專利名稱：：一種環(huán)氧樹脂基壓電復(fù)合阻尼材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種壓電陶瓷/聚合物復(fù)合材料及其制備方法，特別是涉及一種環(huán)氧樹脂基壓電復(fù)合阻尼材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
：隨著社會的發(fā)展，機(jī)械設(shè)備趨于高速和自動化，隨之引起的振動、噪聲和疲勞斷裂問題亦越來越突出，振動和噪聲限制機(jī)械設(shè)備性能的提高，嚴(yán)重破壞機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，并污染環(huán)境，危害人們的身心健康，因此減振降噪、改善環(huán)境是一個(gè)亟待解決的問題。阻尼材料作為一類重要的減振產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于交通工具、產(chǎn)業(yè)機(jī)械、建筑土木、家用電器、精密儀器和軍事裝備等領(lǐng)域的減振降噪工程，深受國內(nèi)外研究者的關(guān)注。人們對振動及噪音的控制越來越重視，對阻尼材料的性能要求也就越來越高。傳統(tǒng)的阻尼材料基于高聚物的粘彈性，即在玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)域內(nèi)，由分子鏈運(yùn)動產(chǎn)生的內(nèi)摩擦，將外場作用的機(jī)械能或聲能部分地轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮苌⒁?，從而具有減振降噪作用。但傳統(tǒng)的阻尼材料存在有效溫域窄、性能受溫度和頻率的影響較大等缺點(diǎn)，無法滿足許多特殊環(huán)境的使用要求。壓電陶瓷/聚合物復(fù)合材料是一類重要的新材料，1978年美國賓州州立大學(xué)材料實(shí)驗(yàn)室首次提出了壓電陶瓷/聚合物復(fù)合材料的概念。近年來，無論是在其理論研究，還是其性能研究、制備工藝以及應(yīng)用開發(fā)方面都取得了許多重大成果。如在介電材料、傳感及控制、水聲材料、熱釋電材料等方面都有廣泛的研究和應(yīng)用。復(fù)合材料中各分量相可以用0，1，2，3維方式，其中0代表顆粒，l代表纖維，2代表平面薄膜，3代表空間網(wǎng)絡(luò)。按照各相材料的不同連通方式，壓電復(fù)合材料可以分為十種基本類型，即0-0，0-1，0-2，0-3，1-1，1-2，1-3，2-2，2-3，3-3型。0-3型壓電復(fù)合材料是指由壓電陶瓷顆粒均勻分散于三維連通的聚合物基體而構(gòu)成的兩相復(fù)合材料。綜合相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，0-3型壓電復(fù)合材料的聚合物基體材料主要有兩大類，一類為塑料或樹脂，如聚偏氟乙烯(PVDF)、聚偏氟乙烯/三氟乙烯共聚物P(VDF/TrFE)，聚乙炔(PA)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)和環(huán)氧樹脂等，主要用在介電材料、傳感及控制、水聲材料、熱釋電材料等方面；另一類為橡膠，如丁腈橡膠、氯丁橡膠、溴化丁基橡膠、氟橡膠等，主要用作減振阻尼和吸聲材料。而以環(huán)氧樹脂為基體制備壓電阻尼材料卻未見報(bào)道。專利號CN85100715A的中國專利介紹了一種以環(huán)氧樹脂與液體聚硫橡膠為基膠，以石墨、滑石、云母等粉末為填料的膩?zhàn)有妥枘嵬苛?。?dāng)阻尼材料與鋼板厚度比為2時(shí)，其復(fù)合損耗岡子大于0.05的溫度帶寬為S(TC。專利號CN1844290A的中國專利介紹了一種含有空心微珠的環(huán)氧樹脂-聚氨酯體系灌封阻尼槳料及制備方法。發(fā)明的灌封漿料具有低密度、低成本和阻尼性能好的特點(diǎn)。專利號CN1958707A的中國專利介紹了一種雙組分的環(huán)氧樹脂阻尼灌封膠。組分A主要由剛性環(huán)氧、柔性環(huán)氧、活性稀釋劑和液體丁腈橡膠制備，組分B為胺類固化劑。該環(huán)氧阻尼灌封膠的玻璃化溫度Tg可在-20120'C范圍內(nèi)調(diào)整，tanS腦x〉0.5。美國專利(專利號5526324)介紹了一種利用壓電陶瓷壓電效應(yīng)的吸聲/振動阻尼材料，在壓電陶瓷基體中引入導(dǎo)電粒子或纖維形成導(dǎo)電回路，在一定聲能或振動機(jī)械能激勵(lì)時(shí)，由壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電能在導(dǎo)電回路中轉(zhuǎn)換成熱能消耗掉，從而所有的聲能或振動機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉。以上相關(guān)專利技術(shù)提到了以環(huán)氧樹脂或其它聚合物為基體制備的阻尼材料和以壓電陶瓷為基體制備的減振阻尼材料，但對以環(huán)氧樹脂為基體、壓電陶瓷為功能填料制備的壓電復(fù)合阻尼材料并未涉及。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題之一在于提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)振動機(jī)械能一電能一熱能轉(zhuǎn)換、從而將振動機(jī)械能消耗掉的新型阻尼材料；本發(fā)明所要進(jìn)一步解決的技術(shù)問題在丁提供一種所述新型阻尼材料的制造方法。通過本發(fā)明可以獲得一種工藝簡便可行、寬溫域內(nèi)阻尼性能好的環(huán)氧樹脂基壓電復(fù)合阻尼材料。本發(fā)明以環(huán)氧樹脂為基體，加入壓電陶瓷粉和導(dǎo)電炭黑，采用合適的制備工藝，獲得了一種新型阻尼材料——0-3型環(huán)氧樹脂基壓電復(fù)合材料。該種環(huán)氧樹脂基壓電復(fù)合阻尼材料，包含有——環(huán)氧樹脂，質(zhì)量份為100份；——壓電陶瓷粉，質(zhì)量份為30220份，更好的選擇低限為50份、60份、80份，高限為120份、150份、200份；——導(dǎo)電炭黑，質(zhì)量份為0.55份，更好的選擇低限為0.8份、1.0份、1.5份，高限為3.0份、3.5份、4.0份;——固化劑，質(zhì)量份為30~120份，較好的用量為根據(jù)所選固化劑由環(huán)氧值、胺值計(jì)算的理論用量值附近，一般選擇80120%理論計(jì)算量，更好的加入量為理論量的90110%。按配方比例稱量環(huán)氧樹脂、壓電陶瓷粉和導(dǎo)電炭黑各組分并混合在一起，分散后加入合適的固化劑，混合均勻，澆注固化成型。成型的壓電復(fù)合材料在高壓直流油浴電場屮極化即制得本發(fā)明所述之環(huán)氧樹脂基壓電復(fù)合阻尼材料。稱量后加入固化劑前的分散可以用普通的機(jī)械分散方法，例如攪拌分散方法，優(yōu)選的分散方法為用超聲波分散法。超聲波分散法可以使粉料在樹脂基體中分散得更加均勻，有利于獲得均勻致密的壓電復(fù)合材料。環(huán)氧樹脂可以選擇25'C時(shí)粘度小于30Pa，s的液態(tài)環(huán)氧樹脂，更進(jìn)一步優(yōu)選自剛性環(huán)氧樹脂(E-51、E-44、6002和E-42)、縮水甘油醚型環(huán)氧樹脂、柔韌性環(huán)氧樹脂和直鏈型脂肪族柔韌性環(huán)氧樹脂(D.E.R.732)之一。壓電陶瓷粉為壓電常數(shù)cb在600pC/N以上的壓電陶瓷粉，更進(jìn)一步優(yōu)選自鋯鈦酸鉛PZT壓電陶瓷粉、鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛PMN-PT壓電陶瓷粉及改性PZT壓電陶瓷粉之一。導(dǎo)電炭黑使用普通的市售導(dǎo)電碳黑。用導(dǎo)電炭黑作為導(dǎo)電相，導(dǎo)電炭黑與壓電陶瓷粉在環(huán)氧樹脂基體中配合使用，有利于形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，提高電能轉(zhuǎn)化為熱能的效率，從而提高復(fù)合材料的阻尼性能。根據(jù)所用的環(huán)氧樹脂選擇合適的固化劑以及相應(yīng)的固化劑用量，固化劑可選擇胺類、酸酐類、酚醛類等固化劑，用量可參考根據(jù)所選固化劑由環(huán)氧值、胺值等計(jì)算的理論用量值，也可根據(jù)情況適當(dāng)調(diào)整，與通常環(huán)氧樹脂體系使用同化劑的技術(shù)要求相同，沒有特殊要求。以上選擇的技術(shù)措施可以單獨(dú)使用，也可以互相組合使用。例如，本專利介紹的不同的環(huán)氧樹脂可以和不同的壓電陶瓷粉組合使用。原料混合均勻后，將混合料澆注入模具，室溫固化12—48h成型，一般24h固化成型。成型的壓電復(fù)合材料在高壓直流油浴電場中極化。極化場強(qiáng)為0.8-8kv/mm，極化溫度為50-120°C，極化時(shí)間為15-90min。通過采用以上技術(shù)方案，可以達(dá)到下列技術(shù)效果提供了一種新型壓電復(fù)合阻尼材料，其在寬溫域內(nèi)(10~100°C)阻尼性能好(tanS^).3)，可作為自由阻尼材料在工程中應(yīng)用。環(huán)氧樹脂基壓電復(fù)合材料是一種智能材料，還可在智能減振降噪系統(tǒng)中得到應(yīng)用。該材料可以做成阻尼涂料、膩?zhàn)?、漿料以及灌注膠，也可以根據(jù)需要澆注成型為各種用途的型材。本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于交通工具、產(chǎn)業(yè)機(jī)械、建筑土木、家用電器、精密儀器和軍事裝備等領(lǐng)域的減振降噪工程，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。具體實(shí)施方式實(shí)施例1~4以環(huán)氧樹脂6002和固化劑5506為基體，添加PZT壓電陶瓷粉和導(dǎo)電炭黑制備環(huán)氧樹脂基壓電復(fù)合阻尼材料。按配方比例稱量環(huán)氧樹脂6002、PZT壓電陶瓷粉和導(dǎo)電炭黑各組分并混合在一起，超聲波分散后加入固化劑5506，機(jī)械攪拌混合均勻，將混合料澆注入模具，室溫固化24h成型。成型的壓電復(fù)合材料在髙壓直流油浴電場中極化，極化場強(qiáng)為4kv/mm，極化溫度為80°C，極化時(shí)間為45min。實(shí)施例14的配方見表1，壓電復(fù)合阻尼材料的阻尼性能見表2。<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>實(shí)施例5~8以低粘度柔韌性環(huán)氧樹脂D.E.R.732和脂肪族胺類固化劑5784為基體，添加壓電陶瓷粉和導(dǎo)電炭黑制備環(huán)氧樹脂基壓電復(fù)合材料。按配方比例稱量環(huán)氧樹脂D.E.R.732、PMN-PT壓電陶瓷粉和導(dǎo)電炭黑各組分并混合在一起，超聲波分散后加入固化劑5784，機(jī)械攪拌混合均勻，將混合料澆注入模具，室溫固化24h成型。成型的壓電復(fù)合材料在高壓直流油浴電場中極化，極化場強(qiáng)為4kv/mm，極化溫度為80。C，極化時(shí)間為45min。實(shí)施例58的配方見表3，實(shí)施例6所得iii電復(fù)合阻尼材料的阻尼性能見表4。表3實(shí)施例58配方(質(zhì)量份)<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>表4實(shí)施例6環(huán)氧樹脂基壓電復(fù)合材料的阻尼性能(26°C，測試執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GJB981-1990)<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>實(shí)施例912以粘度較高的環(huán)氧樹脂E-51和酚醛改性胺類固化劑T-31為基體，添加壓電陶瓷粉和導(dǎo)電炭黑制備環(huán)氧樹脂基壓電復(fù)合材料。按配方比例稱量環(huán)氧樹脂E-51、改性PZT壓電陶瓷粉和導(dǎo)電炭黑各組分并混合在一起，機(jī)械攪拌分散后加入固化劑T-31，再次機(jī)械攪拌混合'均^J，將泡合料澆注入模具，室溫固化24h成型后，熱處理(80°CX2h+100°CX2h)使其完全固化。成型的壓電復(fù)合材料在高壓直流油浴電場中極化。實(shí)施例912的配方見表5。表5實(shí)施例912配方(質(zhì)量份)組份實(shí)施例5實(shí)施例6實(shí)施例7實(shí)施例8環(huán)氧樹脂E-51畫100100100固化劑T-3140404550改性PZT壓電陶瓷粉70100180220導(dǎo)電炭黑0.81.54權(quán)利要求1、一種環(huán)氧樹脂基壓電復(fù)合阻尼材料，其特征在于，含有環(huán)氧樹脂質(zhì)量份為100份；壓電陶瓷粉質(zhì)量份為30～220份；導(dǎo)電炭黑質(zhì)量份為0.5～5份；固化劑質(zhì)量份為30～120份，根據(jù)環(huán)氧值、胺值等進(jìn)行理論計(jì)算，80～120％理論量；2、權(quán)利要求1所述環(huán)氧樹脂基壓電復(fù)合阻尼材料，其特征在于所述環(huán)氧樹脂是25"C時(shí)粘度小于30Pa*s的液態(tài)環(huán)氧樹脂。3、權(quán)利要求2所述環(huán)氧樹脂基壓電復(fù)合阻尼材料，其特征在于所述環(huán)氧樹脂選自環(huán)氧樹脂E-51、E-44、6002、E-42、縮水甘油醚型環(huán)氧樹脂、柔韌性環(huán)氧樹脂和直鏈型脂肪族柔韌性環(huán)氧樹脂D.E.R.732之一。4、權(quán)利耍求i所述環(huán)氧樹脂基壓電復(fù)合阻尼材料，其特征在:r:所述壓電陶瓷粉為壓電常數(shù)d33在600pC/N以上的壓電陶瓷粉。5、權(quán)利要求4所述環(huán)氧樹脂基壓電復(fù)合阻尼材料，其特征在于所述壓電陶瓷粉為鋯鈦酸鉛PZT壓電陶瓷粉、鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛PMN-PT壓電陶瓷粉及改性PZT壓電陶瓷粉之一。6、權(quán)利要求1所述環(huán)氧樹脂基壓電復(fù)合阻尼材料的制造方法，其特征在于包括以下步驟按配方比例稱量各組分、混合、分散、然后加入固化劑、機(jī)械攪拌混合均勻、澆注固化成型、成型的壓電復(fù)合材料在高壓直流油浴電場中極化。7、權(quán)利要求6所述環(huán)氧樹脂基壓電復(fù)合阻尼材料的制造方法，其特征在于所述混合后的分散方法是超聲波分散法。8、權(quán)利要求6所述環(huán)氧樹脂基壓電復(fù)合阻尼材料的制造方法，其特征在于包括以下步驟所述高壓直流油浴電場極化場強(qiáng)為0.8-8kv/mm，極化溫度為50畫120。C，極化時(shí)間為15-90min。全文摘要本發(fā)明介紹了一種環(huán)氧樹脂基壓電復(fù)合阻尼材料及其制法，其按質(zhì)量含有100份環(huán)氧樹脂，30～220份壓電陶瓷粉，0.5～5份導(dǎo)電炭黑，30～120份固化劑。經(jīng)過混合、分散、然后加入固化劑、混合均勻、澆注固化成型、成型的壓電復(fù)合材料在高壓直流油浴電場中極化，其在寬溫域內(nèi)(10～100℃)阻尼性能好(tanδ≥0.3)，可作為自由阻尼材料在工程中應(yīng)用，還可在智能減振降噪系統(tǒng)中得到應(yīng)用。該材料可以做成阻尼涂料、膩?zhàn)?、漿料以及灌注膠，及澆注成各種型材，用于交通工具、產(chǎn)業(yè)機(jī)械、建筑土木、家用電器、精密儀器和軍事裝備等領(lǐng)域的減振降噪工程。文檔編號B29C39/00GK101323697SQ200810140889公開日2008年12月17日申請日期2008年7月25日優(yōu)先權(quán)日2008年7月25日發(fā)明者朱曉君,林新志,磊梁,璇韋申請人:中國船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所