EP/PU连续梯度IPN阻尼复合材料制备及性能研究

摘要

随着设备向着高速化、智能化和精准化的方向发展，由设备运行所产生的振动及噪声问题已成为制约仪器设备飞速发展的一个重要因素。噪声污染与废水、废气污染已成为城市污染的三大公害。阻尼材料具有控制和降低结构振动的特点，能够有效地降低设备运行所产生的振动及噪声，阻尼技术的研究和开发在航空航天、建筑、机械生产、交通、军事等领域具有重大的应用前景。 传统聚合物材料的阻尼温域较窄，性能单一，难以满足复杂多变的实际应用环境，人们迫切需求具备宽阻尼温域及高损耗因子的新型阻尼材料。互穿聚合物网络（IPN）能够有效拓宽单组份聚合物材料的阻尼温域，是近年来聚合物基阻尼材料领域的研究热点。本文通过理论分析及大量测试选取了综合性能优异的低粘度环氧树脂（LY-1564）、双组份聚氨酯（130T）为基体，并以三-（二甲胺基甲基）苯酚（DMP-30）为固化剂，固体磷酸为副反应抑制剂，采用梯度升温固化的工艺制备了一种具有梯度渐变结构的新型互穿网络结构（IPN）阻尼材料，并对其梯度结构的形成机理及其在阻尼结构中的阻尼性能等进行了详细研究，为环氧—聚氨酯梯度复合材料的研究开发和实际应用提供了理论依据。 本文首先从环氧—聚氨酯IPN体系组分之间组分相容性、表/界面张力、树脂对模具的选择性吸附、固化物最低系统能量等热力学方面上证明了该混合树脂具备自梯度的内驱动力，然后又在体系粘度、凝胶时间、固化温度等因素的动力学方面上论证了该树脂混合体系满足自梯度的要求，为后文实验操作奠定了理论基础。随后采用逐层浇注工艺、同步互穿共固化工艺，同步互穿梯度固化工艺，制备了三种类型的环氧—聚氨酯 IPN阻尼材料。研究证明采用逐层浇注工艺制备的分层梯度 IPN材料具备“分层梯度耗能”及“界面撕裂耗能”的机理，具有优异的抗冲击性能，阻尼峰平台较宽，但整体阻尼性能差；采用同步互穿梯度固化工艺制备的连续梯度 IPN材料具有良好的抗冲击及阻尼特性；IPN材料的树脂用量比例、预固化时间、预固化温度等对材料阻尼性能均有影响。EP/PU=60/40，真空10℃，24小时预固化的固化条件能够获得阻尼性能最佳的连续梯度IPN材料，其阻尼温域超过了100℃。同时实验还发现了浇注体尺寸厚度、环境湿度、操作时间、预固化温度、不同厂家的同牌号树脂、不同批次的同种固化剂对材料的梯度效果具有一定的影响。 其次，本文通过紫外、红外吸收光谱、元素含量测定、断面形貌扫描、透射电镜及试样微区的原子力测量等方式，系统的研究了连续梯度 IPN材料的梯度结构。光谱吸收测试表明在厚度方向上梯度材料在不同选样区域内具有不同的吸收波长及吸收强度，证明了材料组分梯度分布的特点；通过元素分析测试获得了元素在梯度材料中的具体含量分布，发现PU树脂在材料底部区域含量最高，表面最低，中间过渡区存在一定程度上的相分离；通过扫描电镜详细研究了不同固化条件下材料的断面形貌，发现预梯度时间过长会导致材料完全分相，时间太短仅能产生局部梯度，研究发现24小时的梯度预固化时间对厚度为2.40毫米的试样能够形成较好的连续梯度结构；通过原子力电镜测量了组分比60/40梯度材料的显微模量，发现试样上表面区域的模量主要分布在220±40 MPa左右，材料底部区域模量较低，主要集中在25±20 MPa左右，中间区域具有梯度过渡的模量。 最后，本文制备了阻尼复合结构，研究了梯度材料在阻尼复合结构中的减震效果。研究发现由梯度 IPN材料制备的自由阻尼结构的结构损耗因子、插入损失随阻尼层厚度的增加而增长，共振频率随阻尼层厚度的增加而降低；由其制备的约束阻尼结构的损耗因子、插入损失和振级落差随着阻尼层厚度的降低而增加；与采用同配方同尺寸制作的均相IPN阻尼结构相比，采用梯度IPN材料制作的阻尼结构具有更好的阻尼效果。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 振动及其危害

1.2 阻尼材料及阻尼结构

1.3 梯度材料及其发展

1.4 本课题研究的目的和意义

1.5 本课题研究的主要内容

第二章 混合体系的自梯度理论

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3本章小结

第三章 PGM阻尼材料制备及工艺性能研究

3.1 引言

3.2 仪器、设备及原材料

3.3 阻尼材料的制备

3.4 PGM材料性能测试

3.5 EP-PU IPN材料性能分析

3.6 本章小结

第四章 梯度结构表征

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 本章小结

第五章 梯度IPN材料实用性分析

5.1 实验部分

5.2 IPN-15材料的三维动态阻尼曲线

5.3 阻尼结构

5.4 小结

第六章 总结与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

附录

致谢