混雜增強環氧樹脂基壓電阻尼複合材料及其製備方法

2023-04-23 07:56:31 2

專利名稱：混雜增強環氧樹脂基壓電阻尼複合材料及其製備方法
技術領域：
本發明涉及壓電阻尼材料領域，具體地說，涉及的是一種碳纖維/壓電纖維混雜增強環氧樹脂基壓電阻尼複合材料及其製備方法。
背景技術：
隨著現代工業、交通運輸和航空航天業的飛速發展，機械設備趨於高速和自動化，隨之引起的噪聲和振動問題日益嚴重，影響了人們的生活質量，因此減振、防振阻尼技術的發展則顯得非常重要，新型阻尼材料的研究對製造高效阻尼器或結構阻尼材料更是非常關鍵。阻尼材料大致可分為4類粘彈性阻尼材料，高阻尼合金材料，複合阻尼材料，智能阻尼材料。近年來，壓電智能阻尼材料因特殊的能量損耗機理引起了人們的廣泛關注。材料受到外界振動時，壓電陶瓷經由機電耦合壓電性能將振動能轉化為電能，同時體系中導電相將電能轉化成焦耳熱能而耗散能量。但傳統的壓電陶瓷阻尼材料有易碎、難加工等缺點。為了實現材料的結構功能一體化，得到高阻尼性能、力學性能優異的結構材料，碳纖維增強環氧樹脂基壓電阻尼複合材料克服了陶瓷阻尼材料難加工的缺點，同時綜合了多種阻尼機理。材料振動時，一部分能量由壓電陶瓷的機電轉換效應將機械能轉換為電能，通過導電碳纖維耗散掉；環氧樹脂分子鏈的粘彈性運動以及環氧樹脂、鈦酸鉛、碳纖維之間界面摩擦而損耗能量，最終使得體系具備減振阻尼性能。針對環氧樹脂基壓電阻尼材料，採用高強度的碳纖維或石墨纖維作為增強材料，同時作為導電相，大大提高了材料的力學性能，可以實現材料的結構功能一體化。使用碳纖維與壓電纖維混雜時，壓電纖維既可以作為壓電阻尼功能相，又可以作為結構相，根據材料使用要求，調整碳纖維/壓電纖維組分配比滿足材料的使用環境。經對現有文獻技術的檢索發現，石敏先等人研究了三相壓電阻尼材料的相關性能，以環氧樹脂基體，PZT為壓電相，炭黑為導電相，製備了 0-3型壓電相/導電相/環氧樹脂壓電阻尼複合材料，但是採用的導電體系為炭黑體系，添加過量的炭黑粒子後，雖然阻尼性能有所提高，但複合材料的力學強度降低，不能作為結構材料使用。中國專利200910024912. I號文獻提出了一種碳纖維或石墨纖維增強鎂基阻尼複合材料，提高了金屬鎂的阻尼性能及強度，通過在碳或石墨纖維表面化學氣相沉積熱解碳得到特殊界面層，製備鎂基阻尼複合材料，阻尼性能達到0.01，其工藝採用高溫高壓，工藝複雜，較難加工，並且與樹脂複合材料的阻尼性能相比還是相差甚遠。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種兼具高阻尼性能和高強度的結構功能一體化的碳纖維/壓電纖維混雜增強環氧樹脂基壓電阻尼複合材料，還提供該材料的容易製備的方法。本發明解決其技術問題採用以下的技術方案本發明提供的碳纖維/壓電纖維混雜增強環氧樹脂基壓電阻尼複合材料，其由壓電陶瓷粉末30-100份、混雜碳纖維/壓電纖維2-100份、環氧樹脂100份、固化劑10-40份組成，均為質量份數。所述的混雜碳纖維/壓電纖維為壓電纖維與短切碳纖維、連續碳纖維、碳纖維織物中的一種或幾種的混雜纖維，壓電纖維佔混雜纖維的質量比例為109Γ90%。所述的壓電纖維為鈦酸鋇纖維、鈦酸鉛纖維、鋯鈦酸鉛纖維、三元系壓電陶瓷纖維、無鉛壓電陶瓷纖維中的一種或幾種的混合物。
所述的壓電陶瓷粉末為鈦酸鋇、鈦酸鉛、鋯鈦酸鉛、鈮鎂鋯鈦酸鉛、無鉛壓電陶瓷中的一種或幾種，陶瓷粒徑為50nm_50 μ m。所述的環氧樹脂採用雙酚A 二縮水甘油醚型環氧樹脂、雙酚F 二縮水甘油醚、雙酚S二縮水甘油醚型中的一種或幾種的混合物。所述的固化劑可以採用胺類固化劑，例如採用三乙烯二胺、三乙烯四胺、多乙烯多胺、聚醚胺、聚醯胺中的一種或幾種的混合物。本發明提供的上述碳纖維/壓電纖維混雜增強環氧樹脂基壓電阻尼複合材料，其製備方法包括以下步驟
(1)壓電陶瓷粉末的預處理用矽烷偶聯劑KH550處理壓電陶瓷粉末，配製矽烷偶聯劑KH-550的乙醇水溶液，加入陶瓷粉末進行攪拌，充分攪拌混合2h後過濾，乙醇水溶液清洗，乾燥，研磨(可以採用管式球磨機、超細層壓磨機等研磨)，備用；
(2)壓電纖維的預處理用矽烷偶聯劑KH550處理壓電陶瓷粉末，配製矽烷偶聯劑KH-550的乙醇水溶液，放入壓電纖維，超聲處理2h後，乙醇水溶液清洗，乾燥，備用；
(3)碳纖維的表面處理
採用強氧化性酸進行酸化處理，具體是將碳纖維放入由體積比為3:1的濃硫酸/濃硝酸組成混合酸中，攪拌後置於超聲波中超聲振蕩，然後取出清洗，110°C烘乾，備用；
(4)將預先處理好的壓電陶瓷粉末加入環氧樹脂中，機械攪拌，超聲混合，加入按一定比例混合編織的碳纖維/壓電纖維，再超聲混合，得到混合料，添加固化劑到混合料中，混合均勻，採用複合材料成型工藝成型；
經過上述步驟，得到所述的碳纖維/壓電纖維混雜增強環氧樹脂基壓電阻尼複合材料。在上述的碳纖維的表面處理過程中，其超聲振蕩的工藝條件為溫度為70°C，頻率為80 IOOHz，時間為2-3小時。本發明提供的混雜纖維增強環氧樹脂基壓電阻尼複合材料及其製備方法，與現有技術相比有以下主要的優點
一、與其他阻尼材料相比，採用的多種阻尼機制一高分子粘彈阻尼、界面摩擦阻尼、壓電阻尼，材料的阻尼損耗因子最高達到O. 68，阻尼性能遠遠好於金屬阻尼材料。二、導電相採用了高強度的碳纖維或織物，大大提升了材料的力學性能，材料的彎曲強度達到了 192MPa，是普通環氧樹脂材料的三倍。三、成型溫度在常溫下進行，比金屬高溫高壓工藝簡單，能耗低，易於成型各種複雜形狀，相比陶瓷阻尼材料難加工的缺點，本發明提供的的材料可採用複合材料成型工藝，容易加工。


圖I為本發明 混雜纖維增強環氧樹脂基壓電阻尼複合材料的截面示意圖，曲線代表混雜纖維，黑點代表壓電陶瓷粉末，空白部分為環氧樹脂基體。
具體實施例方式本發明提供的材料是一種碳纖維/壓電纖維混雜增強環氧樹脂基壓電阻尼複合材料，該材料由壓電陶瓷粉末、混雜碳纖維/壓電纖維、環氧樹脂、固化劑組成，它們的體積份數為環氧樹脂100份，壓電陶瓷30-100份，混雜壓電纖維/碳纖維2-100份，固化劑10-40 份。本發明提供的上述材料的製備方法是以混雜碳纖維/壓電纖維為結構相，以壓電陶瓷粉末、壓電纖維為功能相，環氧樹脂為基體，獲得了兼具高阻尼性能和高強度的結構功能一體化材料，此外碳纖維與壓電纖維不同比例的混雜使得材料體系的電阻具有了更好可控性。本發明實施例中用到的環氧樹脂為巴陵石化生產的雙酚A 二縮水甘油醚型環氧樹脂CYD127，固化劑採用的是武漢宏大化工廠生產的多乙烯多胺，壓電陶瓷粉末為鈦酸鉛，壓電纖維為鋯鈦酸鉛壓電纖維，碳纖維為日本東麗公司T700碳纖維。下面結合實施例及附圖對本發明作進一步說明，但不限定本發明。實例例I :
用矽烷偶聯劑KH550處理鈦酸鉛粉末，乙醇水溶液清洗，乾燥研磨；用KH550處理鋯鈦酸鉛纖維，乙醇水溶液清洗，乾燥；採用濃硫酸/濃硝酸的混合酸(體積比為3:1)對T700纖維在溫度為70°C、頻率為80Hz下超聲波進行超聲2個小時酸化處理，取出後清洗，IlO0C烘乾；將鋯鈦酸鉛纖維與T700混雜，鋯鈦酸鉛纖維佔混雜纖維的10% ;將30份處理好的鈦酸鉛粉末加入100份環氧樹脂CYD127中，機械攪拌，常溫，頻率為80Hz下超聲混合；加入10份混雜纖維，再超聲混合均勻，得到混合料，添加10份固化劑如多乙烯多胺到混合料中，混合均勻，採用複合材料成型工藝成型製得質量良好的碳纖維壓電纖維混雜增強環氧樹脂基壓電阻尼複合材料。對材料進行DMA阻尼性能測試、力學性能測試，得到材料的損耗因子為O. 335，材料的彎曲強度達到了 60. OMPa。上述實施例I和下面實施例的原料用量均為質量份。實例例2
用矽烷偶聯劑KH550處理鈦酸鉛粉末，乙醇水溶液清洗，乾燥研磨；用KH550處理鋯鈦酸鉛纖維，乙醇水溶液清洗，乾燥；採用濃硫酸/濃硝酸的混合酸(體積比為3:1)對T700纖維在溫度為70°C、頻率為80Hz下超聲波進行超聲2個小時酸化處理，取出後清洗，IlO0C烘乾；將鋯鈦酸鉛纖維與T700混雜，鋯鈦酸鉛纖維佔混雜纖維的10% ;將70份處理好的鈦酸鉛粉末加入100份環氧樹脂CYD127中，機械攪拌，常溫，頻率為80Hz下超聲混合；加入10份混雜纖維，再超聲混合均勻，得到混合料，添加10份固化劑如多乙烯多胺到混合料中，混合均勻，採用複合材料成型工藝成型製得質量良好的碳纖維壓電纖維增強混雜環氧樹脂基壓電阻尼複合材料。對材料進行DMA阻尼性能測試、力學性能測試，得到材料的損耗因子為O. 380，材料的彎曲強度達到了 72. 5MPa。
實例例3 用矽烷偶聯劑KH550處理鈦酸鉛粉末，乙醇水溶液清洗，乾燥研磨；用KH550處理鋯鈦酸鉛纖維，乙醇水溶液清洗，乾燥；採用濃硫酸/濃硝酸的混合酸(體積比為3:1)對T700纖維在溫度為70°C、頻率為80Hz下超聲波進行超聲2個小時酸化處理，取出後清洗，IlO0C烘乾；將鋯鈦酸鉛纖維與T700混雜，鋯鈦酸鉛纖維佔混雜纖維的10% ;將100份處理好的鈦酸鉛粉末加入100份環氧樹脂CYD127中，機械攪拌，常溫，頻率為80Hz下超聲混合；加入50份混雜纖維，再超聲混合均勻，得到混合料，添加10份固化劑如多乙烯多胺到混合料中，混合均勻，採用複合材料成型工藝成型製得質量良好的碳纖維壓電纖維混雜增強環氧樹脂基壓電阻尼複合材料。對材料進行DMA阻尼性能測試、力學性能測試，得到材料的損耗因子為O. 395，材料的彎曲強度達到了 171. 5MPa。實例例4
用矽烷偶聯劑KH550處理鈦酸鉛粉末，乙醇水溶液清洗，乾燥研磨；用KH550處理鋯鈦酸鉛纖維，乙醇水溶液清洗，乾燥；採用濃硫酸/濃硝酸的混合酸(體積比為3:1)對T700纖維在溫度為70°C、頻率為80Hz下超聲波進行超聲2個小時酸化處理，取出後清洗，IlO0C烘乾；將鋯鈦酸鉛纖維與T700混雜，鋯鈦酸鉛纖維佔混雜纖維的50% ;將100份處理好的鈦酸鉛粉末加入100份環氧樹脂CYD127中，機械攪拌，常溫，頻率為80Hz下超聲混合；加入50份混雜纖維，再超聲混合均勻，得到混合料，添加10份固化劑如多乙烯多胺到混合料中，混合均勻，採用複合材料成型工藝成型製得質量良好的碳纖維壓電纖維混雜增強環氧樹脂基壓電阻尼複合材料。對材料進行DMA阻尼性能測試、力學性能測試，得到材料的損耗因子為O. 520，材料的彎曲強度達到了 160. 8MPa。實施例5
用矽烷偶聯劑KH550處理鈦酸鉛粉末，乙醇水溶液清洗，乾燥研磨；用KH550處理鋯鈦酸鉛纖維，乙醇水溶液清洗，乾燥；採用濃硫酸/濃硝酸的混合酸(體積比為3:1)對T700纖維在溫度為70°C、頻率為80Hz下超聲波進行超聲2個小時酸化處理，取出後清洗，110°C烘乾；將鋯鈦酸鉛纖維與T700混雜，鋯鈦酸鉛纖維佔混雜纖維的90% ;將100份處理好的鈦酸鉛粉末加入100份環氧樹脂CYD127中，機械攪拌，常溫，頻率為80Hz下超聲混合；加入100份混雜纖維，再超聲混合均勻，得到混合料，添加10份固化劑如多乙烯多胺到混合料中，混合均勻，採用複合材料成型工藝成型製得質量良好的碳纖維壓電纖維混雜增強環氧樹脂基壓電阻尼複合材料。對材料進行DMA阻尼性能測試、力學性能測試，得到材料的損耗因子為
O.470，材料的彎曲強度達到了 98. 8MPa。實施例6
用矽烷偶聯劑KH550處理鈦酸鉛粉末，乙醇水溶液清洗，乾燥研磨；用KH550處理鋯鈦酸鉛纖維，乙醇水溶液清洗，乾燥；採用濃硫酸/濃硝酸的混合酸(體積比為3:1)對T700纖維在溫度為70°C、頻率為IOOHz下超聲波進行超聲3個小時酸化處理，取出後清洗，110°C烘乾；將鋯鈦酸鉛纖維與T700混雜，鋯鈦酸鉛纖維佔混雜纖維的90% ;將100份處理好的鈦酸鉛粉末加入100份環氧樹脂CYD127中，機械攪拌，常溫，頻率為80Hz下超聲混合；加入100份混雜纖維，再超聲混合均勻，得到混合料，添加20份固化劑如多乙烯多胺到混合料中，混合均勻，採用複合材料成型工藝成型製得質量良好的碳纖維壓電纖維混雜增強環氧樹脂基壓電阻尼複合材料。對材料進行DMA阻尼性能測試、力學性能測試，得到材料的損耗因子為O.427，材料的彎曲強度達到了 110. 5MPa。上述實施例製備的碳纖維/壓電纖維混雜增強環氧樹脂基壓電阻尼複合材料，其結構如圖I所示，曲線代表混雜T700纖維與鋯鈦酸鉛纖維，黑點代表鈦酸鉛粉末，空白部分為固化的雙酚A 二縮水甘油醚型環氧樹脂CYD127。
權利要求
1.一種碳纖維/壓電纖維混雜增強環氧樹脂基壓電阻尼複合材料，其特徵在於該材料由壓電陶瓷粉末30-100份、混雜碳纖維/壓電纖維2-100份、環氧樹脂100份、固化劑10-40份組成，均為質量份數。
2.根據權利要求I所述的碳纖維/壓電纖維混雜增強環氧樹脂基壓電阻尼複合材料，其特徵在於混雜碳纖維/壓電纖維為壓電纖維與短切碳纖維、連續碳纖維、碳纖維織物中的一種或幾種的混雜纖維，壓電纖維佔混雜纖維的質量比例為109Γ90%。
3.根據權利要求2所述的碳纖維/壓電纖維混雜增強環氧樹脂基壓電阻尼複合材料，其特徵在於所述的壓電纖維為鈦酸鋇纖維、鈦酸鉛纖維、鋯鈦酸鉛纖維、三元系壓電陶瓷纖維、無鉛壓電陶瓷纖維中的一種或幾種的混合物。
4.根據權利要求I所述的碳纖維/壓電纖維混雜增強環氧樹脂基壓電阻尼複合材料，其特徵在於所述的壓電陶瓷粉末為鈦酸鋇、鈦酸鉛、鋯鈦酸鉛、鈮鎂鋯鈦酸鉛、無鉛壓電陶瓷中的一種或幾種，陶瓷粒徑為50nm-50 μ m。
5.根據權利要求I所述的碳纖維/壓電纖維混雜增強環氧樹脂基壓電阻尼複合材料，其特徵在於所述的環氧樹脂採用雙酚A 二縮水甘油醚型環氧樹脂、雙酚F 二縮水甘油醚、雙酚S 二縮水甘油醚型中的一種或幾種的混合物。
6.根據權利要求I所述的碳纖維/壓電纖維混雜增強環氧樹脂基壓電阻尼複合材料，其特徵在於所述的固化劑採用胺類固化劑。
7.根據權利要求6所述的碳纖維/壓電纖維混雜增強環氧樹脂基壓電阻尼複合材料，其特徵在於所述的胺類固化劑採用三乙烯二胺、三乙烯四胺、多乙烯多胺、聚醚胺、聚醯胺中的一種或幾種的混合物。
8.一種碳纖維/壓電纖維混雜增強環氧樹脂基壓電阻尼複合材料的製備方法，其特徵在於該方法包括以下步驟 (1)壓電陶瓷粉末的預處理用矽烷偶聯劑KH550處理壓電陶瓷粉末，配製矽烷偶聯劑KH-550的乙醇水溶液，加入陶瓷粉末進行攪拌，充分攪拌混合2h後過濾，乙醇水溶液清洗，乾燥，研磨，備用； (2)壓電纖維的預處理用矽烷偶聯劑KH550處理壓電陶瓷粉末，配製矽烷偶聯劑KH-550的乙醇水溶液，放入壓電纖維，超聲處理2h後，乙醇水溶液清洗，乾燥，備用； (3)碳纖維的表面處理 採用強氧化性酸進行酸化處理，具體是將碳纖維放入由體積比為3:1的濃硫酸/濃硝酸組成混合酸中，攪拌後置於超聲波中超聲振蕩，然後取出清洗，110°C烘乾，備用； (4)將預先處理好的壓電陶瓷粉末加入環氧樹脂中，機械攪拌，超聲混合，加入按一定比例混合編織的碳纖維/壓電纖維，再超聲混合，得到混合料，添加固化劑到混合料中，混合均勻，採用複合材料成型工藝成型； 經過上述步驟，製得權利要求I至7中任一權利要求所述的碳纖維/壓電纖維混雜增強環氧樹脂基壓電阻尼複合材料。
9.根據權利要求8所述的碳纖維/壓電纖維混雜增強環氧樹脂基壓電阻尼複合材料的製備方法，其特徵在於所述的碳纖維的表面處理時超聲振蕩的條件為溫度為70°C，頻率為80 IOOHz，時間為2-3小時。
全文摘要
本發明涉及碳纖維/壓電纖維混雜增強環氧樹脂基壓電阻尼複合材料，該材料由壓電陶瓷粉末30-100份、混雜碳纖維/壓電纖維2-100份、環氧樹脂100份、固化劑10-40份組成，均為質量份數。該材料的製備方法包括壓電陶瓷粉末的預處理、壓電纖維的預處理、碳纖維的表面處理和複合材料成型步驟。本發明複合材料性能優異，實現了材料的結構功能一體化，主要表現在阻尼損耗因子最高可達0.68；彎曲強度可達192MPa，是普通環氧樹脂材料的三倍；該材料可以廣泛用於機械設備、交通工具等領域的阻尼減震結構部件，並且該材料可採用複合材料成型工藝，容易加工。
文檔編號C08K7/08GK102617985SQ20121009083
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月31日 優先權日2012年3月31日
發明者代碧方, 張聯盟, 秦巖, 趙世偉, 黃志雄 申請人:武漢理工大學