《武汉工程大学学报》 2008年02期
84-87
出版日期：2008-02-28
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
PMN/CB/IIR复合材料的阻尼性能研究
0引言随着工业化水平的提高，机械设备所产生的振动和噪音问题也日益突出.控制结构共振和噪声最常用的有效手段之一就是采用阻尼技术.压电阻尼复合材料，作为智能阻尼材料的一种，它是在利用高分子材料粘弹性减震的基础上，增加了压电和导电部分所损耗的能量，因而具有更好的阻尼减振性能，且其阻尼性能会随着振动响应的变化而自行调整，具有更广泛的适应性［1］.20世纪90年代初，日本的M Sumita［2］等首先提出了高分子复合体系多重能量转换制振的新概念，随后Sumita、Tchmutin、Horid M等分别从力学性能和电性能方面对压电阻尼材料进行了相应的研究［27］.国内也有少量关于压电阻尼材料相关研究的报道，但对压电阻尼材料阻尼性能的研究尚不够系统和深入［811］.本文以压电陶瓷（PMN）和碳黑（CB）为功能相，丁基橡胶（IIR）为聚合物基体，采用混炼模压极化工艺制备出了一种综合性能优良的聚合物基压电阻尼复合材料，并对其动态力学性能进行了分析和表征，研究了压电陶瓷与碳黑含量、外力大小及作用频率等因素对复合材料阻尼性能的影响.1实验部分1.1原材料丁基橡胶（IIR），美国EXXON公司；压电陶瓷（PbTiO3PbZrO3Pb（Mg1/3Nb2/3）O3）（PMN），淄博宇海电子陶瓷有限公司，粒径为0.5~20 μm；硫化剂PF（酚醛树脂），枣阳化工厂；乙炔碳黑（CB），福建万荣碳黑有限公司.其它原料均为橡胶工业常用助剂.1.2试样制备a. 将碳黑粉末、PMN粉末烘干备用.b. 常温下，将部分助剂、碳黑、压电陶瓷与IIR在开炼机上混炼， 辊间距为1 mm，薄通次数为8.c. 在硫化机上硫化，硫化工艺条件为170℃，30 min，20 MPa.d. 将得到的复合材料裁成一定形状的试样，表面清洁涂上电极，于80℃硅油中极化10~30 min，极化电场为5~10 kV/mm.1.3性能测试与表征材料的阻尼性能通常用阻尼系数tanδ和tanδ>0.3的温度范围来评价，tanδ值越大，tanδ>0.3的温度范围越大，材料的阻尼效果越好［12］.本文采用美国PerkinElmer公司的DMA 7/7e测试，采用拉伸模式.试样尺寸为1 mm×8 mm×50 mm.测试条件如下：升温速率5℃/min；频率：1~100 Hz；温度：-130℃～250℃.2结果与讨论2.1压电陶瓷含量对阻尼性能的影响在复合材料中，压电陶瓷相为功能体，其含量是直接影响复合材料阻尼性能的重要因数［7］.图1和表1分别给出了未加碳黑时，不同体积分数压电陶瓷对复合材料阻尼系数温度曲线的影响及相应的阻尼参数.从图1中看出，随着压电陶瓷用量的增加，复合材料的阻尼值呈现先升后降的趋势，当PMN体积分数为50%时，其阻尼系数最大值tanδmax达到最大，为0.92.这是因为，压电阻尼复合材料的综合阻尼能力是聚合物粘弹性阻尼、聚合物与填料或填料之间的摩擦阻尼、以及压电陶瓷的压电阻尼三者共同作用的结果.当PMN含量不高时，由于PMN颗粒间的摩擦损耗以及颗粒与聚合物之间摩擦损耗的能量对复合体系的贡献增加，复合材料的阻尼性能提高.同时，随着PMN含量的增加，PMN所提供的压电阻尼效应也使得复合材料的阻尼性能得以进一步提升.在压电陶瓷含量开始增加时，压电阻尼及摩擦阻尼的迅速上升起主要作用，因而其综合阻尼值上升，并在压电陶瓷的体积分数为50%附近达到最佳阻尼效果.继续增加压电陶瓷的含量，聚合物基体所占体积比率减小，致使聚合物分子链松弛受阻，粘弹阻尼大幅下降，聚合物与填料或填料相互之间的摩擦阻尼、以及压电陶瓷的压电阻尼对体系阻尼的贡献不足以弥补橡胶分子粘弹阻尼的下降，从而导致复合材料阻尼系数的减小.此外，在聚合物基体中加入过多的压电陶瓷将导致材料力学性能的下降，无法作为结构材料使用，加工性能也会变差.因此，压电陶瓷添加量以50%左右的体积分数为宜.图1压电陶瓷体积分数对复合材料的阻尼系数温度曲线的影响
Fig.1Effect of the volume fraction of PMN on the damping coefficienttemperature curve of composites第2期梅启林，等：PMN/ CB/ IIR复合材料的阻尼性能研究
武汉工程大学学报第30卷
从图1还可看出，随着压电陶瓷含量的增加，复合材料的玻璃化温度Tg向高温方向漂移，并且tanδ>0.3的温度范围变宽.这是由于压电陶瓷的加入，使IIR分子链的运动受到一定的阻碍，在较高温度下才能发生玻璃态向高弹态的转变，而压电阻尼作用受温度变化的影响较小，压电阻尼对体系阻尼的贡献弥补了聚合物在低温时阻尼贡献较小的特点，从而在一定程度上拓宽了复合材料的有效阻尼温度范围.表1不同PMN含量时复合材料的阻尼性能
Table 1Damping properties of composites with different content of PMN
PMN
体积分数玻璃化转变
温度Tg/℃最大损耗
因子tanδmaxtanδ>0.3的
起止温度区间tanδ>0.3的
温度范围30%-33.10.84-118℃~49℃16740%-27.60.88-120℃~64℃18450%-27.10.92-111℃~78℃18960%-25.60.85-116℃~80℃1962.2碳黑含量对阻尼性能的影响碳黑作为复合体系中主要的一种导电介质，其用量关系到电能在材料中的传导及耗散，是影响材料阻尼减振性能的重要因素［8］.从图2中可以看出，在PMN体积分数均为50%的复合体系中，当碳黑质量分数为5%时，复合体系阻尼因子tanδ峰值达到最高，继续增加碳黑用量，复合体系阻尼因子tanδ则下降，当碳黑用量超过5%后，复合材料则不能极化.图2碳黑质量分数对复合材料阻尼系数温度曲线的影响
Fig.2Effect of the weight fraction of carbon on the damping coefficienttemperature curves of composites这是因为导电碳黑在橡胶基体中的浓度较低时，体系内的碳黑粒子孤立分散，不能形成有效的导电通路.在振动条件下，由压电陶瓷将机械能转化成的电能不能在聚合物基体中顺利传导，甚至可能被压电陶瓷重新转变为机械能，减小了阻尼效果.当导电碳黑含量进一步增加时，粒子间相互接触的机会增加，逐渐形成贯穿于整个聚合物中的导电网络，使转化的电能可以在压电陶瓷颗粒周围的局部范围内顺利传导并产生焦耳热；同时由于复合材料的整体电阻较大，电能不能直接传导到材料表面逃逸掉，这就使压电效应产生的电能绝大部分转变成热能耗散掉，从而提高了复合材料的阻尼性能.随着碳黑含量的进一步增加，复合材料的导电性增强，转化的电能被迅速传导到材料表面，电能不再转化为热能，导致材料阻尼性能下降.而且碳黑含量过大将导致复合材料极化困难，甚至完全不能极化.2.3外力大小对阻尼性能的影响图3和表2分别给出了经过极化的复合材料在不同交变应力下的阻尼系数温度曲线和相应的阻尼参数.从图3中可看出，随着交变应力从500 mN增加到4 000 mN，复合材料的阻尼峰显著升高，tanδmax从0.46增加到0.59，并且阻尼温域变宽.这是因为，在外加交变应力作用下，随着应力的增加，复合材料中许多微小的压电陶瓷颗粒会产生更多的感应电荷，更多的能量可以通过导电网络消耗掉.此外，应力增加会使压电陶瓷颗粒产生更高的感应电压，从而介电损耗增大，损耗掉的机械能就越多.
图3PMN/CB/IIR复合材料在不同交变应力下的DMA曲线
Fig.3DMA curves of PMN/CB/IIR composites under alternating stress表2不同外力作用下PMN/CB/IIR复合材料的阻尼性能
Table 2Damping properties of PMN/CB/IIR composites under different force
外力
/mN玻璃化转变
温度Tg/℃最大损耗
因子tanδmaxtanδ>0.3的
起止温度区间tanδ>0.3的
温度范围500-26.80.46-78℃~56℃1341 000 -29.10.52-86℃~67℃1532 000 -28.60.55-91℃~60℃1514 000-29.20.59-92℃~74℃1662.4外力作用频率对阻尼性能的影响外力作用频率对高聚物的分子运动会产生很大影响［13］.对复合材料而言，频率不仅会影响分子链的运动，而且会影响复合材料中压电陶瓷颗粒的受力状况.从图4可以看出，在50℃~300℃温度范围内，复合材料在50 Hz时阻尼效果最好，tanδmax为0.98，tanδ>0.3的温度范围最宽.设外力作用频率为f，橡胶分子运动单元松弛时间为τ.当f＞1/τ时，链段来不及随交变的外力而发生运动，压电陶瓷颗粒得不到力的作用，无法产生电荷，即不能产生机械能/电能转换，故此时损耗模量E″和损耗因子tanδ很小；当f＜1/τ时，运动单元完全跟得上外力的变化，压电陶瓷颗粒虽然可以受力产生电荷，但是产生一次电荷的周期太长，机械能/电能转换的效率不高，故E″和tanδ也很小.只有当f接近或等于1/τ时，即f≈1/τ时，运动单元能跟上、但又不能完全跟得上外力的变化，压电陶瓷颗粒的机械能/电能转换效率最高，故E″和tanδ均出现峰值.此时，f=50 Hz，τ≈0.02 s.图4频率对PMN/CB/IIR复合材料阻尼系数温度曲线的影响
Fig.4Effect of frequency on the damping coefficienttemperature curves of PMN/CB/IIR composites 3结语a. 随着压电陶瓷PMN用量的增加，PMN/ CB/ IIR复合材料的阻尼峰先升高随后降低，阻尼系数最大值tanδmax在PMN体积分数为50%时达到最大.随着压电陶瓷PMN用量的增加，PMN/IIR复合材料的阻尼峰呈现先升高后降低的趋势.当压电陶瓷体积分数为50%、碳黑质量分数为5%时复合材料的阻尼因子tanδ峰值达到最高，为0.93，tanδ>0.3的温域最宽.b. 随着外力增加，PMN/ CB/ IIR复合材料的阻尼性能增强.c. 频率对复合材料的阻尼性能影响很大.只有当频率f接近或等于橡胶分子运动单元松弛时间的倒数1/τ时，复合材料中聚合物分子将弹性能部分转变为热能的能力最大，压电陶瓷颗粒的机械能/电能转换效率最高，故E″和tanδ均出现峰值