空心球环氧复合材料阻尼性能研究

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1、空心球/环氧复合材料的阻尼性能研究顾健，武高辉(哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，哈尔滨150001)摘要针对目前日益严重的振动和噪声问题，本文采用浸渗法分别制得了两种空心球(空心微珠FA和Al2O3空心球)/环氧(EP)复合材料，并对其进行了密度、微观形貌和阻尼性能进行了研究。首先通过排水法测试了复合材料的密度，结果显示空心微珠/环氧复合材料的密度(1.12g/cm3)要高于Al2O3空心球/环氧复合材料的密度(1.06g/cm3)，通过复合材料表面和断口的扫描(SEM)照片观察发现空心球在基体中分布均匀，并与基体粘结较好；阻尼性能的测试

2、是采用动态力学热分析仪(DMA)，通过拉伸-压缩的方法在变温条件下完成的，研究结果显示，相同体积分数下，空心微珠/环氧复合材料的损耗因子高出Al2O3空心球/环氧复合材料0.035左右，计算表明两者的阻尼/密度比(比密度阻尼)相近。但是前者的阻尼温域(Ttanδ>0.5)更宽，显示了良好的阻尼性能。因此这两种材料在减振降噪、环保和汽车等领域都具有广阔的应用前景。关键词复合材料阻尼性能空心微珠Al2O3空心球中图分类号TB332·183·0前言现代科学技术的发展带给人们方便和舒适的生活，但同时也造成了许多严重的问题，如资源浪费、环境污染(振动

3、和噪声的污染)等，为了解决日益严重的振动和噪声问题，阻尼材料的设计、开发和应用就显得非常重要[1]。空心微珠是一种新型的环境材料，是由火力发电厂煤炭燃烧后的粉煤灰中提取出来，其主要成分是硅铝酸类无机粉体材料。作为一种工业废料，其成本低廉，并且大量使用对于环境保护和废物利用有积极的社会意义，此外，由于具有低密度、填充性能好、球形颗粒的应力集中小、低导热、高分散性和易加工等优势[2]，目前许多学者都在深入研究利用空心微珠来合成新材料以解决上述问题[3,4]。Al2O3空心球是一种工业产的空心陶瓷球，其主要成分是Al2O3。与其他空心球相比，也具

4、有低密度(0.4g/cm3~0.6g/cm3)、低成本等方面的优势。环氧树脂(EP)是常用的工业产品，具有耐热、耐潮湿、化学稳定性好和挥发性小等优点，并且与许多材料具有良好的粘结性能[5]。蔡小烨等人[6]进行了含SiO2微球环氧树脂复合材料的实验研究，测定了材料压缩模量和抗压强度。并进行了微观压缩的全程观察，分析了不同SiO2微球含量的材料在压缩过程中的破坏模式。Huang和Gibson[7]提出了空心微珠填充复合材料弹性模量的数学方法。国内,卢子兴等[8,9]提出了对含有有限体积比的、一般空心微珠增强的复合材料有效模量的一些预测方法,并

5、最先开展了聚氨酯复合泡沫塑料力学性能的实验研究。Gupta等[10]利用实验手段,研究了填充微珠壁厚对环氧复合材料力学性能的影响,还考虑了试件长宽比对实验结果的影响。而对于空心球/聚合物的阻尼性能研究的报道很少。因此本实验采用改性环氧树脂为基体，制得空心微珠和Al2O3空心球/环氧两种复合材料。并对其密度、阻尼性能和微观形貌等进行了分析和研究。1材料制备和试验方法1.1原料环氧树脂(A组分:E-51、B组分:固化剂和促进剂)；聚氨酯(A组分:异氰酸酯、B组分:聚醚型固化剂、促进剂等)；环氧丙烷丁基醚(活性稀释剂501，分析纯)；γ-氨丙基三

6、乙氧基硅烷(硅烷偶联剂KH-550，分析纯)；填料：空心微珠：密度约为0.57g/cm3~0.70g/cm3。Al2O3空心球：密度约为0.4g/cm3~0.6g/cm3，粒径为0.5mm~2mm。1.2复合材料的制备·183·将环氧树脂A组分及B组分按3:1混合于60℃恒温搅拌后，再以2:1的比例依次加入聚氨酯A组分及B组分混匀，加入稀释剂和消泡剂搅匀后，再加入已表面改性的空心微珠和Al2O3空心球，通过超声分散和真空脱泡，将混合浆料注入到模具中固化得到复合材料，其中空心微珠和Al2O3空心球的体积分数相同。表1列出了制得的三种材料。表1

7、制备的三种材料材料体积分数/%粒径/μmEP00EP/FA30119EP/Al2O330500~20001.3密度测试、形貌观察及阻尼性能测试密度测试：采用排水法分别测试了空心微珠和Al2O3空心球/环氧复合材料的密度。形貌观察：采用扫描电镜对拉伸试样的断面进行了形貌观察和分析。动态力学分析(DynamicMechanicalAnalysis,DMA)：在MAK-04型粘弹分析仪上采用拉伸-压缩的方法测试；样品尺寸为30mm3×5mm3×2mm3；tanδ-T测试的频率为30Hz，温度扫描区间为-40℃～150℃，测试过程的升温速率为3℃·

8、 min-1；试验气氛为氩气。2结果与讨论2.1密度测试复合材料的密度通过排水法测得。将四次测试结果取平均值得到如表2所列。表2两种复合材料的密度材料密度/(g/cm3)标准偏差