寬溫域高阻尼減振復(fù)合材料的制備和研究.pdf_第1頁(yè)
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1、阻尼材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于交通工具、產(chǎn)業(yè)機(jī)械、建筑、家用電器、精密儀器和軍事裝備等領(lǐng)域的減振降噪。聚合物是一類(lèi)傳統(tǒng)的阻尼材料,是利用其玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)內(nèi)的粘性阻尼部分,將吸收的機(jī)械能或聲能部分地轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芎纳⒌?,從而達(dá)到減振、降噪的目的。通常,高聚物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫域窄,而高聚物的阻尼性能依賴(lài)于玻璃化溫度,從而大大限制了高聚物阻尼材料的應(yīng)用范圍。為了獲得既具有較高損耗峰,又具有較寬有效阻尼溫域的阻尼材料,減少阻尼材料對(duì)玻璃化溫度的依賴(lài)性,本論文主

2、要包括以下四個(gè)方面的研究?jī)?nèi)容: 1.高性能有機(jī)雜化阻尼材料 為了深入了解高分子材料與有機(jī)小分子功能添加劑之間形成的雜化材料的阻尼機(jī)理,本文以氯化聚乙烯(CPE)為基體材料,并選擇了兩種化學(xué)結(jié)構(gòu)相似的功能小分子添加劑2,2-甲撐雙-(4-乙基-6-叔丁基苯酚)(EBP)和2,2-甲撐雙-(4-甲基-6-環(huán)己基苯酚)(ZKF),通過(guò)熱壓淬火成型分別制得了CPE/EBP和CPE/ZKF雜化材料。 對(duì)CPE/EBP雜化材

3、料DSC研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),CPE和EBP之間是不相容的,在DSC曲線(xiàn)上的20~40℃溫域內(nèi)出現(xiàn)了一個(gè)新的玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)域,但是EBP除了在-10~0℃溫域內(nèi)有玻璃化轉(zhuǎn)變外,EBP在其他溫域并沒(méi)有出現(xiàn)玻璃化轉(zhuǎn)變。因此,CPE和EBP之間內(nèi)部作用機(jī)理并不同于傳統(tǒng)意義上不同組分共混時(shí)產(chǎn)生的相分離機(jī)理。FTIR研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),EBP分子上的-OH與CPE分子鏈上的Cl之間形成的分子間氫鍵作用而大量聚集,富集成相,并且在淬火處理時(shí)被固定下來(lái),產(chǎn)生了相分離

4、,在tanδ-T曲線(xiàn)上表現(xiàn)為兩個(gè)分離的損耗峰,拓寬了材料的有效阻尼溫域。 而通過(guò)DSC和DMA研究發(fā)現(xiàn),CPE和ZKF之間是相容的,在tanδ-T曲線(xiàn)上只有一個(gè)損耗峰,并隨著ZKF含量的增加,CPE/ZKF雜化材料的損耗峰大幅度提高,并且損耗峰的位置移向高溫方向;FTIR研究發(fā)現(xiàn),一個(gè)ZKF分子上的兩個(gè)-OH與不同CPE大分子鏈之間同時(shí)形成了兩個(gè)氫鍵,稱(chēng)為“橋式”氫鍵作用。在玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)域,這種“橋式”氫鍵的斷裂和重建所耗散能量

5、地能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于分子間摩擦引起的能量耗散。因此,在玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)域CPE/ZKF雜化材料具有優(yōu)異的阻尼減振能力。 2.有機(jī)雜化阻尼材料老化現(xiàn)象的研究及性能優(yōu)化 當(dāng)雜化材料CPE/EBP和CPE/ZKF在環(huán)境溫度下自然放置12個(gè)月后,雜化材料表面會(huì)出現(xiàn)白色析出現(xiàn)象。文中對(duì)CPE/ZKF雜化材料的析出機(jī)理及析出對(duì)雜化材料阻尼性能影響作了研究。通過(guò)DSC研究發(fā)現(xiàn),材料表面的白色粉末為無(wú)定形態(tài)功能添加劑結(jié)晶所引起的;對(duì)CPE/ZKF

6、雜化材料FTIR和DMA研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),在環(huán)境溫度下放置12個(gè)月后,CPE/ZKF雜化材料在3000~3500cm—1波段內(nèi)形成的分子間氫鍵發(fā)生了明顯的變化,在3208cm—1處產(chǎn)生的“橋式”氫鍵消失,這導(dǎo)致了CPE/ZKF雜化材料失去了高阻尼性能。這表明CPE/ZKF雜化材料的阻尼性能是不穩(wěn)定的。 因此,為了進(jìn)一步研究雜化材料阻尼性能的穩(wěn)定性,本文研究了三元雜化材料CPE/ZKF/EBP,發(fā)現(xiàn)ZKF和EBP對(duì)CPE/ZKF/E

7、BP雜化材料的阻尼性能存在協(xié)同效應(yīng)。少量EBP的加入不僅可以進(jìn)一步提高CPE/ZKF雜化材料的阻尼性能,而且可以通過(guò)ZKF/EBP組分來(lái)調(diào)節(jié)雜化材料的損耗峰位置使其處于設(shè)計(jì)溫度。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),柔性大側(cè)基的引入以及氫鍵網(wǎng)絡(luò)的形成是ZKF和EBP對(duì)CPE/ZKF/EBP雜化材料阻尼性能產(chǎn)生協(xié)同作用的根源;另一方面,少量EBP的加入可以減緩CPE/ZKF雜化材料損耗峰高度隨退火處理時(shí)間延長(zhǎng)而下降的趨勢(shì),即少量EBP的加入提高了CPE/ZKF

8、雜化材料阻尼性能的穩(wěn)定性。 3.壓電導(dǎo)電型寬溫域高阻尼減振復(fù)合材料 由于以無(wú)機(jī)壓電陶瓷為填料形成的壓電導(dǎo)電減振復(fù)合材料存在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度附近損耗峰低、機(jī)電轉(zhuǎn)換效率低及壓電阻尼效果不佳等不足之處,本文中采用具有強(qiáng)介電效果的有機(jī)小分子材料ZKF來(lái)代替無(wú)機(jī)壓電陶瓷,通過(guò)強(qiáng)介電有機(jī)小分子材料所具有的分子級(jí)別上的壓電效應(yīng)來(lái)進(jìn)一步研究壓電導(dǎo)電型阻尼材料。 由于在玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)域基體材料的粘彈阻尼性能比較明顯,壓電導(dǎo)電阻尼效果不

9、明顯;在橡膠態(tài)(60~80℃溫域內(nèi))發(fā)現(xiàn),當(dāng)VGCF含量較低時(shí),復(fù)合材料內(nèi)部沒(méi)有形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),壓電導(dǎo)電阻尼效果不明顯;當(dāng)VGCF含量超過(guò)臨界值后,復(fù)合材料內(nèi)部形成了一定三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),復(fù)合材料在橡膠態(tài)的阻尼減振能力大大提高,在VGCF含量達(dá)到16vol.%時(shí)tanδ達(dá)到了最值,并隨著VGCF含量的進(jìn)一步增加tanδ值下降。由此可見(jiàn),CPE/ZKF/VGCF復(fù)合材料存在明顯的壓電導(dǎo)電阻尼效應(yīng),拓寬了材料的有效阻尼溫域,減少了材料阻尼性能對(duì)玻

10、璃化溫度的依賴(lài)性。 與CPE/PZT/VGCF復(fù)合材料相比,CPE/ZKF/VGCF復(fù)合材料不僅在玻璃化轉(zhuǎn)變溫域內(nèi)具有高的損耗峰,而且在橡膠態(tài)的壓電導(dǎo)電阻尼效果也更明顯;另一方面,由于ZKF與VGCF的存在,使復(fù)合材料的力學(xué)性能得到了進(jìn)一步優(yōu)化。 4.多層雜化體約束寬溫域高阻尼型減振復(fù)合材料 在對(duì)CPE/ZKF雜化材料的研究中發(fā)現(xiàn),隨著ZKF含量的增加,CPE/ZKF雜化材料既能大幅度提高阻尼峰高度,又可以調(diào)控阻

11、尼峰位置;但是,損耗峰的半峰寬變窄,限制了材料的使用。因此,本文中提出把多層雜化材料疊加通過(guò)熔融熱擠壓技術(shù)來(lái)制備寬溫域、高阻尼多層減振復(fù)合材料的設(shè)想,從而達(dá)到對(duì)環(huán)境溫度的變化引起振動(dòng)響應(yīng)的變化。 本文從理論上對(duì)理想狀態(tài)下的多層復(fù)合材料來(lái)拓寬有效阻尼溫域進(jìn)行了分析論證,并進(jìn)一步對(duì)多層復(fù)合材料的tanδc進(jìn)行了預(yù)測(cè)。理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果都表明,可以利用二層雜化材料疊加來(lái)有效的拓寬材料的有效阻尼溫域,并可以進(jìn)一步增加復(fù)合材料的層數(shù)來(lái)使“

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