CN101323697A - 一种环氧树脂基压电复合阻尼材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明介绍了一种环氧树脂基压电复合阻尼材料及其制法，其按质量含有：100份环氧树脂，30～220份压电陶瓷粉，0.5～5份导电炭黑，30～120份固化剂。经过混合、分散、然后加入固化剂、混合均匀、浇注固化成型、成型的压电复合材料在高压直流油浴电场中极化，其在宽温域内(10～100℃)阻尼性能好(tanδ≥0.3)，可作为自由阻尼材料在工程中应用，还可在智能减振降噪系统中得到应用。该材料可以做成阻尼涂料、腻子、浆料以及灌注胶，及浇注成各种型材，用于交通工具、产业机械、建筑土木、家用电器、精密仪器和军事装备等领域的减振降噪工程。

Description

一种环氧树脂基压电复合阻尼材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种压电陶瓷/聚合物复合材料及其制备方法，特别是涉及一种环氧树脂基压电复合阻尼材料及其制备方法。

背景技术

随着社会的发展，机械没备趋于高速和自动化，随之引起的振动、噪声和疲劳断裂问题亦越来越突出，振动和噪声限制机械设备性能的提高，严重破坏机械设备运行的稳定性和可靠性，并污染环境，危害人们的身心健康，因此减振降噪、改善环境是一个亟待解决的问题。阻尼材料作为一类重要的减振产品，广泛应用于交通工具、产业机械、建筑土木、家用电器、精密仪器和军事装备等领域的减振降噪工程，深受国内外研究者的关注。人们对振动及噪音的控制越来越重视，对阻尼材料的性能要求也就越来越高。传统的阻尼材料基于高聚物的粘弹性，即在玻璃化转变区域内，由分子链运动产生的内摩擦，将外场作用的机械能或声能部分地转变为热能散逸，从而具有减振降噪作用。但传统的阻尼材料存在有效温域窄、性能受温度和频率的影响较大等缺点，无法满足许多特殊环境的使用要求。

压电陶瓷/聚合物复合材料是一类重要的新材料，1978年美国宾州州立大学材料实验室首次提出了压电陶瓷/聚合物复合材料的概念。近年来，无论是在其理论研究，还是其性能研究、制备工艺以及应用开发方面都取得了许多重大成果。如在介电材料、传感及控制、水声材料、热释电材料等方面都有广泛的研究和应用。

复合材料中各分量相可以用0，1，2，3维方式，其中0代表颗粒，1代表纤维，2代表平面薄膜，3代表空间网络。按照各相材料的不同连通方式，压电复合材料可以分为十种基本类型，即0-0，0-1，0-2，0-3，1-1，1-2，1-3，2-2，2-3，3-3型。0-3型压电复合材料是指由压电陶瓷颗粒均匀分散于三维连通的聚合物基体而构成的两相复合材料。综合相关文献报道，0-3型压电复合材料的聚合物基体材料主要有两大类，一类为塑料或树脂，如聚偏氟乙烯(PVDF)、聚偏氟乙烯/三氟乙烯共聚物P(VDF/TrFE)，聚乙炔(PA)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)和环氧树脂等，主要用在介电材料、传感及控制、水声材料、热释电材料等方面；另一类为橡胶，如丁腈橡胶、氯丁橡胶、溴化丁基橡胶、氟橡胶等，主要用作减振阻尼和吸声材料。而以环氧树脂为基体制备压电阻尼材料却未见报道。

专利号CN85100715A的中国专利介绍了一种以环氧树脂与液体聚硫橡胶为基胶，以石墨、滑石、云母等粉末为填料的腻子型阻尼涂料。当阻尼材料与钢板厚度比为2时，其复合损耗因子大于0.05的温度带宽为80℃。

专利号CN1844290A的中国专利介绍了一种含有空心微珠的环氧树脂-聚氨酯体系灌封阻尼浆料及制备方法。发明的灌封浆料具有低密度、低成本和阻尼性能好的特点。

专利号CN1958707A的中国专利介绍了一种双组分的环氧树脂阻尼灌封胶。组分A主要由刚性环氧、柔性环氧、活性稀释剂和液体丁腈橡胶制备，组分B为胺类固化剂。该环氧阻尼灌封胶的玻璃化温度Tg可在-20～120℃范围内调整，tanδ_max＞0.5。

美国专利(专利号5526324)介绍了一种利用压电陶瓷压电效应的吸声/振动阻尼材料，在压电陶瓷基体中引入导电粒子或纤维形成导电回路，在一定声能或振动机械能激励时，由压电效应产生的电能在导电回路中转换成热能消耗掉，从而所有的声能或振动机械能转化为热能消耗掉。

以上相关专利技术提到了以环氧树脂或其它聚合物为基体制备的阻尼材料和以压电陶瓷为基体制备的减振阻尼材料，但对以环氧树脂为基体、压电陶瓷为功能填料制备的压电复合阻尼材料并未涉及。

发明内容

本发明所要解决的技术问题之一在于提供一种能够实现振动机械能-电能-热能转换、从而将振动机械能消耗掉的新型阻尼材料；

本发明所要进一步解决的技术问题在于提供一种所述新型阻尼材料的制造方法。

通过本发明可以获得一种工艺简便可行、宽温域内阻尼性能好的环氧树脂基压电复合阻尼材料。

本发明以环氧树脂为基体，加入压电陶瓷粉和导电炭黑，采用合适的制备工艺，获得了一种新型阻尼材料——0-3型环氧树脂基压电复合材料。

该种环氧树脂基压电复合阻尼材料，包含有：

——环氧树脂，质量份为100份；

——压电陶瓷粉，质量份为30～220份，更好的选择低限为50份、60份、80份，高限为120份、150份、200份；

——导电炭黑，质量份为0.5～5份，更好的选择低限为0.8份、1.0份、1.5份，高限为3.0份、3.5份、4.0份；

——固化剂，质量份为30～120份，较好的用量为根据所选固化剂由环氧值、胺值计算的理论用量值附近，一般选择80～120％理论计算量，更好的加入量为理论量的90～110％。

按配方比例称量环氧树脂、压电陶瓷粉和导电炭黑各组分并混合在一起，分散后加入合适的固化剂，混合均匀，浇注固化成型。成型的压电复合材料在高压直流油浴电场中极化即制得本发明所述之环氧树脂基压电复合阻尼材料。

称量后加入固化剂前的分散可以用普通的机械分散方法，例如搅拌分散方法，优选的分散方法为用超声波分散法。超声波分散法可以使粉料在树脂基体中分散得更加均匀，有利于获得均匀致密的压电复合材料。

环氧树脂可以选择25℃时粘度小于30Pa·s的液态环氧树脂，更进一步优选自刚性环氧树脂(E-51、E-44、6002和E-42)、缩水甘油醚型环氧树脂、柔韧性环氧树脂和直链型脂肪族柔韧性环氧树脂(D.E.R.732)之一。

压电陶瓷粉为压电常数d₃₃在600pC/N以上的压电陶瓷粉，更进一步优选自锆钛酸铅PZT压电陶瓷粉、铌镁酸铅-钛酸铅PMN-PT压电陶瓷粉及改性PZT压电陶瓷粉之一。

导电炭黑使用普通的市售导电碳黑。用导电炭黑作为导电相，导电炭黑与压电陶瓷粉在环氧树脂基体中配合使用，有利于形成导电网络，提高电能转化为热能的效率，从而提高复合材料的阻尼性能。

根据所用的环氧树脂选择合适的固化剂以及相应的固化剂用量，固化剂可选择胺类、酸酐类、酚醛类等固化剂，用量可参考根据所选固化剂由环氧值、胺值等计算的理论用量值，也可根据情况适当调整，与通常环氧树脂体系使用固化剂的技术要求相同，没有特殊要求。

以上选择的技术措施可以单独使用，也可以互相组合使用。例如，本专利介绍的不同的环氧树脂可以和不同的压电陶瓷粉组合使用。

原料混合均匀后，将混合料浇注入模具，室温固化12-48h成型，一般24h固化成型。

成型的压电复合材料在高压直流油浴电场中极化。极化场强为0.8-8kv/mm，极化温度为50-120℃，极化时间为15-90min。

通过采用以上技术方案，可以达到下列技术效果：提供了一种新型压电复合阻尼材料，其在宽温域内(10～100℃)阻尼性能好(tanδ≥0.3)，可作为自由阻尼材料在工程中应用。环氧树脂基压电复合材料是一种智能材料，还可在智能减振降噪系统中得到应用。该材料可以做成阻尼涂料、腻子、浆料以及灌注胶，也可以根据需要浇注成型为各种用途的型材。本发明可广泛应用于交通工具、产业机械、建筑土木、家用电器、精密仪器和军事装备等领域的减振降噪工程，产生良好的经济效益和社会效益。

具体实施方式

实施例1～4

以环氧树脂6002和固化剂5506为基体，添加PZT压电陶瓷粉和导电炭黑制备环氧树脂基压电复合阻尼材料。按配方比例称量环氧树脂6002、PZT压电陶瓷粉和导电炭黑各组分并混合在一起，超声波分散后加入固化剂5506，机械搅拌混合均匀，将混合料浇注入模具，室温固化24h成型。成型的压电复合材料在高压直流油浴电场中极化，极化场强为4kv/mm，极化温度为80℃，极化时间为45min。实施例1～4的配方见表1，压电复合阻尼材料的阻尼性能见表2。

表1实施例1～4配方(质量份)

组份	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4
					环氧树脂6002	100	100	100	100
固化剂5506	40	40	40	45
					PZT压电陶瓷粉	30	100	120	220
导电炭黑	0.5	1	3	3.5

表2压电复合阻尼材料在各温度下的损耗因子(tan8)值(频率为100Hz，测试执行标准GJB981-1990)

	10℃	26℃	50℃	70℃	100℃
						实施例1	0.3026	0.3574	0.4429	0.4830	0.4650
实施例2	0.4867	0.5477	0.6190	0.4263	0.3953
						实施例3	0.3953	0.6427	0.7769	0.8021	0.6309
实施例4	0.3105	0.3336	0.4522	0.4016	0.3881

实施例5～8

以低粘度柔韧性环氧树脂D.E.R.732和脂肪族胺类固化剂5784为基体，添加压电陶瓷粉和导电炭黑制备环氧树脂基压电复合材料。按配方比例称量环氧树脂D.E.R.732、PMN-PT压电陶瓷粉和导电炭黑各组分并混合在一起，超声波分散后加入固化剂5784，机械搅拌混合均匀，将混合料浇注入模具，室温固化24h成型。成型的压电复合材料在高压直流油浴电场中极化，极化场强为4kv/mm，极化温度为80℃，极化时间为45min。实施例5～8的配方见表3，实施例6所得压电复合阻尼材料的阻尼性能见表4。

表3实施例5～8配方(质量份)

组份	实施例5	实施例6	实施例7	实施例8
					环氧树脂D.E.R.732	100	100	100	100
固化剂5784	50	50	50	55
					PMN-PT压电陶瓷粉	50	100	150	220
导电炭黑	1	2	3.5	5

表4实施例6环氧树脂基压电复合材料的阻尼性能(26℃，测试执行标准GJB981-1990)

频率(Hz)	tanδ
		7.8	0.3514
15.6	0.3417
		31.2	0.3012
62.5	0.5155
		100	0.6427
200	0.4014

实施例9～12

以粘度较高的环氧树脂E-51和酚醛改性胺类固化剂T-31为基体，添加压电陶瓷粉和导电炭黑制备环氧树脂基压电复合材料。按配方比例称量环氧树脂E-51、改性PZT压电陶瓷粉和导电炭黑各组分并混合在一起，机械搅拌分散后加入固化剂T-31，再次机械搅拌混合均匀，将混合料浇注入模具，室温固化24h成型后，热处理(80℃×2h+100℃×2h)使其完全固化。成型的压电复合材料在高压直流油浴电场中极化。实施例9～12的配方见表5。

表5实施例9～12配方(质量份)

组份	实施例5	实施例6	实施例7	实施例8
					环氧树脂E-51	100	100	100	100
固化剂T-31	40	40	45	50
					改性PZT压电陶瓷粉	70	100	180	220
导电炭黑	0.8	1.5	4	5

Claims (8)

1、一种环氧树脂基压电复合阻尼材料，其特征在于，含有：

环氧树脂：质量份为100份；

压电陶瓷粉：质量份为30～220份；

导电炭黑：质量份为0.5～5份；

固化剂：质量份为30～120份，根据环氧值、胺值等进行理论计算，80～120％理论量；

2、权利要求1所述环氧树脂基压电复合阻尼材料，其特征在于：所述环氧树脂是25℃时粘度小于30Pa·s的液态环氧树脂。

3、权利要求2所述环氧树脂基压电复合阻尼材料，其特征在于：所述环氧树脂选自环氧树脂E-51、E-44、6002、E-42、缩水甘油醚型环氧树脂、柔韧性环氧树脂和直链型脂肪族柔韧性环氧树脂D.E.R.732之一。

4、权利要求1所述环氧树脂基压电复合阻尼材料，其特征在于：所述压电陶瓷粉为压电常数d₃₃在600pC/N以上的压电陶瓷粉。

5、权利要求4所述环氧树脂基压电复合阻尼材料，其特征在于：所述压电陶瓷粉为锆钛酸铅PZT压电陶瓷粉、铌镁酸铅-钛酸铅PMN-PT压电陶瓷粉及改性PZT压电陶瓷粉之一。

6、权利要求1所述环氧树脂基压电复合阻尼材料的制造方法，其特征在于包括以下步骤：按配方比例称量各组分、混合、分散、然后加入固化剂、机械搅拌混合均匀、浇注固化成型、成型的压电复合材料在高压直流油浴电场中极化。

7、权利要求6所述环氧树脂基压电复合阻尼材料的制造方法，其特征在于：所述混合后的分散方法是超声波分散法。

8、权利要求6所述环氧树脂基压电复合阻尼材料的制造方法，其特征在于包括以下步骤：所述高压直流油浴电场极化场强为0.8-8kv/mm，极化温度为50-120℃，极化时间为15-90min。