聚氨酯基约束阻尼复合材料的制备及性能研究

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聚合物基阻尼材料因其具有变形耗能的性质,而被广泛应用于现代航空、航天、航海、交通运输、大型机械设备等各大领域,控制由机械振动而产生的振动、噪声及疲劳失效等问题。然而,遗憾的是,单一的均聚物玻璃化转变温域较窄,并且模量低,从而限制了高聚物阻尼减振材料的应用范围。为了获得宽温域、高阻尼、高模量的聚合物基阻尼减振材料,本文制备了约束型复合阻尼材料,并做了以下几个方面的研究:本文制备了一系列的接枝型聚氨酯弹性体及环氧树脂材料,通过红外光谱(FT-IR)对材料的反应机理进行了研究;通过扫描电子显微镜(SEM)、X-射线衍射(XRD)对阻尼材料的微观形貌进行了表征;通过差示扫描量热仪(DSC)、动态力学热分析仪(DMA)、万能电子拉力机、悬臂梁冲击测试仪对材料的宏观性能进行了测试。首先,本文确定了制备接枝型聚氨酯弹性体基体材料的最佳配方:主链预聚体以聚氧化丙烯二醇PPG-1000及PPG-2000为混合软段,其质量比为50:50,2,4-甲苯二异氰酸酯(TDI)为硬段,并且异氰酸根(-NCO)含量控制在6.0%左右;支链预聚体以PPG-2000为软段,TDI为硬段,并控制-NCO含量为2.5%左右;以三羟甲基丙烷(TMP)为交联剂;将质量比为2:1的主链及支链预聚体与TMP混合均匀,于100℃下固化成型。所得接枝型聚氨酯弹性体经DMA、DSC、静态力学测试表明,材料软、硬段相容性良好,最大损耗因子为1.05,并且阻尼温域可达62℃。其次,采用两种方法对接枝型聚氨酯弹性体基体材料进行改性研究,分别研究加入压电(PZT)、导电粒子(MWCNTs)组成的压电/导电效应对材料性能的影响,以及在接枝型聚氨酯阻尼材料中加入铜丝网络,初步探索局域共振理论对复合材料阻尼性能的影响。结果表明,(1)PZT/MWCNTs/接枝型聚氨酯弹性体复合材料。加入PZT后,材料的拉伸强度、拉伸弹性模量及断裂伸长率均有提高,最大损耗因子(tanδ)由初使的0.98最低降到0.89,且阻尼温域变窄。另外,经SEM表征,PZT在聚氨酯基体材料中分散性较好。进一步加入MWCNTs后,材料的拉伸强度、拉伸弹性模量增大,断裂伸长率降低。当MWCNTs含量达到1.0%以后,材料的阻尼温域拓宽,且阻尼损耗峰值变化不大,此时材料的综合性能最好;(2)铜丝网络/接枝型聚氨酯弹性体复合材料。加入铜丝网络后尽管材料的tanδ从0.98降到0.55,但E′却显著提高,阻尼温域从67℃拓宽到87℃、玻璃化转变温度(T_g)也明显向高温方向移动。第三,本文以环氧树脂E-44为基体,采用二甲硫基甲苯二胺(DADMT)、聚醚胺类固化剂(D2000)作为混合固化剂,制备了复合阻尼材料的约束层,并研究了混合固化剂的比例对材料性能的影响。经DMA、DSC、悬臂梁冲击测试仪测试表明:当DADMT与D2000的比例为0.85:0.15时,材料的T_g为80℃,阻尼峰值为0.6,耐冲击强度及硬度相对较好,并且在室温下材料的E′可达103MPa。最后,按照约束层、阻尼层、约束层的顺序制备层层复合材料,并通过DMA压缩模式测试其阻尼性能随温度、频率的变化趋势。结果表明:未加铜丝网的复合材料,在-10℃~60℃范围内,tanδ值最大可达1.0,最小也有0.67。随频率的变化,tanδ最小值有0.64,但是由于复合材料阻尼层质软且刚性小,只能将频率测准到300Hz,此时tanδ值最大,可达1.0;加入铜丝网后,复合材料的tanδ值随温度的变化不大,略微下降。而对于频率则可测到600Hz,且复合材料的tanδ值随频率稳步增加,最大可达1.6。
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