压电相/导电相/环氧树脂阻尼复合材料的制备及性能研究

摘要

阻尼材料广泛应用于航空航天、建筑、机械、交通等领域，在阻尼材料的发展和研究中，压电阻尼材料因其新的能量损耗机制以及可能实现部分或完全的主动阻尼控制而受到越来越多的关注。本文以性能优良的热固性双酚A型环氧树脂为基体、铌镁锆钛酸铅(PMN)为压电相、导电炭黑(CB)和纳米碳纤维(CNFs)为导电相，采用树脂浇注成型方法制备了0-3型压电相/导电相/环氧树脂复合材料；主要研究了复合材料的结构、力学性能、介电性能及阻尼性能，探讨了压电阻尼复合材料的耗能机理，为智能型压电阻尼复合材料的应用和开发提供了重要的理论依据。 本论文工作得到了以下的重要结论： 陶瓷相、导电相对复合材料的结构和力学性能都有较大的影响。PMN含量小于20％时，陶瓷颗粒和导电相均匀地分散在环氧树脂基体中，树脂对功能体浸润良好，复合材料的弯曲强度增大，PMN大于30％后弯曲强度降低；随CB含量增大，PMN/CB/EP复合材料的弯曲强度先略有增大后降低，随CNFs含量增大，PMN/CNFs/EP复合材料的弯曲强度降低到最低值后又因CNFs的增强作用而升高。另外，复合材料具有较高的模量(2～6GPa)，可以作为结构阻尼材料或与结构材料一起使用。 陶瓷相对PMN/EP复合材料的介电性能有较大的影响。随陶瓷含量的增大，PMN/EP的ε非线性增大，PMN体积分数从0％增加到50％时，复合材料的ε从4.7增加到29.87；PMN/EP的介电损耗增大。随频率的增大，复合材料的ε下降趋势，当频率大于105Hz后ε降缓慢并趋于稳定。压电陶瓷的粒径大小对ε有较大的影响，粒径越大ε高，而且ε频率增大而下降的趋势越大。随着温度升高，ε有增大，在测试温度范围内，介温曲线比较平缓。PMN/EP复合材料的介电性能具有良好的温度和频率稳定性。 导电相对压电陶瓷/导电相/环氧树脂复合材料的导电性能和介电性能有较大的影响。随导电相含量的增大，复合材料的电阻率降低，当CB含量为树脂质量的6％、CNFs含量为树脂质量的0.6％时，PMN/CB/EP、PMN/CNFs/EP复合材料由绝缘体向半导体转变，此时的体积电阻率约为108 Ω·m数量级。随导电相含量增大，PMN/CB/EP、PMN/CNFs/EP复合材料的介电常数ε、介电损耗tanδ增大，并在含量达到逾渗阈值时，ε、tanδ迅速增大。 压电陶瓷对PMN/EP复合材料的阻尼性能也有较大的影响，当陶瓷粒径为7～35μm、体积分数为20％时，复合材料的βmax，TA和△T达到最大值，阻尼性能最好。PMN/EP复合材料的阻尼耗能由三部分贡献：环氧树脂的粘弹性阻尼、界面摩擦耗能和介电损耗耗能。引入导电相后，压电相/导电相/环氧树脂复合材料的阻尼损耗因子增大，压电阻尼作用机制发挥最大作用的条件是复合材料的电阻率处于绝缘体-半导体的逾渗转变区，此时电阻率约在108Ω·m数量级，导电相能够形成完整的导电通道并有效地将电荷转化为热能而耗散。压电相/导电相/环氧树脂复合材料的阻尼能力随动态载荷大小和频率的增大而增大，表现出一定的自适应阻尼控制性。在压电陶瓷/导电相/环氧树脂复合体系中，复合材料的阻尼由压电阻尼、介电损耗、环氧树脂的粘弹性阻尼、界面摩擦耗能协同起作用。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章压电陶瓷/聚合物阻尼复合材料概论

1.1阻尼材料和阻尼技术

1.1.1阻尼材料及高聚物阻尼机理

1.1.2阻尼材料的性能评价方法

1.2环氧树脂基阻尼材料研究进展

1.3压电陶瓷/聚合物复合材料的发展

1.3.1压电效应及压电材料

1.3.2压电陶瓷/聚合物复合材料的研究进展

1.3.3压电阻尼材料的研究进展

1.5本课题研究的目的和意义

1.6本课题主要研究内容

第2章环氧树脂基体的选择及改性

2.1引言

2.2环氧树脂基体的选择

2.2.1环氧树脂浇铸体的制备

2.2.2阻尼性能测试

2.2.3坏氧树脂的阻尼性能

2.3环氧树脂的改性

2.3.1主要原材料

2.3.1主要仪器设备

2.3.2 CTBN改性环氧树脂的制备

2.3.3柔性环氧共混改性环氧树脂的制备

2.3.4性能测试及方法

2.4 CTBN改性环氧树脂的性能

2.4.1 CTBN-EP预聚物、CTBN-EP/PEA固化物的结构与性能

2.4.2 CTBN-EP/PEA体系的力学性能

2.4.3 CTBN-EP/PEA体系的阻尼性能

2.5柔性环氧/双酚A型环氧共混树脂的性能

2.5.1柔性环氧的含量对共混树脂粘度的影响

2.5.2柔性环氧共混改性环氧树脂固化物的微观形貌

2.5.3柔性环氧对共混树脂力学性能的影响

2.5.4柔性环氧对共混树脂阻尼性能的影响

2.6本章小结

第3章0-3型压电陶瓷/环氧树脂复合材料的制备、表征及性能研究

3.1 0-3型压电陶瓷/环氧树脂复合材料的制备

3.1.1主要原材料

3.1.2试样的制备

3.2 PIVlN/EP复合材料的结构与性能表征

3.2.1结构分析

3.2.2性能测试及方法

3.3复合材料的极化工艺及压电性能

3.3.1极化时间对压电性能的影响

3.3.2极化温度对压电性能的影响

3.3.3极化电压对压电性能的影响

3.3.4偶联剂处理对耐击穿强度的影响

3.4陶瓷相对PMN/EP复合材料性能的影响

3.4.1陶瓷含量对复合材料密度的影响

3.4.2显微结构

3.4.3 PMN对环氧树脂固化性能的影响

3.4.4 PMN/EP复合材料的力学性能

3.4.5 PMN/EP复合材料的介电性能

3.4.6 PMN/EP复合材料的阻尼性能

3.5偶联剂对复合材料性能的影响

3.5.1偶联剂对微观结构的影响

3.5.2偶联剂处理对复合材料力学性能的影响

3.5.3偶联剂含量对阻尼性能的影响

3.5.4偶联剂处理对复合材料介电性能的影响

3.6压电陶瓷/环氧树脂复合材料阻尼耗能机制分析

3.7本章小结

第4章压电陶瓷/导电相/环氧树脂复合材料性能

4.1压电陶瓷/导电相/环氧树脂复合材料的制备

4.1.1主要原材料

4.1.2仪器设备

4.1.3压电陶瓷/导电相/环氧树脂复合材料的制备

4.1.4结构与性能测试

4.2 PMN/导电相/EP复合材料的显微结构

4.2.1 PMN/导电炭黑/EP复合材料的显微结构

4.2.2 PMN/CNFs/EP复合材料的显微结构

4.3导电相对复合材料静态力学性能的影响

4.3.1导电相种类和含量对复合材料静态力学性能的影响

4.3.2炭黑改性时陶瓷含量对复合材料静态力学性能的影响

4.4导电相对复合材料导电性能的影响

4.4.1导电炭黑对PMN/EP复合材料导电性能的影响

4.4.2纳米碳纤维对PMN/CNFs/EP复合材料导电性能的影响

4.4.3 PMN/导电相/EP复合材料的电阻温度特性

4.5导电相对PMN/导电相/EP复合材料介电性能的影响

4.5.1导电相对PMN/导电相/EP复合材料介电性能的影响

4.5.2 PMN/导电相/EP复合材料介电频率特性

4.5.3 PMN/导电相/EP复合材料介电温度特性

4.6小结

第5章压电陶瓷/导电相/环氧树脂复合材料阻尼性能研究

5.1动态载荷对压电陶瓷/导电相/环氧树脂复合材料阻尼性能的影响

5.1.1载荷大小对压电陶瓷/导电相/环氧树脂阻尼性能的影响

5.1.2频率对压电陶瓷/导电相/环氧树脂复合材料阻尼性能的影响

5.2压电陶瓷/导电相/环氧树脂复合材料阻尼性能温度谱

5.2.1压电陶瓷/导电炭黑/环氧树脂复合材料阻尼性能的温度谱

5.2.2压电陶瓷/纳米碳纤维/环氧树脂复合材料阻尼性能的温度谱

5.3压电阻尼机理分析

5.3.1压电阻尼耗能机制

5.3.2压电阻尼复合材料的电阻匹配条件

5.3.3压电阻尼复合材料对动态载荷的响应

5.4小结

第6章结论

参考文献

附录 攻读博士学位期间参研项目、发表论文及申请专利

致谢