一種蜂窩夾芯複合結構材料及其製備方法
2023-04-30 00:00:06 1
一種蜂窩夾芯複合結構材料及其製備方法
【專利摘要】本發明公開了一種蜂窩夾芯複合結構材料及其製備方法。該複合材料包括蜂窩基體材料、填充材料及密封層；所述填充材料嵌於所述蜂窩基體材料中；所述密封層位於所述蜂窩基體材料的上下表面。所述填充材料為阻尼材料，具體為粘彈性的高分子流體。與傳統的阻尼材料相比，本發明的結構材料成功實現了高強度和高阻尼性能的結合，同時具有製備工藝簡單可靠、穩定性好和使用壽命長等優點，滿足交通運輸及航空、航天等特殊要求領域的需求。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本發明屬於材料領域，涉及一種阻尼材料，具體涉及一種蜂窩夾芯複合結構材料 及其製備方法。 一種蜂窩夾芯複合結構材料及其製備方法
【背景技術】
[0002] 振動不僅會造成機械結構的損壞，降低機器、儀表或工具的精度，而且還向周圍輻 射噪聲，汙染環境，給當前社會造成的危害日趨嚴重。因此，研究開發性能優異的阻尼材料 或結構，對減振降噪有著十分重要的意義。
[0003] 阻尼材料主要工作原理是吸收振動機械能並將其轉化為其他形式的能量（如熱 能、電能、磁能、聲能等）而耗散。作為傳統的阻尼材料，聚合物基阻尼材料利用其玻璃化轉 變區內的粘性阻尼特性，具有很好的減震降噪效果，並且比重輕、易於加工，應用非常廣泛。 然而，聚合物基阻尼材料存在著有效阻尼溫域較窄以及機械強度較低等缺點，這些都不同 程度地限制了其在工程中的實際應用。
[0004] 蜂窩結構材料由於其本身輕質，具有很高的比強度和比剛度，近年來在高速列車、 航空、航天等領域得到了廣泛的應用，粘彈性的高分子彈性體或者高分子流體具有優異的 阻尼性能，但其強度和剛度卻很低，難以滿足實際工程應用中對材料的需求。將兩者結合， 有望得到同時具有高強度和高阻尼性能的結構材料。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的在於解決上述問題，提供一種蜂窩夾芯複合結構材料及其製備方 法，實現高強度和高阻尼性能的結合，同時具有製備工藝簡單可靠、穩定性好、使用壽命長 及綠色環保等優點，滿足交通運輸及航空、航天等領域應用的需求。
[0006] 本發明提供的蜂窩夾芯複合結構材料，包括蜂窩基體材料、填充材料及密封層；
[0007] 所述填充材料嵌於所述蜂窩基體材料中；
[0008] 所述密封層位於所述蜂窩基體材料的上下表面。
[0009] 上述材料中，所述填充材料為阻尼材料，具體為粘彈性的高分子流體，更具體為以 離子液體為溶劑的高分子溶液或液體高分子；
[0010] 其中，所述以離子液體為溶劑的高分子溶液中，離子液體為[EMIM] [TFSI]、或 [BMIM]Ac，高分子為聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA)，聚乙烯吡咯烷酮（PVP)或聚氨酯（PU)，可為 PMMA/[EMM] [TFSI]溶液，PVP/[EMM] [TFSI]和 PU/[BMM]溶液，其中具體為 PMMA/[EMM] [TFSI]溶液，所述高分子PMMA的重均分子量為100, 000-500, 000,具體為350, 000,質量百 分濃度為5-20%，具體為8-15%。
[0011] 所述液體高分子具體為液體聚異丁烯（PIB)或液體聚丁二烯（PB)，所述液體聚異 丁烯（PIB)重均分子量為3, 000-30, 000,具體為8, 000 ;所述液體聚丁二烯（PB)的重均分 子量為 5, 000-20, 000,具體為 10, 000。
[0012] 所述蜂窩基體材料為芳綸紙蜂窩芯或鋁蜂窩芯；
[0013] 所述密封層由密封劑和/或交聯劑製得；
[0014] 所述密封劑為娃橡膠，具體為Dow Corningl86液體娃橡膠；
[0015] 所述交聯劑為多臂巰基交聯劑，具體為三羥甲基丙烷三（3-巰基丙酸酯）。
[0016] 所述蜂窩夾芯複合結構材料的最大阻尼因子為2-3,具體為2 ;
[0017] 阻尼因子tan δ >1的溫度範圍為-20到45°C，頻率範圍為1到100Hz。
[0018] 本發明提供的製備所述蜂窩夾芯複合結構材料的方法，包括如下步驟：
[0019] 先將所述密封劑和/或交聯劑塗覆在所述蜂窩基體材料的一個表面後，固化，再 將所述阻尼材料填充到蜂窩基體材料的蜂窩孔中，抽真空，再用所述密封劑和/或交聯劑 塗覆在所述蜂窩基體材料的另一個表面進行固化，得到所述蜂窩夾芯複合結構材料。
[0020] 上述方法的抽真空步驟中，真空度為0_500mbar，具體為200mbar，時間為0. 5-1小 時，具體為〇. 5小時。該抽真空步驟的目的是排除蜂窩孔中的空氣。
[0021] 所述固化步驟中，固化方法為加熱固化或紫外照射固化。
[0022] 具體的，所述加熱固化步驟中，溫度為50_80°C，具體為60°C，時間為2-5小時，具 體為3小時；
[0023] 所述紫外照射固化步驟中，紫外線的波長為300-400nm，具體為365nm，照射時間 為0. 5-2小時，具體為1小時。
[0024] 另外，上述本發明提供的蜂窩夾芯複合結構材料在製備阻尼減振材料中的應用， 也屬於本發明的保護範圍，其中，所述阻尼減振材料為交通運輸材料或航空航天材料。
[0025] 對於粘彈性的高分子流體來說，當受到外界作用時，相互纏結的分子鏈很容易產 生摩擦運動，因而具有比較高的阻尼損耗因子和很寬的阻尼溫域。本發明將蜂窩結構材料 的高模量和高分子流體的高阻尼性能相結合，具體是通過將粘彈性的高分子流體填充到蜂 窩結構的孔洞中去，下表面用矽橡膠薄膜密封，上表面經適度交聯密封后，製備得到的具有 三明治夾芯結構的蜂窩夾芯複合結構材料。當該材料受到外界振動或衝擊時，振動能量傳 遞到蜂窩內部填充的阻尼流體，流體內高分子鏈間的摩擦內耗將機械能轉化為熱能而耗 散，在具有高阻尼性能的同時，也具備很好的機械強度，從而滿足實際工程應用需求（具體 見圖1)。
[0026] 本發明具有以下優點：
[0027] 1、同時具有高強度和高阻尼性能：蜂窩芯結構用於抵抗外界衝擊形變，高分子流 體用於吸收和耗散能量。
[0028] 2、粘彈性高分子流體的有效填充使得該發明的結構材料具有很寬的有效阻尼溫 度範圍和頻率範圍，可以滿足在不同環境條件下的使用，特別是增強了其在極端環境下的 服役能力。
[0029] 3、該發明具有製備工藝簡單可靠、穩定性好、使用壽命長及綠色環保等優點，應用 前景非常廣泛。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0030] 圖1為蜂窩夾芯複合結構的製備過程及阻尼機理示意圖。
[0031] 圖2為實施例1中不同濃度PMMA/[EMIM] [TFSI]溶液的損耗因子tan δ隨角頻率 ω變化曲線（25°C )。
[0032] 圖3為實施例2中PIB儲能模量G'，損耗模量G"及損耗因子tan δ隨角頻率ω 變化曲線（25°C )
[0033] 圖4為實施例3中PB的儲能模量G'，損耗模量G"及損耗因子tan δ隨角頻率 ω變化曲線（25°C )。
[0034] 圖5為實施例3中蜂窩複合結構的儲能模量G'，損耗模量G"及損耗因子tan δ 隨溫度的變化譜圖（f = 1Hz)。
[0035] 圖6為實施例3中蜂窩複合結構的儲能模量G'，損耗模量G"及損耗因子tan δ 隨頻率的變化譜圖（25°C )。
[0036] 圖7為實施例3中芳綸紙蜂窩複合結構的壓縮應力-應變曲線
[0037] 圖8為實施例4中鋁蜂窩複合結構的壓縮應力-應變曲線
【具體實施方式】
[0038] 下述實施例中所述實驗方法，如無特殊說明，均為常規方法；所述試劑和材料，如 無特殊說明，均可從商業途徑獲得。
[0039] 用於實施例中的材料：
[0040] 芳綸紙蜂窩芯，購自蘇州芳磊蜂窩複合材料有限公司
[0041] 鋁蜂窩芯，購自蘇州芳磊蜂窩複合材料有限公司
[0042] 密封用灌封膠SYLGARD? 186Silicone Elastomer,購自 Dow Corning 公司
[0043] 聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA)，Mw = 350, 000,購自 Sigma-Aldrich
[0044] 離子液體[EMM] [TFSI]，純度>99 %，購自中科院蘭州化學物理研究所
[0045] 聚丁二烯（PB)，90% 1，2-vinyl，Μη = 10, 000,購自 Sigma-Aldrich
[0046] 聚異丁烯（PIB)，Μη = 8, 000,由北京化工大學提供
[0047] 三羥甲基丙烷三（3-巰基丙酸酯），作為PB交聯劑，購自Sigma-Aldrich
[0048] 2, 2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮（DMPA)，光引發劑，購自百靈威科技有限公司。
[0049] 二氯甲烷，分析純，購自北京化學試劑公司
[0050] 在本發明的新型蜂窩夾芯複合結構中，採用粘彈性的高分子流體優先具有：
[0051] (1)高的阻尼損耗因子tan δ和較寬的有效阻尼溫域；
[0052] (2)不揮發性，良好的熱穩定性和化學穩定性，及較長的使用壽命。
[0053] 在本實施例中，蜂窩基體材料選用了芳綸紙蜂窩芯和鋁蜂窩芯兩種，填充材料選 用PMMA/[EMM] [TFSI]溶液，PU/[BMM]Ac溶液和液體聚丁二烯（ΡΒ)三種材料。
[0054] 實施例1、填充有PMMA/[EMM] [TFSI]溶液的芳綸紙蜂窩夾芯複合阻尼材料
[0055] 1、PMMA/[EMM] [TFSI]溶液的製備
[0056] 將PMMA溶於二氯甲烷中，隨後加入[EMM] [TFSI]離子液體，攪拌均勻後，在室溫 下靜置，使二氯甲烷基本揮發後，再在70°C下減壓烘乾至恆重。得到無色澄清透明的粘稠 溶液。分別配製PMMA質量分數為咖丨 1%、。#1%及15wt%的離子液體溶液。對不同質量分 數的PMMA/[EMM] [TFSI]溶液作動態剪切測試，結果如圖2所示，可以看出，PMMA/[EMM] [TFSI]溶液表現出很高的阻尼損耗因子。
[0057] 2、填充有離子液體聚合物蜂窩材料的製備
[0058] 在平整的四氟板上塗上一層未固化的Dow Corningl86液體矽橡膠，將裁剪好的芳 綸紙蜂窩芯輕輕置於上面，在60°C下固化3h，蜂窩芯的下部即被矽橡膠薄膜粘接密封。
[0059] 用注射器將8wt% PMMA/[EMM] [TFSI]溶液填充到蜂窩的孔洞中去，抽真空0. 5h， 至真空度為200mbar，完全排除裡面的氣泡後，再將塗有未固化液體矽橡膠的矽橡膠薄膜置 於蜂窩芯板的上部，在60°C下加熱固化3h，將蜂窩芯板的上部進行粘接密封，製備得到具 有三明治夾芯結構的複合阻尼材料。
[0060] 該蜂窩夾芯複合結構材料由蜂窩基體材料、填充材料及密封層組成；其中，填充材 料8wt% PMMA/[EMM] [TFSI]溶液嵌於蜂窩基體材料芳綸紙蜂窩芯中；密封層矽橡膠薄膜 位於所述蜂窩基體材料的上下表面。
[0061] 圖2為該實施例中不同濃度PMMA/[EMIM] [TFSI]溶液的損耗因子tan δ隨角頻率 ω變化曲線（25°C )。由圖可知，濃度為8wt%的PMMA/[EMIM] [TFSI]溶液表現出很好的阻 尼性能，在〇. l-l〇〇rad/s的頻率範圍內tan δ均大於1。
[0062] 實施例2、填充有液體聚異丁烯（ΡΙΒ)的芳綸紙蜂窩夾芯複合阻尼材料
[0063] 按照實施例1的步驟，僅將8wt% PMMA/[EMM] [TFSI]溶液替換為液體聚異丁烯 (ΡΙΒ)，得到本發明提供的具有三明治夾芯結構的複合阻尼材料。
[0064] 該蜂窩夾芯複合結構材料由蜂窩基體材料、填充材料及密封層組成；其中，填充材 料液體聚異丁烯（ΡΙΒ)嵌於蜂窩基體材料中；密封層矽橡膠薄膜位於所述蜂窩基體材料的 上下表面。
[0065] 圖3為該實施例中ΡΙΒ的儲能模量G'，損耗模量G"及損耗因子tan δ隨角頻率 ω變化曲線（25°C )。由圖可知，ΡΙΒ在測試的頻率範圍0. Ι-lOrad/s內都具有很高的阻尼 損耗因子，表現出優異的阻尼性能。
[0066] 實施例3、填充有液體聚丁二烯（PB)的芳綸紙蜂窩夾芯複合阻尼材料
[0067] 在本實施例中，選用液體PB作為填充材料來製備蜂窩夾芯複合結構。
[0068] 對PB做動態剪切測試，結果如圖4所示，可以看出，液體PB在整個頻率範圍內都 具有很高的阻尼損耗因子。
[0069] 在平整的四氟板上塗上一層未固化的Dow Corningl86液體矽橡膠，將裁剪好的芳 綸紙蜂窩芯輕輕置於上面，在60°C下固化3h，蜂窩芯的下部被矽橡膠薄膜粘接密封。
[0070] 用注射器將PB填充到蜂窩的孔洞中去，抽真空0. 5h，至真空度為200mbar，完全排 除裡面的氣泡後，將混有4%wt交聯劑三羥甲基丙烷三（3-巰基丙酸酯）的PB溶液塗覆於 蜂窩芯板的上部，在365nm紫外光照射固化lh，得到具有三明治夾芯結構的複合阻尼材料。
[0071] 該蜂窩夾芯複合結構材料由蜂窩基體材料、填充材料及密封層組成；其中，填充材 料液體PB嵌於蜂窩基體材料芳綸紙蜂窩芯中；密封層位於蜂窩基體材料的上下表面。
[0072] 對本實施例的蜂窩複合結構採用DMA Q800型動態熱機械分析儀（TA公司，美國） 對其阻尼性能進行測試，模式為壓縮模式，分別進行了溫度掃描（圖5)和頻率掃描（圖6) 測試。
[0073] 從圖中可知，該蜂窩複合結構的最大阻尼因子tan δ _達到2.0,阻尼因子 tan δ >1的溫度範圍為-20到45°C，頻率範圍為1到100Hz，具有高的阻尼因子和寬的阻尼 溫域和頻域，表現出優異的阻尼減振性能。
[0074] 採用萬能拉伸機對其力學性能進行測試，模式為壓縮模式，壓縮速度3mm/min。圖 7為芳綸紙蜂窩複合結構的壓縮應力-應變曲線，從圖中可以看到其壓縮模量達到130Mpa， 屈服應力為1. 63Mpa，該芳綸紙蜂窩結構表現出良好的力學性能。
[0075] 實施例4、填充有液體聚丁二烯（PB)的鋁蜂窩夾芯複合阻尼材料
[0076] 本實施例的製作方法與實施例3相同，其中選用液體1?作為填充材料，鋁蜂窩芯 作為基體材料來製備蜂窩夾芯複合結構材料。
[0077] 在平整的四氟板上塗上一層未固化的Dow Corningl86液體矽橡膠，將裁剪好的鋁 蜂窩芯輕輕置於上面，在60°C下固化3h，蜂窩芯的下部被矽橡膠薄膜粘接密封。
[0078] 用注射器將PB填充到蜂窩的孔洞中去，抽真空0. 5h，至真空度為200mbar，完全排 除裡面的氣泡後，將混有4%wt交聯劑三羥甲基丙烷三（3-巰基丙酸酯）的PB溶液塗覆於 蜂窩芯板的上部，在365nm紫外光下交聯固化lh，製備得到具有三明治夾芯結構的複合阻 尼材料。
[0079] 該蜂窩夾芯複合結構材料由蜂窩基體材料、填充材料及密封層組成；其中，填充材 料液體PB嵌於蜂窩基體材料鋁蜂窩芯中；密封層位於蜂窩基體材料的上下表面。
[0080] 對本實施例的蜂窩複合結構採用DMA Q800型動態熱機械分析儀（TA公司，美國） 對其阻尼性能進行測試，其結果與實施例3相同（圖5和圖6)。從圖中可知，該蜂窩複合 結構的最大阻尼因子tan δ max達到2. 0,阻尼因子tan δ >1的溫度範圍為-20到45°C，頻 率範圍為1到100Hz，具有高的阻尼因子和寬的阻尼溫域和頻域，表現出優異的阻尼減振性 能。
[0081] 採用萬能拉伸機對其力學性能進行測試，模式為壓縮模式，壓縮速度3mm/min。圖 8為鋁蜂窩複合結構的壓縮應力-應變曲線，從圖中可以看到其壓縮模量達到480Mpa，屈服 應力為3. 6Mpa，相比於芳綸紙蜂窩，以鋁蜂窩芯為基體材料的複合結構材料具有更好的力 學強度，能夠更好滿足不同領域對材料力學性能的需求。
【權利要求】
1. 一種蜂窩夾芯複合結構材料，包括蜂窩基體材料、填充材料及密封層； 所述填充材料嵌於所述蜂窩基體材料中； 所述密封層位於所述蜂窩基體材料的上下表面。
2. 根據權利要求1所述的材料，其特徵在於：所述填充材料為阻尼材料，具體為粘彈性 的高分子流體，更具體為以離子液體為溶劑的高分子溶液或液體高分子； 其中，所述以離子液體為溶劑的高分子溶液中，離子液體具體為[EMIM] [TFSI]、或 [BMIM]Ac，高分子為聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯吡咯烷酮或聚氨酯；高分子的質量百分濃度 為5-20 %，具體為8-15% ; 所述以離子液體為溶劑的高分子溶液具體為PMMA/[EMIM] [TFSI]溶液、PVP/[EMIM] [TFSI]和 PU/[BMM]溶液； 所述聚甲基丙烯酸甲酯的重均分子量為100, 000-500, 000,具體為350, 000 ; 所述液體高分子具體為液體聚異丁烯或液體聚丁二烯，所述液體聚異丁烯的重均分子 量為3, 000-30, 000,具體為8, 000 ;所述液體聚丁二烯的重均分子量為5, 000-20, 000,具體 為 10,000。
3. 根據權利要求1或2所述的材料，其特徵在於：所述蜂窩基體材料為芳綸紙蜂窩芯 或錯蜂窩芯； 所述密封層由密封劑和/或交聯劑製得； 其中，所述密封劑具體為娃橡膠，更具體為Dow Corningl86液體娃橡膠； 所述交聯劑具體為多臂巰基交聯劑，更具體為三羥甲基丙烷三（3-巰基丙酸酯）。
4. 根據權利要求1-3任一所述的材料，其特徵在於：所述蜂窩夾芯複合結構材料的最 大阻尼因子為2-3,具體為2; 阻尼因子tan δ >1的溫度範圍為-20到45°C，頻率範圍為1到100Hz。
5. -種製備權利要求1-4任一所述蜂窩夾芯複合結構材料的方法，包括如下步驟： 先將所述密封劑和/或交聯劑塗覆在所述蜂窩基體材料的一個表面後，固化，再將所 述阻尼材料填充到蜂窩基體材料的蜂窩孔中，抽真空，再用所述密封劑和/或交聯劑塗覆 在所述蜂窩基體材料的另一個表面進行固化，得到所述蜂窩夾芯複合結構材料。
6. 根據權利要求5所述的方法，其特徵在於：所述抽真空步驟中，真空度為0-500mbar， 具體為200mbar，時間為0. 5-1小時，具體為0. 5小時。
7. 根據權利要求5或6所述的方法，其特徵在於：所述固化步驟中，固化方法均為加熱 固化或紫外照射固化。
8. 根據權利要求7所述的方法，其特徵在於：所述加熱固化步驟中，溫度為50-80°C，具 體為60°C，時間為2-5小時，具體為3小時； 所述紫外照射固化步驟中，紫外線的波長為300-400nm，具體為365nm，照射時間為 0. 5-2小時，具體為1小時。
9. 權利要求1-4任一所述蜂窩夾芯複合結構材料在製備阻尼減振材料中的應用。
10. 根據權利要求9所述的應用，其特徵在於：所述阻尼減振材料為交通運輸材料或航 空航天材料。
【文檔編號】B32B3/12GK104057658SQ201410211039
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年5月19日 優先權日:2014年5月19日
【發明者】汪東, 沈衡, 趙寧, 張小莉, 董海俠 申請人:中國科學院化學研究所