專利名稱：一種橡膠壓電陶瓷阻尼減振材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種橡膠壓電陶瓷阻尼減振材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
在減振材料中，橡膠扮演著越來越重要的角色，是未來減振材料發(fā)展的 方向。減振橡膠具有以下優(yōu)點(diǎn)彈性模量小，隔離振動(dòng)的性能優(yōu)越；橡膠是
不可壓縮的物質(zhì)，在應(yīng)力和變形之間產(chǎn)生時(shí)間上的延遲，具有非線性的性質(zhì)，
作為防振材料更為有效；體積小、重量輕，支承方法簡單，容易和金屬牢固 地粘結(jié)在一起。但是，橡膠作為減振材料使用時(shí)仍然存在較大的問題，這些 問題源于材料自身，很難解決。橡膠減振材料的一個(gè)很大的缺點(diǎn)是壓縮永久 變形非常大橡膠減振材料的另一個(gè)缺點(diǎn)是減振效果對使用條件(如溫度和振 動(dòng)頻率)有很大的選擇性。
壓電材料的研究由來已久，作為一種功能材料，壓電材料具有將電能與 機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的作用，可以廣泛地應(yīng)用于航空航天導(dǎo)航、通信、海洋漁業(yè)、 聲納探測、醫(yī)療檢測、超聲波無損探傷以及智能材料等領(lǐng)域。壓電材料對溫 度不敏感，另外它在低頻率(10kHz以下)隨著頻率(或壓力)的增加相應(yīng)地產(chǎn) 生更多的電荷，再通過載荷電阻(壓電材料的外部電阻)，就可以使更多的振 動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芎纳⒌?，因此有望設(shè)計(jì)出一種阻尼性能可自動(dòng)響應(yīng)外部環(huán)境 變化的智能型壓電-阻尼材料。
壓電材料的先驅(qū)是以鋯鈦鉛(PZT)為代表的無機(jī)壓電陶瓷，它具有良好
的壓電牿性，但機(jī)械加工性差，在裝配和應(yīng)用中很容易破碎。1969年日本 電器公司用PZT(鋯鈦鉛，無機(jī)壓電材料的代表)和PVDF(聚偏二氟乙烯，有 機(jī)壓電材料代表)共混制備了最初的陶瓷/聚合物壓電復(fù)合材料，這種材料兼?zhèn)淞薖ZT的壓電常數(shù)大，但很脆，和PVDF柔韌性好又具有一定壓電性的 特點(diǎn)。80年代初以后，美國加州斯坦福大學(xué)的B.A.Auld等人建立了PZT柱 周期排列的壓電復(fù)合材料的理論模型、并分析了其中的橫向結(jié)構(gòu)模。美國紐 約菲利浦實(shí)驗(yàn)室的W.A.Smith等人也做了類似的工作。日本的C.Nakaya等 還利用壓電復(fù)合材料制作了換能器。壓電復(fù)合材料的出現(xiàn)同樣引起了國內(nèi)一 些研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注。王麗坤等制備了 PZT-PVDF復(fù)合壓電材料，對復(fù)合材料 的壓電常數(shù)d33和介電常數(shù)進(jìn)行了測量，結(jié)果顯示PZT-PVDF復(fù)合材料具有 良好的壓電性能。
目前PZT-PVDF復(fù)合材料大多采用熱壓、涂覆，微波、擠出，注射等。 熱壓法是將PZT粉與聚合物PVDF粉末相混合，加入適量溶劑攪拌均勻，待 有機(jī)溶劑完全揮發(fā)后，將混合粉料加入XQ-2鑲嵌機(jī)中，在180 'C左右加 壓成型，自然冷卻至室溫，然后取出樣品。微波法是將PZT粉與聚合物PVDF 粉末相混合，按照聚合物成型的方法在模具中壓制成型，然后將壓制好的混 合料連同模具一起進(jìn)行微波輻照制得壓電復(fù)合材料。但其制得材料的結(jié)構(gòu)均 勻性比較差，另外制得的材料脆性較大，影響了其使用。 發(fā)明內(nèi)容:
本發(fā)明的目的是提供一種橡膠壓電陶瓷阻尼減振材料及其制備方法。在 橡膠中引入壓電陶瓷，通過橡膠本身具有的粘彈性，結(jié)合壓電陶瓷的壓電性 能，利用橡膠加工及極化的方法，制備出橡膠壓電陶瓷復(fù)合材料，解決了高 聚物減振材料的減振效果對使用條件(如溫度和振動(dòng)頻率)依賴性大的問題， 所得到的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)致密、分散均勻，具有一定的柔韌性，較高的吸聲性 能，同時(shí)具有加工工藝簡單，成型容易的特點(diǎn)。
本發(fā)明橡膠壓電陶瓷阻尼減振材料其組成和質(zhì)量份數(shù)為 丁腈橡膠 100份
壓電陶瓷 100-1500份
碳纖維 1-20份
5硫磺 2-10份
偶聯(lián)劑 8份
促進(jìn)劑 2份
防老劑 2份
所說的壓電陶瓷是鈮鎂鋯鈦酸鉛型壓電陶瓷或鋯鈦酸鉛型壓電陶瓷；偶 聯(lián)劑為硅垸偶聯(lián)劑(如Si69);促進(jìn)劑為促進(jìn)劑D;防老劑為4010NA防老 劑。
本發(fā)明橡膠壓電陶瓷阻尼減振材料的制備方法為 A坯料的制備
在開煉機(jī)上塑煉丁腈橡膠，加入粒徑為0.5-10微米的鈮鎂鋯鈦酸鉛型壓 電陶瓷粉(如型號為P-5H的壓電陶瓷粉)或鋯鈦酸鉛型壓電陶瓷粉(如型 號為P-4的壓電陶瓷粉)、碳纖維、硫磺、偶聯(lián)劑、促進(jìn)劑、防老劑，混煉 均勻，輥溫控制在50-6CTC，然后將制得的片在平板硫化機(jī)上模壓成型，取 出后冷至室溫。
B極化
將步驟A制得的坯料兩面加金屬片(最好是鋁片)做為電極，在溫度 為60-120°C，電場強(qiáng)度為3 10kv/mm的條件下極化10-30min，極化工藝可 以在高溫油浴極化裝置里進(jìn)行，制得本發(fā)明的阻尼減振材料。
對壓電材料來講，需要經(jīng)過極化才能具有壓電性能，這個(gè)極化過程是使 材料中的自發(fā)極化定向排列的過程，在強(qiáng)的直流電場的作用下，自發(fā)極化沿 電場方向排列，使該方向成為特殊極性方向，材料才具有壓電性。
各種原材料在50-60。C的開煉機(jī)上通過不斷的剪切作用，相互混合，并 通過偶聯(lián)劑改善界面的結(jié)合效果，使得材料能夠達(dá)到更好的分散。
本發(fā)明基于橡膠自身的粘彈性和阻尼性能，結(jié)合壓電陶瓷的獨(dú)有壓電特 性，利用橡膠加工及極化的方法，通過偶聯(lián)劑的加入，并且控制輥溫在50-60 。C的范圍內(nèi)，促進(jìn)了壓電陶瓷粉在橡膠中的分散，改善了材料界面的結(jié)合效
6果，制備出橡膠壓電陶瓷阻尼減振材料。使得陶瓷均勻地分散在橡膠中，很 好地解決了陶瓷與橡膠的界面結(jié)合，所得到的復(fù)合材料分散均勻，并具有較 高的吸聲性能。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明的效果做進(jìn)一步描述。
實(shí)施例1: 丁腈橡膠100份，0.5-10微米粒徑的P-5H壓電陶瓷粉100 份，硫磺8份與碳纖維5份組成的復(fù)合材料。
在開煉機(jī)上將丁腈橡膠塑煉，加入P-5H壓電陶瓷粉、碳纖維、防老劑 4010NA、偶聯(lián)劑Si69、促進(jìn)劑D、硫磺，控制輥溫控制在50-60°C，混煉均 勻，制得樣片。將樣片在平板硫化機(jī)上硫化，得到坯料。
在復(fù)合材料坯料兩面加鋁片做為電極，在高溫油浴極化裝置里進(jìn)行極化 制得復(fù)合材料，極化條件溫度為80'C，電場強(qiáng)度為3 10kv/mm，時(shí)間為 25min。
實(shí)施例2: 丁腈橡膠100份，0.5-10微米粒徑的P-5H壓電陶瓷粉613 份，硫磺8份與碳纖維5份組成的復(fù)合材料。
在開煉機(jī)上將丁腈橡膠塑煉，加入P-5H壓電陶瓷粉、碳纖維、防老劑 4010NA、偶聯(lián)劑Si69、促進(jìn)劑D、硫磺，控制輥溫控制在50-60°C ，混煉均 勻，制得樣片。將樣片在平板硫化機(jī)上硫化，得到坯料。
在復(fù)合材料坯料兩面加鋁片做為電極，在高溫油浴極化裝置里進(jìn)行極化 制得復(fù)合材料，極化條件溫度為8(TC，電場強(qiáng)度為3 10kv/mm,時(shí)間為 25min。
實(shí)施例3: 丁腈橡膠100份，0.5-10微米粒徑的P-4壓電陶瓷粉613份， 硫磺8份與碳纖維10份組成的復(fù)合材料。
在開煉機(jī)上將丁腈橡膠塑煉，加入P-4壓電陶瓷粉、碳纖維、防老劑 4010NA、偶聯(lián)劑Si69、促進(jìn)劑D、硫磺，控制輥溫控制在50-60°C，混煉均 勻，制得樣片。將樣片在平板硫化機(jī)上硫化，得到坯料。
7在復(fù)合材料坯料兩面加鋁片做為電極，在高溫油浴極化裝置里進(jìn)行極化
制得復(fù)合材料，極化條件溫度為8(TC，電場強(qiáng)度為3 10kv/mm，時(shí)間為 25min。
實(shí)施例4: 丁腈橡膠100份，0.5-10微米粒徑的P-5H壓電陶瓷粉920 份，硫磺5份與碳纖維10份組成的復(fù)合材料。
在開煉機(jī)上將丁腈橡膠塑煉，加入P-5H壓電陶瓷粉、碳纖維、防老劑 4010NA、偶聯(lián)劑Si69、促進(jìn)劑D、硫磺，控制輥溫控制在50-60°C ，混煉均 勻，制得樣片。將樣片在平板硫化機(jī)上硫化，得到坯料。
在復(fù)合材料坯料兩面加鋁片做為電極，在高溫油浴極化裝置里進(jìn)行極化 制得復(fù)合材料，極化條件溫度為80'C，電場強(qiáng)度為3 10kv/mm，時(shí)間為 25min。
實(shí)施例5: 丁腈橡膠100份，0.5-10微米粒徑的P-5H壓電陶瓷粉920 份，硫磺8份與碳纖維16份組成的復(fù)合材料。
在開煉機(jī)上將丁腈橡膠塑煉，加入P-5H壓電陶瓷粉、碳纖維、防老劑 4010NA、偶聯(lián)劑Si69、促進(jìn)劑D、硫磺，控制輥溫控制在50-60°C，混煉均 勻，制得樣片。將樣片在平板硫化機(jī)上硫化，得到坯料。
在復(fù)合材料坯料兩面加鋁片做為電極，在高溫油浴極化裝置里進(jìn)行極化 制得復(fù)合材料，極化條件溫度為80'C,電場強(qiáng)度為3 10kv/mm，時(shí)間為 25min。
實(shí)施例6: 丁腈橡膠100份，0.5-10微米粒徑的P-5H壓電陶瓷粉1379 份，硫磺5份與碳纖維16份組成的復(fù)合材料。
在開煉機(jī)上將丁腈橡膠塑煉，加入P-5H壓電陶瓷粉、碳纖維、防老劑 4010NA、偶聯(lián)劑Si69、促進(jìn)劑D、硫磺，控制輥溫控制在50-60°C,混煉均 勻，制得樣片。將樣片在平板硫化機(jī)上硫化，得到坯料。
在復(fù)合材料坯料兩面加鋁片做為電極，在高溫油浴極化裝置里進(jìn)行極化制 得復(fù)合材料，極化條件溫度為80°C，電場強(qiáng)度為3 10kv/mm，時(shí)間為25min。本發(fā)明所得材料與純橡膠的吸聲效果對比數(shù)據(jù)
吸聲系數(shù)
丁腈橡膠1.85%
實(shí)施例13.42%
實(shí)施例211.21%
實(shí)施例312.53%
實(shí)施例420.53%
實(shí)施例522.21%
實(shí)施例651.07%
吸聲系數(shù)的是指被材料吸收的聲能與入射聲能的比值。本發(fā)明吸聲系數(shù) 使用中國計(jì)量科學(xué)研究院的水聲無源材料聲脈沖管法測試系統(tǒng)測試。測試條
件為水溫27'C、水壓0.1Mpa、頻率l-8KHz。
權(quán)利要求
1. 一種橡膠壓電陶瓷阻尼減振材料，其組成和質(zhì)量份數(shù)為丁腈橡膠 100份壓電陶瓷 100-1500份碳纖維1-20份硫磺 2-10份偶聯(lián)劑8份促進(jìn)劑2份防老劑2份。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的橡膠壓電陶瓷阻尼減振材料，其特征是所說的 壓電陶瓷為鈮鎂鋯鈦酸鉛型壓電陶瓷或鋯鈦酸鉛型壓電陶瓷。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1的橡膠壓電陶瓷阻尼減振材料，其特征是所說的 偶聯(lián)劑為硅烷偶聯(lián)劑。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1的橡膠壓電陶瓷阻尼減振材料，其特征是所說的 促進(jìn)劑為促進(jìn)劑D。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1的橡膠壓電陶瓷阻尼減振材料，其特征是所說的 防老劑為4010NA防老劑。
6. —種權(quán)利要求1所述橡膠壓電陶瓷阻尼減振材料的制備方法，包括坯料的制備和極化兩個(gè)步驟，具體為 A坯料的制備在開煉機(jī)上塑煉丁腈橡膠，加入粒徑為0.5-10微米的壓電陶瓷粉、碳纖 維、硫磺、偶聯(lián)劑、促進(jìn)劑、防老劑，混煉均勻，輥溫控制在50 60°C， 然后將制得的片在平板硫化機(jī)上模壓成型，取出后冷至室溫；B極化將步驟A制得的坯料兩面加金屬片做為電極，在溫度為60 120。C，電場強(qiáng)度為3 10kv/mm的條件下極化10 30min，制得本發(fā)明的阻尼減振材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的橡膠壓電陶瓷阻尼減振材料的制備方法，其特征是所說的金屬片為鋁片。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種橡膠壓電陶瓷阻尼減振材料及其制備方法。通過橡膠本身具有的粘彈性，結(jié)合壓電陶瓷的壓電性能，利用橡膠加工及極化的方法，制備出橡膠壓電陶瓷復(fù)合材料。該方法使得陶瓷均勻地分散在橡膠中，很好地解決了陶瓷與橡膠的界面結(jié)合，所得到的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)致密、分散均勻，并具有較好的吸聲性能。
文檔編號C08L9/02GK101486811SQ200810056409
公開日2009年7月22日 申請日期2008年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月18日
發(fā)明者力 劉, 劉彥東, 曹建莉, 蔣小強(qiáng) 申請人:北京化工大學(xué)