空心球環(huán)氧復(fù)合材料阻尼性能研究_圖文

1、空心球/環(huán)氧復(fù)合材料的阻尼性能研究顧健,武高輝(哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,哈爾濱150001摘要針對(duì)目前日益嚴(yán)重的振動(dòng)和噪聲問(wèn)題,本文采用浸滲法分別制得了兩種空心球(空心微珠FA和Al2O3空心球/環(huán)氧(EP復(fù)合材料,并對(duì)其進(jìn)行了密度、微觀形貌和阻尼性能進(jìn)行了研究。首先通過(guò)排水法測(cè)試了復(fù)合材料的密度,結(jié)果顯示空心微珠/環(huán)氧復(fù)合材料的密度(1.12g/cm3要高于Al2O3空心球/環(huán)氧復(fù)合材料的密度(1.06 g/cm3,通過(guò)復(fù)合材料表面和斷口的掃描(SEM照片觀察發(fā)現(xiàn)空心球在基體中分布均勻,并與基體粘結(jié)較好;阻尼性能的測(cè)試是采用動(dòng)態(tài)力學(xué)熱分析儀(DMA,通過(guò)拉伸-壓縮的方法在變溫條件下

2、完成的,研究結(jié)果顯示,相同體積分?jǐn)?shù)下,空心微珠/環(huán)氧復(fù)合材料的損耗因子高出Al2O3空心球/環(huán)氧復(fù)合材料0.035左右,計(jì)算表明兩者的阻尼/密度比(比密度阻尼相近。但是前者的阻尼溫域(T tan>0.5更寬,顯示了良好的阻尼性能。因此這兩種材料在減振降噪、環(huán)保和汽車等領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞復(fù)合材料阻尼性能空心微珠Al2O3空心球中圖分類號(hào)TB3320 前言現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展帶給人們方便和舒適的生活,但同時(shí)也造成了許多嚴(yán)重的問(wèn)題,如資源浪費(fèi)、環(huán)境污染(振動(dòng)和噪聲的污染等,為了解決日益嚴(yán)重的振動(dòng)和噪聲問(wèn)題,阻尼材料的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用就顯得非常重要1。空心微珠是一種新型的環(huán)境材料,是

3、由火力發(fā)電廠煤炭燃燒后的粉煤灰中提取出來(lái),其主要成分是硅鋁酸類無(wú)機(jī)粉體材料。作為一種工業(yè)廢料,其成本低廉,并且大量使用對(duì)于環(huán)境保護(hù)和廢物利用有積極的社會(huì)意義,此外,由于具有低密度、填充性能好、球形顆粒的應(yīng)力集中小、低導(dǎo)熱、高分散性和易加工等優(yōu)勢(shì)2,目前許多學(xué)者都在深入研究利用空心微珠來(lái)合成新材料以解決上述問(wèn)題3, 4。Al2O3空心球是一種工業(yè)產(chǎn)的空心陶瓷球,其主要成分是Al2O3。與其他空心球相比,也具有低密度(0.4g/cm30.6g/cm3、低成本等方面的優(yōu)勢(shì)。環(huán)氧樹(shù)脂(EP是常用的工業(yè)產(chǎn)品,具有耐熱、耐潮濕、化學(xué)穩(wěn)定性好和揮發(fā)性小等優(yōu)點(diǎn),并且與許多材料具有良好的粘結(jié)性能5。蔡小燁等人6

4、進(jìn)行了含SiO2微球環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的實(shí)驗(yàn)研究,測(cè)定了材料壓縮模量和抗壓強(qiáng)度。并進(jìn)行了微觀壓縮的全程觀察,分析了不同SiO2微球含量的材料在壓縮過(guò)程中的破壞模式。Huang 和Gibson7提出了空心微珠填充復(fù)合材料彈性模量的數(shù)學(xué)方法。國(guó)內(nèi), 盧子興等8,9 提出了對(duì)含有有限體積比的、一般空心微珠增強(qiáng)的復(fù)合材料有效模量的一些預(yù)測(cè)方法, 并最先開(kāi)展了聚氨酯復(fù)合泡沫塑料力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)研究。Gupta等10利用實(shí)驗(yàn)手段, 研究了填充微珠壁厚對(duì)環(huán)氧復(fù)合材料力學(xué)性能的影響, 還考慮了試件長(zhǎng)寬比對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。而對(duì)于空心球/聚合物的阻尼性能研究的報(bào)道很少。因此本實(shí)驗(yàn)采用改性環(huán)氧樹(shù)脂為基體,制得空心微珠和

5、Al2O3空心球/環(huán)氧兩種復(fù)合材料。并對(duì)其密度、阻尼性能和微觀形貌等進(jìn)行了分析和研究。1 材料制備和試驗(yàn)方法1.1 原料環(huán)氧樹(shù)脂(A組分:E-51、B組分:固化劑和促進(jìn)劑;聚氨酯(A組分:異氰酸酯、B組分:聚醚型固化劑、促進(jìn)劑等;環(huán)氧丙烷丁基醚(活性稀釋劑501,分析純;-氨丙基三乙氧基硅烷(硅烷偶聯(lián)劑KH-550,分析純;填料:空心微珠:密度約為0.57g/cm30.70g/cm3。Al2O3空心球:密度約為0.4g/cm30.6g/cm3,粒徑為0.5mm2mm。1.2 復(fù)合材料的制備將環(huán)氧樹(shù)脂A組分及B組分按3:1混合于60恒溫?cái)嚢韬?再以2:1的比例依次加入聚氨酯A組分及B組分混勻,加

6、入稀釋劑和消泡劑攪勻后,再加入已表面改性的空心微珠和Al2O3空心球,通過(guò)超聲分散和真空脫泡,將混合漿料注入到模具中固化得到復(fù)合材料,其中空心微珠和Al2O3空心球的體積分?jǐn)?shù)相同。表1列出了制得的三種材料。表1 制備的三種材料 1.3 密度測(cè)試、形貌觀察及阻尼性能測(cè)試密度測(cè)試:采用排水法分別測(cè)試了空心微珠和Al2O3空心球/環(huán)氧復(fù)合材料的密度。形貌觀察:采用掃描電鏡對(duì)拉伸試樣的斷面進(jìn)行了形貌觀察和分析。動(dòng)態(tài)力學(xué)分析(Dynamic Mechanical Analysis, DMA:在MAK-04型粘彈分析儀上采用拉伸-壓縮的方法測(cè)試;樣品尺寸為30mm3×5mm3×2mm3

7、;tan-T測(cè)試的頻率為30Hz,溫度掃描區(qū)間為-40150,測(cè)試過(guò)程的升溫速率為3· min-1;試驗(yàn)氣氛為氬氣。2 結(jié)果與討論2.1 密度測(cè)試復(fù)合材料的密度通過(guò)排水法測(cè)得。將四次測(cè)試結(jié)果取平均值得到如表2所列。表2 兩種復(fù)合材料的密度 由表2可見(jiàn),未添加空心微珠的改性環(huán)氧樹(shù)脂密度基體較大,達(dá)到1.41g/cm3,而添加了30%(體積分?jǐn)?shù)空心微珠的復(fù)合材料密度降到1.12g/cm3,降低了20.6%。此外,添加Al2O3空心球的復(fù)合材料密度降低更過(guò),約為 1.06g/cm3,低于添加空心微珠的環(huán)氧復(fù)合材料密度。說(shuō)明空心微珠和Al2O3空心球的加入在改性環(huán)氧樹(shù)脂基體內(nèi)引入了宏觀的孔洞

8、和少量氣孔,而這些孔洞和少量氣孔不僅降低了復(fù)合材料的密度,而且也對(duì)阻尼產(chǎn)生一定的促進(jìn)作用;并且材料中大量氣孔也增強(qiáng)了降噪效果11。2.2 微觀形貌圖1分別給出了空心微珠/環(huán)氧和Al2O3空心球/環(huán)氧復(fù)合材料的斷口形貌。從圖中可以看出,空心微珠和Al2O3空心球均為球形顆粒。在空心微珠/環(huán)氧復(fù)合材料中(圖(a和(c,空心微珠均勻的分散在基體中,并且與基體結(jié)合良好。這主要是因?yàn)榻?jīng)過(guò)硅烷偶聯(lián)劑表面處理后,在微珠的表面形成無(wú)機(jī)相-硅烷偶聯(lián)劑-有機(jī)相的界面結(jié)合層,從而使空心微珠對(duì)基體的潤(rùn)濕性有所改善,但形成的仍是弱相界面。相鄰空心微珠之間有足夠的距離使空心微珠充分流動(dòng),就可能在界面處通過(guò)摩擦消耗大量的能

9、量。在Al2O3空心球/環(huán)氧復(fù)合材料中(圖(b,由于Al2O3空心球本身的粒徑很大,達(dá)到2mm左右,因此在掃描照片中顯得比較大,但從斷口也可以看出,其與基體的結(jié)合也是較好的,說(shuō)明Al2O3空心球與基體也具有良好的浸潤(rùn)性。2.3 阻尼性能圖2是空心微珠/環(huán)氧和Al2O3空心球/環(huán)氧復(fù)合材料的tan-T曲線。從圖中可以看出,環(huán)氧基體的損耗因子(tan峰值為0.536,而添加相同體積分?jǐn)?shù)的空心微珠和Al2O3空心球后,兩種復(fù)合材料的tan峰值都明顯增加,且復(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度向低溫移動(dòng),說(shuō)明空心球的加入提高了環(huán)氧樹(shù)脂的阻尼能力。這是因?yàn)閺?fù)合材料的阻尼主要來(lái)源于基體材料的粘彈性12,隨著溫度的升高

10、,在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度區(qū)tan達(dá)到峰值。所以在相同體積分?jǐn)?shù)下,基體粘彈性對(duì)阻尼的貢獻(xiàn)相當(dāng)。與此同時(shí),當(dāng)添加空心微珠和Al2O3空心球后,引入了界面摩擦阻尼和球內(nèi)氣體熱阻尼等微觀機(jī)理,增加了復(fù)合材料在受激下的耗能,提高了阻尼能力。此外,空心微珠/環(huán)氧復(fù)合材料的損耗因子要略高出Al2O3空心球/環(huán)氧復(fù)合材料約0.03,并且計(jì)算得到兩者的阻尼/密度比(比密度阻尼也相差不大。以損耗因子tan值大于0.5所對(duì)應(yīng)的溫域范圍作為評(píng)判阻尼性能優(yōu)劣的另一個(gè)因素。通過(guò)比較可知,添加空心微珠時(shí),復(fù)合材料對(duì)應(yīng)的高阻尼溫域?yàn)?9,而添加Al2O3空心球復(fù)合材料的高阻尼溫域?yàn)?5,并且前者的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度要低于后者,由此可見(jiàn)

11、,添加空心微珠復(fù)合材料的阻尼性能相對(duì)更好。ba 圖1 兩種復(fù)合材料的斷口形貌(a,(c 空心微珠/環(huán)氧;(b Al 2O 3空心球/環(huán)氧。 圖2 復(fù)合材料的tan -T 曲線3 結(jié)論(1 空心微珠/環(huán)氧和Al 2O 3空心球/環(huán)氧復(fù)合材料的tan -T 曲線表明,環(huán)氧基體的tan 峰值為0.536,而添加相同體積分?jǐn)?shù)的空心微珠和Al 2O 3空心球后,復(fù)合材料的tan 峰值都明顯增加,說(shuō)明空心微珠和Al 2O 3空心球的加入改善了環(huán)氧樹(shù)脂的阻尼性能。其中空心微珠/環(huán)氧復(fù)合材料的損耗因子要略高出Al 2O 3空心球/環(huán)氧復(fù)合材料0.035左右,但計(jì)算表明兩者的阻尼/密度比(比密度阻尼接近。同時(shí),

12、空心微珠/環(huán)氧復(fù)合材料的高阻尼溫域(T tan >0.5達(dá)到69,阻尼性能相對(duì)更好。(2 密度測(cè)試表明,空心微珠/環(huán)氧和Al 2O 3空心球/環(huán)氧復(fù)合材料的密度分別為 1.12g/cm 3和1.06g/cm 3,比環(huán)氧樹(shù)脂的密度低很多。(3 空心微珠/環(huán)氧和Al 2O 3空心球/環(huán)氧復(fù)合材料的斷口形貌表明,空心微珠均勻的分散到基體中,并且與基體的結(jié)合良好,而Al 2O 3空心球與基體也具有良好的浸潤(rùn)性。參 考 文 獻(xiàn)1 謝賢清, 范同祥, 張荻, 等. 高阻尼木質(zhì)陶瓷/MB15復(fù)合材料的制備及性能分析J. 復(fù)合材料學(xué)報(bào), 2003, 20(1: 7-11. 2 LI R K Y , LI

13、ANG J Z, TJONG S C. Morphology and dynamic mechanical properties of glass beads filled low densitypolyethylene compositesJ. Journal of Materials Processing Technology, 1998, 79: 59-65.3 VIKRANT T, AURN S, ARIJIT B. Acoustic properties of cenosphere reinforced cement and asphalt concreteJ. AppliedAco

14、ustics, 2004, 65: 263-275.4 萬(wàn)超瑛, 張勇, 徐宏, 等. 超細(xì)空心微珠填充聚氯乙稀復(fù)合材料的研究J. 工程塑料應(yīng)用, 2003, 31(9: 15-18.5 陳平, 劉勝平. 環(huán)氧樹(shù)脂M. 化學(xué)工業(yè)出版社, 北京:1999.6 蔡小燁, 梁小清, 尚嘉蘭. SiO2微球復(fù)合材料力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)研究. 復(fù)合材料學(xué)報(bào). 1994, 11(4: 69-75.7 HUANG J S, GIBSON L J. Elastic moduli of a composite of hollow spheres in a matrixJ . J Mech Phys Solids, 1

15、993, 41(1:55 - 75.8 盧子興, 嚴(yán)寒冰. 復(fù)合泡沫塑料有效模量的預(yù)測(cè)方法A. 見(jiàn): 徐秉業(yè), 黃筑平主編, 塑性力學(xué)和地球動(dòng)力學(xué)進(jìn)展C.北京: 萬(wàn)國(guó)學(xué)術(shù)出版社, 2000, 111-117.9 盧子興, 嚴(yán)寒冰, 劉波, 等. 復(fù)合泡沫塑料力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)研究A. 見(jiàn): 白以龍, 楊衛(wèi)主編. 力學(xué)2000 C . 北京: 氣象出版社, 2000, 584-586.10 GUPTA N, WOLDESENBET E, MENSH P. Compression properties of syntactic foams: Effect of cenosphere radius ra

16、tioand specimen aspect ratioJ. Composites Part A, 2004, 35 (1: 103-111.11 陳艷秋, 李劍鋒, 王積森, 孫杰. 聚合礦物復(fù)合材料的阻尼性能和減振機(jī)理J. 振動(dòng)與噪聲控制, 1998, 5: 34-36.12 COUSIN P, SMITH P. Dynamic Mechanical Properties of Sulfonated Polystyrene/Alumina CompositesJ. J Polym Sci:Polym Phys Ed, 1994, 32(3: 459-468.作者簡(jiǎn)介:顧健,男,1980年出

17、生,博士研究生,主要研究方向?yàn)檩p質(zhì)阻尼材料。E-mail:gujian9804 Study on Damping Properties of Epoxy Composites FilledWith Hollow SpheresGU Jian,WU Gaohui(School of Materials Science and Engineering, Harbin Institute of Technology,Harbin 150001Abstract According to the increasing severe problems of vibration and noise, two

18、 kinds of hollow spheres (fly ash (FA and Al2O3microspheres/epoxy encapsulation composites were prepared by infiltration in our paper. The density, morphology as well as damping properties of composites were investigated. Specifically, the densities of composites were measured by the drainage, and the results indicated that the density of FA/epoxy composites was 1.12g/cm3, which was higher than that of Al2O3microspheres/epoxy composites (1.06g/cm3. SEM fractographs showed that the hollow spheres were distributed into the matrix homogeneously, and combined well with the