一秘赫型懿藤尼复会材料，它蹩凌浚健丁蒸橡胶、联电羯瓷 粉( p z t ) 和乙炔碳黑混合而成。其阻尼特性除了溴化丁基橡胶阻尼材料的 传统阻尼模式继续发挥作用外，再由掺杂于橡胶中的压电陶瓷粉体将振动能 转交菇毫缝，劳逶避两辩复含避去静导电耪辩辙粉构成译诲多多翡徽瞧路， 依靠焦耳效应，将臌电效应产生的电能变为热能耗散出去，从而得到更好的 阻尼效果。壤撂这一理念设诗了一静耱燮复合枣孝誊喜，本文努辑了这秘毒孝辩魄 阻尼减振梳理，并讨论了复合材料中个纽分的黧比关系及誓艺对复材料性 能的影响。 磅究发瑗：涟辗罴震羹势数戆提糍，复会体系隧恁蠢孑增攘，毽鹭陵巢 质量份数为8 时，隰尼因子达到峰值，继续增加典含量，会引起阻尼因子的 下降；随麓复合材j i 中p z t 聪电陶瓷粉奄量的增加，复合材3 l | ； 匏阻尼性能增 鸯鞋；随着裰纯温度的升高，鬣合材料的撬电性能瓣商，阻豫性能增大。极化 电场增加，复合材料压电系数增大，阻尼性能提离，但当电场强度超过一定 陵度嚣，殛耄誉数麓予燕定。在援纯麓麓，压惫鬻数夔投纯对瘸懿增麓瑟迅 速增大，极化一定时间后，压电常数趋乎平稳。 该复念材料在保留传统的摩擦阻尼耗能机理的同时，增加了压电焦耳 煞阻尾耗熬辊理，能将橇藏熊转变为耄髓，再由释电耪辩将电能转变为热能 耗散撺，从而使复合材料的阻尼性能得剃了明显提高，为新材料的研究开发 嚣黪了条赣豹途撩。 荚链词：淡化丁基橡胶；p z t 骶电陶瓷；乙炔碳黑；阻尼性髓 啥笨滨工援大学磺士学控论文 一i _ _ _ - _ _ r a b s t r a c t t h i sa r t i c l e s t u d i e so n ek i n do fn e wd a m p i n gc o m p o u n d m a t e r i a l ，i t i sc o n s i s t e do fb r o m o b u t y lr u b b e r ，p i e z o e l e c t r i cc e r a m i cp o w d e r ( p z t ) a n da c e t y l e n eb l a c k e x c e p tf o rt r a d i t i o n a ld a m p i n gm e c h a n i s mo f b r o m o b u t y lr u b b e r ，m e c h a n i c a lv i b r a t i o ne n e r g yc a nb ec h a n g e di n t o e l e c t r i ci n d u c e db yp i e z o e l e c t r i cc e r a m i c sp i e z o e l e c t r i ce f f e c t ， a n dt h e nt h ee n e r g yc a nb ed i s s i p a t e di nf o r mo fj o u l e sh e a tt h r o u g h c o n d u c t i v em i c r o c i r c u i tf o r m e db yc o n d i t i v ef i l l e r si nt h es y s t e m 1 t i sp a r t i c u l a ri n v e s t i g a t e do nd a m p i n gm e c h a n i s mo ft h ec o m p o s i t e s a n dt h ei n f l u e n c eo fp r o p o r t i o na n dt e c h n i c so nt h ep e r f o r m a n c ei s a n a l y z e d t h er e s e a r c hd i s c o v e r s ：a l o n gw i t hc a r b o nb l a c kq u a l i t yp o i n t s e n h a n c e m e n t ，c o m p o u n ds y s t e md a m p i n g ( t a n 艿) i n c r e a s e ，b u tw o r k sa s w h e nt h ec a r b o nb l a c kq u a l i t yn u m b e ro fc o p i e si s8 。d a m p i n g ( t a n 毋) a c h i e v e st h ep e a kv a l u e ，c o n t i n u e st oi n c r e a s ei t sc o n t e n t ，c a n c a u s e d a m p i n g ( t a n 艿) d r o p ；a l o n gw i t hc o m p o u n dm a t e r i a li np z t p i e z o e l e c t r i c i t yc e r a m i c sp o w d e rc o n t e n ti n c r e a s e ，c o m p o u n dm a t e r i a l d a m p i n gp e r f o r m a n c ei n c r e a s e ：a l o n gw i t hp o l a r i z e dt e m p e r a t u r e e l e v a t e ，t h ec o m p o u n dm a t e r i a lp i e z o e l e c t r i c i t yp e r f o r m a n c ee n h a n c e s ， t h ed a m p i n gp e r f o r m a n c ei n c r e a s e s t h ep o l a r i z e de l e c t r i cf i e l d i n c r e a s e s ，t h ec o m p o u n dm a t e r i a lp i e 茹o e 王e e t r i cm o d u l u si n c r e a s e s ，t h e d a m p i n gp e r f o r m a n c ee n h a n c e s ，b u ta f t e re l e c t r i c f i e l di n t e n s i t y s u r p a s s e sc e r t a i nl i m i t ，t h ee l e c t r i c c o n s t a n tt e n d st oc o n s t a n t l y i nt h ep o l a r i z e di n i t i a lp e r i o d ，t h ee l e c t r i cc o n s t a n tb u tr a p i d l y i n c r e a s e sa l o n gw i t ht h ep o l a r i z e dt i m ei n c r e a s e ，a f t e rt h ep o l a r i z e d c e r t a i nt i m e ，t h ee l e c t r i cc o n s t a n tt e n d st os t e a d il y 哈尔演工程大学硕士学位论文 t h isk i n do fc o m p o u n dm a t e r i a l r u b sd a m p i n gc o n s u m e se n e r g y m e c h a n i s m d u r i n g t h er e t e n t i o nt r a d i t i o n ， i n c r e a s e d t h e p i e z o e l e c t r i c i t y j o u l eh e a td a m p i n gc o n s u m e se n e r g yt h em e c h a n i s m ， c o u l dt r a n s f o r mt h e m e c h a n i c a le n e r g yf o rt h ee l e c t r i c a le n e r g y ，a g a i n t r a n s f o r m e db yt h ec o n d u c t i n gm a t e r i a lt h ee l e c t r i c a le n e r g yf o rt h e h e a te n e r g yd i f l 、j s i o nf a l l s 。t h u se n a b l et h ec o m p o u n dm a t e r i a lt h e d a m p i n gp e r f o r m a n c et oo b t a i nt h ed i s t i n c te n h a n c e m e n t ，o p e n e do n e n e w w a yf o rt h en e wm a t e r i a lr e s e a r c hd e v e l o p m e n t k e y w o r d ：b r o m o b u t y lr u b b e r ；p z l i e z o e l e e t r 主c i t yc e r a m i c s ； e l e c t r i cc o n d u c t i o nc a r b o nb l a c hd a m p i n gp e r f o r m a n c e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本入独立完成酶。鸯关飘煮、方法、数据和文献的弓| 耀邑在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 零论文不包含锰何其缝个入或集体已经公舞发表瓣终燕成暴。黠 本文的研究做出煎要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标鞠。本人完全意识到本声明豹法律结果惑本入承担。 终者( 签字) ：奎壶芝l 基鬟：崩参每男蹿e t 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i 1 前寓 第 章搋论 隆尾糖糕是一释熬吸收梳禳熬、声麓并将其转往蔻热麓薅耗 散掉的功能材料。随着牡会的发展，机械设镣趋于高速和自动化， 随之引起的振动、噪声和疲劳断裂闽题亦越来越突出。搬动、噪 声疆秘了筏搬设备经簸戆鬟嵩，黟耋破落粳l 械浚备运行的稳定毪 和可靠性，污染环境，危害人们的身心健康。因此减振降噪，改 善入机工作环境是一个蘑待解决的问题。通常阻尼材料的评价 辍准主要惫疆嚣令方滋：是玻璃纯转交区内豹援耗嚣予( t a n 6 ) 的大小；二是转交区的温度范围。对于商性能阻尼材料而言， 就是要求其损耗因子( t a n6 ) 尽可能大，转变区的温度范围尽 巍宽一。域在，已蠢谗多耨枣季辩移赣技术誉赣瘦矮予黻蹙减振 技术，其中赢分子阻餍减振枋j i 幸以其优异昭黢能越来越苷l 起人髓 的重视。高分子阻尼材料是利用商分子的粘弹性来吸收搬动的能 最，将吸收的橇掇施或声毙郝分嫩转变为热能并耗散搏，这样就 怒到了减少缀罹或酶低蒹睡静豫麓。橡菠崮予兵有独特戆嵩弹性 能、优异的疲劳强度、极好的电绝缘性和耐磨性能，常被用作阻 尼减振材料，广泛应用予工业、农业、国防、航夭、航镦、日常 擞活等矮域。蘧罄褰戆技寒蠹孽发震，天秘瓣窿霆耱辩鬟求獒苓 断提高，辩的阻尼材料不断涌现，国内外阻尼技术也出现了新的 发展趋势。无论是传统的军工、机械工业还怒宇航、建筑等领域 餐爨要曼宠滋颏、裹拣姥、彗憩缎疆趸糖精瓣出现，餐魅墼、复 含阻尼材j i l ； 静研制为此提供了广阔的发展前祭一。本课题以橡胶 作为基料，与压电材料、导电材料复合制成种新的复合材料。 在不改变橡胶骧有耗戆的基础上，利用压电毒考辩豹匹毫效应将枫 哈尔滨工程大学疆学位论文 械能转变为电能，并由导电粒子将其转变为热能耗散出去，从而 增加复会材料的阻尼性能。该复会材料的研制为掰型阻尼粉料的 开发应弼开辟了一条新的途径。 1 。2 阻忍材料妁基础理论 1 2 1 阪尼的定义 阻尼是将振动过程中系统振动的能擞转变为其它形式能量 薅耗散撑的过程，其它形式的能爨包括热能、电熊、磁能等啼，。 阻尼是酶低系统的振动耋、受冲谢量和噪声水平的有效手墩。自 由振动时，阻尼傻振幅不断衰减。谐迫振动时，阻尼消耗激励力 对系统傲靛凌，辩繇系统浆豢蕹。共振爵，阻尼决定了系统靛鑫 质因子q ，阻尼越大，品质因子q 越小。人们将应变落后予应力 瓣楣角熬8 称为力学损耗是，豢耀力学接糕襄正切t a n6 寒表示 内耗的大小“1 。损耗因子越大，树料的阻嬲性能越好。 。2 。2 表霍材料阻尼饿麓麓参量 表镬携辩爨懋性毙懿参耋较多，英孛豢长使用瓣参耋骞辐霞 簇角正切、比阻熙能力、对数衰减率和品质因子的倒数等 3 。 。2 2 。 辐位薹舞酌委秘 材糍在震期健瘟力终用下，会受激发褥产生躅期幢振凌，之 后如继续施加应力，试样便进行受迫振动。振动达到稳态以后， 试样便按照外加威力的频率而振动，应变的相位落藤予应力的相 位，二嚣瓣籀建之差为5 。穗谴麓角可以袭示为： 6 = t 2 x t( 1 一1 ) 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 式( 1 1 ) 中t 为应变波形滞后应力波形的时间，t 为振动 周期。材料的阻尼能力越高。相位差角越大，损耗因子t a n6 也 越大，因此可用相位差角及其正切来表征材料阻尼能力的大小。 ( 当内耗很小时，相位差角的测量比较困难，因此该法仅适用于 内耗较大的情形) 纩。 卜姘 _ - - - - - - r - - - - - - - 4 图1 1 材料在周期性应力作用下的应力一应变曲线 1 2 2 2 比阻尼能力 给试样施加一个交变应力o ，由于应变落后于应力，从而 出现应力一应交回线，这个回线的面积代表了振动一周时单位体 积的试样所消耗的能量，因此定义比阻尼能力为： v=aw w( 1 2 ) 式( 1 - - 2 ) 中v 为比阻尼能力，w 为振动一周时单位体 积试样所消耗的能量，w 为单位体积的试样在振动中所储存的最 大弹性能量，亦即外界供给的弹性能。w 正比于回线面积， w 有应力和应变的乘积决定。这种方法测量的误差来源于盈利、 应变和回线面的测量，面积越大，测量越准。此法常用于测量低 频下( 小于0 1 h z ) 的阻尼性能。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ， 门删 ?。 0 图1 2 材料的应力一应变迟滞回线 1 2 2 3 对数衰减率 材料在自由震动过程中，振动幅度将逐渐衰减，衰减越快， 表明材料的阻尼性能越高。阻尼性能与振动振幅间的关系如下： 中= n = n ”i n ( a i a i + n )( 1 3 ) 式( 1 3 ) 中巾为对数衰减率，n = l ，2 ，3 为振动循环 次数。a i 为第i 次振动的振幅：a i + 。为第i + n 次振动的振幅。由 此可见，对数衰减率表征了振幅的衰减程度，其值越大，则振幅 衰减越大，阻尼性能越高。 丁 一 娃 i 里炒渺必 ， 图1 3 材料的自由振动衰减曲线 1 2 2 4 品质因子的倒数 用不同频率的外力来诱发试样，当外力的频率等于试样的共 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 振频率时，试样振动的振幅最大。在相同的情况下，材料的阻尼 性能愈高，则共振振幅愈小，共振峰愈宽，因此可用共振峰尖锐 程度来表征材料阻尼能力的大小，即材料的阻尼与共振振幅一半 处的频率差值和共振频率有如下关系： q “= i ，i 3 “。f t( 1 4 ) 式( 1 4 ) 中q - 1 是品质因子倒数，f 是共振振幅一半处 的频率差值，2 - ，1 ，f ，c 是共振频率。共振峰的宽度表征了材料 阻尼能力的大小，当阻尼能力很小时，共振峰很锐，共振峰不易 测定；共振峰越宽，测量越准。 。 丧 彳一 l 图1 4 试样在强迫振动中的共振峰示意图 1 2 3 阻尼的分类 根据阻尼谱的特征，材料的阻尼减振机理大体上可分为四大 类型：动滞后型、静滞后型、共振型和相变机制型。动滞后型阻 尼，又称为驰豫型或滞弹性阻尼伯1 。滞弹性的特征是在加载或去 载时应变不是瞬时达到其平衡值，而是通过一种驰豫过程来完成 这种变化的。其特点是阻尼性能与振幅( o 或e ) 无关，而与频 率，和温度t 有关。静滞后型阻尼是除驰豫以外产生内耗的另一 原因，其特点是阻尼性能与振幅有关，而与频率、温度无关。共 振型阻尼与动滞后型阻尼相似，但材料的固有频率随温度的变化 较小。相变机制型阻尼材料质材料发生相变时，其阻尼性能明显 哙承滨工程大学硕士学德谂文 改善；箕特摄蔻融慰性能与蒹耨无关，黼与t t 为撩热戢冷 却速率) 成蘸魄。相关的主要阻尼简述如下： 1 2 3 1 热弹性暇飕 z e n e r 首次分析了热弹性阻尼机制。当材料处于不均匀变 形时，翔采用d m t a 彼测试毒| 辩豹疆懋饿熊，试样动态弯藏导教 其歪壤餐被燕熬，褥控 枣麓蘩冷却。这谨，当这静应力惑生魏热 梯度弓l 起不可邀豹热量穿避试样时出现瓣威力松弛和热囊耗散。 热弹性阻尼对阻尼性能的贡献可表示为： q - , = t b t ( 1 + 2 t2 )( 1 5 ) 式( 1 - - 5 ) 中，。为热弹性松弛强魔，。= e a 2 t c v ( e 为杨 氏模量，a 为热扩敬系数，t 为决定潞度，e v 为等容比热) ，甜 ：2 耳， 为松魏翼孪阉，t = c v t 2 舞2 d p z t ) 的影响，相同条件下，p v d f c b p l z t 体系的阻尼减振性能优于p v d f c b p z t 体系。作为吸引材料可广 泛的应用于防音壁、音响材料等领域。江草茂等用p z t 陶瓷粒子 作为填料和环氧树脂作基材制成高压电活性的压电复合物，可以 用作传感元件和激励响应元件，此元件对振动和噪声有感应能 力，可用作智能复合材料的传感单元n “。吴驰飞等通过对聚合物 分子极性基团的改性以及加入介电材料制备高阻尼性能的复合 材料。将e l a s l e n e 4 0 1 ( 聚氯化乙烯) 和s a n c e l e rd z 以1 ：1 共混模压，经电子束辐照后制得t a n6 的最大值为2 1 3 、而t a n 6 ) 0 5 的温度范围为0 4 0 的常温阻尼材料”。成国祥等以 锆钛酸铅( p z t ) 压电陶瓷微粒为填料，分别与丙烯酸酯共聚物 和环氧树脂复合制得p z t 高分子复合膜“。研究结果表明，在 聚合物中加入p z t 微粒并使其极化产生压电性，可是材料的吸声 性能增加，此材料可广泛用于相关的声音控制领域。 1 3 2 3 高阻尼合金材料研究进展 高阻尼合金材料的阻尼性能远远高于一般的金属材料，并且 相对于一般的阻尼材料，高阻尼合金具有有益的高温性能，用于 制造机械设备或仪器的构件，可以达到从振源和噪声源入手，起 到减振降噪的目的。这种减振降噪方法具有工艺简便，适用范围 广等特点，是一种积极有效的阻尼技术。迄今为止，人们开发了 一镍、镁、铜、锌、铝和铁等为基体的各种阻尼合金，表1 1 列 出了各国生产的阻尼合金的牌号、名称、产地及损耗因子等”。 表1 1 阻尼合金材料 合金元素牌号 名称产地损耗因子 1 4 暗尔滨工程大学硕士学位论文 皇i i 喾葺| 嘲篇稿宣叠喇黼i 宣薯薯薯i 韵蝌离薯高意鼍警常嘲蕊鼻鼍葺i i 硝 c u 。z n 。a l6 7 2 6 7 3 - 6 7 4p r o t e u s比剃时0 1 2 f e ，c r ，m o 6 9 4 g e n t a ! l o y瑟奉0 。1 3 m n c u6 7 6s o n o s t o n菠匿0 。0 4 m n - c u 6 9 3 s o n o s t o n日本0 0 6 l i - n i6 7 8n i t i n o l壤士0 0 6 f e - c s i8 2 7 8 2 8 - 8 2 9g a s t i t o n豫鄹蹲0 0 4 5 大部分离阻尼合盘殴经应用予实际。如用于制造舰艇、鱼雷 秘潜艇螺旋黎翦锰镄蕊阻尼会金秘爝手汽车发旗瓤錾羲、疫蒂轮 鹃锌韬隘游会金等。逐鬻榜辩静隧惩性麓与强度是矛蘑的，高强 度材料的阻尼性能低，黼低强度村料的阻尼能能高，因她如何使 阻尼含金既具有高的难尼性能，义具有良好的力学性能是阻尼合 金设计、秘窕、舞菱鹣一夺重要超戆。 1 3 2 4 嶷裔型阻尼材料研究进麟 复合登麓筵隧霆耪瓣鹣隧霪链戆主要燕建繁合凄萋谘翡鞑弹 性、增强材料与基体间的相互作用贡献的。避年来关乎商强度、 离模量、黼阻尼性能的碳纤维增强( c f r p ) 艇含体系的研究时有 投递。f u 3 i m o t o 等在骈褒c f r p 隈是撼鞍薄辗结穆琵茨溪，鑫单 向碳纤攘、环辘树胎、聚乙烯缀成的“三碉治( s a n d w i c h ) ”结 构”，其内耗值比传缆的c f r p 黼5 5 0 倍，并且其值可以根据 嚣要送赞竣诗。壶客宥辩牲氨憨袒粒玻璃态疆燎夔黎鞠熬靛癸 i p n 层与磷镶冀蕴娥鹣“三餐治( s a n d w i c h ) ”结梅复合孝方辩， 具有很好的阻尼性能。t a w f e i c 掷用有限元分析法设计丁一个粘 弹层热在躜题电衰聚物屡之勰豹复合结构，w 默月来降低阻趸振 动疆”。o s h i m a 等磅窕了在c f r p g f r p 复奢髂系孛交叉镳羼上臻 态记忆聚物，其智能结构大大撩高了材料的阻尼性黥。对于石 鼹聚舍物熬复合材料，石墨铺层方式对聚食物基复台树料阻尼 毽戆鲮影螭较太，9 0 度镶瑟复套稼系瓣隧怒健戆菇予0 痰镶屡， 滁器浜工程大掌疆士掌拉论文 髓不受横向剪切应力的影响”。f i n e g a n 等通道系统分析方法研 究了经过特殊处理后的纤维填充聚合物体系的辙尼性能，发现在 纤维表面涂覆高耗能的涂料可以提高材料的阻尼性能，并通过有 限元分析研究了频率、漱皮、涂层厚度对材料阻煅性能的影响阳“。 焱c f r p 中加入压电隗凝( p b z r o 。一p b t i o 。) ，不仪霹甄挺离材料的 瓣惩毪戆，蓑显逶遗诵繁蓬电陶瓷燕入耋对爨爨糖精迸孬竣诗。 魏井，匿毫陶瓷靛颗敉必寸、分布等都会对笺会材辩的阻尼梭能 产嫩影响。智能压电陶瓷聚合物基复合材料w 用于航行器内舱 的噪音和振动控制中，用燃烧成丝填充和剪切成型填充可以得到 性能非常优越的压电聚合物复合材料，如高的枫电耦合系数、高 的鹰电电压系数等。这类材料可作为智能器、加速器和转换器用 予减轻翻控越噪音与掇麓。 1 4 本课题的研究内饔 本课题研究一种糖趔复合材料，在传统的橡胶工艺基础上， 选择溴化丁基橡胶作为骨架材料即基体材料将压电陶瓷粉和导 电碳黑均匀的分布其中，制成一种复合材料。研究这种复合材料 豹阻恧耗能狡铡；探索遮耱复会奉季辩浆最佳芏慧配方帮王艺裁 餐，势对影响复合誊| 耪蔽髭赣髓懿主要嚣索逡纾逐一聚究。主要 研究内容如下： ( 1 ) 溴化丁基橡胶蕊复合材料的设计与制铸 基料的选择 压电材料的选择 导电材料的选择 复合耪瓣戆翻螯 复合毒| 辩熬硫化 复合材料的极化 ( 2 ) 复合材料性能袭征 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i 日i ；j ；j j i | 一i 目目i i i g ；置目；i ；i i 掌i i i ；高= ；墨；i ；j j 目j i 啊 阻尼性能 电性能 力学性能 1 5 本课题的创颥之处 本研究的创新之处是以演化丁基橡胶为基料研制了一种新 型的复合功能材料，该复合材料在保留传统的摩擦阻尼耗能机理 的同时，增加了机械能一电能一热能阻尼耗能机理，利用压电陶 瓷将机械能转变为电能，再由导电材料将电能转变为热能耗散 掉，从而提高了复合材料的阻尼性能。该复合材料的研制为新材 料的研究开发开辟了条新的途径。 1 6 课题的研究路线图 课曩的提出 理论研究 上 l 复台材料设计 i l tt i 基辩设计 i | 压电材料设计 j j 导电材料设计 j - 士 i 复台材料配方设计l tt l 蔓音材料_ 鲁il 复古材料麓化ll 复古材料撮化 l t i 性能衰征 i i i 阻尼性麓囊怔ll电謦能裹征if 力学性能裹征i l l 蔓台树辩阻尼帆理l 晗尔滨工程丈学骚士学位论文 第2 章蘧电阻尼橡胶的设计 2 1 基料设计 橡胶是一种豢螫的有机高分子j 孝料。与所有的高分子材料 檬，隧羞瀑度豹变纯，橡胶穗会呈现三秘糖理凝态，郓玻璃态、 嵩颦态囊糕滚态+ 穗鬻溢下宅笼子寒懿悉。橡胶在浚寿硫芘之虢 叫作生胶，从分子的无序组织角度来褥，生胶实质上可以嚣作 种粘度很高的液体。它的分子在空间上嫩链状结构，分子链可以 比较自由的运渤城经过塑炼后，生胶糍得柔软而易于流动，可以 很方便地混入备种配合剂，制成关成晶。硫化后才基本上失搬流 动链，在硫纯过糕巾，它的分予链檩曩结合，组成空闻三维嬲络 缝掏，麸秀交戏戮辩性形交灸圭戆耪斟，习蠖上藜秀熬狡。为了 获得其有螽姆激整牲缒戆橡胶剃燕，黛胶翡选择十分耋簧，橡胶 的损耗系数主骚取决于生胶的品种。程邋用橡胶中，t 基橡胶秘 丁腈橡胶的阻飚系数较大；丁苯橡胶、氯丁橡胶、硅橡胶、聚氨 酯橡胶、乙丙橡胶的阻尼系数中等；天然橡胶和顺丁橡胶的阻尼 系数最小p “。具体数值见表2 ，1 。 褒2 1 套种撩羧秘撰裁系数 1 8 嗡尔滨工程大学硕士学位论文 2 + 1 澳化丁基橡胶的性钱 丁基橡胶是由异丁烯以及少爨异戊二烯通过正离予聚合形 成弹性体，辑经硫化制得的一种橡胶。其硫化胶具有低避气性和 舞减震经，瓣熬、寞襞黪纯学螽鸯蠹鲟貔撬瓣缝。漠晓了基橡胶 是对丁基橡胶进行澳化潋性以后，生成的合成胶。丁基橡胶能与 漠在广泛的的温度范膈内很快地进行反应，嫩成溴化丁熬橡胶， 箕纯学续稳袋必： fp - t - c 羁 | i 。e 撼旷r 斗hc 嚣ie 嚣l 。 2 。 ，2 澳他丁基撩黢憋德点 溴丁基橡胶与其他橡胶相比具有以下优点”1 ： 减摄瞧好。溴了綦橡胶在一3 0 + 5 0 的滠度范围内，具有 莛鲟懿减羰憔雏。在玻璃纯滢凌辩仍宥震爨魏。 气逯性小。气逸系数q - - 0 6 1 0 3 。约为必然橡胶的5 ，顺 丁橡胶的3 3 ，丁苯橡胶的1 2 s ，乙丙橡胶的7 8 ，因此， 鼍整瞧羧好。 耐热髋好。树脂硫化的溪下熬橡胶，在17 7 x 1 4 4 小时第 化后，其强伸性下降很少。它的嫩高耐热极限可超过2 0 0 。 耐娱熬磐。长露瓣黎零在空气窝瑟光下，宅熬蛙缝变弛缀 小，特别藏抗臭氧性能要礴：天然橡胶高1 0 多倍。 耐酸、碱和耐极性溶液性强。溴丁基橡胶在酒精、醋酸等 诲多极性溶剡中溶胀缀夺。戆耐中等浓度豹酸酸窥硝酸的窟蚀。 由予演纯丁基橡羧豹生胶损耗系数大，褥虽其寄虢纯速度 1 9 哈尔演工程大学磺士学位论文 快，粘蓉性好，耐磨性和耐热性能高等优点，因此复合材料的基 j | l 选择淡化丁基橡胶。实验中选用美国e x x x o n 公镯生产的溴他 丁基橡胶，牌号b r o m o b u t y l 2 2 4 4 。其质蠢标准觅袭2 。2 。 袭2 2b r o m o b u t y l 2 2 4 4 性能参数指标 2 2 压电陶瓷的选择 2 2 1 魇电材料原理 医激毒季辩燕攒毒季辩在辩力终麓下产垒魄滚，或爱：遘来纛窀流 作用下产生力或膨变的一种功能材料。晶体的压电效应的本质是 因为枫械终鼹弓l 越了鑫体奔质豹檄姥，扶藤导致分壤嚣端袭藤走 出现符号相反翡柬缚电荷，原理如图2 i 所示： 圈2 1 嚣电效废原理圈 当声波或振动能等传递到压电材料时，由于压电效应丽转化 为毫戆，褰毒季辩凑帮产生交滚毫蒸，瑟当耱料内部奄錾太大糖 始于断路) 或电阻太小( 相满于短路) 时，产缴的电能卷消，会樽次 2 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i ；j i i i 赫ii = i i ；| | i j i i i # ；葺；i ；i j i i ； 转化为振动能。反复这种过程，振动衰减会持续一段时间。只有 选择其窍逡警逛导率熬导毫壤糕，在鸯瓷猃熬蠲壅形残定电 路，才可使振动迅速衰减，达到商阻尼的目的轴”。 2 。2 2 压电陶瓷性熊参数 2 2 2 1 机嗽耦合系数 辍毫糕念答数l ( 跫鬣浃压毫枣砉辩熬瓤攘熬舄毫憩之阉瓣翔互 稻舍关系的物理( 或聪电能量密度) 与弹性戆麓密度和介电能量 密度乘积的几何平均慎之比。 鬈：；丝 u 棒u 式中：u 女是弹性与介电相互作用能密度；u _ 是弹性能密度； u 是介电能密度； 由于不阍振动模式鹣蔗电振予，在相同的激威电予场方向作 用下，一般都产生产不同的应交方向，因此我们用k 来表示1 3 方是电场能舄i 方两极城能的联念系数。另外月k ，表示经向双 露振动薄函簿振子静辘奄藕合系数，称为平甏税电耩含慈数；瘸 k 。，表示厚度伸缩振动振子的机电耦合系数，称为厚度机电耦合 系数。 在工程鼓零主，撬电藕会系数瓣定义翔下； ，： 魄能转变为机械能 一 输入的电能 或n 鬻瓣 机电耦台系数，不是莲电材料的机械能与电能之间的能量转 羧效率，霹是表征嚣电秘辩靛规城熊与电我乏阋藕合效应熬强 蹬尔滨工程大学硬士学经埝史 弱。 2 2 2 2 机械品质因数q 掇域熬震因数，也是餐爨篷电耪辩鲍令耋要参数。家淡示 在振动转换辩，搴| 摹隼内酃能量游耗懿程废。筑l 被品质霹数趱大， 在内摩擦作用下分能囊耗越小。 2 2 2 3 介电常数 夯瓷鬻数，爱获耪辩熬穷邀毪震，或投纯褴矮，溺e 来袭零。 压电书孝辩程极亿处理前是备向丽性盼多晶体，洽各方向的介泡常 数相同；经极化后，成为备性异性的多晶体，极化方向的介电常 数与其他方向的介电常数不同。另外，在不同的机械条件下的介 电常数备不相同，鄂自幽夯魄常数。7 秘夹持介电常数s3 基谢不 嚣貔数蕊”f ”3 。 2 3 3 压电陶瓷选择 通常的压电材料有石英、罗息盐、压电陶瓷、压电聚合物等。 建瓷由予其优越豹光、电、热、磁、力学拣缝l 奠及耐高滠、抗腐 镀、嚣辐瓣、高强度、褰模蠢、寒硬度、磷发冷、燕彩强系数夸 等特性，广泛应用于电子、信息、宇航等离技术领域，特别是许 多高技术的关键材料。服电陶瓷是在经过一定的工艺条件淝料、 成型、烧结、机械加工、上电极、用直流魄场进行极化处溅而得 戮麴功能陶瓷赫辩。典黧麴嚣电鸯瓷誊| 辩蠢钛羧壤，钛酸锻，锩 酸，镶镀羧镫( p z t ) 等强”。 表2 3 常见压电材料性能比较 埝尔演工程大学硕士学位论文 葺鼍簟黼鼍尊i 暑一 ir i i i i 产 介电常数 4 61 9 0 02 3 0 02 0 31 2 t c ( )1 3 02 6 04 9 41 5 0 奔魄臻耗 71 91 20 。0 2 t a ns ( i 0 。) d3 t ( 1 0 12 c n ) 7 91 8 53 42 0 d3 3 ( 1 0 ”c n )1 9 06 5 04 73 0 0 m1 0 65 0 08 03 2 6 k p 0 。3 80 。6 2 0 。0 5 20 。0 2 7 x 3 30 ，4 90 。7 3 0 3 s0 i p z t 是只( 厶乃) 织的缩写，其主骤成分，是只n 以和r l 仉。 可以用0 、尻或部分地嚣换只，和用部分地置换矗或兀， 来改变材料的特性。以( 屏。疋) 函系固溶体陶瓷，是正方晶系只元仉 辫瓷器瓣方曩系兄嚣敬瘫瓷瓣露港俸。绣( 嚣，勋岛系羯瓷与铰酸 镁鬈隗瓷糖耽，奔毫辫数低；健奔毫精仑系数藕瓿械赫嚣因数 矾等滕电特性好。农只( 五，n ) b 系陶瓷中，存在铁电棚和反铁电 相。在铁电相区域内，当互或乃的比率为某一特定值时，晶相 发生转变，晶相转交的界限称为相界或棚界点；温度也会引起晶 稳转交，温度弓l 起熬霾稳转交，黎鸯穰转移。在援赛瓣逶，分毫 褴麓和压毫往穗都轰强。圈3 一l 示爨了只五岛含董为5 4 ( m 0 1 ) 时，介电常数和耦合系数随温度的变化。用b ”。、s ”，鬣换p ”- ， 可使p z t 的居里点降低，室温介电常数增大。相界附近的机电耦 含系数增离，压电常数( d ) 增大。大p z t 中添加低价离予m ”。，f ”。， 嚣+ ，会产生氧空像，健余邀豢数窝毫黻搴下簿，辊壤嚣震嚣数窝 矫颓场强增大。 pzt 是目前威用最广泛最成熟的压电陶瓷。与bati o 3 等麒它压电陶瓷相比其特点是机电耦合系数kp 、机械品质因 数qm 、压电常数d3 3 、屠里温度tc 均高，介电损耗t an6 、 遗浚系数糕，瞧戆稳迩，嚣嚣在各令镁域孛襞广泛纛焉t 哈尔滨工程大学硕士学位论文 本实验选用的压电陶瓷材料为淄博百灵功能陶瓷有限公司生 产的锆钛酸铅p z t ，基本参数如下： 表2 4 压电陶瓷p z t 性能参数 压电常数d 。( 1 0 。12 c n ) 相对介电常数 居里温度( ) 密度( 1 0 3 k g m 3 ) 机械品质因数 弹性柔顺常数 6 5 0 2 3 0 0 2 6 0 7 6 8 0 1 3 2 3 碳黑的选择 碳黑在该复合材料中发挥补强、填充和导电三种功能。对于 补强功能来说，要求碳黑的粒子愈细愈好，因为粒子愈细( 即比 表面积愈大) ，结合凝胶的比例愈大，补强效果也愈显著。一般 来说，粒径r 0 1 u m 时，具有显著的补强效果；粒径在0 1 1 5u m 时，略有补强作用；粒径过大时，只能单纯的起到填充 作用。 篓一 图2 2 不同粒径碳黑填充丁基橡胶的阻尼性能 图2 2 为不同粒径的碳黑填充橡胶的动态力学谱图，在所研 降瞳鬻纛橹嚣 哙容滨工程大学醭士学位论文 究的碳黑补强胶料中，n 7 7 0 补强的橡胶tan6 峰最高，n 3 3 0 强的橡胶t8t 26 峰最低，这说明橡胶的阻尼性毙与填料灼粒 径大小栩关，填料的粒径小，眈表面积大，与橡胶分子的接触表 灏大，无力结合点多，在动态应变中，物理结构不断地分解生成， 孥致巍器强失“”。 表2 5 常用碳黑粒径 由予该减振材料中使用的碳黑必须熊够在徽溉上形成适当 电阻的导电通路，以便有效、及时的消耗搏p z t 材料因压电效 应产生静电蔫，傻其转变成燕能，蠢魏选翔敉经较曩、高络褥指 数的碳黑。实验中选用浙江淳安化工厂产品n 5 5 0 。 表2 。6 导电碳爨n 5 5 0 憋戆参数 粒径( n m ) 结构搬数 p 珏值 吸油值 3 8 6 1 7 9 9 3 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 4 影响橡胶复合阻尼材料的主要因素 2 4 1 工艺因素的影响 混炼时间和硫化条件对阻尼橡胶的刚度、动态模量和阻尼值 有影响，应严格控制混炼时间，不宜过长；硫化温度和硫化时间 一般越高或越长越好，但也要考虑到对其他因素的影响1 。 2 4 2 硫化体系的彰晌 硫化体系对阻尼橡胶的刚度、阻尼系数、耐热性、耐疲劳性 均有较大影响。一般在硫化胶的网络结构中，交联键中的硫原子 及游离硫越少，交联越牢固，硫化胶的弹性模量越大，阻尼系数 越小。使用传统硫化体系，并适当提高交联程度，对减震和耐疲 劳性有利。交联剂用量对动态模量和阻尼系数的影响一般为：随 硫黄用量的增加，硫化胶的静剐度上升，阻尼值下降。 表2 7 硫化对橡胶性能的影响 哈尔滨工程大学颈士学位论文 2 4 3 填充体系的影响 壤究帮是涂橡胶之辨影响动态阻蘧特性激为显著豹蠢豢，它 与硫化胶的阻尼系数和模量密切相关。硫化胶农变形的情况下， 橡胶分予运动时，橡胶链段与填料之间或填料岛填料之间的内摩 擦，会使硫佳胶的黻尼增大。该蠼德与填料帮橡胶鲍稷互佟躅及 赛瑟必寸有关。填精豹粒径越小，魄表瑟禚越天燹| j 与橡狡分予静 接触袭丽增加，物璇结合点增多，触变性较大，在动态应变中产 生滞厢损耗而且粒子也间的摩擦也会因表面积增大而增大，因此 表现拱t a ns 较大，动、静态模爨瞧较大。填瓣的活性越大，剥 与橡胶分子豹终震鹣大，巯诧皎静隧藩链窥剐发也隧之增嬲。填 料粒予的形状对橡胶的阻尼特性和模量也有影响。 唾一 图2 3 不同碳黑用量填充的橡胶的融尼性能 由圈2 。3 莓觅，在玻璃健转黛嚣填充璇爨凄爨分数鸯4 e 瓣 橡胶t8n6 最低，褥壤充碳黑矮嚣分数为t 0 时橡胶ta1 1 6 最高，在此温度区域填充高聚物的阻尼效应基本上受体积效臌的 控制；丽在玻璃化转变区以上的濑度区域，填充碳黑少的橡胶t 8ns 骥显低予壤究碳黑多夔橡胶t8n6 ，这表骥，在玻璃耽 转交戮以上的温度蔽域，由于聚念物链段运动避著加蒯，链段同 填料绒填料与填料阍的摩擦时链燧动相对滞后，角增大，使体系 的阻尼增大。上述袭明，填料对阻尼的影响在不同的温度区域里 洽零滨工程大学磺士学植论文 现蹬不闻的特征。添如填料在一定程度上拓宽了隗尾蜂静宽度。 降低丁tan6 对濑度的依赖性，改善了高温下的阻尼性能。 2 。4 4 增塑剂的影晌 禳佟隧尾橡胶酶爝塑剂，除了暴脊降低玻璃能漩度和改善热 工性能的作用外。述要求使阻尼转变区增宽，这军申增宽作用主要 取决予增塑剂的特性及其与橡胶的相互作用。如聚增塑剂在橡胶 审哭露一定限凄豹淤瓣度，或增爨瘸根本不相游耩纯矮规壤濑 会，瑟| l 疆尾转交嚣载会变宽。逶常谯减震橡胶中，麓增鋈裁瑁爨 增加，硫化胶的弹性横量降低，阻腿系数t a n 者增大。在阻尼橡 胶中添加增塑荆，臌然能改善橡胶的低温性能和附疲劳性能，儇 同时墩会使蠕变和威力松弛速度增鸯嚣，影嫡阻尼橡胶的阻尼特性 器襞愆霉靠缝，霾魏壤鋈蓑豹弼蠢零寰过多。 2 4 5 工艺因素的影响 游练封蠲帮硫纯条件对疆是橡胶豹剃凌、动态模量和阻尼德 育影嚷，应严格控稍漉炼对闯，不畿篷长；硫诧滋发秘硫毪霹阕 一般趟高或越长越好。但也要考虑到对其他因索的影响。 2 5 本章小结 本章设计研究了一释薪型压电戳惩橡胶，对篾台材睾串选用不 同的基料、压电材料、导电材料谶行了对比。通过比较，复合材 料的越料选择阻尼堆e 能优越的澳化丁基橡胶；压电材料选择压电 系数较燕魏锗铁黢锻p z t ；导电碳黑选择粒径较，l 、导毫性能好 酶碳爨n 5 5 0 佟梵等娥榜辩。劳对黻意橡胶翡圭簧影赡蠢素进行 了分析。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章压电阻尼复合材料的制备 3 1 实验原材料选择与仪器设备 3 1 1 实验原材料的选择 表3 1 实验原材料选择 3 1 2 实验仪器设备 表3 2 实验原材料选择 设备名称规格型号 开放式炼胶机 平板硫化机 邵氏橡胶硬度计 鼓风干燥机 x k 1 6 0 x l b d 3 5 0 3 5 0 l x - a l o l c 一3 b 哈尔滨工程大学硕士学位论文 j i 置i i i 叠萱萱薯葺置薯i i 置i i i 嗣i 一 电子拉力试验机m t s q t 2 5 分析天平 动态热机械分析仪 程控信号源 功率放大器 数字存贮示波器 脉冲调制器 1 6 通道频率分析仪 激振器 力传感器 功率放大器 加速度传感器 万能材料试验机 扫描电子显微镜 t g 3 2 8 a d m t a i v a d r e t 3 1 0 0 b s a 一6 0 0 a d s 3 1 0 2 b & k 4 4 4 0 h pe 8 4 0 1 a j z a b k 8 2 0 0 t i r a - e 1 2 0 b & k 4 3 8 4 m t ss i n t e c 2 5 g j s m 一6 3 6 0 l v 3 2 压电复合材料制备工艺实验研究 3 2 1 压电复合材料制备工艺 通过备料、计算配方、称量、混炼、静置、压片和硫化等步 骤加工出压电复合材料的试样胶片。 碳黑烘干 本研究所使用的碳黑n 5 5 0 的粒径只有3 8 6 纳米，其比表面 积很大，吸水能力很强，在使用之前一定要进行烘干。这首先是 为了保证称景的准确性；其次，如果碳黑中含有大量的水分，在 混炼时就会在澳化丁基橡胶中引入大量的气泡，并难以排除干 净；在硫化时，会使橡胶中出现大量空洞，即成为所谓的“海绵 胶”。从而影响橡胶的阻尼性能，同时也引入很大阻尼系数测量 哈笨滨工程大学颈圭学位论文 谈麓。实验中，将碳黑澈入鼓风干燥机内，程烘于温度l o o 条 件下烘干4 小时。 复合材料的基本蘸己方计算： 参照橡胶的原材料检验配方，经过试验制定复合材料的详细 熬方为：丁基橡胶l o o 份，硬艚酸l 份，氧化镁o 。2 份，氧纯锌 5 徐，蘸醭1 。5 癸，蕤遴麴d m l 。5 蹬，促送裁t m t d 2 爨，p z t 聪魄陶瓷耱襄导电碳罴淹变量。 混炼 混炼是复合材料制备的关键工序，其基本任务是制造性能符 食要求的混炼胶。它是巍炼胶机上，在一定的漱度和压力下，将 备种壤料及配合荆摭入童胶中，鞋制成混炼胶。濑炼胶料质量的 好臻，对于避一步热工秘蔽燕震量懿好坯，凝瓷决定性戆影响。 溺滚不爵，狡辩会密聪鬣念裁分散零璃匀、狡辩搿鎏度过低或遘 商、焦烧，喷霜等现。 对混炼胶的质羹要求，主要包括两个方颐。是要求胶料能 够保证成品具有良好的物理机械性能；二是婺求胶料具有良好的 置愁性能。为此，混炼正芑