橡膠基壓電阻尼復(fù)合材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及減振降噪復(fù)合材料及其制備領(lǐng)域，特別是涉及一種用于軌道交通減振 的橡膠基壓電阻尼復(fù)合材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著現(xiàn)代工業(yè)、軌道交通運輸和航空航天業(yè)的飛速發(fā)展，機(jī)械設(shè)備趨于高速和自 動化，隨之引起的噪聲和振動問題日益嚴(yán)重，嚴(yán)重危害人們的身心健康并污染環(huán)境，因此減 振降噪、改善環(huán)境是一個亟待解決的問題。阻尼材料作為一類重要的減振產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于 軌道交通工具、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。如，阻尼消耗能量，使振動衰弱，對道路路面和橋梁的安全具有特殊意義，阻尼材料的阻 尼大小及有效溫域直接關(guān)系到道路路面或橋面鋪裝體系在動荷載作用下的振動強(qiáng)弱。傳統(tǒng) 的高聚物阻尼減振材料為粘彈性阻尼減振材料，它兼有粘性流體在一定的運動狀態(tài)下?lián)p耗 能量和彈性固體儲存能量的特性。因此粘彈性材料能夠?qū)⑼饨缯駝拥囊徊糠帜芰亢纳⒌舳?達(dá)到減振降噪的目的。高聚物減振材料對使用條件（溫度和振動頻率）有很大的依賴性： 當(dāng)高聚物減振材料所在的環(huán)境溫度低于Tg或振動頻率太低，鏈段運動主要是協(xié)同運動，這 時內(nèi)耗也很小，減振效果也不大；只有當(dāng)溫度在Tg附近和一定頻率時，鏈段作諧振運動，這 時內(nèi)耗才最大，減振效果才明顯。無法作為結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行設(shè)計與正常使用，不能滿足關(guān)鍵工 程中對阻尼性能和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度兼優(yōu)的苛刻需求。同時，其動態(tài)力學(xué)性能不具有可控性，也就是 說一旦選定了某一種材料和結(jié)構(gòu)形式，其減振結(jié)構(gòu)的動態(tài)力學(xué)性能都不能隨之變化而進(jìn)行 相應(yīng)的調(diào)整。
[0003] 壓電復(fù)合阻尼材料最早是由美國賓州州立大學(xué)材料實驗室首次提出的，他們根據(jù) "壓電分流"理論，提出將壓電材料填充到阻尼材料中，可使一些能量得以分流，有利于能量 的消耗，壓電材料能作為有效的結(jié)構(gòu)阻尼材料。近年來無論是在其理論研宄還是其性能研 宄，制備工藝以及應(yīng)用方面都取得了重大成果。
[0004] New nham等人在1978年提出了"聯(lián)結(jié)型"的概念，通過這個概念，復(fù)合可以改變材 料組成相的結(jié)構(gòu)，從而來研制多相材料。復(fù)合材料所含有的相可以用〇、1、2或3維相聯(lián)結(jié)。 兩個相自身聯(lián)結(jié)的維數(shù)決定了復(fù)合材料共有十種聯(lián)結(jié)類型，〇-〇、〇-1、〇_2、〇-3、1-1、1-2、 1-3、2-2、2-3、3-3。放在前面的是對功能效應(yīng)起主要作用的相的維數(shù)，放在后面的則是基體 的維數(shù)。對于壓電陶瓷-聚合物復(fù)合材料中，前一數(shù)字表示壓電陶瓷相，后一數(shù)字表示聚合 物相。壓電復(fù)合材料的性能與兩相的聯(lián)結(jié)方式關(guān)系極為密切。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)成的復(fù)合材料。綜合文獻(xiàn)報道，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（PVDF/TrFE)，聚乙炔（PA)，聚氯乙烯（PVC)、聚苯乙烯（PS) 和環(huán)氧樹脂等；另外一類為橡膠，如丁腈橡膠、氯丁橡膠、溴化丁基橡膠、氟橡膠等；壓電相 主要為鉛基的壓電材料，如鋯鈦酸鉛（PZT)，鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛（PMN-PT)。
[0005] 專利號CN101323697B的中國專利介紹了一種以環(huán)氧樹脂為基體，鉛基壓電 相一鋯鈦酸鉛（PZT)壓電陶瓷粉、鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛（PMN-PT)以及改性的PZT壓電陶瓷 為功能填料，導(dǎo)電碳黑為導(dǎo)電相形成導(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。
[0006] 專利號CN102408701A的中國專利介紹了一種以聚氨酯為基體，鉛基壓電相一鋯 鈦酸鉛（PZT)壓電陶瓷粉、鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛（PMN-PT)以及改性的PZT壓電陶瓷為功能填 料，導(dǎo)電石墨為導(dǎo)電相，制備了較好阻尼性能的壓電阻尼復(fù)合材料。
[0007] 專利號CN102617985A的中國專利介紹了以混雜增強(qiáng)環(huán)氧樹脂為基體，碳纖維/壓 電纖維為功能相獲得了高阻尼性能和高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)功能一體化材料，所涉及的壓電相為鉛 基的PZT。
[0008] 美國專利號（CN 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)械能激勵時，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。
[0009] 以上相關(guān)專利技術(shù)提到了以環(huán)氧樹脂或其他橡膠等聚合物為基體制備的阻尼材 料和以壓電陶瓷為功能相制備的減振阻尼材料，但針對軌道交通減振用三元乙丙橡膠為基 體，窄粒度分布的高性能壓電陶瓷為功能相，乙炔黑為導(dǎo)電相制備軌道交通用減振橡膠基 壓電復(fù)合阻尼材料并未涉及。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 技術(shù)問題：本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)振動機(jī)械能-電 能-熱能轉(zhuǎn)換，從而將振動機(jī)械能消耗掉的用于軌道交通減振的新型橡膠基壓電阻尼復(fù)合 材料，還提供該材料的容易制備的方法。
[0011] 技術(shù)方案：本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用以下的技術(shù)方案：
[0012] 本發(fā)明的橡膠基壓電阻尼復(fù)合材料以質(zhì)量份計，三元乙丙橡膠100份、壓電陶瓷 粉末PZT 20?140份、導(dǎo)電相0. 001?2份。
[0013] 所述的壓電陶瓷粉末PZT為？13(21'；111_ !￡)03陶瓷粉末，陶瓷粉粒徑集中在100? 300nm〇
[0014] 所述的導(dǎo)電相采用炭黑的一種或幾種混和物。
[0015] 所述的三元乙丙橡膠為乙烯、丙烯和非共軛二烯烴的三元共聚物；其乙烯、丙烯體 積比為50/50?80/20,非共軛二烯烴占所述橡膠總重量的2%?10%。
[0016] 本發(fā)明的橡膠基壓電阻尼復(fù)合材料的制備方法包括以下步驟：
[0017] 1)壓電陶瓷粉末PZT的制備：將PbZrJipA的粉末原料以30°C /min的速率升 高到550°C保溫60min，再以5°C /min的速率升高到1270°C保溫150min，隨爐冷后取出PZT 粉，研磨2h，得到100?300nm的壓電陶瓷PZT粉末；
[0018] 2)三元乙丙橡膠基壓電阻尼復(fù)合材料的制備：
[0019] A.塑煉：按重量份將三元乙丙橡膠基體100份放入開放式煉膠機(jī)中進(jìn)行塑煉，雙 輥溫度40°C，按照要求將橡膠劃成塊狀，再卷繞成卷子，塑煉5分鐘；
[0020] B.混煉：將上述卷子放入開煉機(jī)中混煉；
[0021] 再在所述開煉機(jī)中放入小料混煉；所述小料包括：硬脂酸SA 1份、ZnO 5份、防老 劑N-苯基-N'-基對苯二胺1份、補(bǔ)強(qiáng)劑N330炭黑54份、導(dǎo)電乙炔黑6份；
[0022] 放入干燥好的PZT陶瓷粉0. 001?140份混煉；保持雙輥溫度50°C，混煉10分鐘；
[0023] 再放入剩余的小料及交聯(lián)劑；所述小料包括：促進(jìn)劑N-環(huán)己基-2-并噻唑次磺酰 2份、二硫化二苯并噻唑1. 5份；交聯(lián)劑包括過氧化二異丙苯3. 5份、硫磺0. 5份。保持雙輥 溫度60°C，混煉5分鐘，使橡膠助劑及壓電陶瓷粉末在橡膠中混合均勻，薄通5次后下片；
[0024]C.硫化：將上述膠片停放18?30小時后，將平板硫化機(jī)預(yù)熱至160?170°C，將 混煉膠片放入平板硫化機(jī)的磨具中，加壓至15?20MPa，保溫保壓18?22分鐘，從平板硫 化機(jī)中取出硫化好的壓電復(fù)合材料，隨后放置于溫度23°C、濕度50%的環(huán)境中。
[0025] 經(jīng)過上述步驟，得到所述的用于軌道交通減振的橡膠基壓電阻尼復(fù)合材料。
[0026] 所述的壓電陶瓷粉的制備過程為：3°