CN106893261A - 一种轻质高强多孔金属复合阻尼材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及复合阻尼材料领域，具体的说是一种轻质高强多孔金属复合阻尼材料及其制备方法。该阻尼材料以多孔金属为约束增强层，采用真空辅助成型工艺方法使液态的聚合物基体与多孔金属进行复合，固化后获得了一种新型的具有较高模量同时兼具高阻尼多孔金属复合阻尼材料。这种材料表观密度在1200kg/m3以下，10‑300Hz频率范围内，损耗因子均在0.5以上，最大损耗因子为0.8，损耗模量均在100MPa以上，最大损耗模量在220MPa以上，是一种新型的轻质高强复合阻尼材料，较一般阻尼材料具有更大的综合性能和应用效果的优势。

Description

一种轻质高强多孔金属复合阻尼材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及复合阻尼材料领域，具体的说是一种轻质高强多孔金属复合阻尼材料及其制备方法。
背景技术
在舰船的舱室壁板、动力机械设备基座、管路系统等部位应用有大量的粘弹性阻尼材料，粘弹性阻尼材料通过将振动的机械能转变为热能而耗散，从而成为舰船减振降噪技术的关键材料，其应用效果直接关系到舰船的噪声控制水平。然而，现有的粘弹性阻尼材料模量较低，不能作为承力结构件使用，而且为了提高阻尼减振的效果，通常在粘弹性阻尼材料层表面粘贴一层金属板，采用约束阻尼的结构形式，这种处理方式大大增加了材料的表观密度，不能满足舰船减重的设计需求。
由于多孔金属具有轻质、高强的结构特点，其阻尼损耗因子较一般的金属材料更高，将多孔金属材料于液态的粘弹性高分子材料进行复合，多孔金属材料既可以作为约束层提高粘弹性阻尼材料的模量，也可通过其内部大量的孔隙与粘弹性高分子基体材料之间的界面摩擦起到进一步提高材料阻尼性能的作用，这是多孔金属复合阻尼材料轻质、高强、高阻尼的基本原理。
在测试或工作频率范围内，粘弹性阻尼材料的损耗因子应在0.3以上，具备较好的应用效果其损耗因子应在0.5以上。在多孔金属复合阻尼材料研究方面，马里兰大学最早开展了多孔金属复合阻尼材料的研究，结果表明，泡沫铝与环氧类高分子材料复合所形成的阻尼材料在常温下其最大损耗因子达到0.3左右，损耗模量在100MPa左右，是一种新型的高模量复合阻尼材料，但由于受到制备工艺的限制，采用了粘度较低、损耗因子较小的环氧树脂作为复合的高分子基体材料，因此导致该复合材料的阻尼性能与实际需求相比仍然不够高。
国内辽宁工程技术大学开展了泡沫铝复合材料的制备技术及其阻尼性能的研究，分别采用松香、环氧树脂、环氧树脂加填料与泡沫铝采用常压渗透法进行复合材料的制备，并对其阻尼性能进行了测试，所获得的复合材料最大损耗因子在0.4左右，但由于采用了常压渗透的制备方法，同样对粘度较高的液态高分子材料不适用，需要采用加热降低粘度的方法，使制备工艺复杂化，且由于粘度较高使泡沫铝内部孔隙不能完全填充，导致材料成型质量和性能均受到较大的影响。
发明内容
本发明为克服目前多孔金属复合材料由于受高分子材料粘度和种类限制所导致的材料阻尼性能较低、成型质量不高等问题，旨在提供一种具有轻质、高强、高阻尼的多孔金属复合阻尼材料及其制备方法。
为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案为：一种轻质高强多孔金属复合阻尼材料，其特征在于：所述复合阻尼材料包括以下质量份数的组分：高分子基体材料100份、多孔金属1.08～2份、固化剂1.53～78.5份。
优选的，所述高分子基体材料为聚氨酯类、环氧树脂类、改性环氧树脂类或者丙烯酸酯类中的任意一种。
优选的，所述多孔金属为泡沫铝、泡沫镍或者泡沫钛中的任意一种；所述泡沫金属的密度为0.1～0.99g/cm3，孔隙率为10～90%，通孔率为65～100%。
优选的，所述固化剂为多元胺、多元醇、酸酐或异氰酸酯中的任意一种。
优选的，所述复合阻尼材料还包括质量份数为1.4 ～1.6的扩链剂，所述扩链剂为三苯酚。
一种制备所述的轻质高强多孔金属复合阻尼材料的方法，包括以下步骤：
步骤一：将所述高分子基体材料和固化剂按照所述质量份数比例混合，在常温下搅拌均匀并通过抽真空除泡得到基体混合物后备用；将所述质量份数的多孔金属加工成厚度为50～100mm的泡沫芯材，泡沫芯材先通过砂纸打磨表面除锈，再通过高压空气吹扫将浮尘及颗粒等杂质去除，最后通过丙酮溶剂浸泡去除油污后置于模具中备用；
步骤二：在所述模具中采用双层真空袋膜法对泡沫芯材进行密封：首先在模具中位于泡沫芯材的一端设置注胶管，另一端设置第一抽真空管，然后通过第一真空袋膜将模具密封，密封后通过第一抽真空管将模具和第一真空袋膜之间的真空度抽至-0.095MPa以上并保压10分钟，如果模具和第一真空袋膜之间的降压不超过0.01MPa则在第一真空袋膜外部再设置第二真空袋膜，并在第一真空袋膜和第二真空袋膜之间设置第二抽真空管，通过第二抽真空管将第二真空袋膜和第一真空袋膜之间的真空度抽至-0.095MPa以上并保压10分钟，如果第二真空袋膜和第一真空袋膜之间的降压不超过0.01MPa即可完成对模具中的泡沫芯材的密封；
步骤三：在通过步骤二所述的第一抽真空管将第一真空袋膜和模具之间持续减压的状态下打开注胶管，通过注胶管将步骤一中制备好的基体混合物吸入模具中与泡沫芯材复合，保持8～12分钟待该混合物将第一抽真空管中的空白管路填满后将第一抽真空管和注胶管关闭，此时泡沫芯材充分浸润在混合物中，混合物浸入泡沫芯材的孔隙中完成复合，保持第二袋膜和第一真空袋膜之间的真空状态直至初步固化形成复合阻尼材料的预制品；
步骤四：将步骤四中制得的预制品上的第一真空袋膜和第二真空袋膜拆除之后移入电热鼓风干燥箱进行后固化，在45～50℃条件下持续固化70～73小时即获得所述的轻质高强多孔金属复合阻尼材料。
优选的，所述注胶管设置在泡沫芯材的一端的下部。
优选的，位于所述模具和泡沫芯材的下端面之间依次设有采用聚四氟乙烯材料制成的脱模板以及完全覆盖脱模板的脱模布，在泡沫芯材的上端面上设有导流布。
优选的，在步骤一中所述的高分子基体材料和固化剂的混合物中加入质量份数为1.4 ～1.6的扩链剂，所述扩连接为三苯酚。
有益效果
通过本发明制备的多孔金属复合阻尼材料，其表观密度在1200kg/m3以下，10-300Hz频率范围内，损耗因子均在0.5以上，最大损耗因子为0.8，损耗模量均在100MPa以上，最大损耗模量在220MPa以上，且制备工艺简单，不受高分子材料粘度和类型的限制，成型质量高，可用于某些对重量限制较高的非承力部位或次承力部位，不但简化施工工艺，并能够起到减重、减振等功能。
附图说明
图1为本发明的复合阻尼材料制备过程中的成型工艺示意图；
图2为本发明的四个实施例在常温下的阻尼性能示意图；
图3为本发明的四个实施例在常温下的损耗模量示意图；
图中标记：1、泡沫芯材，2、模具，3、注胶管，4、第一抽真空管，5、第一真空袋膜，6、第二真空袋膜，7、第二抽真空管，8、脱模板，9、脱模布，10、导流布。
具体实施方式
下面结合几个具体实施例及实验数据对本发明作进一步的说明。
实施例1的一种轻质高强多孔金属复合阻尼材料以质量份数为100份的聚氨酯改性环氧树脂作为高分子基体材料、质量份数为1.08份的泡沫铝为多孔金属、质量份数为78.5份的聚醚胺作为固化剂、质量分数为1.4份的三苯酚作为扩链剂通过以下步骤制得。其中泡沫铝的密度为0.1 g/cm3，孔隙率为90%，通孔率为100%，厚度为50mm。
步骤一：在一个洁净容器中将所述质量份数的聚氨酯改性环氧树脂、聚醚胺以及三苯酚混合，并于常温下搅拌形成均匀的基体混合物，然后通过抽真空方式将基体混合物中的泡沫去除备用；将所述泡沫铝先通过砂纸打磨表面除锈，再通过高压空气吹扫将浮尘及颗粒等杂质去除，最后通过丙酮溶剂浸泡去除油污后备用；在模具中铺设一块采用聚四氟乙烯材料制成的脱模板，再用一块脱模布将脱模板完全覆盖，方便在制品初步固化后与模具分离和取出，最后将处理过的泡沫铝置于脱模布上并在泡沫铝的上端面上铺设一块导流布。
步骤二：在所述模具中采用双层真空袋膜法对泡沫芯材进行密封：首先在模具中位于泡沫金属的一端的下部设置与盛放有步骤一中制备的液态混合物的容器相连的注胶管，另一端设置第一抽真空管。使液态混合物能够由下至上均匀进入泡沫铝的孔隙之中，注胶管可通过夹子控制闭合或开启。然后通过第一真空袋膜将模具密封，密封后通过第一抽真空管将模具和第一真空袋膜之间的真空度抽至-0.095MPa以上并保压10分钟，如果模具和第一真空袋膜之间的降压不超过0.01MPa则在第一真空袋膜外部再设置第二真空袋膜，并在第一真空袋膜和第二真空袋膜之间设置第二抽真空管，通过第二抽真空管将第二真空袋膜和第一真空袋膜之间的真空度抽至-0.095MPa以上并保压10分钟，如果第二真空袋膜和第一真空袋膜之间的降压不超过0.01MPa即可完成对模具中的泡沫铝的密封；
步骤三：在通过步骤二所述的第一抽真空管将第一真空袋膜和模具之间持续减压的状态下打开注胶管。在大气压力的作用下，步骤一中制备好的基体混合物通过注胶管吸入模具中与泡沫芯材复合。保持8～12分钟待该混合物将第一抽真空管中的空白管路填满后将第一抽真空管和注胶管关闭，此时泡沫芯材充分浸润在混合物中，混合物浸入泡沫芯材的孔隙中完成复合，保持第二袋膜和第一真空袋膜之间的真空状态直至初步固化形成复合阻尼材料的预制品；
步骤四：将步骤四中制得的预制品上的第一真空袋膜和第二真空袋膜拆除之后移入电热鼓风干燥箱进行后固化，在45～50℃条件下持续固化70～73小时即获得所述的轻质高强多孔金属复合阻尼材料。
实施例2的一种轻质高强多孔金属复合阻尼材料以质量份数为100份的聚氨酯改性环氧树脂作为高分子基体材料、质量份数为2份的泡沫铝为多孔金属、质量份数为78.5份的聚醚胺作为固化剂、质量分数为1.6份的三苯酚作为扩链剂通过与实施例1中相同的步骤制得。其中泡沫铝的密度为0.99 g/cm3，孔隙率为10%，通孔率为65%，厚度为60mm。
实施例3的一种轻质高强多孔金属复合阻尼材料以质量份数为100份的羟基丙烯酸酯作为高分子基体材料、质量份数为1.56份的泡沫钛为多孔金属、质量份数为3.6份的甲苯二异氰酸酯作为固化剂通过与实施例1中相同的步骤制得。其中泡沫钛的密度为0.45 g/cm3，孔隙率为65%，通孔率为75%，厚度为80mm。
实施例4的一种轻质高强多孔金属复合阻尼材料以质量份数为100份的聚氨酯作为高分子基体材料、质量份数为1.75份的泡沫镍为多孔金属、质量份数为1.53份的三乙醇胺作为固化剂通过与实施例1中相同的步骤制得。其中泡沫镍的密度为0.67 g/cm3，孔隙率为50%，通孔率为70%，厚度为100mm。
四个实施例采用的组分及质量份数配比如表一所示，所用到的四种多孔金属性能参数如表二所示。需要说明的是，本实施例只为具体说明本发明，并不代表本发明的保护范围。本发明的高分子基体材料还可以选用聚氨酯PU类、环氧树脂EP类、改性环氧树脂类以及丙烯酸酯类中的其他材料，以常温下粘度较低的适合于液态浇注加工成型的高分子材料为宜。本发明的固化剂可采用1，4丁二醇、二乙基甲苯二胺、咪唑、甲基四氢苯酐等其他材料，均落在本发明的保护范围之内。
表一
表二
如图1及图2所示，本发明的四个实施例的轻质高强多孔金属复合阻尼材料在常温下的阻尼性能以及损耗模量，在10-300Hz频率范围内，损耗因子均在0.5以上，最大损耗因子为0.8，损耗模量在100MPa以上，最大损耗模量在220MPa以上，与通过现有技术制备的多孔金属复合阻尼材料相比，损耗因子最大提高260%，损耗模量最大提高220%，因此可应用于舱室壁板、轻围壳等非承力结构或次承力结构件，起到减振降噪的作用，同时能够简化应用工艺，满足舰船减重、降噪的需求。

Claims (9)

1.一种轻质高强多孔金属复合阻尼材料，其特征在于：所述复合阻尼材料包括以下质量份数的组分：高分子基体材料100份、多孔金属1.08～2份、固化剂1.53～78.5份。
2.根据权利要求1所述的一种轻质高强多孔金属复合阻尼材料，其特征在于：所述高分子基体材料为聚氨酯类、环氧树脂类、改性环氧树脂类或者丙烯酸酯类中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的一种轻质高强多孔金属复合阻尼材料，其特征在于：所述多孔金属为泡沫铝、泡沫镍或者泡沫钛中的任意一种；所述泡沫金属的密度为0.1～0.99g/cm3，孔隙率为10～90%，通孔率为65～100%。
4.根据权利要求1所述的一种轻质高强多孔金属复合阻尼材料，其特征在于：所述固化剂为多元胺、多元醇、酸酐或异氰酸酯中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的一种轻质高强多孔金属复合阻尼材料，其特征在于：所述复合阻尼材料还包括质量份数为1.4 ～1.6的扩链剂，所述扩链剂为三苯酚。
6.一种制备权利要求1所述的轻质高强多孔金属复合阻尼材料的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：将所述高分子基体材料和固化剂按照所述质量份数比例混合，在常温下搅拌均匀并通过抽真空除泡得到基体混合物后备用；将所述质量份数的多孔金属加工成厚度为50～100mm的泡沫芯材（1），泡沫芯材（1）先通过砂纸打磨表面除锈，再通过高压空气吹扫将浮尘及颗粒等杂质去除，最后通过丙酮溶剂浸泡去除油污后置于模具（2）中备用；
步骤二：在所述模具（2）中采用双层真空袋膜法对泡沫芯材（1）进行密封：首先在模具（2）中位于泡沫芯材（1）的一端设置注胶管（3），另一端设置第一抽真空管（4），然后通过第一真空袋膜（5）将模具（2）密封，密封后通过第一抽真空管（4）将模具（2）和第一真空袋膜（5）之间的真空度抽至-0.095MPa以上并保压10分钟，如果模具（2）和第一真空袋膜（5）之间的降压不超过0.01MPa则在第一真空袋膜（5）外部再设置第二真空袋膜（6），并在第一真空袋膜（5）和第二真空袋膜（6）之间设置第二抽真空管（7），通过第二抽真空管（7）将第二真空袋膜（6）和第一真空袋膜（5）之间的真空度抽至-0.095MPa以上并保压10分钟，如果第二真空袋膜（6）和第一真空袋膜（5）之间的降压不超过0.01MPa即可完成对模具（2）中的泡沫芯材（1）的密封；
步骤三：在通过步骤二所述的第一抽真空管（4）将第一真空袋膜（5）和模具（2）之间持续减压的状态下打开注胶管（3），通过注胶管（3）将步骤一中制备好的基体混合物吸入模具（2）中与泡沫芯材（1）复合，保持8～12分钟待该混合物将第一抽真空管（4）中的空白管路填满后将第一抽真空管（4）和注胶管（3）关闭，此时泡沫芯材（1）充分浸润在混合物中，混合物浸入泡沫芯材（1）的孔隙中完成复合，保持第二袋膜和第一真空袋膜（5）之间的真空状态直至初步固化形成复合阻尼材料的预制品；
步骤四：将步骤四中制得的预制品上的第一真空袋膜（5）和第二真空袋膜（6）拆除之后移入电热鼓风干燥箱进行后固化，在45～50℃条件下持续固化70～73小时即获得所述的轻质高强多孔金属复合阻尼材料。
7.根据权利要求6所述的一种制备轻质高强多孔金属复合阻尼材料的方法，其特征在于：所述注胶管（3）设置在泡沫芯材（1）的一端的下部。
8.根据权利要求6所述的一种制备轻质高强多孔金属复合阻尼材料的方法，其特征在于：位于所述模具（2）和泡沫芯材（1）的下端面之间依次设有采用聚四氟乙烯材料制成的脱模板（8）以及完全覆盖脱模板（8）的脱模布（9），在泡沫芯材（1）的上端面上设有导流布（1）。
9.根据权利要求6所述的一种制备轻质高强多孔金属复合阻尼材料的方法，其特征在于：在步骤一中所述的高分子基体材料和固化剂的混合物中加入质量份数为1.4 ～1.6的扩链剂，所述扩连接为三苯酚。
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