（材料学专业论文）压电相导电相环氧树脂阻尼复合材料的制备及性能研究.pdf

摘要 阻尼材料广泛应用于航空航天、建筑、机械、交通等领域，在阻尼材料的发 展和研究中，压电阻尼材料因其新的能量损耗机制以及可能实现部分或完全的主 动阻尼控制而受到越来越多的关注。本文以性能优良的热固性双酚a 型环氧树 脂为基体、铌镁锆钛酸铅( p m n ) 为压电相、导电炭黑( c b ) 和纳米碳纤维( c n f s ) 为导电相，采用树脂浇注成型方法制备了o 3 型压电相导电相环氧树脂复合材 料；主要研究了复合材料的结构、力学性能、介电性能及阻尼性能，探讨了压电 阻尼复合材料的耗能机理，为智能型压电阻尼复合材料的应用和开发提供了重要 的理论依据。 本论文工作得到了以下的重要结论： 陶瓷相、导电相对复合材料的结构和力学性能都有较大的影响。p m n 含量小 于2 0 时，陶瓷颗粒和导电相均匀地分散在环氧树脂基体中，树脂对功能体浸润 良好，复合材料的弯曲强度增大，p m n 大于3 0 后弯曲强度降低；随c b 含量增 大，p c b e p 复合材料的弯曲强度先略有增大后降低，随c n f s 含量增大， p m n c n f s e p 复合材料的弯曲强度降低到最低值后又因c n f s 的增强作用而升高。 另外，复合材料具有较高的模量( 2 6 g p a ) ，可以作为结构阻尼材料或与结构材 料一起使用。 陶瓷相对p m n e p 复合材料的介电性能有较大的影响。随陶瓷含量的增大， p m n e p 的占非线性增大，p m n 体积分数从0 增加到5 0 时，复合材料的从4 7 增加到2 9 8 7 ；p m n e p 的介电损耗增大。随频率的增大，复合材料的下降趋势， 当频率大于1 0 j h z 后s 降缓慢并趋于稳定。压电陶瓷的粒径大小对g 有较大的影 响，粒径越大占高，而且频率增大而下降的趋势越大。随着温度升高，有增 大，在测试温度范围内，介温曲线比较平缓。p m n e p 复合材料的介电性能具有 良好的温度和频率稳定性。 导电相对压电陶瓷导电相环氧树脂复合材料的导电性能和介电性能有较大 的影响。随导电相含量的增大，复合材料的电阻率降低，当c b 含量为树脂质量 的6 、c n f s 含量为树脂质量的0 6 时，p m n c b e p 、p m n c n f s e p 复合材料由绝 缘体向半导体转变，此时的体积电阻率约为l q m 数量级。随导电相含量增大， p m n c b e p 、p m n c n f s e p 复合材料的介电常数、介电损耗t a n d 增大，并在含 量达到逾渗阈值时，、t a n 3 迅速增大。 压电陶瓷对p m n e p 复合材料的阻尼性能也有较大的影响，当陶瓷粒径为7 3 5l am 、体积分数为2 0 时，复合材料的艮，、勿和厂达到最大值，阻尼性能最 好。p m n e p 复合材料的阻尼耗能由三部分贡献：环氧树脂的粘弹性阻尼、界面 摩擦耗能和介电损耗耗能。 引入导电相后，压电相导电相环氧树脂复合材料的阻尼损耗因子增大，压 电阻尼作用机制发挥最大作用的条件是复合材料的电阻率处于绝缘体一半导体的 逾渗转变区，此时电阻率约在1 0 8 q m 数量级，导电相能够形成完整的导电通道 并有效地将电荷转化为热能而耗散。压电相导电相环氧树脂复合材料的阻尼能 力随动态载荷大小和频率的增大而增大，表现出一定的自适应阻尼控制性。在压 电陶瓷导电相环氧树脂复合体系中，复合材料的阻尼由压电阻尼、介电损耗、 环氧树脂的粘弹性阻尼、界面摩擦耗能协同起作用。 关键词：阻尼材料；环氧树脂；压电陶瓷；介电性能；阻尼性能 n a b s tr a c t d a m p i n gm a t e r i a l sh a v e b e e nw i d l yu s e di na e r o s p a c es h u t t l e s ，b u i l d i n g s ， m a c h i n e sa n dc o m m u n i c a t i o nf i e l d s i nr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fd a m p i n g m a t e r i a lf i e l d s ，t h ep i e z o - d a m p i n gm a t e r i a l sh a v er e c e i v e dm u c ha t t e n t i o nf o rt h e n o v e le n e r g yl o s sm e c h a n i s m i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ed i g l y c i d y le t h e ro fb i s p h e n 0 1 a ( d g e b a ) e p o x yr e s i n ( e p ) w a sc h o s e na st h er e s i nm a t r i xi nc o m p o s i t e sp r e p a r a t i o n f o ri t sg o o dd a m p i n gp r o p e r t y , l e a dm a g n e s i u mn i o b a t e 1 e a dz i r c o n a t e 1 e a dt i t a n a t e ( p m n ) w a su s e da sp i e z o e l e c t r i cm a t e r i a l ，a n dc o n d u c t i v ec a r b o nb l a c k ( c b ) a n d c a r b o nn a n of i b e r s ( c n f s ) w e r et a k e na sc o n d u c t i v em a t e r i a l s t h e0 3p m n c b e p a n dp m n c n f s e pc o m p o s i t e sw e r ep r e p a r e db yr e s i nc a s t i n gm o u l d i n gm e t h o d t h e m i c r o s t r u c t u r e s ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，d i e l e c t r i cp r o p e r t i e sa n dd a m p i n gp r o p e r t i e s o ft h ec o m p o s i t e sw e r ei n v e s t i g a t e da n dt h ee n e r g yl o s sm e c h a n i s mo ft h e0 - 3 c o m p o s i t e sw a sr e v e a l e di n t h i sd i s s e r t a t i o n t h ec o n c l u s i o n so ft h ew o r km a y p r o v i d ei m p o r t a n tt h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h es t u d ya n da p p l i c a t i o no fi n t e l l i g e n t p i e z o - d a m p i n gm a t e r i a l s t h ef o l l o w i n gi m p o r t a n tc o n c l u s i o n sw e r er e c e i v e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h ep i e z o e l e c t r i cc e r a m i ca n dc o n d u c t i v em a t e r i a l st a k eg r e a te f f e c t so ns t r u c t u r e a n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o ft h e0 - 3 p i e z o e l e c t r i cc e r a m i c c o n d u c t i v e m a t e r i a l s e p o x yr e s i nc o m p o s i t e s w h e nt h ec e r a m i cv o l u m ef r a c t i o ni sl e s st h a n2 0 ， t h ep i e z o e l e c t r i cc e r a m i cp a t i c l e sa n dc o n d u c t i v ep o w d e r ss c a t t e rw e l li nt h ee p o x y r e s i nm a t r i x ，a n dt h ef l e x u r a ls t r e n g t ho ft h ec o m p o s i t e si n c r e a s ew i t ht h ec e r a m i c f r a c t i o ni n c r e a s i n g w h e nt h ec e r a m i cv o l u m ef r a c t i o ni sm o r et h a n3 0 ，t h ef l e x u r a l s t r e n g t h o ft h ec o m p o s i t e sd e c r e a s e sw i t ht h ec e r a m i cf r a c t i o n i n c r e a s i n g t h e f l e x u r a ls t r e n g t ho fp m n c b e pc o m p o s i t er i s e sal i t t l ew i t hc bc o n t e n ti n c r e a s i n g t h e nd e c r e a s e sw i t hc bc o n t e n ti n c r e a s e t h ef l e x u r a ls t r e n g t ho fp m n c n f s e p c o m p o s i t es t e p sd o w nt oam a x i m u mv a l u et h e nr i s eg r a d u a l l yf o rt h er e i n f o r c e m e n t o fc n f sw i t ht h ei n c r e a s eo fc n f sc o n t e n t s i na d d i t i o n ，t h e0 3p m n c b e pa n d p m n c n f s e pc o m p o s i t e sh a v eh i g hm o d u l u s ，a b o u t2 - - - 6 g p a ，s ot h ec o m p o s i t e s c a na c ta ss t r u c t u r a ld a m p i n gm a t e r i a l so rb eu s e d t o g e t h e rw i t hs t r u c t u r a lm a t e r i a l s p i e z o e l e t r i cc e r a m i cg r e a t l ya f f e c t st h ed i e l e c t r i cp r o p e r t yo fp m n e pc o m p o s i t e w i t ht h ei n c r e a s eo fp m nv o l u m ef r a c t i o n ，t h ed i e l e c t r i cc o n s t a n t o fp m n e p c o m p o s i t ei n c r e a s e sn o n l i n e a r l ya n dt h ed i e l e c t r i ci o s st a n 6d e c r e a s e s w h e nt h ep m n 1 1 1 v o l u m ef r a c t i o nj n c r e a s e sf r o mu t o5 0 ，fi n c r e a s e sf o r m4 7t o2 9 8 7 d i e l e c t r i c c o n s t a n ted e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo ff r e q u e n c y ，a n dt h eh i g h e rp m nf r a c t i o nt h e m o r ed e c r e a s eo fd i e l e c t r i cc o n s t a n t t h ep a n i c l es i z eo fp m nc e r a m i ca l s og r e a t l y a f f e c t st h ed i e l e c t r i cc o n s t a n to fp m n e pc o m p o s i t e s d i e l e c t r i cc o n s t a n to fp m n e p c o m p o s i t ep r e p a r e dw i t hl a r g ep a r t i c l e si sh i g h e rt h a nt h a tw i t hs m a l lp a r t i c l e s w i t h t h ei n c r e a s eo ft e m p e r a t u r e ，t h ed i e l e c t r i cc o n s t a n ts h o w sal i t t l ei n c r e a s e a n de - t c u r v ei sr a t h e rf l a ti nt h et e s t i n gt e m p e r a t u r er a n g e2 0 - - 15 0 c o n d u c t i v ep a r t i c l e sg r e a t l ya f f e c tt h ee l e c t r i c p r o p e r t yo fc o m p o s i t e s w i t ht h e i n c r e a s eo f c o n d u c t i v ep a r t i c l e s ，t h ee l e c t r i cr e s i s t a n c eo f c o m p o s i t e sf e l l sr a p i d l y t h e p m n c b e pa n dp m n c n f s e pc o m p o s i t e ss h o wa ni n s u l a t o rt os e m i c o n d u c t o r t r a n s i t i o nr e s p e c t i v e l yw h e nt h ec bc o n t e n ti s6 o f e p o x yr e s i na n dc n f sc o n t e n ti s 0 6 o fe p o x yr e s i na n dt h ee l e c t r i cc r i s i s t i v i t yi sa b o u tl o sq m t h ec o n d u c t i v e p a r t i c l e sc o n t e n to fi n s u l a t o r - s e m i c o n d u c t o rt r a n s i t i o ni sc a l l e dp e r c o l a t i o nt h r e s h o l d w i t ht h ei n c r e a s eo fc o n d u c t i v ep a n i c l e s ，t h ed i e l e c t r i cc o n s t a n t a n dd i e l e c t r i cl o s s t a n 6i n c r e a s e ，a n dt a n 6i n c r e a s er a p i d l ya tt h ep e r c o l a t i o nt h r e s h o l dc o n t e n t a tt h e f r e q u e n c yr a n g el k h z - - 1 m h z ，fa n dt a n 6w i t hf r e q u e n c yi n c r e a s e ，e s p e c i a l l y 占a n d t a n 6d e c r e a s er a p i d l yw h e nt h ef r e q u e n c yi sl o w e rt h a n1 矿h z p i e z o e l e t r i cc e r a m i cc o n t e n ta f f e c t st h ed a m p i n gp r o p e r t yo fp m n e pc o m p o s i t e w h e np m np a r t i c a ls i z ei s 7 3 靴ma n dv o l u m ef r a c t i o n i s2 0 ，p m n e p c o m p o s i t e ss h o wt h eb e s td a m p i n gp r o p e r t yw i t ht h ed a m p i n gl o s sf a c t o rp e a kv a l u e ( p m a x ) ，t h ei n t e g r a la r e ab e t w e e nl o s sf a c t o rc u r v ea n dt e m p e r a t u r ea x i s ( 别) a n dt h e d a m p i n gt e m p e r a t u r er a n g e ( a 乃a l lr e a c h i n gt om a x i m u m i np m n e pc o m p o s i t e s ， t h ed a m p i n gm e c h a n i s mc o n s i s t so f3p a n s ：v i s o e l a s t i c d a m p i n go fe p o x yr e s i n ， i n t e r f a c ef r i c t i o nl o s sa n dd i e l e c t r i cl o s s t h ed a m p i n gl o s sf a c t o ri n c r e a s ew h e nt h ep m n e pc o m p o s i t e sw e r em o d i f i e db y c o n d u c t i v e p a r t i c l e s b e c a u s eo ft h ep i e z o - d a m p i n gc o n t r i b u t i o n ，t h ep m n c b e p a n dp m n c n f s e pc o m p o s i t e ss h o wt h eb e s t d a m p i n gp r o p e r t i e s w h e nt h e c o n d u c t i v ep a r t i c l e sc o n t e n ti so fp e r c o l a t i o nt h r e s h o l d d y n a m i cl o a da n df r e q u e n c y t a k es o m ee f f e c t so nc o m p o s i t e sa n dt h ep i e z o c o m p o s i t e sm a yr e a l i z es o m ea c t i v e d a m p i n gc o n t r 0 1 t h eo p t i m u mc o n d i t i o no fp i e z o d a m p i n gi s t h a tt h ee l e c t r i c r e s i s t a n c eo fc o m p s i t e sl i e si ni n s u l a t o r - s e m i c o n d u c t o rt r a n s i t i o n ，a n dt h ee l e c t r i c r i s i s t i v i t yi sa b o u t10 5q 。m a tt h ep e r c o l a t i o nt h r e s h o l dt h ec o n d u c t i v ep a r t i c l e sc a n f o r mg o o dc o n d u c t i v en e ta n dt r a n s f o r mt h ee l e c t r i c c h a r g et ot h e r m a le n e r g y e f f i c i e n t l y i np i e z o e l e c t r i cc e r a m i c c o n d u c t i v ep a r t i c l e s e p o x yr e s i nc o m p o s i t e s ，t h e i v p i e z o - d a m p i n g ，d i e l e c t r i cl o s s ，v i s c o e l a s t i cd a m p i n ga n di n t e r f a c ef r i c t i o ne n e r g yl o s s c o n t r i b u t et h ed a m p i n gp r o p e r t i e ss y n e r g e t i c a l l y k e yw o r d s ：d a m p i n gm a t e r i a l ，e p o x yr e s i n ，p i e z o e l e c t r i cc e r a m i c ，d i e l e c t r i c p r o p e r t y , d a m p i n gp r o p e r t y v 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进 了的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他入 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 了一分斗| 擘 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位沦支的规定，即学校有权保 留、送交沦文的复印件，允许论文被查阅和借剜：学校可以公伽论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：圣地导 j | f j 签名：乏物童if 别：嫂：尘 武汉理工大学博士学位论文 第1 章压电陶瓷聚合物阻尼复合材料概论 1 1 阻尼材料和阻尼技术 阻尼是指系统损耗能量的能力，从减振的角度看，就是将机械振动的能量转 变成热能或其它可以损耗的能量，从而达到减振的目的。阻尼技术就是以阻尼耗 能原理为基础，充分运用阻尼耗能的一般规律，从材料、工艺、设计等各项技术 问题上发挥阻尼在减振方面的潜力，以提高机械结构的抗振性、降低机械产品的 振动、增强机械与机械系统的动态稳定性。 阻删 工程结构系统 或 机械结构系统 图1 1 阻尼材料和阻尼结构原理示意图 f i g 1 - 1s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no fe n e r g yl o s si nd a m p i n gm a t e r i a l sa n ds t r u c t u r e s 1 1 1 阻尼材料及高聚物阻尼机理 阻尼材料是一种能吸收振动机械能并将之转化为热能而耗散的新型功能材 料，它利用阻尼材料在变形时把动能变成为热能的原理降低结构的共振振幅，增 加疲劳寿命和降低结构噪声。各类阻尼材料已广泛应用于许多领域，包括导弹、 卫星、飞机、舰船、汽车工业中等，而且随着现代工业的不断发展，对阻尼材料 的需求也曰益增加，阻尼材料的研究和应用愈显重要。 从表1 - 1 可以看出，粘弹性材料具有最好的阻尼性能。粘弹性阻尼材料是目 前应用最为广泛的一种阻尼材料，可以在相当大的范围内调整材料的成分及结 构，从而满足特定温度及频率下使用的要求。粘弹性阻尼材料主要是橡胶类和塑 料类的高分子聚合物材料，高聚物阻尼材料早期主要用于军事、航天等领域，随 着人们对环保的同益重视，开始大量用于民用，发展极为迅速。 武汉理： 人学博十学位论文 表1 - 1 常用材料的损耗因子 t h b l e1 - 1l o s sf a c t o ro fc o m m o nm a t e r i a l s 材料损耗因子 材料 损耗因子 钢、铁 1 1 0 q - - - 6 1 0 叫 木纤维板 lx1 0 3 1 0 。2 有色金属l 1 0 一2 1 0 。 混凝土 1 5 1 0 5 1 0 。2 玻璃0 6 1 0 q - - - 2 1 0 q砂( 干砂)1 2 1 0 q - - 6 1 0 1 塑料 5 1 0 l 1 0 。2 粘弹性材料 2 1 0 5 有机玻璃 2 1 0 4x1 0 叫 戚elastomerviscoelast寻icm a t e r i 兮心，| | 、 ， 图卜2 材料在周期性应力作用下的应力一应变曲线 f i g 1 - 2s t r e s s s t r a i nc u r v e si np e r i o d i c a ls t r e s sl o a d i n g 材料在经受动态应力时的应力应变曲线如图1 2 所示。对于完全弹性材料， 外力对体系做的功以位能形式储存起来，去掉外力后形变立阻| 恢复，没有能量的 损耗；对于纯粘性物质来说，例如牛顿流体，外力只能使它流动而不能使它产生 形变，外力所做的功则完全以热能的形式消耗掉了，是一利- 不可逆过程；高分子 材料的力学行为在这两者之间，外力对高聚物所做的功一部分以位z j q 匕g ，1 1 侈- 2 式储存起 来，另部分转化为热量消耗掉了，这种特性称为粘弹性行为。高聚物材料在经 受动念应力和应变时，能黾的转换和耗散就表现为机械阻尼，具有减振和降噪的 作用。如假设应力和应变按正弦规律变化，而且应变滞后于应力的相位角为d ， 则材料的复杨氏模量和损卡e 冈f j 表示为： e 宰= e + i e ” , 6 = t a n6 = 詈 武汉理t 大学博士学位论文 其中：e 一复模量( 复杨氏模量) ；e 一复模量的实部，储能模量；矿一复模量的 虚部，耗能模量；f l ( t a n 6 ) 一阻尼材料损耗因子。 高聚物一般在玻璃化转变区表现出最好的阻尼性能1 1 j ，图1 3 是高聚物阻尼 材料性能随温度变化的典型曲线。根据性能的显著不同，可划分为三个温度区： 温度较低时的玻璃态，高分子链段自由运动被冻结，分子间链段的滑移极少，外 力作用于高分子材料上，只引起键长和键角的改变，这种形变很小、很快，足以 跟得上应力的变化，所以此时模量很高，损耗因子较小；温度较高时的橡胶态， 链段运动自由，链段间的滑动能够恢复，内耗能力减小，此时模量较低且损耗因 子也不高；在转变区，分子链刚开始运动，而体系粘度很大，链段运动受到很大 的摩擦阻力，链段不可逆滑动增大，形变滞后于应力的变化，材料模量急剧下降， 内耗很大。损耗因子最大处称为阻尼峰值，阻尼峰值对应的温度称为玻璃化转变 温度。 t g t e 川) e 随州 图1 - 3 高聚物材料的玻璃化转变 f i g 1 - 3g l a s st r a n s i t i o no fp o l y m e rm a t e r i a l s 高聚物是典型的粘弹性材料，应力同时依赖于应变和应变速率，其阻尼和力 学行为强烈地依赖于温度和外力作用时间( 频率) 。随着温度的变化，高聚物可 以从刚硬的玻璃态变化到柔软的橡胶态和流动的粘流态。只有在玻璃化温度附近 温度区域，在适中的频率下其损耗能量的能力才达到最大。 高聚物分子链是由大小不同的运动单元构成的，每种运动单元发生运动时所 需的热量( 温度) 和松弛时间是不同的。在玻璃化温度以下，链段运动被冻结， 只能发生键长的伸缩、键角的弯曲、链节( 几个主链原子组成) 的曲柄运动等小 尺寸运动单元的运动，高聚物表现为刚硬的玻璃态，弹性模量高( 1 1 0 g p a ) ， 3 武汉理r 大学博+ 学位论文 形变小，几乎和应力同步进行，卢很小；随着温度的升高，由玻璃区向橡胶平台 区过渡时，大一些的运动单元链段( 数十个主链原子组成) 获得足够的能量开 始运动，但此时体系粘度大，链段运动时需要克服链段之间的摩擦力，卢较大； 在高弹态( i - - i o m p a ) ，链段运动的自由度加大，链段之间的相互作用很小，运 动过程中的阻力减小，也小。只有在玻璃化转变附近，由于链段能随外力运动， 但运动不自由，出现内耗极大值，即内耗峰。 同样，时间( 频率) 对高聚物的分子运动也产生很大的影响。当外力作用频 率，比运动单元松弛时问的倒数高很多时，即f = l t 时，链段来不及随交变外力 而发生运动，e - 基本上与，无关，伴随分子运动产生的能量损失也很小，e ”和卢 很小，接近于零；当f - 1 t 时，运动单元完全跟得上外力的变化，e 基本上与f ： 无关，伴随分子运动产生的能量损失也很小，e ”和很小，接近于零。只有当厂 接近或等于l t 时，即f l t 时，运动单元能跟上、但又不能完全跟得上外力的 变化，f 变化很大，分子将弹性能部分转变为热能的能力最大，和均出现 极大值，称为内耗峰。 研究发现，温度和时间( 频率) 对粘弹性行为的影响具有等效性。同一个粘 弹性现象( 应力松弛、蠕变、动态力学性能) ，既可在较低的温度、较长的时间 ( 低频) 下观察到，又可在较高的温度、较短的时问( 高频) 下观察到，即改变 时间尺度与改变温度尺度是等效的。高温与低频对材料性能的影响是等效的，低 温与高频对材料性能的影响也是等效的，这就是时温等效原理。 l g e l g e 7 b 图卜4 、与p 随温度( a ) 和频率( b ) 的变化 f i g 1 - 4e f f e c t so ft e m p e r a t u r e ( a ) a n df r e q u e n c y ( b ) o nd y n a m i c m e c h a n i cp r o p e r t i e so fp o l y m e r s 从动态力学测试也能显示出温度和频率对粘弹性的等效性。动态力学测试是 对阻尼材料的阻尼性能进行表征的一种有效手段。它是在萨弦应力作用下，粘弹 4 武汉理工大学博士学位论文 性材料的动态力学参数，、和阻尼系数随温度或频率的变化曲线。图 1 - 4 ( a ) 图又叫动态力学温度谱，是在频率恒定的条件下，、和卢随温 度的变化曲线；( b ) 图又叫动态力学频率谱，是在温度恒定的条件下，、 和卢随频率的变化曲线。 时温等效原理对于研究高聚物的粘弹性行为具有重要意义。对于非晶态高聚 、物在不同温度下获得的动态力学数据，均可利用时温等效原理通过时间轴平移叠 合在一起。例如，由于每种动态力学测试所适用的频率段是有限的，要获得室温 附近极高频率或极低频率下的阻尼数据，实际上是做不到的。而利用室温等效原 理就可以解决这个难题。在几个固定的频率下，测定动态力学参数随温度的变化 曲线，得到一组温度谱，通过水平位移和垂直位移，可以得到室温下从极低频率 到极高频率的频率谱，位移因子可从w l f 方程得到。 i g 口r 。- 1 7 4 4 ( t - t g ) 。 5 1 6 + ( r r g ) 1 1 2 阻尼材料的性能评价方法 对阻尼材料振动阻尼性能的研究目前用到的主要有以下三种方法：一是动态 力学热分析法，使用粘弹谱仪d m a ( d y n a m i cm e c h a n i c a la n a l y s e r ) 获取材料 的储能模量、损耗模量，进而计算出材料的损耗因子( 卢) ；二是悬臂粱法【2 3 】； 三是振动时间衰减法。 在这三种方法中最常用的是动念力学热分析法。动态力学热分析是一种发 展很快应用极广的热分析技术，按照ic ，i a c 定义：d m a 是在程序控温下，测量物 质在振动负荷下的动态模量和力学损耗与温度关系的技术。d m a 能直接给出阻尼 材料的、矿、卢与温度的关系曲线，对聚合物的玻璃化温度、交联、相分离 及分子聚集态结构很敏感，是研究高聚物阻尼性能的一种有效而简便的手段。根 据i ) m a 测试，表征阻尼性能有两种方法h 1 ：一是用声一t 曲线下的面积( t a ) 表示； 二是用矿一丁曲线下的面积( 圳来表示。勿与鲋直接决定了阻尼材料的阻尼性 能，朋或朋越大，阻尼能力越强。阻尼性能通常从内耗峰的高度和跨越温度 范围来加以评价。阻尼系数声为与之比，通常卢 o 3 的温度范围( a i r ) 表示阻尼材料的有效阻尼温度区域，卢值越大，芦 o 3 的温度范围越大，材料 的阻尼能力越大。 评价阻尼材料的标准有二方面，在l 区内具有高的损耗因子和宽的损耗温 域( 即乃峰宽) 。欲使阻尼材料到达良好的效果，需满足几个条件：( 1 ) 损耗因 子的峰值风。要和材料使用的工作温度相致；( 2 ) 口 o 3 瞄1 的温度范围要宽， 5 武汉理一i ：大学博士学位论文 a t o ：，要适应工作环境的变化温度；( 3 ) 剪切模量或杨氏模量要适量；( 4 ) 不易老 化，有较长的工作寿命；( 5 ) 良好的工艺性；( 6 ) 适应各种用途的特殊性能。 1 2 环氧树脂基阻尼材料研究进展 环氧树脂具有优异的物理化学性能，其固化物具有力学性能好、耐酸碱腐蚀、 固化收缩率小、绝缘强度高等优点，在航空航天领域和民用方面得到了广泛的应 用。环氧树脂基复合材料不仅由于粘弹性树脂基体的阻尼性能，而且界面的存在 也能在一定条件下提高复合材料的阻尼性能，尤其是高性能纤维增强环氧树脂 基复合材料可以直接作为结构材料使用，环氧树脂基复合材料的这些优点使得它 在阻尼材料领域愈柬愈受到重视。 高分子材料由于其所具有的粘弹特性，在瓦范围内吸收部分振动能，再以 热的形式释放，产生力学损耗，从而使材料具有一定的阻尼性斛1 1 。但一般单组 分高分子材料的瓦范围较窄，不能满足实际应用的要求。常采用共混、共聚等 方法进行改性。 环氧树脂及固化剂的刚性或柔性对体系的阻尼性能有较大的影响。l i a n g 6 7 1 利用各种牌号的环氧树脂能够互溶的特点，研究了多种混合体系的超声衰减、模 量、泊松比等性能，发现不同类型的刚性环氧树脂基体对固化物性能影响不大， 但不同比例的柔性环氧与刚性环氧树脂的混合体系对固化物超卢衰减性能影响 较大，随柔性成分含量增加衰减也相应增大。对于给定的树脂基体，固化剂种类 对混合树脂固化物的超声衰减性能有较大影响，短链分子固化剂增大固化物交联 密度，长链分子固化剂降低交联密度，而交联密度越高，材料的衰减性能就越低。 任润桃1 8 j 研究了不同固化剂、增韧剂对基体胶液阻尼性能的影响以及基体胶液 对复合材料阻尼性能的影响，得出了与l i a n g 相似的结论。 无机填料对复合材料阻尼性能的影响，除了与填料本身的性质有关，主要受 其形态的影响。填充物通常的形状可以足片状、纤维状或颗粒状。一般认为，比 较疏松的、带有微孔的填料有利于改善高聚物的动态力学性能。这是因为当疏松 的带有微孔结构的填料与互穿网络复合时，可能增大了互穿网络与填充物的相互 作用，当分子链段运动时，会增加体系的内摩擦力，在动态力学损耗谱上表现出 阻尼损耗因子极值、储能模量增大。刘建英1 9 l 、李晓静1 1 0 1 分别研究和设计了泡沫 铝环氧复合材料，认为这是一种内耗值较高的轻质高强材料，其阻尼机理主要 是界面摩擦耗能。t a n t a w y i 制备了一种含钛微粒( 2 0 m n ) 、硅烷偶联剂、增塑制 的多孔环氧树脂复合材料。就钛微粒的影响而占，材料的损丰e 因子随钛微粒含量 的增加而增加，作者认为可能的原因是钛微粒平均间距减小，能够充分地分散在 6 武汉理工大学博十学位论文 多孔环氧基体中，与基体分子链结合紧密。该钛环氧复合材料较强的超声衰减 性能，有可能用于制造超声换能器。 另外，新型填料如晶须、压电材料、纳米材料等与环氧树脂复合的阻尼材料 也逐渐受到重视，这些材料可能具有与通常的阻尼材料不同的阻尼机理。张文等 1 1 2 l 对氧化锌晶须环氧复合材料的减振阻尼特性进行了研究，认为阻尼系数随晶 须渗入量增加呈线性关系，氧化锌晶须渗入在复合材料中形成微观的阻尼结构， 起到降低固有振动频率和增大衰减率的作用。 s u h r l l 3 j 制各了分别以硅纳米颗粒、硅纳米棒、硅纳米弹簧为填料，环氧树 脂为基体的薄膜，研究了这三种不同形态纳米级填料的环氧树脂薄膜的阻尼性 能。与传统填料相比，纳米填料具有非常大的长径比、表面积，与树脂基体结合 界面大，当纳米填料与树脂基体界面发生相对滑移时，因界面上的摩擦而耗散能 量，起到阻尼的效果，又因其界面巨大，所以能获得比传统填料填充的复合材料 更高的阻尼性能。 总之，聚合物基复合材料的阻尼性能除了与链段的内摩擦作用有关外，还和 填料与链段的相互作用以及填料问的相互作用有关系，填料种类和填料形状对阻 尼的贡献也不一样。总的来说，聚合物基复合材料的力学阻尼性能主要来自以下 三个部分的贡献：聚合物分子链间的内摩擦：填料与聚合物间的相互作用；填料 间的相互磨擦1 1 4 j 。 1 3 压电陶瓷聚合物复合材料的发展 1 3 1 压电效应及压电材料 在1 8 8 0 年，c u r i ep 和c u r i ej 兄弟发现，在研究热电现象和晶体对称性 的同时，发现在某些晶体的特定方向上施加压力或拉力，晶体的一些对应的表面 上分别出现j 下负束缚的电荷，其电荷密度跟施力大小成正比例，这种现象叫做“压 电效应”1 1 5 l 。1 8 8 1 年，l 1i p p m a ng 根据热力学的方法，应用能量守恒和电量守 恒这两个定律，推测了逆压电效应的存在，这一预言很快被居里兄弟用实验证实。 压电效应的原理如图1 5 所示。晶体不受外力作用时，内部正电荷与负电荷的重 心重合，整个晶体的总电矩等于零，因而晶体表面不带电。当沿某一方向对晶体 施加机械力时，晶体就会由于发生形变而导致了正负电荷重心不重合，从而使晶 体表面产生荷电现象。反之，如果将一块压电晶体置于外电场中，由于电场作用， 会引起晶体内部正负电荷重心的位移，这极化位移又导致晶体发生形变。晶体 是否具有压电性，取决于晶体的结构及结构对称性。压电晶体首先必须是不导电 7 武汉理 火学博十学位论文 或至少是半导体性质的，结构必须是带正负电荷的离子或离子团，所以压电晶体 一般是离子性晶体或由离子团组成的晶体。 f = = 3 5 0 ) 的压电陶瓷时，压电复合材料才能显现出压电性能。另一方面，0 - 3 型压电复合材料综合了压电陶瓷的高介电性和聚合物材料的高绝缘电阻、介电损 耗小的优点，符合当今电子、电机和电缆等行业要求高介电、易加工的需求。0 - 3 型压电复合材料是介电材料发展趋势之一。 1 3 3 压电阻尼材料的研究进展 压电阻尼材料是智能型复合阻尼材料的一种，是将压电陶瓷填充到聚合物基 体中形成具有良好阻尼性能的复合材料。压电陶瓷填充形式以颗粒为主，o 3 型 压电阻尼材料是新型的阻尼材料。压电阻尼材料首先由f o r w a r d i 7 1 】提出，他们根 据“压电分流”理论，认为将压电材料加入到阻尼材料中，可以使得一些能量分 流，有利于能量的消散，压电材料可以成为有效的结构阻尼材料。随后，d a v i s 和l e s i e u t r e l 7 2 l 使用应力应变模型预测了压电体在复合体系中产生结构阻尼的 分流原理，其研究证明了对压电陶瓷进行合适的放置可以使得阻尼性能提高。 w a n g 和f e i n l 琢7 5 j 等通过可调的聚合物导电网络有效地控制复合体系的能量和材 料的振动，提高了阻尼性能。目前，国内外学者对压电阻尼复合材料进行了广泛 的研究，为研制新