專利名稱：一種環(huán)氧樹脂基壓電阻尼復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及阻尼復(fù)合材料領(lǐng)域，特別是涉及一種梯度夾層環(huán)氧樹脂基壓電阻尼復(fù)合材料 及其制備方法。
技術(shù)背景阻尼材料是一種能吸收振動機械能，并將它轉(zhuǎn)化為熱能、電能、磁能或其他形式的能量 而損耗掉的一種功能材料。根據(jù)基體的不同，阻尼材料可分為聚合物阻尼材料、陶瓷類耐高 溫阻尼材料、高阻尼合金材料、智能型阻尼材料四種，其中，聚合物阻尼材料的減振效果最 好，應(yīng)用最為廣泛，而聚合物中的環(huán)氧樹脂又因其優(yōu)良的力學性能、耐熱性能、良好的工藝 性等優(yōu)點在很多領(lǐng)域都有應(yīng)用。將壓電材料應(yīng)用于阻尼材料中的研究，始于上世紀80年代末?，F(xiàn)有的制備方法主要有流 延法、熱壓法以及旋涂法等，但這些方法對提高復(fù)合材料阻尼性能的貢獻并不大。眾所周 知，制備方法是材料的基礎(chǔ)，相同的組分，不同的制備方法，其材料性能的差異很大，因 此有必要對材料的制備方法進行研究。夾層結(jié)構(gòu)是由面板、芯材和膠黏劑三種材料構(gòu)成的。面板主要承受壓力和拉力，因此構(gòu) 造上通常用厚度較薄、強度高、剛度大的材料；芯材主要承受彎曲時的剪力，因此用密度小、 厚度較大、有一定承剪能力的材料；膠黏劑用于面板芯層的連接。夾層結(jié)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)特點 是抗彎剛度大，可以在結(jié)構(gòu)質(zhì)量較小的情況下承受較大的彎曲載荷，即有較高的抗彎剛度質(zhì) 量比；良好的耐疲勞性能；構(gòu)件表面光滑平整，有良好的氣動表面，因而被廣泛地用于制造 飛機和火箭的外部部件。此外夾層結(jié)構(gòu)還具有隔聲、隔熱等優(yōu)異的物理性能，制成輕質(zhì)構(gòu)件 在建筑上作為高層框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)外墻體材料。夾層結(jié)構(gòu)盡管有結(jié)構(gòu)上的許多優(yōu)點，但其制造 時工藝復(fù)雜，使用時需要考慮對邊緣的處理連接等問題。將夾層結(jié)構(gòu)引入到復(fù)合材料成型工藝中來，不需使用膠黏劑，在實現(xiàn)一體成型的過程 中同時形成梯度夾層結(jié)構(gòu)。這樣不但不需考慮夾層結(jié)構(gòu)復(fù)雜的制造工藝，還可以使復(fù)合材 料擁有夾層結(jié)構(gòu)的優(yōu)點。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是采用二次澆注成型法，制備一種具有梯度夾層結(jié)構(gòu)的環(huán) 氧樹脂基壓電阻尼復(fù)合材料，由于該復(fù)合材料的壓電陶瓷組分呈梯度分布，并形成夾層結(jié)構(gòu)， 從而拓寬了阻尼復(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度范圍，提高了其阻尼性能。本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用以下的技術(shù)方案本發(fā)明提供的環(huán)氧樹脂基壓電阻尼復(fù)合材料，其由壓電陶瓷、導電炭黑、環(huán)氧樹脂組成， 將它們利用二次澆注實現(xiàn)一體成型；所引入的壓電陶瓷分別集中于所述復(fù)合材料的上下部 分，在成型過程中自然沉降，形成帶有梯度分布的夾層結(jié)構(gòu)。本發(fā)明提供的環(huán)氧樹脂基壓電阻尼復(fù)合材料，其由以下步驟的方法制成1) 將壓電陶瓷粉過篩，得到325 7000目的過篩壓電陶瓷粉；2) 將過篩后的壓電陶瓷粉與導電炭黑分別加入到硅垸偶聯(lián)劑的乙醇溶液中，進行表面 處理，然后過濾干燥，得到表面改性的壓電陶瓷粉；3) 將表面改性后的壓電陶瓷粉按所述環(huán)氧樹脂基壓電阻尼復(fù)合材料的所有組分的總質(zhì) 量的40 85wt。/。與環(huán)氧樹脂混合，再按環(huán)氧樹脂質(zhì)量的0.5%加入導電炭黑，并在室溫下 機械攪拌，然后將攪拌的物料置于超聲波振蕩儀中振蕩，得到混合料；4) 將混合料加入胺類固化劑，攪拌均勻后將其澆注于模具中至1/2 2/3滿，待其凝膠；5) 重復(fù)步驟3)得到相同含量的混合料，然后向其加入與步驟4)相同的胺類固化劑， 經(jīng)攪拌均勻后將以上模具進行二次澆注至滿，并于常溫下固化，再升溫至12(TC后固化， 然后隨爐冷卻，脫模后打磨，得到所述環(huán)氧樹脂基壓電阻尼復(fù)合材料，該復(fù)合材料具有梯 度夾層結(jié)構(gòu)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其機理和主要優(yōu)點是其一.高分子材料的粘彈特性使其本身就具有良好的阻尼特性；其二.利用復(fù)合材料中壓電粒子的壓電效應(yīng)和導電粒子的導電性，實現(xiàn)機械能——電能 ——熱能轉(zhuǎn)變的壓電阻尼效應(yīng)，從而提高材料的阻尼性能；其三.利用二次澆注成型復(fù)合材料形成的梯度夾層結(jié)構(gòu)(如圖l)對提高阻尼性能有很 大貢獻。這樣復(fù)合材料從三相協(xié)同效應(yīng)與結(jié)構(gòu)上同時實現(xiàn)阻尼性能的提高。本發(fā)明通過對試樣進行動態(tài)力學分析后發(fā)現(xiàn)，最大阻尼因子to"S^x提高20。/。以上，阻 尼溫域AT (towS〉0.3的溫度區(qū)間)提高33%以上，to^-T曲線下包括的面積TA提高19%以上。


圖1是梯度夾層環(huán)氧樹脂基壓電阻尼復(fù)合材料的截面示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步說明。 一.環(huán)氧樹脂基壓電阻尼復(fù)合材料所述復(fù)合材料由壓電陶瓷、導電炭黑、環(huán)氧樹脂組成，將它們利用二次澆注實現(xiàn)一體 成型；所引入的壓電陶瓷分別集中于所述復(fù)合材料的上下部分，在成型過程中自然沉降， 形成如圖1所示的帶有梯度分布的夾層結(jié)構(gòu)。如圖l所示大部分壓電陶瓷粉分別集中于所述復(fù)合材料的上下部分，形成帶有梯度 分布的夾層結(jié)構(gòu)，但是復(fù)合材料整體上并不存在宏觀意義上的分層，是一個有機整體。圖 1中，"〇"表示壓電陶瓷，"拳"表示導電炭黑。上述的壓電陶瓷可以采用鋯鈦酸鉛(PZT)，鈦酸鉛(PT)，三元系壓電陶瓷PCM (PZT 中加入Pb(Mg^Nb2/3)03)，三元系壓電陶瓷PMS (PZT中加入Pb(Mn1/3Sb2/3)03)，以及無鉛 壓電陶瓷K^NaxNbOs中的一種或幾種，分子式中0.1<x<l。上述的環(huán)氧樹脂是液態(tài)縮水甘油醚型環(huán)氧樹脂，其由多元酚或多元醇與環(huán)氧氯丙烷為原 料經(jīng)縮聚反應(yīng)而制備的，可以是雙酚A二縮水甘油醚、雙酚F二縮水甘油醚、雙酚S二縮水 甘油醚型中的一種，或多種。上述的胺類固化劑可以是多乙烯多胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺、聚醚胺系列產(chǎn)品(如 聚醚胺T403)中的一種，或多種。二.環(huán)氧樹脂基壓電阻尼復(fù)合材料的制備實施例l:將過篩得到的PZT粉經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑的乙醇溶液表面處理之后過濾干燥，按所述環(huán)氧樹 脂基壓電阻尼復(fù)合材料的所有組分的總質(zhì)量的40%與雙酚A 二縮水甘油醚型環(huán)氧樹脂(如 CYD-127)混合，再按CYD-127質(zhì)量0. 5%加入經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑的乙醇溶液表面處理的導電炭黑。 室溫下機械攪拌10分鐘，再將混合料置于超聲波振蕩儀中，在9(TC、 60Hz下振蕩3個小時， 之后加入聚醚胺T403，攪拌均勻，將其澆注于模具中至2/3滿，待其凝膠，再進行二次澆注， 將模具澆注滿。常溫固化3個小時，120'C下后固化3個小時，隨爐冷卻，脫模后打磨，得到 環(huán)氧樹脂基壓電阻尼復(fù)合材料。將試樣放在油浴中極化，極化溫度為80°C，極化電壓為8 kV/咖，極化時間為20min。然后將試樣在l.OHz、 500mN、室溫至20(TC下進行動態(tài)力學分 析，最大損耗因子towS服x為0.837，阻尼溫域AT (to"5>0.3的溫度區(qū)間)為32.6°C，TA為31.7。實施例2 :將過篩得到的PZT粉經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑的乙醇溶液表面處理之后過濾干燥，按所述環(huán)氧樹脂 基壓電阻尼復(fù)合材料的所有組分的總質(zhì)量的40%與雙酚A 二縮水甘油醚型環(huán)氧樹脂(如 CYD-127)混合，再按CYD-127質(zhì)量0. 5%加入經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑的乙醇溶液表面處理的導電炭黑。 室溫下機械攪拌10分鐘，再將混合料置于超聲波振蕩儀中，在9(TC、 60Hz下振蕩4個小時， 之后加入聚醚胺T403，攪拌均勻，將其澆注于模具中至2/3滿，待其凝膠，再進行二次澆注， 將模具澆注滿。常溫固化4個小時，120'C下后固化2個小時，隨爐冷卻，脫模后打磨，得到 環(huán)氧樹脂基壓電阻尼復(fù)合材料。將試樣放在油浴中極化，極化溫度為80°C，極化電壓為8 kV/mm，極化時間為20min。然后將試樣在l.OHz、 500mN、室溫至200'C下進行動態(tài)力學分 析，最大損耗因子towSmax為1.132，阻尼溫域AT (to"S>0.3的溫度區(qū)間)為37.3。C，TA為46.49。實施例3 :將過篩得到的PZT粉經(jīng)硅垸偶聯(lián)劑的乙醇溶液表面處理之后過濾干燥，按所述環(huán)氧樹脂 基壓電阻尼復(fù)合材料的所有組分的總質(zhì)量的75%與雙酚A 二縮水甘油醚型環(huán)氧樹脂(如 CYD-127)混合，再按CYD-127質(zhì)量0. 5%加入經(jīng)硅垸偶聯(lián)劑的乙醇溶液表面處理的導電炭黑。 室溫下機械攪拌15分鐘，再將混合料置于超聲波振蕩儀中，在9(TC、 80Hz下振蕩4個小時， 之后加入聚醚胺T403，攪拌均勻，將其澆注于模具中至l/2滿，待其凝膠，再進行二次澆注， 將模具澆注滿。常溫固化4個小時，120'C下后固化3個小時，隨爐冷卻，脫模后打磨，得到 環(huán)氧樹脂基壓電阻尼復(fù)合材料。將試樣放在油浴中極化，極化溫度為8(TC，極化電壓為 10kV/mm，極化時間為25min。然后將試樣在10.0 Hz， 500mN、室溫至200'C下進行動態(tài)力學 分析，最大損耗因子to"5服x為0.921 ，阻尼溫域AT (to"S〉0.3的溫度區(qū)間)為36.1 ，TA為34.17。實施例4:將過篩得到的PZT粉經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑的乙醇溶液表面處理之后過濾千燥，按所述環(huán)氧樹脂 基壓電阻尼復(fù)合材料的所有組分的總質(zhì)量的85%與雙酚A 二縮水甘油醚型環(huán)氧樹脂(如 CYD-127)混合，再按CYD-127質(zhì)量0. 5%加入經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑的乙醇溶液表面處理的導電炭黑。 室溫下機械攪拌15分鐘，再將混合料置于超聲波振蕩儀中，在90。C、 90Hz下振蕩4個小時， 之后加入聚醚胺T403，攪拌均勻，將其澆注于模具中至2/3滿，待其凝膠，再進行二次澆注， 將模具澆注滿。常溫固化4個小時，12(TC下后固化3個小時，隨爐冷卻，脫模后打磨，得到 環(huán)氧樹脂基壓電阻尼復(fù)合材料。將試樣放在油浴中極化，極化溫度為120°C，極化電壓為12 kV/ram，極化時間為30 min。然后將試樣在10.0 Hz， 500mN、室溫至200'C下進行動態(tài)力學 分析，最大損耗因子to"5觀為0.567，阻尼溫域AT(to"SX).3的溫度區(qū)間)為38.031 ， TA為 25.20。上述四個制備實施例中所述過篩壓電陶瓷粉為325 7000目。所述環(huán)氧樹脂除了采用雙酚A二縮水甘油醚型環(huán)氧樹脂系列產(chǎn)品(如CYD-127)外，還 可以采用雙酚F二縮水甘油醚、雙酚S二縮水甘油醚型中的一種；也可以采用這些環(huán)氧樹脂 的兩種及其以上的混合物。
權(quán)利要求
1.一種環(huán)氧樹脂基壓電阻尼復(fù)合材料，其特征是所述復(fù)合材料由壓電陶瓷、導電炭黑、環(huán)氧樹脂組成，將它們利用二次澆注實現(xiàn)一體成型；所引入的壓電陶瓷分別集中于所述復(fù)合材料的上下部分，在成型過程中自然沉降，形成帶有梯度分布的夾層結(jié)構(gòu)。
2. 如權(quán)利要求l所述的環(huán)氧樹脂基壓電阻尼復(fù)合材料，其特征是所述壓電陶瓷為鋯鈦 酸鉛、鈦酸鉛、三元系壓電陶瓷、無鉛壓電陶瓷xNaxNb03中的一種或幾種，分子式中 0.1<x<l。
3. 如權(quán)利要求1所述的環(huán)氧樹脂基壓電阻尼復(fù)合材料，其特征是所述的環(huán)氧樹脂是液 態(tài)縮水甘油醚型環(huán)氧樹脂，其由多元酚或多元醇與環(huán)氧氯丙烷為原料經(jīng)縮聚反應(yīng)而制備的。
4. 如權(quán)利要求3所述的環(huán)氧樹脂基壓電阻尼復(fù)合材料，其特征是所述的液態(tài)縮水甘油 醚型環(huán)氧樹脂是雙酚A二縮水甘油醚、雙酚F二縮水甘油醚、雙酚S二縮水甘油醚型中的一 種，或多種。
5. 如權(quán)利要求1所述的環(huán)氧樹脂基壓電阻尼復(fù)合材料，其特征是所述的胺類固化劑是 多乙烯多胺、聚醚胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺中的一種，或多種。
6. —種制備權(quán)利要求1至5中任一權(quán)利要求所述環(huán)氧樹脂基壓電阻尼復(fù)合材料的方法， 其特征是采用以下步驟的方法1) 將壓電陶瓷粉過篩，得到325 7000目的過篩壓電陶瓷粉；2) 將過篩后的壓電陶瓷粉與導電炭黑分別加入到硅烷偶聯(lián)劑的乙醇溶液中，進行表面 處理，然后過濾干燥，得到表面改性的壓電陶瓷粉；3) 將表面改性后的壓電陶瓷粉按所述環(huán)氧樹脂基壓電阻尼復(fù)合材料的所有組分的總質(zhì) 量的40 85%與環(huán)氧樹脂混合，再按環(huán)氧樹脂質(zhì)量的0.5%加入導電炭黑，并在室溫下機 械攪拌，然后將攪拌的物料置于超聲波振蕩儀中振蕩，得到混合料；4) 將混合料加入胺類固化劑，攪拌均勻后將其澆注于模具中至1/2 2/3滿，待其凝膠；5) 重復(fù)步驟3)得到相同含量的混合料，然后向其加入與步驟4)相同的胺類固化劑， 經(jīng)攪拌均勻后將以上模具進行二次澆注至滿，并于常溫下固化，再升溫至12(TC后固化， 然后隨爐冷卻，脫模后打磨，得到所述環(huán)氧樹脂基壓電阻尼復(fù)合材料，該復(fù)合材料具有梯 度夾層結(jié)構(gòu)。
7. 如權(quán)利要求6所述的環(huán)氧樹脂基壓電阻尼復(fù)合材料的制備方法，其特征是將攪拌的 物料置于超聲波振蕩儀中振蕩過程中，采用的工藝條件是溫度為9(TC，頻率為60 卯Hz， 振蕩時間為3 4個小時。
8. 如權(quán)利要求6所述的環(huán)氧樹脂基壓電阻尼復(fù)合材料的制備方法，其特征是于常溫下 固化3 4個小時。
9. 如權(quán)利要求6所述的環(huán)氧樹脂基壓電阻尼復(fù)合材料的制備方法，其特征是在升溫至 12(TC后的固化過程中，固化時間為2 3個小時。
10.如權(quán)利要求6所述的環(huán)氧樹脂基壓電阻尼復(fù)合材料的制備方法，其特征是所述環(huán) 氧樹脂基壓電阻尼復(fù)合材料，其極化條件為1) 油浴加熱，極化溫度為80 120°C;2) 極化電壓為8 12kV/mm;3) 極化時間為20 30 min。
全文摘要
本發(fā)明公開一種環(huán)氧樹脂基壓電阻尼復(fù)合材料及其制備方法。所述復(fù)合材料，其由壓電陶瓷、導電炭黑、環(huán)氧樹脂組成，將它們利用二次澆注實現(xiàn)一體成型；所引入的壓電陶瓷分別集中于所述復(fù)合材料的上下部分，在成型過程中自然沉降，形成帶有梯度分布的夾層結(jié)構(gòu)。本發(fā)明利用二次澆注成型工藝制備具有梯度夾層結(jié)構(gòu)的環(huán)氧樹脂基壓電阻尼復(fù)合材料，使復(fù)合材料在通過三相協(xié)同效應(yīng)實現(xiàn)壓電阻尼的基礎(chǔ)上同時擁有夾層結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，極大的提高了復(fù)合材料阻尼性能，通過對試樣進行動態(tài)力學分析，最大阻尼因子tanδ_max提高20％以上，阻尼溫域ΔT(tanδ＞0.3的溫度區(qū)間)提高33％以上，tanδ-T曲線下包括的面積TA提高19％以上。
文檔編號B29C70/28GK101328302SQ200810048480
公開日2008年12月24日 申請日期2008年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月22日
發(fā)明者付承菊, 張聯(lián)盟, 梅啟林, 王雁冰, 石敏先, 巖 秦, 濤 魏, 黃志雄 申請人:武漢理工大學