PDF《CAEP-0111》

1 阻尼材料设计原理 聚合物一般随温度变化呈现三种力学状态,即玻璃态、转变态及橡胶态,其损耗因 子η和模量 E 随温度 T 变化的典型曲线见图 1.从图

1 可以看出,在低温时,阻尼材料的 模态 E 很高,损耗因子η较小,E 随T变化不大,这一段一般称为 玻璃态区 . 当温度上升到某一特征值附近,阻尼材料的模量急剧下降,大约可下降 100~1000 倍.同时损耗因子η迅速上升,经历最大值后又回降到较低的数值,这个性能发生急剧变 化的区域称为 转变态区 (也称玻璃化转变区),其损耗因子η在最大值时所对应的 T 称为玻璃化转变温度 Tg.然后当温度继续上升,阻尼材料的模量 E 只有很小的变化,损 耗因子η也保持在较低的水平上,这时阻尼材料处在 橡胶态区 . 图1聚合物动态力学性能随温度变化的典型曲线 阻尼材料的设计,简单的讲就是通过共混、嵌段、接枝等手段改变或展宽高分子材 料的 Tg,使玻璃态转变区与使用温度相重合.多数高分子材料的 Tg 发生在负温区域[1] , 如氯化丁基硫化橡胶,硬度为

30 HA 时,Tg =-9 ℃(η =1.47);

氯丁硫化橡胶,硬度 为60 HA 时,Tg =-16.3 ℃(η =1.01);

天然硫化橡胶的硬度为

70 HA 时,Tg = -47 ℃ (η =1.22),无锡减振器厂沥青型阻尼材料 XZ-49 的Tg=20 ℃(η =1.0).因此可以 说选择阻尼材料实质上是使材料的 Tg 符合工程上的环境使用温度(当然要有一定的η值 及温宽范围),当基体材料一定时,通过材料的不同的配方来达到目的.通过调整配方, 可使沥青型阻尼材料的 Tg 控制在环境使用温度内. 1. 2.

2 沥青型阻尼材料制备的可行性分析 沥青作为建筑材料早已得到广泛的应用.但是,利用沥青配制阻尼材料还仅有三十 年左右的历史,它是随着阻尼减振降噪技术的要求而发展起来的优质价廉的新材料.一 般的阻尼材料是由高分子材料(橡胶和塑料)为基体组成,这些粘弹性高阻尼材料价格 较贵,然而沥青型阻尼材料却比橡胶塑型阻尼材料便宜 2/3~4/5[2] . T Tg 损耗因子η 高弹区 转变区 玻璃态区 动态剪切模量 E N/cm2 E η

69 沥青材料具有许多优良性质,可以大大降低阻尼材料成本和改善技术性能.首先, 有较强的粘结力.在制备阻尼材料时,沥青的粘结作用把各种松散的材料(如锯末、炭黑、石墨)包裹起来,并与金属结构材料粘结成具有一定强度的整体.其次,具有塑性 和粘弹性.在外力作用下,半固体沥青或固体沥青即使出现被压扁、展延、扭卷等变形 现象,在外力取消后,却仍能保持原有的形状而不破坏(裂缝或断开).同时,沥青具 有温度依赖性.沥青材料的主要物理力学性能是随着温度而变化的,温度升高时,沥青 材料的稠度降低,由固体或半固体逐渐软化以至成为液体;

温度降低,沥青材料的稠度 增加,塑性降低,弹性增加,由液体、半固体逐渐凝固以至成为固体.同时,沥青具有 抗透水性和耐腐蚀性.沥青材料几乎不溶于水并具有一定的防水性,同时也具有抵抗酸、 碱、盐侵蚀的相当能力[3] . 沥青型阻尼材料的基本配方是以沥青为基材,并配入大量有机、无机填料混合而成. 沥青本身是一种具有中等阻尼的材料,在沥青和填料的界面上因摩擦而产生的振动能向 热能转变,在振动的衰减中起主要作用.另外,与填料的比重、形状、粒径、粒度分布、 表面活性等也有很大的关系[4] .本研究主要考察锯末、炭黑和石墨作为填料对沥青阻尼性 能的影响. 聚合物在作为阻尼材料使用的过程中的损耗使应力转化为热量,适当掺杂些炭黑、 石墨等填料,有助于提高材料的导热性,避免材料因过热而老化[5] .石墨的传热系数远远 高于聚合物,也高于无机填料,因此可以制备耐腐蚀又具有高导热系数的石墨填充沥青. 除此以外,石墨和炭黑还具有防止降解的优点,在紫外线的波长范围 0.01~0.4 ?m 内, 炭黑和石黑作为填料使用,可吸收这个波长的光波,故可以保护所填充的聚合物避免发 生紫外线照射引发的降解[6] .炭黑是轻质刚性填充剂,使用轻质刚性填充剂有助于材料刚 度的大幅度增加和损耗因子的峰值增宽,这样能增加耗散能量,改善减振降噪的效果. 本研究所用炭黑为由液态或气态烃(天然气、石油、油脂)不完全燃烧或热裂解而制取 的极细的黑色颗粒,它是一种特殊形式炭.单个的炭黑粒子是球形的,但数个球状粒子 以较强的结合力结合形成聚集体.粒径小的炭黑色度和抗紫外线性能好,但在沥青中分 散困难,它需要更多的聚合物浸润其表面.炭黑可使高聚物分子不因紫外线照射而发生 降解的主要机理是炭黑可以捕获加剧高聚物降解的自由基.将质量分数 2%~3%、粒径 为16~20 ?m 范围的炭黑均匀分散到聚乙烯中,可使其自然老化时间延长至