CN116104893B - 一种高阻尼变刚度点阵复合结构减振器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种高阻尼变刚度点阵复合结构减振器及其制备方法，属于减振器领域，所述减振器由点阵复合结构和底座构成；点阵复合结构是由点阵金属和粘弹性材料复合而成，点阵金属孔隙率调控范围为30%~90%，点阵金属孔棱直径1~3mm，最小孔直径为0.8~2.5mm，点阵金属的基体材料为钢铁材料，粘弹性材料的基体材料为环氧树脂或聚氨酯。本发明通过点阵结构孔型参数、孔隙率的有效调控，将减振器的刚度调节在弹性连接与刚性连接之间，克服了弹性连接和刚性连接的不足；将粘弹性材料通过渗流加真空辅助技术填充到点阵结构中，通过材料改性和工艺调控，解决了粘弹性材料与金属界面结合性差、粘弹性材料填充点阵金属不充分以及粘弹性材料内部、粘弹性材料与金属界面易产生气泡的难题。
Description
技术领域
本发明属于减振器领域，特别提供一种高阻尼变刚度点阵复合结构减振器及其制备方法。
背景技术
航空航天、舰船等高端装备的减振降噪是迫切需要解决的技术难题，随着设备越来越高速化、自动化，也带来了普遍存在的噪音和振动问题，长此以往会降低设备的精密度，同时会让工作人员产生烦躁等情绪，严重影响人员的身心健康，因此，减振降噪已成为制备高端装备高效能服役的关键技术瓶颈。
设备与船体的连接方式通常分为弹性连接和刚性连接，弹性连接主要是指将设备安装在粘弹性材料减振器上，再通过减振器与船体相连。弹性连接时，减振降噪效果明显，但是存在刚度过低，安装在上面的设备振动烈度过大的问题，具有较大的安全隐患。同时，橡胶等粘弹性材料易老化，需要频繁更换，提高了设备的运维成本。刚性连接是指不安装减振器，设备依靠螺栓等紧固件直接与船体相连，这种连接方式的优点是设备的振动烈度较低，安全性高。但是，刚性连接将振动和噪声通过船体源源不断传递出去，几乎无减振降噪能力。因此，寻求一种刚度介于弹性连接和刚性连接中间、具有高阻尼特性的减振器对于提升装备的整体减振降噪水平具有重大的工程价值。
点阵金属具有孔隙率可自由调控、孔型结构可自由设计的特点，可以设计出刚度介于弹性连接和刚性连接的点阵结构减振器，并通过孔隙率的调控，实现变刚度点阵结构减振器的设计，同时将粘弹性材料填充到点阵结构减振器中来制备高阻尼点阵复合结构减振器，是舰船等高端装备减振降噪较优的解决方案。但是粘弹性材料和金属的界面结合差、粘弹性材料渗流填充到小孔径点阵金属中填充困难以及渗流不充分易产生气泡的问题使得材料的性能变差，距离实际应用还有很大差距。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种高阻尼变刚度点阵复合结构减振器及其制备方法。
本发明的首要目的是通过点阵结构孔型参数、孔隙率和孔径大小的有效调控，设计出变刚度点阵结构减振器，具体为：
一种高阻尼变刚度点阵复合结构减振器，所述减振器由点阵复合结构和底座构成；点阵复合结构是由点阵金属和粘弹性材料复合而成，点阵金属孔隙率调控范围为30%~90%，点阵金属孔棱直径1~3mm，最小孔直径为0.8~2.5mm，点阵金属的基体材料为钢铁材料，粘弹性材料的基体材料为环氧树脂或聚氨酯。
作为优选的技术方案：
所述点阵金属的胞元孔型结构为BCC结构或Kelvin结构。
所述环氧树脂的型号为E44和/或E51，每100重量份的环氧树脂还需添加25~35重量份的固化剂、5~20重量份的增韧剂、5~20重量份的活性稀释剂，得到的环氧树脂系粘弹性材料的室温粘度控制在200~10000mPa﹒s；其中：所述固化剂优选为T31固化剂，增韧剂优选为邻苯二甲酸二丁酯，活性稀释剂优选为已二醇二缩水甘油醚。其中所述固化剂能够使环氧树脂完全固化，太少无法实现固化，过多易使环氧树脂变脆，不利于阻尼性能；所述增韧剂可增强树脂体系的柔韧性；所述活性稀释剂通过参与反应控制体系的粘度。
以聚氨酯为基体材料的粘弹性材料的制备方法为：聚氨酯颗粒加热到120~160℃，融化后加入稀释剂丙酮，丙酮添加量为：每100重量份的聚氨酯颗粒还需添加5~30重量份的丙酮，制备得到聚氨酯系粘弹性材料。
所述的粘弹性材料中还含有纳米级SiC改善阻尼性能，其添加量为粘弹性材料的0.5~5wt.%。所述纳米级SiC质轻，能够分散均匀，并有效增加材料的阻尼性能。
上述两种粘弹性材料能够保证与金属材料界面的粘接强度，并且使粘弹性材料渗流填充到小孔隙的点阵金属中。
本发明的另一目的是通过设计粘弹性材料的配比和渗流工艺，提升粘弹性材料与点阵金属界面润湿性和界面结合强度，同时使粘弹性材料可以在小孔径的点阵金属内部有效填充，消除界面和粘弹性材料内部的气泡等缺陷，最终制备出粘弹性材料与金属界面结合紧密、点阵金属内部填充充分且无气泡的高阻尼变刚度点阵复合结构减振器，具体为：
一种高阻尼变刚度点阵复合结构减振器的制备方法，具体步骤如下：
步骤一：通过三维设计软件设计点阵金属，采用选区激光熔化增材制造工艺制备点阵金属，并对点阵金属进行热处理，热处理工艺为：升温至1050~1080℃，保温30~120min，水冷，升温速率为5~20℃/min；热处理后通过喷砂处理去除氧化层，再利用超声清洗去除表面污物；
步骤二：按不同工艺配置粘弹性材料，配置完成后，环氧树脂系粘弹性材料需要加热到80~120℃后进行电磁搅拌和超声振动，聚氨酯系粘弹性材料加热到120~160℃后进行电磁搅拌和超声振动；
步骤三：将步骤二中粘弹性材料在混匀后立即通过自然渗流填充到点阵金属中，并在填充温度下抽真空至-10-2~-10-1Pa ，保持30~60min，通过固化得到点阵复合结构，所述点阵复合结构与底座组合后构成高阻尼变刚度点阵复合结构减振器。
作为优选的技术方案：
步骤三中，在填充之前对点阵金属预热，预热温度与步骤二中所对应的粘弹性材料加热温度相同；环氧树脂系粘弹性材料的固化工艺为：在50~80℃温度下保持30~60min，然后在室温下固化；聚氨酯系粘弹性材料的固化工艺为：在50℃以下的真空干燥箱中烘干。
采用本发明所述方法制备得到的点阵复合结构减振器具有高阻尼和变刚度特性，其阻尼比高于10%，刚度在69~276kN/mm范围内自由调控，可作为航空航天、船舶、精密仪器领域的振动与噪声传递路径部件。
本发明的优点及有益效果是：
1）本发明通过点阵结构孔型参数、孔隙率的有效调控，将点阵结构减振器的刚度，调节在弹性连接与刚性连接之间，克服了弹性连接和刚性连接的不足，本发明所述点阵复合结构减振器具有变刚度的特点。
2）本发明将粘弹性材料通过渗流加真空辅助技术填充到点阵结构减振器中，通过材料改性和工艺调控，解决了粘弹性材料与金属界面结合性差、粘弹性材料填充点阵金属不充分以及粘弹性材料内部、粘弹性材料与金属界面易产生气泡的关键难题，开发出的高阻尼变刚度点阵复合结构减振器，在航空航天、船舶、精密仪器等领域的振动与噪声传递路径中具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为点阵复合结构减振器BCC胞元结构示意图；
图2为点阵复合结构减振器点阵金属结构示意图；
图3为填充物为环氧树脂的点阵复合结构示意图。
图4为未添加蒙皮的BCC胞元点阵复合结构减振器结构示意图。
图5为添加蒙皮的BCC胞元点阵复合结构减振器结构示意图。
图6为未添加蒙皮的Kelvin胞元点阵复合结构减振器结构示意图。
具体实施方式
实施例所述减振器由点阵复合结构和底座构成，点阵复合结构顶部和底座均设置螺栓孔，实现设备的固定安装。点阵复合结构是由点阵金属和粘弹性材料复合而成。点阵金属胞元孔型结构可自由设计。
实施例1
BCC点阵金属：采用的材料为316L金属粉末，点阵金属的单胞结构如图1所示，孔隙率为30%，孔棱直径为1mm，最小孔的直径为0.8mm，点阵金属结构示意图如图2所示。
粘弹性材料：基体材料为E44型环氧树脂，具体质量份数配比为：环氧树脂100份，T31固化剂25份，邻苯二甲酸二丁酯增韧剂5份， 50nm的SiC无机填料0.1份，已二醇二缩水甘油醚活性稀释剂5份，所得环氧树脂系粘弹性材料的室温粘度为10000mPa﹒s。
高阻尼变刚度点阵复合结构减振器的制备步骤如下：
步骤一：通过三维设计软件设计点阵金属，采用选区激光熔化增材制造工艺制备点阵金属，并对点阵金属进行热处理，热处理工艺为：以5℃/min的升温速率升温到1050℃，保温30min，水冷。通过喷砂去除表面氧化层，通过超声清洗去除表面污物。
步骤二：配置粘弹性材料，在80℃下进行电磁搅拌和超声振动混合均匀。
步骤三：将粘弹性材料渗流到已预热到80℃的点阵金属中，再在-10-1Pa的真空环境下保持30min，然后在50℃下烘60min，取出后在室温固化12h，制备得到点阵复合结构如图3所示。将点阵复合结构与底座组合后得到阻尼比为0.12、刚度为276KN/mm，界面结合强度高、粘弹性材料内部和界面结合处未见气泡的高阻尼变刚度点阵复合结构减振器，如图4所示为未添加蒙皮的BCC胞元点阵复合结构减振器结构示意图，如图5所示为添加蒙皮的BCC胞元点阵复合结构减振器结构示意图。
对比例1
本例为实施例1的对比例，区别在于粘弹性材料的质量份数配比为：环氧树脂100份，T31固化剂40份，邻苯二甲酸二丁酯增韧剂5份， 50nm的SiC无机填料0.1份，已二醇二缩水甘油醚活性稀释剂5份，所得环氧树脂系粘弹性材料的室温粘度为500mPa﹒s。
制备得到的点阵复合结构减振器的阻尼比为0.05，其阻尼比低于0.1，不能满足性能要求。
对比例2
本例为实施例1的对比例，区别在于粘弹性材料未经电磁搅拌和超声振动混合，直接采取直接渗流填充，未经真空处理，制备得到的点阵复合结构填充比例低，不能填充充分。
实施例2
Kelvin结构点阵金属：采用的材料为316L金属粉末，孔隙率为60%，孔棱直径为2mm，最小孔直径为1.8mm。
粘弹性材料：基体材料为50wt.%的E44型环氧树脂和wt.50%的E51型环氧树脂的混合树脂，具体质量份数配比为：混合树脂100份，T31固化剂30份，邻苯二甲酸二丁酯增韧剂10份，50nm的SiC无机填料3份，已二醇二缩水甘油醚活性稀释剂10份，所得环氧树脂系粘弹性材料的室温粘度为3000mPa﹒s。
高阻尼变刚度点阵复合结构减振器的制备步骤如下：
步骤一：通过三维设计软件设计点阵金属，采用选区激光熔化增材制造工艺制备点阵金属，并对点阵金属进行热处理，热处理工艺为：以10℃/min的升温速率升温到1080℃，保温90min，水冷。通过喷砂去除表面氧化层，通过超声清洗去除表面污物。
步骤二：配置粘弹性材料，在100℃下进行电磁搅拌和超声振动混合均匀。
步骤三：将粘弹性材料渗流到已预热到100℃的点阵金属中，再在-10-2Pa的真空环境下保持60min，再经过-10-2Pa的真空环境30min，然后在70℃下烘40min，取出后在室温固化12h，将点阵复合结构与底座组合后得到阻尼比为0.15、刚度为150KN/mm，界面结合强度高、粘弹性材料内部和界面结合处未见气泡的高阻尼变刚度点阵复合结构减振器，如图6为未添加蒙皮的Kelvin胞元点阵复合结构减振器结构示意图。
实施例3
BCC点阵金属：采用的材料为316L金属粉末，孔隙率为90%，孔棱直径为3mm，最小孔直径为2.5mm。
粘弹性材料：基体材料为E51型环氧树脂，具体质量份数配比为：环氧树脂100份，T31固化剂35份，邻苯二甲酸二丁酯增韧剂20份，50nm的SiC无机填料5份，已二醇二缩水甘油醚活性稀释剂20份通，所得环氧树脂系粘弹性材料的室温粘度为200mPa﹒s。
高阻尼变刚度点阵复合结构减振器的制备步骤如下：
步骤一：通过三维设计软件设计点阵金属，采用选区激光熔化增材制造工艺制备点阵金属，并对点阵金属进行热处理，热处理工艺为：以20℃/min的升温速率升温到1050℃，保温120min，水冷。通过喷砂去除表面氧化层，通过超声清洗去除表面污物。
步骤二：配置粘弹性材料，在120℃下进行电磁搅拌和超声振动混合均匀。
步骤三：将粘弹性材料渗流到已预热到120℃的点阵金属中，再在-10-1Pa的真空环境下保持30min，然后在80℃下烘30min，取出后在室温固化12h，将点阵复合结构与底座组合后得到阻尼比为0.14、刚度为69KN/mm，界面结合强度高、粘弹性材料内部和界面结合处未见气泡的高阻尼变刚度点阵复合结构减振器。
实施例4
BCC点阵金属：采用的材料为316L金属粉末，孔隙率为30%，孔棱直径为1mm，最小孔直径为0.8mm。
粘弹性材料：基体材料为聚氨酯，在120℃下融化聚氨酯颗粒，添加30wt.%的稀释剂丙酮和0.1 wt.%的50nm的SiC无机填料。
高阻尼变刚度点阵复合结构减振器的制备步骤如下：
步骤一：通过三维设计软件设计点阵金属，采用选区激光熔化增材制造工艺制备点阵金属，并对点阵金属进行热处理，热处理工艺为：以5℃/min的升温速率升温到1080℃，保温30min，水冷。通过喷砂去除表面氧化层，通过超声清洗去除表面污物。
步骤二：配置粘弹性材料，在120℃下进行电磁搅拌和超声振动混合均匀。
步骤三：将粘弹性材料渗流到已预热到120℃的点阵金属中，再在-10-2Pa的真空环境下保持30min，然后在50℃下固化5h，将点阵复合结构与底座组合后得到阻尼比为0.15、刚度为276KN/mm，界面结合强度高、粘弹性材料内部和界面结合处未见气泡的高阻尼变刚度点阵复合结构减振器。
对比例3
本例为实施例4的对比例，在100℃下融化聚氨酯颗粒，添加30 wt.%的稀释剂和0.1 wt.%的50nm的SiC无机填料，利用电磁搅拌混合均匀后渗流到预热到100℃的点阵金属中，在100℃下聚氨酯流动性较差，只能填充部分区域。
对比例4
本例为实施例4的对比例，采用的材料为316L金属粉末，制备孔隙率为30%的BCC点阵金属，孔棱直径为1mm，最小孔直径为0.8mm，刚度为276KN/mm。热处理工艺为：5℃/min的升温速率升温到1050℃，保温30min，水冷。在120℃下融化聚氨酯颗粒，添加30 wt.%的稀释剂和0.1 wt.%的50nm的SiC无机填料，利用电磁搅拌混合均匀后渗流到预热到120℃的点阵金属中，未经真空处理，在50℃下固化5h，其界面处存在气泡，界面结合性不好。
实施例5
BCC点阵金属：采用的材料为316L金属粉末，孔隙率为60%，孔棱直径为2mm，最小孔直径为1.8mm。
粘弹性材料：基体材料为聚氨酯，在140℃下融化聚氨酯颗粒，添加15 wt.%的稀释剂丙酮和3 wt.%的50nm的SiC无机填料。
高阻尼变刚度点阵复合结构减振器的制备步骤如下：
步骤一：通过三维设计软件设计点阵金属，采用选区激光熔化增材制造工艺制备点阵金属，并对点阵金属进行热处理，热处理工艺为：以10℃/min的升温速率升温到1050℃，保温90min，水冷。通过喷砂去除表面氧化层，通过超声清洗去除表面污物。
步骤二：配置粘弹性材料，在140℃下进行电磁搅拌和超声振动混合均匀。
步骤三：将粘弹性材料渗流到已预热到140℃的点阵金属中，再在-10-2Pa的真空环境下保持60min，然后在40℃下固化5h，将点阵复合结构与底座组合后得到阻尼比为0.16、刚度为150KN/mm，界面结合强度高、粘弹性材料内部和界面结合处未见气泡的高阻尼变刚度点阵复合结构减振器。
实施例6
BCC点阵金属：采用的材料为316L金属粉末，孔隙率为90%，孔棱直径为3mm，最小孔直径为2.5mm。
粘弹性材料：基体材料为聚氨酯，在160℃下融化聚氨酯颗粒，添加5wt.%的稀释剂丙酮和5 wt.%的50nm的SiC无机填料。
高阻尼变刚度点阵复合结构减振器的制备步骤如下：
步骤一：通过三维设计软件设计点阵金属，采用选区激光熔化增材制造工艺制备点阵金属，并对点阵金属进行热处理，热处理工艺为：以20℃/min的升温速率升温到1050℃，保温120min，水冷。通过喷砂去除表面氧化层，通过超声清洗去除表面污物。
步骤二：配置粘弹性材料，在160℃下进行电磁搅拌和超声振动混合均匀。
步骤三：将粘弹性材料渗流到已预热到160℃的点阵金属中，再在-10-2Pa的真空环境下保持30min，然后在30℃固化4h，将点阵复合结构与底座组合后得到阻尼比为0.18、刚度为69KN/mm，界面结合强度高、粘弹性材料内部和界面结合处未见气泡的高阻尼变刚度点阵复合结构减振器。
本发明未尽事宜为公知技术。
尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。
Claims (7)
1.一种高阻尼变刚度点阵复合结构减振器的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤一：通过三维设计软件设计点阵金属，采用选区激光熔化增材制造工艺制备点阵金属，并对点阵金属进行热处理，热处理工艺为：升温至1050~1080℃，保温30~120min，水冷，升温速率为5~20℃/min；热处理后通过喷砂处理去除氧化层，再利用超声清洗去除表面污物；
步骤二：按不同工艺配置粘弹性材料，配置完成后，环氧树脂系粘弹性材料需要加热到80~120℃后进行电磁搅拌和超声振动，聚氨酯系粘弹性材料加热到120~160℃后进行电磁搅拌和超声振动；
步骤三：将步骤二中粘弹性材料在混匀后立即通过自然渗流填充到点阵金属中，并在填充温度下抽真空至-10-2~-10-1Pa ，保持30~60min，通过固化得到点阵复合结构，所述点阵复合结构与底座组合后构成高阻尼变刚度点阵复合结构减振器；
所述环氧树脂的型号为E44和/或E51，每100重量份的环氧树脂还需添加25~35重量份的固化剂、5~20重量份的增韧剂、5~20重量份的活性稀释剂，得到的环氧树脂系粘弹性材料的室温粘度控制在200~10000mPa﹒s；环氧树脂加热温度为80℃，100℃或120℃；
以聚氨酯为基体材料的粘弹性材料的制备方法为：聚氨酯颗粒加热到120~160℃，融化后加入稀释剂丙酮，丙酮添加量为：每100重量份的聚氨酯颗粒还需添加5~30重量份的丙酮，制备得到聚氨酯系粘弹性材料；
步骤三中，在填充之前对点阵金属预热，预热温度与步骤二中所对应的粘弹性材料加热温度相同；环氧树脂系粘弹性材料的固化工艺为：在50~80℃温度下保持30~60min，然后在室温下固化；聚氨酯系粘弹性材料的固化工艺为：在50℃以下的真空干燥箱中烘干。
2.按照权利要求1所述高阻尼变刚度点阵复合结构减振器的制备方法，其特征在于：所述高阻尼变刚度点阵复合结构减振器的阻尼比高于10%，刚度在69~276kN/mm范围内自由调控。
3.一种采用权利要求1所述的制备方法制备的高阻尼变刚度点阵复合结构减振器，其特征在于：所述减振器由点阵复合结构和底座构成；点阵复合结构是由点阵金属和粘弹性材料复合而成，点阵金属孔隙率调控范围为30%~90%，其中，最小孔直径为0.8~2.5mm，点阵金属孔棱直径1~3mm，点阵金属的基体材料为钢铁材料，粘弹性材料的基体材料为环氧树脂或聚氨酯。
4.按照权利要求3所述高阻尼变刚度点阵复合结构减振器，其特征在于：所述点阵金属的胞元孔型结构为BCC结构或Kelvin结构。
5.按照权利要求3所述高阻尼变刚度点阵复合结构减振器，其特征在于：所述固化剂为T31固化剂，增韧剂为邻苯二甲酸二丁酯，活性稀释剂为已二醇二缩水甘油醚。
6.按照权利要求3所述高阻尼变刚度点阵复合结构减振器，其特征在于：所述的粘弹性材料中含有纳米级SiC改善阻尼性能，其添加量为粘弹性材料的0.5~5wt.%。
7.一种权利要求3所述高阻尼变刚度点阵复合结构减振器作为航空航天、船舶、精密仪器领域的振动与噪声传递路径部件的应用。
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