CN113927961A - 一种约束片材、含其的梯度阻尼结构及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及阻尼材料技术领域，具体而言，涉及一种约束片材、含其的梯度阻尼材料及制备方法，包括支撑板材和包覆层，所述支撑板材具有多个孔洞，所述包覆层覆于所述支撑板材的外表面，并填充在所述孔洞中；一方面可以使得包覆层形成一个整体，另一方面包覆层贯穿在支撑板中，使得支撑板材和包覆层的连接更加的稳固，并且，该约束层在受到外力时，包覆层与约束层不易产生滑移，能提供更多的约束作用。在本发明中，该约束片材包括金属材料的支撑板材和高分子材料的包覆层，在支撑板材上开设有多个孔洞，包覆层负载在支撑板材的表面和孔洞内；通过高分子材料和金属材料的复合，提供约束片材的约束力，进而提高阻尼材料的阻尼性。
Description
技术领域
本发明涉及阻尼材料技术领域，具体而言，涉及一种约束片材、含其的梯度阻尼结构及制备方法。
背景技术
舰船中配置大量的机械设备，这些机械设备在其工作时不可避免地会产生振动和噪声。使用约束阻尼结构进行减振处理可以降低振动和噪声对舰船的影响，即在振动的结构上敷设高阻尼材料，以吸收和消耗结构振动产生的能量，从而实现减振降噪的作用。
目前研究和应用的较多的多层阻尼材料，以“自由层-约束片材-”交替排列的形式，这种排列方式可以在整体上提高结构的阻尼性能，但是其扩宽结构阻尼温域的作用有限，环境适应性较差，无法满足结构在高寒、高温条件下的应用需要。
专利CN112135730A公开了多层约束层阻尼，其约束层为单一的高分子或金属材料、金属材料或者是陶瓷材料，将该专利公开的约束层应用到多层约束阻尼材料中，可起到一定的约束阻尼层的作用。但单一的约束层不能很好的约束阻尼层，对阻尼层的约束作用弱，当阻尼层受到较大的力时，其约束作用容易失效，导致约束阻尼材料的阻尼性能低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种约束片材及含其的梯度阻尼材料，该约束片材包括金属材料的支撑板材和高分子材料的包覆层，在支撑板材上开设有多个孔洞，包覆层负载在支撑板材的表面和孔洞内；通过高分子材料和金属材料的复合，提供约束片材的约束力，进而提高阻尼材料的阻尼性。
其具有多层阻尼片材和多层约束片材，多层不同玻璃化转变温度的阻尼片材与多层不同弹性模量的约束片材叠放，提高多层阻尼结构的有效阻尼温域，并且呈梯度设置的约束片材为约束阻尼片材，使得阻尼片材的受力转化为剪切力，提高阻尼片材的内耗。
本发明的通过以下技术方案实现：
一种约束片材，包括支撑板材和包覆层，所述支撑板材具有多个孔洞，所述包覆层覆于所述支撑板材的外表面，并填充在所述孔洞中；包覆层填充在支撑板的孔洞中，一方面可以使得包覆层形成一个整体，另一方面包覆层贯穿在支撑板中，使得支撑板材和包覆层的连接更加的稳固，并且，该约束层在受到外力时，包覆层与约束层不易产生滑移，能提供更多的约束作用。
所述包覆层的材质为环氧树脂、酚醛树脂、聚甲基丙烯酸甲酯、聚醚醚酮中的一种或多种；所述包覆层的厚度为0.05mm-0.2mm；较优选的，选用环氧树脂作为包覆层材料。
所述支撑板材的材质为单质金属或合金；所述支撑板材的厚度为1mm-3mm；其中，所述约束片材的弹性模量为1500MPa-2500MPa。
进一步的，所述支撑板材为铝薄片，其厚度为1.5m-2mm，以铝薄片为阻尼结构提供支撑力和约束力。
进一步的，在本发明中，所述支撑板材还可以为铝镁合金薄片，其厚度为1mm-1.5mm，铝镁合金力学性能较单一的铝薄片优异，其抗拉强度、屈服强度等均较好，其不仅可以为阻尼结构提供一定的支撑力和约束力，还能提高约束片材的其他力学性能。
进一步的，在本发明中，所述孔洞为圆形、规则或不规则的多边形，所述孔洞的直径为0.2mm-0.8mm。较优选的，选用圆形孔洞，圆形孔洞易于加工。
进一步的，在本发明中，多个所述孔洞呈矩形阵列、环形阵列或随机分布于所述支撑板材的表面。通过改变支撑片材上孔洞的排列方式，调节包覆层与支撑板的结合强度，在设计过程中，可根据实际的需求，设计孔洞的排列方式和间隔距离，以满足约束层的需求。
本发明的另一个目的在于提供一种约束片材的制备方法，包括以下步骤，
S1选取金属或合金板材，在板材上打孔，并将板材清洗干净，得到支撑板材；
S2将固化剂加入到包覆材料中，并将支撑板材放置在模具中，将包覆材料倒入模具内，待包覆材料固化后，取出支撑板材，打磨支撑板材表面的包覆层至相应厚度，即得到所述约束片材。
需说明的是，在本发明中，其模具用于固定支撑板材，以便于将包覆层包覆在支撑板材上，同时还需保证支撑板材上下面的包覆层厚度相同。
本发明的另一目的在于，提供一种梯度阻尼结构，包括多层不同玻璃化转变温度的阻尼片材和多层不同弹性模量的约束片材，所述阻尼片材与所述约束片材交错叠放并粘接连接。按远离被覆基体的方向，多层所述约束片材以弹性模量大小由小到大排列。
在本发明中，以包覆有环氧树脂、酚醛树脂、聚甲基丙烯酸甲酯、聚醚醚酮的金属薄片作为约束片材，金属薄片为阻尼片材提供支撑力和约束力，提高阻尼结构的整体强度和力学性能，而包覆在金属薄片表面的环氧树脂直接与阻尼片材粘接，提高阻尼片材与约束片材的连接性，并且，表面的高分子包覆层，还具有一定的阻尼作用，为金属薄片与阻尼片材提供柔性过渡，进而从整体上提高阻尼结构的阻尼值和阻尼温域。
本发明中的约束片材弹性模量大于阻尼片材，因此在受到外力时会约束阻尼片材的拉压形变，约束片材会产生相对滑移运动，导致约束片材所约束的阻尼片材受到剪切力。约束阻尼结构通过拉压应变和剪切应变两种方式耗散能量，剪切应变可促进聚合物分子链的相互运动和摩擦损耗，其剪切应变耗能远远大于拉伸耗能，因此在本发明中，约束片材在受力时，在保持约束作用的前提下，使得阻尼片材更容易发生剪切应变，提升剪切应变对阻尼性能的贡献。
进一步的，所述阻尼片材的材质为石油树脂改性的丁基橡胶。
进一步的，所述阻尼片材的厚度为0.2mm-0.5mm；所述约束片材的厚度为0.2mm-0.5mm。
进一步的，相邻所述阻尼片材的玻璃化转变温度的差值大于等于5℃。
进一步的，相邻所述约束片材的弹性模量的差值大于等于200MPa，在本发明中，约束片材的弹性模量为1500MPa-2500MPa。
进一步的，所述环氧树脂为E20,E44,E51中的一种或多种。
进一步的，按远离被覆基体的方向，所述支撑片的厚度逐渐变大，阻尼片材的玻璃化转变温度逐渐变大，阻尼片材的玻璃化转变温度越高，阻尼片材的强度越高，弹性模量较大的约束片材与强度更高的阻尼片材贴合可以起到更好的束缚作用。
进一步的，所述阻尼片材的厚度为0.2mm-0.5mm。
进一步的，所述约束片材的厚度为0.2mm-0.5mm。
本发明的另一个目的在于提供一种约束片材及含其的梯度阻尼材料的制备方法，包括以下步骤：
S1将混炼机在120℃下预热10min，将100phr含量的丁基橡胶切成薄片，放入混炼机中破碎10min，加入100phrCaCO3和100phr聚异丁烯，调节体系粘度；
S2向步骤S1制备的橡胶中，加入不同含量的石油树脂，在120℃混炼120min，得出不同玻璃化转变温度的阻尼材料；
S3将步骤S2制备的阻尼材料，在热压成型机上于120℃、10MPa热压5min，然后在相同压力下冷压至室温成型，制得不同玻璃化转变温度的阻尼片材；
S4选取金属或合金板材，在板材上打孔，并将板材清洗干净，得到支撑板材；
S5将固化剂加入到包覆材料中，并将支撑板材放置在模具中，将包覆材料倒入模具内，待包覆材料固化后，取出支撑板材，打磨支撑板材表面的包覆层至相应厚度，即得到所述约束片材；
S6将上述步骤S3制备的阻尼片材，S5制备的约束片材，交错叠放，并将阻尼片材和约束片材相互粘接，得到梯度阻尼结构。
本发明至少具有如下优点和有益效果：
在本发明中，该约束片材包括金属材料的支撑板材和高分子材料的包覆层，在支撑板材上开设有多个孔洞，包覆层负载在支撑板材的表面和孔洞内；通过高分子材料和金属材料的复合，提供约束片材的约束力，进而提高阻尼材料的阻尼性。
在本发明中，该阻尼结构包括多层不同玻璃化转变温度的阻尼片材，以及不同弹性模量的约束片材，阻尼片材和约束片材按一定的梯度排列，呈梯度排列的约束片材与阻尼片材配合，使得阻尼片材受到更多的剪切力，增加阻尼片材的内耗，提高阻尼性能。
并且多层不同玻璃化转变温度的阻尼片材，其能为多层阻尼结构在不同的温度下提供较好的阻尼效果，即提高阻尼材料的使用温域。多层叠放的阻尼片材，其阻尼峰值可叠加，进而提高了多层阻尼材料的最大阻尼值。
在本发明中，约束片材为高分子包覆材料与金属薄片的包覆物，金属薄片的力学性能较好，主要是提供约束作用，而高分子包覆材料不仅具有一定的约束力，还具有一定的阻尼性，通过高分子与金属薄片的结合，进一步的提高多层阻尼材料的阻尼性能。
具体实施方式
阻尼片材的制备：将混炼机在120℃下预热10min，将100phr含量的丁基橡胶切成薄片，放入混炼机中破碎10min，加入100phrCaCO3和100phr聚异丁烯，调节体系粘度；
分别将50,100,150,200phr的石油树脂加入到上述的丁基橡胶中，在120℃混炼120min，得出不同玻璃化转变温度的阻尼片材材料，将制得阻尼片材材料在热压成型机上于120℃、10MPa热压5min，然后在相同压力下冷压至室温成型，制得不同玻璃化转变温度的阻尼片材；分别编号为IIR1,IIR2,IIR3,IIR4。
其中，IIR1玻璃化转变温度-46.7℃；阻尼峰值1.52，阻尼峰值对应的温度为34.3℃。
IIR2玻璃化转变温度-31.6℃；阻尼峰值1.59，阻尼峰值对应的温度为52.4℃；
IIR3玻璃化转变温度-14.8℃；阻尼峰值1.67，阻尼峰值对应的温度为69.7℃；
IIR4玻璃化转变温度-7.2℃；阻尼峰值1.91，阻尼峰值对应的温度为75.5℃。
约束片材的制备：选取厚度分别为0.1mm，0.2mm，0.3mm，0.4mm的铝薄片，在铝薄片上均匀打圆孔，孔洞的直径为0.5mm，相邻孔洞的间隔为1cm。准备好模具，将铝薄片放置在模具中，随后将固化剂和不同含量的0.15mm的短切玻璃纤维加入到环氧树脂中搅拌均匀，再将环氧树脂浇入到模具中，固化成型，随后取出，打磨至一定厚度，即得到约束片材，分别编号为E1,E2,E3,E4，其弹性模量大小为E1<E2<E3<E4。其中，短切玻璃纤维的加入量分别为10％，15％，20％，25％，通过加入不同含量的短切玻璃纤维，以调节约束片材的弹性模量。
多层结构阻尼材料的制备：以1mm钢板为基材，将阻尼片材和约束片材交替叠放在基材上，利用阻尼片材材料的自粘性，将约束片材和阻尼片材粘接在一起，得到多层结构阻尼材料，并将多层结构阻尼材料粘接在基材上。
实施例1-5
表1为实施例1-5的多层阻尼材料的具体结构，其中，序号1表示的是靠近基体钢材的那一层，序号2为第二层，依次类推，各层厚度的单位为mm。
表1实施例1-5的多层约束阻尼材料
对比例1-5：
选取实施例1-5中制备的阻尼片材和约束片材，按照表2中的层叠方式制备多层约束阻尼材料。其中，对比例1-3均采用与实施例1-3相同的层叠方法，不同之处在于片材的叠放次序或厚度等；对比例4采用实施例4的约束片材中的环氧树脂制成的片材，不同之处在于，对比例4中的约束片材不含铝薄片,其中，A1表示厚度为0.5mm的环氧树脂片，A2表示厚度为0.4mm的环氧树脂片。对比例5中是选取实施例5中相同厚度的约束片材中的铝薄片，不含环氧树脂，其中B1-B4,表示厚度分别为0.1mm，0.2mm，0.3mm，0.4mm的铝薄片。
表2对比例1-5的多层约束阻尼材料
将负载有上述实施例1-5的阻尼材料的钢材，以及对比例1-5的阻尼材料钢材，通过对悬臂梁进行DMA(动态热机械分析)测试，得到各阻尼结构的复合阻尼因子，其结果如表3所示，需说明的是，表3中的阻尼因子为三次测试的平均值。
表3实施例1-5和对比例1-5的多层约束阻尼材料的阻尼因子
从上述表3中可以得出，实施例1-5中的多层约束阻尼材料，其在-30℃-70℃下的阻尼因子，均较对比例1-5的高，并且也均在0.14以上，满足舰船阻尼材料的需要，同时也说明实施例1-5的多层阻尼材料的有效阻尼温域为-30℃-70℃，通过设置多层梯度的阻尼片材和梯度的约束片材，提高的多层阻尼材料的阻尼因子和有效阻尼温域。
具体的，在实施例1和2中，约束片材按弹性模量由小到大排列，阻尼片材按玻璃化转变温度有小到大排列，两种多层阻尼材料的阻尼因子相差不大；对比例1-2中，其使用的阻尼片材和约束片材与实施例1-2的相同，但在对比例1-2中，约束片材未按梯度设置，多个约束片材的弹性模量相同，但对比例1-2的阻尼因子明显要小于实施例1-2的阻尼因子，说明在实施例1-2中，通过设置梯度的约束片材，提高的多层阻尼材料的阻尼性能。
对比例4中，约束片材采用的是单一的环氧树脂片。实施例4与对比例4相比，其多层阻尼材料的阻尼因子要明显高于对比例4的，一是因为在对比例4中，约束片材未按梯度设置，阻尼材料在受到外力时，约束片材不能发挥其最大的约束和作用，使得阻尼片材受到的剪切变形小，导致多层阻尼材料的整体阻尼效果差；二是因为对比例4中采用的是单一的环氧树脂作为约束片材，单一的环氧树脂层的支撑效果较实施例4中的差，其在受到外力时，容易产生纵向的变形，阻尼片材发生的剪切变形减少，阻尼片材的耗能少，导致多层阻尼材料的复合阻尼因子变小，阻尼性能变差。
实施例5与对比例5相比，实施例5的阻尼因子要高于对比例5的阻尼因子。在对比例5中，约束片材按厚度由小到大梯度设置，其厚度与实施例5的厚度相同，不同之处在于，对比例5中的约束片材不含有环氧树脂。由于在对比例5中，约束片材仅仅是铝薄片，其具有一定的强度，能够很好的支撑阻尼片材，但单一的铝薄片的弹性模量高，与阻尼片材硬结合，当受到外力时，仅能提高约束作用，不能提高阻尼作用，与阻尼片材的阻尼性不能产生叠加，导致整体的阻尼效果差，阻尼因子小。
采用国标GB/T15254-2014的制样要求制样，以基体钢板对应标准中的金属板，多层约束阻尼层对应标准中的硫化橡胶层，其结果如表4所示。
表4实施例1-5和对比例1-5的多层约束阻尼材料的稳定性
从上述表中可以得出，实施例1-5和对比例1-3的多层约束阻尼结构的剥离强度均大于对比例4和5的，而对比3中，约束层仅仅是含有环氧树脂，在对比例5中，仅仅含有铝薄片，说明通过将环氧树脂与铝薄片的结合，提高了约束片材与阻尼片材之间的连接强度，在测试过程中，整体的多层结构更不容易出现内部或外部分离/破坏。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种约束片材，其特征在于：包括支撑板材和包覆层，所述支撑板材具有多个孔洞，所述包覆层覆于所述支撑板材的外表面，并填充在所述孔洞中；
所述包覆层的材质为环氧树脂、酚醛树脂、聚甲基丙烯酸甲酯、聚醚醚酮中的一种或多种；所述包覆层的厚度为0.05mm-0.2mm；
所述支撑板材的材质为单质金属或合金；所述支撑板材的厚度为1mm-3mm；
其中，所述约束片材的弹性模量为1500MPa-2500MPa。
2.根据权利要求1所述的约束片材，其特征在于：所述支撑板材为铝薄片，其厚度为1.5m-2mm。
3.根据权利要求1所述的约束片材，其特征在于：所述支撑板材为铝镁合金薄片，其厚度为1mm-1.5mm。
4.根据权利要求1所述的约束片材，其特征在于：所述孔洞为圆形、规则或不规则的多边形，所述孔洞的直径为0.2mm-0.8mm。
5.根据权利要求1所述的约束片材，其特征在于：多个所述孔洞呈矩形阵列、环形阵列或随机分布于所述支撑板材的表面。
6.一种如权利要求1-5任一所述约束片材的制备方法，其特征在于：包括以下步骤，
S1选取金属或合金板材，在板材上打孔，并将板材清洗干净，得到支撑板材；
S2将固化剂加入到包覆材料中，并将支撑板材放置在模具中，将包覆材料倒入模具内，待包覆材料固化后，取出支撑板材，打磨支撑板材表面的包覆层至相应厚度，即得到所述约束片材。
7.一种梯度阻尼结构，其特征在于：包括多层不同玻璃化转变温度的阻尼片材和多层不同弹性模量的如权利要求1-5任一所述的约束片材，所述阻尼片材与所述约束片材交错叠放并粘接连接。
8.根据权利要求1所述的梯度阻尼结构，其特征在于：所述阻尼片材的材质为石油树脂改性的丁基橡胶。
9.根据权利要求5所述的梯度阻尼结构，其特征在于：所述阻尼片材的厚度为0.2mm-0.5mm；所述约束片材的厚度为0.2mm-0.5mm。
10.一种如权利要求7-9任一所述的梯度阻尼结构的制备方法，其特征在于：包括以下步骤，
S1将混炼机在120℃下预热10min，将丁基橡胶切成薄片，放入混炼机中破碎10min，加入CaCO3和聚异丁烯，调节体系粘度；
S2向步骤S1制备的橡胶中，加入不同含量的石油树脂，在120℃混炼120min，得出不同玻璃化转变温度的阻尼材料；
S3将步骤S2制备的阻尼材料，在热压成型机上于120℃、10MPa热压5min，然后在相同压力下冷压至室温成型，制得不同玻璃化转变温度的阻尼片材；
S4选取金属或合金板材，在板材上打孔，并将板材清洗干净，得到支撑板材；
S5将固化剂加入到包覆材料中，并将支撑板材放置在模具中，将包覆材料倒入模具内，待包覆材料固化后，取出支撑板材，打磨支撑板材表面的包覆层至相应厚度，即得到所述约束片材；
S6将上述步骤S3制备的阻尼片材，S5制备的约束片材，交错叠放，并将阻尼片材和约束片材相互粘接，得到梯度阻尼结构。
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