CN101328302A - 一种环氧树脂基压电阻尼复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种环氧树脂基压电阻尼复合材料及其制备方法。所述复合材料，其由压电陶瓷、导电炭黑、环氧树脂组成，将它们利用二次浇注实现一体成型；所引入的压电陶瓷分别集中于所述复合材料的上下部分，在成型过程中自然沉降，形成带有梯度分布的夹层结构。本发明利用二次浇注成型工艺制备具有梯度夹层结构的环氧树脂基压电阻尼复合材料，使复合材料在通过三相协同效应实现压电阻尼的基础上同时拥有夹层结构的优点，极大的提高了复合材料阻尼性能，通过对试样进行动态力学分析，最大阻尼因子tanδ_max提高20％以上，阻尼温域ΔT(tanδ＞0.3的温度区间)提高33％以上，tanδ－T曲线下包括的面积TA提高19％以上。

Description

一种环氧树脂基压电阻尼复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及阻尼复合材料领域，特别是涉及一种梯度夹层环氧树脂基压电阻尼复合材料及其制备方法。

背景技术

阻尼材料是一种能吸收振动机械能，并将它转化为热能、电能、磁能或其他形式的能量而损耗掉的一种功能材料。根据基体的不同，阻尼材料可分为聚合物阻尼材料、陶瓷类耐高温阻尼材料、高阻尼合金材料、智能型阻尼材料四种，其中，聚合物阻尼材料的减振效果最好，应用最为广泛，而聚合物中的环氧树脂又因其优良的力学性能、耐热性能、良好的工艺性等优点在很多领域都有应用。

将压电材料应用于阻尼材料中的研究，始于上世纪80年代末。现有的制备方法主要有流延法、热压法以及旋涂法等，但这些方法对提高复合材料阻尼性能的贡献并不大。众所周知，制备方法是材料的基础，相同的组分，不同的制备方法，其材料性能的差异很大，因此有必要对材料的制备方法进行研究。

夹层结构是由面板、芯材和胶黏剂三种材料构成的。面板主要承受压力和拉力，因此构造上通常用厚度较薄、强度高、刚度大的材料；芯材主要承受弯曲时的剪力，因此用密度小、厚度较大、有一定承剪能力的材料；胶黏剂用于面板芯层的连接。夹层结构的主要结构特点是抗弯刚度大，可以在结构质量较小的情况下承受较大的弯曲载荷，即有较高的抗弯刚度质量比；良好的耐疲劳性能；构件表面光滑平整，有良好的气动表面，因而被广泛地用于制造飞机和火箭的外部部件。此外夹层结构还具有隔声、隔热等优异的物理性能，制成轻质构件在建筑上作为高层框架结构的内外墙体材料。夹层结构尽管有结构上的许多优点，但其制造时工艺复杂，使用时需要考虑对边缘的处理连接等问题。

将夹层结构引入到复合材料成型工艺中来，不需使用胶黏剂，在实现一体成型的过程中同时形成梯度夹层结构。这样不但不需考虑夹层结构复杂的制造工艺，还可以使复合材料拥有夹层结构的优点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：采用二次浇注成型法，制备一种具有梯度夹层结构的环氧树脂基压电阻尼复合材料，由于该复合材料的压电陶瓷组分呈梯度分布，并形成夹层结构，从而拓宽了阻尼复合材料的玻璃化转变温度范围，提高了其阻尼性能。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的环氧树脂基压电阻尼复合材料，其由压电陶瓷、导电炭黑、环氧树脂组成，将它们利用二次浇注实现一体成型；所引入的压电陶瓷分别集中于所述复合材料的上下部分，在成型过程中自然沉降，形成带有梯度分布的夹层结构。

本发明提供的环氧树脂基压电阻尼复合材料，其由以下步骤的方法制成：

1)将压电陶瓷粉过筛，得到325～7000目的过筛压电陶瓷粉；

2)将过筛后的压电陶瓷粉与导电炭黑分别加入到硅烷偶联剂的乙醇溶液中，进行表面处理，然后过滤干燥，得到表面改性的压电陶瓷粉；

3)将表面改性后的压电陶瓷粉按所述环氧树脂基压电阻尼复合材料的所有组分的总质量的40～85wt％与环氧树脂混合，再按环氧树脂质量的0.5％加入导电炭黑，并在室温下机械搅拌，然后将搅拌的物料置于超声波振荡仪中振荡，得到混合料；

4)将混合料加入胺类固化剂，搅拌均匀后将其浇注于模具中至1/2～2/3满，待其凝胶；

5)重复步骤3)得到相同含量的混合料，然后向其加入与步骤4)相同的胺类固化剂，经搅拌均匀后将以上模具进行二次浇注至满，并于常温下固化，再升温至120℃后固化，然后随炉冷却，脱模后打磨，得到所述环氧树脂基压电阻尼复合材料，该复合材料具有梯度夹层结构。

本发明与现有技术相比，其机理和主要优点是：

其一.高分子材料的粘弹特性使其本身就具有良好的阻尼特性；

其二.利用复合材料中压电粒子的压电效应和导电粒子的导电性，实现机械能——电能——热能转变的压电阻尼效应，从而提高材料的阻尼性能；

其三.利用二次浇注成型复合材料形成的梯度夹层结构(如图1)对提高阻尼性能有很大贡献。这样复合材料从三相协同效应与结构上同时实现阻尼性能的提高。

本发明通过对试样进行动态力学分析后发现，最大阻尼因子tanδ_max提高20％以上，阻尼温域ΔT(tanδ＞0.3的温度区间)提高33％以上，tan&-T曲线下包括的面积TA提高19％以上。

附图说明

图1是梯度夹层环氧树脂基压电阻尼复合材料的截面示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明。

一.环氧树脂基压电阻尼复合材料

所述复合材料由压电陶瓷、导电炭黑、环氧树脂组成，将它们利用二次浇注实现一体成型；所引入的压电陶瓷分别集中于所述复合材料的上下部分，在成型过程中自然沉降，形成如图1所示的带有梯度分布的夹层结构。

如图1所示：大部分压电陶瓷粉分别集中于所述复合材料的上下部分，形成带有梯度分布的夹层结构，但是复合材料整体上并不存在宏观意义上的分层，是一个有机整体。图1中，“○”表示压电陶瓷，“●”表示导电炭黑。

上述的压电陶瓷可以采用锆钛酸铅(PZT)，钛酸铅(PT)，三元系压电陶瓷PCM(PZT中加入Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃)，三元系压电陶瓷PMS(PZT中加入Pb(Mn_1/3Sb_2/3)O₃)，以及无铅压电陶瓷K_1-xNa_xNbO₃中的一种或几种，分子式中0.1＜x＜1。

上述的环氧树脂是液态缩水甘油醚型环氧树脂，其由多元酚或多元醇与环氧氯丙烷为原料经缩聚反应而制备的，可以是双酚A二缩水甘油醚、双酚F二缩水甘油醚、双酚S二缩水甘油醚型中的一种，或多种。

上述的胺类固化剂可以是多乙烯多胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺、聚醚胺系列产品(如聚醚胺T403)中的一种，或多种。

二.环氧树脂基压电阻尼复合材料的制备

实施例1：

将过筛得到的PZT粉经硅烷偶联剂的乙醇溶液表面处理之后过滤干燥，按所述环氧树脂基压电阻尼复合材料的所有组分的总质量的40％与双酚A二缩水甘油醚型环氧树脂(如CYD-127)混合，再按CYD-127质量0.5％加入经硅烷偶联剂的乙醇溶液表面处理的导电炭黑。室温下机械搅拌10分钟，再将混合料置于超声波振荡仪中，在90℃、60Hz下振荡3个小时，之后加入聚醚胺T403，搅拌均匀，将其浇注于模具中至2/3满，待其凝胶，再进行二次浇注，将模具浇注满。常温固化3个小时，120℃下后固化3个小时，随炉冷却，脱模后打磨，得到环氧树脂基压电阻尼复合材料。将试样放在油浴中极化，极化温度为80℃，极化电压为8kV/mm，极化时间为20min。然后将试样在1.0Hz、500mN、室温至200℃下进行动态力学分析，最大损耗因子tanδ_max为0.837，阻尼温域ΔT(tanδ＞0.3的温度区间)为32.6℃，TA为31.7。

实施例2：

将过筛得到的PZT粉经硅烷偶联剂的乙醇溶液表面处理之后过滤干燥，按所述环氧树脂基压电阻尼复合材料的所有组分的总质量的40％与双酚A二缩水甘油醚型环氧树脂(如CYD-127)混合，再按CYD-127质量0.5％加入经硅烷偶联剂的乙醇溶液表面处理的导电炭黑。室温下机械搅拌10分钟，再将混合料置于超声波振荡仪中，在90℃、60Hz下振荡4个小时，之后加入聚醚胺T403，搅拌均匀，将其浇注于模具中至2/3满，待其凝胶，再进行二次浇注，将模具浇注满。常温固化4个小时，120℃下后固化2个小时，随炉冷却，脱模后打磨，得到环氧树脂基压电阻尼复合材料。将试样放在油浴中极化，极化温度为80℃，极化电压为8kV/mm，极化时间为20min。然后将试样在1.0Hz、500mN、室温至200℃下进行动态力学分析，最大损耗因子tanδ_max为1.132，阻尼温域ΔT(tanδ＞0.3的温度区间)为37.3℃，TA为46.49。

实施例3：

将过筛得到的PZT粉经硅烷偶联剂的乙醇溶液表面处理之后过滤干燥，按所述环氧树脂基压电阻尼复合材料的所有组分的总质量的75％与双酚A二缩水甘油醚型环氧树脂(如CYD-127)混合，再按CYD-127质量0.5％加入经硅烷偶联剂的乙醇溶液表面处理的导电炭黑。室温下机械搅拌15分钟，再将混合料置于超声波振荡仪中，在90℃、80Hz下振荡4个小时，之后加入聚醚胺T403，搅拌均匀，将其浇注于模具中至1/2满，待其凝胶，再进行二次浇注，将模具浇注满。常温固化4个小时，120℃下后固化3个小时，随炉冷却，脱模后打磨，得到环氧树脂基压电阻尼复合材料。将试样放在油浴中极化，极化温度为80℃，极化电压为10kV/mm，极化时间为25min。然后将试样在10.0Hz，500mN、室温至200℃下进行动态力学分析，最大损耗因子tanδ_max为0.921，阻尼温域ΔT(tanδ＞0.3的温度区间)为36.1，TA为34.17。

实施例4：

将过筛得到的PZT粉经硅烷偶联剂的乙醇溶液表面处理之后过滤干燥，按所述环氧树脂基压电阻尼复合材料的所有组分的总质量的85％与双酚A二缩水甘油醚型环氧树脂(如CYD-127)混合，再按CYD-127质量0.5％加入经硅烷偶联剂的乙醇溶液表面处理的导电炭黑。室温下机械搅拌15分钟，再将混合料置于超声波振荡仪中，在90℃、90Hz下振荡4个小时，之后加入聚醚胺T403，搅拌均匀，将其浇注于模具中至2/3满，待其凝胶，再进行二次浇注，将模具浇注满。常温固化4个小时，120℃下后固化3个小时，随炉冷却，脱模后打磨，得到环氧树脂基压电阻尼复合材料。将试样放在油浴中极化，极化温度为120℃，极化电压为12kV/mm，极化时间为30min。然后将试样在10.0Hz，500mN、室温至200℃下进行动态力学分析，最大损耗因子tanδ_max为0.567，阻尼温域ΔT(tanδ＞0.3的温度区间)为38.031，TA为25.20。

上述四个制备实施例中：

所述过筛压电陶瓷粉为325～7000目。

所述环氧树脂除了采用双酚A二缩水甘油醚型环氧树脂系列产品(如CYD-127)外，还可以采用双酚F二缩水甘油醚、双酚S二缩水甘油醚型中的一种；也可以采用这些环氧树脂的两种及其以上的混合物。

Claims (10)

1.一种环氧树脂基压电阻尼复合材料，其特征是所述复合材料由压电陶瓷、导电炭黑、环氧树脂组成，将它们利用二次浇注实现一体成型；所引入的压电陶瓷分别集中于所述复合材料的上下部分，在成型过程中自然沉降，形成带有梯度分布的夹层结构。

2.如权利要求1所述的环氧树脂基压电阻尼复合材料，其特征是所述压电陶瓷为锆钛酸铅、钛酸铅、三元系压电陶瓷、无铅压电陶瓷K_1-xNa_xNbO₃中的一种或几种，分子式中0.1＜x＜1。

3.如权利要求1所述的环氧树脂基压电阻尼复合材料，其特征是所述的环氧树脂是液态缩水甘油醚型环氧树脂，其由多元酚或多元醇与环氧氯丙烷为原料经缩聚反应而制备的。

4.如权利要求3所述的环氧树脂基压电阻尼复合材料，其特征是所述的液态缩水甘油醚型环氧树脂是双酚A二缩水甘油醚、双酚F二缩水甘油醚、双酚S二缩水甘油醚型中的一种，或多种。

5.如权利要求1所述的环氧树脂基压电阻尼复合材料，其特征是所述的胺类固化剂是多乙烯多胺、聚醚胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺中的一种，或多种。

6.一种制备权利要求1至5中任一权利要求所述环氧树脂基压电阻尼复合材料的方法，其特征是采用以下步骤的方法：

1)将压电陶瓷粉过筛，得到325～7000目的过筛压电陶瓷粉；

2)将过筛后的压电陶瓷粉与导电炭黑分别加入到硅烷偶联剂的乙醇溶液中，进行表面处理，然后过滤干燥，得到表面改性的压电陶瓷粉；

3)将表面改性后的压电陶瓷粉按所述环氧树脂基压电阻尼复合材料的所有组分的总质量的40～85％与环氧树脂混合，再按环氧树脂质量的0.5％加入导电炭黑，并在室温下机械搅拌，然后将搅拌的物料置于超声波振荡仪中振荡，得到混合料；

4)将混合料加入胺类固化剂，搅拌均匀后将其浇注于模具中至1/2～2/3满，待其凝胶；

5)重复步骤3)得到相同含量的混合料，然后向其加入与步骤4)相同的胺类固化剂，经搅拌均匀后将以上模具进行二次浇注至满，并于常温下固化，再升温至120℃后固化，然后随炉冷却，脱模后打磨，得到所述环氧树脂基压电阻尼复合材料，该复合材料具有梯度夹层结构。

7.如权利要求6所述的环氧树脂基压电阻尼复合材料的制备方法，其特征是将搅拌的物料置于超声波振荡仪中振荡过程中，采用的工艺条件是：温度为90℃，频率为60～90Hz，振荡时间为3～4个小时。

8.如权利要求6所述的环氧树脂基压电阻尼复合材料的制备方法，其特征是于常温下固化3～4个小时。

9.如权利要求6所述的环氧树脂基压电阻尼复合材料的制备方法，其特征是在升温至120℃后的固化过程中，固化时间为2～3个小时。

10.如权利要求6所述的环氧树脂基压电阻尼复合材料的制备方法，其特征是所述环氧树脂基压电阻尼复合材料，其极化条件为：

1)油浴加热，极化温度为80～120℃；

2)极化电压为8～12kV/mm；

3)极化时间为20～30min。

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