PMN/CNTs/EP压电阻尼复合材料的组成结构与阻尼性能研究

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阻尼材料是将固体振动能转变为热能,从而达到控制振动和降低噪声的目的,这种减振降噪技术广泛应用于汽车、航空和船舰等领域中。目前,高分子阻尼材料多为橡胶类聚合物,此类阻尼材料虽然具有较优的阻尼性能,但是力学强度差,而环氧树脂因其具有优异的力学性能,作为新一代的结构阻尼材料成为研究的热点。但是纯的环氧树脂阻尼性能差,因此加入压电相和导电相,引入多重能量耗散机制增强环氧树脂的阻尼性能受到了广泛的关注。然而各相对总体阻尼性能的贡献比例尚不明确。本文采用铌镁锆钛酸铅(PMN),碳纳米管(CNTs)和环氧树脂(EP),制备了0-3型PMN/CNTs/EP压电阻尼复合材料;重点分析了导电相CNTs和压电相PMN对阻尼性能的贡献比例,并建立了体系导电率与阻尼性能的匹配关系。首先,以CNTs为导电相,研究了CNTs对CNTs/EP阻尼复合材料的阻尼性能的影响。采用不改性、混合酸和偶联剂改性的方法,得到三种不同的CNTs (CNTs-Pristine, CNTs-COOH, CNTs-Silane),构建其与EP界面间三种不同的结合强度(范德华力,弱的界面共价结合,强的界面共价结合)。结果表明:范德华力使CNTs-Pristine与EP相容性差,CNTs-Pristine团聚严重,分散性较差;弱的界面共价结合使CNTs-COOH与EP相容性较好,CNTs-COOH/EP分散性得到一定改善;强的界面共价结合使CNTs-Silane与EP相容性最好,CNTs-Silane在EP中分散性最好。由阻抗分析知,CNTs-Pristine/EP由于CNTs团聚严重,导电性能差;CNTs-COOH/EP导电性能最好;由于CNTs-Silane表面包覆有偶联剂,阻碍电子传导,CNTs-Silane/EP导电性能差。对比三种复合材料,CNTs-Silane/EP的阻尼性能最好,损耗因子峰值达到最大值(0.620),CNTs-COOH/EP的阻尼性能次之,CNTs-Pristine/EP最差。综合考虑导电性能(在0-3型压电阻尼复合材料中,CNTs应具备良好的导电性能,将压电效应转化的电能通过导电相以热能的形式耗散)和阻尼性能,得出最佳导电相为CNTs-COOH.其次,以PMN为压电相,研究了PMN对PMN/EP复合材料阻尼性能的影响。结果表明,随PMN含量的增加,PMN/EP阻尼性能先增强后减弱,当PMN含量为20wt.%,损耗因子峰值达到最大值(0.559);当PMN含量为20~60wt.%时,损耗因子峰值均大于EP的阻尼性能(0.420);当PMN含量过高或过低时,其阻尼性能增强不显著。因此,压电相采用PMN含量为20wt.%和60wt.%。最后,以CNTs-COOH为导电相,PMN为压电相,选择PMN含量分别为20wt.%和60wt.%,研究导电相和压电相对PMN/CNTs/EP复合材料阻尼性能的影响。20wt.%PMN/CNTs/EP阻尼复合材料,当CNTs含量为0.6wt.%时,电阻率为107~108Ω.cm,最大损耗因子没有出现最优值;60wt.%PMN/CNTs/EP阻尼复合材料,当CNTs含量为1.0wt.%时,电阻率为107~108Ω.cm,最大损耗因子出现最优值。结果表明,20wt.%PMN/CNTs/EP阻尼性能受压电效应的影响不明显,PMN与基体和CNTs与基体之间界面效应对阻尼性能增强占主导作用,最大损耗因子峰值为0.653,其中CNTs引入对阻尼性能的贡献约占25%,PMN引入对阻尼性能的贡献约为10%,而基体粘弹性的贡献约占65%。60wt.%PMN/CNTs/EP复合材料电阻率大于108Ω.cm时,PMN压电效应转化的电能不能通过CNTs以热能的形式耗散,压电效应对阻尼性能增强不显著;当电阻率在107~108Ω.cm时,损耗因子峰值陡升为0.683,PMN的压电效应和界面效应以及CNTs的界面效应共同影响了材料的阻尼性能,其中CNTs引入对阻尼性能的贡献约占16%,基体粘弹性约占62%,PMN引入对阻尼性能的贡献约占总阻尼性能的22%;当电阻率小于107Ω.cm,电能不能有效耗散,此时PMN与基体和CNTs与基体界面效应对压电阻尼复合材料的阻尼性能增强占主导地位。
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