硅橡胶基阻尼吸声复合材料的制备及性能调控研究

摘要

噪声严重危害人类的身心健康，高效吸声降噪材料是解决这一问题的重要途径。近年来，压电阻尼复合材料基于压电材料具有对环境刺激信号容易感知，能够利用其压电性能将机械能转换为电能，并通过在聚合物中形成一定的导电网络将电能转换为热能耗散掉的原理来实现优异的阻尼吸声性能，再加上其具有力学强度高、耐环境能力强、综合性能和内耗优异等特点而成为新型阻尼吸声复合材料和减振材料研究的热点。
　　本研究首先制备了无毒、弹性好、适用范围广、外表美观、合成方便、综合性能稳定而本身具有一定吸声功能的室温硫化硅橡胶（RTV）并对其进行改性，以实现弹性、阻燃和综合力学性能的协同提高；继而对PZT基压电陶瓷和BTO基无铅压电陶瓷的性能进行改进，实现压电性能和电学性能的共同提高；再分别选用新型的纳米炭黑（NCB）、纳米石墨（NG）和碳纳米管(CNT)为导电剂，改性的RTV和压电陶瓷分别作为基体和压电相，利用球磨混合-三辊研磨-压片相结合的三步法，制备了导电相/压电相/RTV压电-聚合物阻尼吸声复合材料。分别利用SEM、IR、XRD、DMA、TG等技术研究了压电相和各导电相对复合材料的微观形貌、界面结合性质、相结构、电滞和内损耗、储能模量、损耗模量、阻尼性能、热性能等的影响规律；用驻波管法测试并研究了400-1600Hz范围内压电相和各导电相对复合材料吸声性能的影响规律。
　　用溶液反应-三辊研磨法制备了纯的RTV基体和不同改性剂改性的系列RTV基复合材料，对复合材料的微观形貌、界面交联性质、硬度、体积电阻率、综合力学、阻燃和耐热性能进行了研究。发现在nano-SiO2、D4-nano-SiO2、DBDPE/Sb2O3、DBDPO、Al(OH)3几种改性剂中，10wt.％D4-nano-SiO2和10wt.%nano-SiO2对RTV的综合改性效果较好，复合材料 D4-nano-SiO2/RTV和 nano-SiO2RTV的相间结合属于物理结合；10wt.%D4-nano-SiO2/RTV和10wt.%nano-SiO2/RTV的阻燃等级均可以达到FV-0，而燃烧指数在42-46之间，均符合压电阻尼吸声复合材料基体的实用标准；复合材料D4-nano-SiO2/RTV和 nano-SiO2/RTV的体积电阻率分别为1.8×109Ω·m和8×108Ω·m； D4-nano-SiO2和nano-SiO2均可以改善RTV基体的耐热性能，D4-nano-SiO2/RTV和nano-SiO2/RTV的热分解终止温度分别为640℃和620℃。
　　采用固相合成法分别制备了 PSZT基压电陶瓷和 Bi4-xSbxTi3O12无铅压电陶瓷，分别研究了Ba(W1/2Cu1/2)O3的含量对PSZT、Sb2O3的含量对BTO的烧结温度、对应复合体系的相结构、显微组织、密度及综合电性能等的影响规律，为压电阻尼吸声复合材料的压电相选择提供数据支持。
　　对于体系 Ba(W1/2Cu1/2)O3/PSZT，发现了烧结温度的变化、Ba(W1/2Cu1/2)O3含量的增加均会引起 PSZT由纯钙钛矿结构的菱方相逐渐向四方相的转化，准同型相界位于0.05wt.%至0.15wt.%处；当Ba(W1/2Cu1/2)O3的含量为0.10 wt.%而烧结温度为950?C时，陶瓷样品获得最佳综合性能值：d33=564 pC/N，Kp=0.66，Qm=46，tanδ=0.0123，εr=3109，Pr=21.26μC/cm2和Ec=13.53 kV/cm，应变为0.139%。
　　对于Sb2O3/BTO体系，发现1120℃下可形成无杂相的钙钛矿结构，但Sb2O3的改性可引起该相结构从纯的正交相向单一的Bi2Ti2O7焦绿石相的转变，同时 BTO的γ值从1.92降低到1以下，超出了1<γ<2的范围，说明铁电驰豫性消失，因此Sb2O3的改性添加可以减弱或消除材料的驰豫程度，而适量Sb2O3的改性，有利于铋层状结构的各向异性生长；Sb2O3的改性量为0.10时，能够提高陶瓷的电性能温度稳定性，从而有利于陶瓷样品的实用化，1120℃烧结的陶瓷晶粒大小均匀，综合电性能较优，综合性能为：d33=18 pC/N，εr=207，tanδ=0.0157，Tc=660℃，εm=2415，Tc=280?C，Pr=6.04μC/cm2，Ec=1.28 kV/cm。
　　导电相/压电相阻尼吸声复合材料的性能研究发现，PZT/RTV、导电相/PZT/RTV复合复合材料的相间结合性质为物理结合；PZT含量增加，体系 PZT/RTV的压电性能增加；NCB、NG、CNT三种导电相均对PZT/RTV复合基体在压电性能上有极化诱导作用，与NG、CNT相比，由于导电开放性最大，导电相含量相同的NCB/PZT/RTV体系在极化前后压电性能提高率最大；各导电相/PZT/RTV复合材料为纯的钙钛矿相结构，PZT以及导电相含量变化不会引起该相结构的转变，但各导电相与PZT/RTV的复合均会引起晶格常数的变化；不同含量的NCB、NG、CNT对RTV的改性可以大幅度的提高基体的内耗，内耗随PZT含量的变化规律是：在改性含量0-60wt.%以内，随着PZT含量的增加，内耗先增大再减小，体系3wt.%NG/40wt.%PZT/RTV的内耗最大；PZT含量增加到60wt.%时，3wt.%NG/PZT/RTV复合材料的压电性能几乎不受RTV与PZT含量的影响。
　　导电相含量相同时，由于CNT特殊复杂的腔体结构和对电子导电的限域作用，导致4wt.%CNT/PZT/RTV体系内耗最大，而相对应的4wt.%NCB/PZT/RTV的内耗最小；PZT含量对复合材料储能模量、损耗模量和阻尼性能的影响规律受温度影响较大；由于压电作用和损耗作用协同较好，NG/PZT/RTV阻尼性能的提高幅度最大，最大提高百分率为181.3%，其最大阻尼系数是110℃左右的0.44；不同导电相的改性均可以提高复合基体的吸声性能，但也与频率有关，在频率400-1600Hz内，CNT/PZT/RTV、NG/PZT/RTV、NCB/PZT/RTV的吸声系数在0.25-0.5、0.3-0.61和0.2-1.2之间。

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1.绪论

1.1 前言

1.2阻尼吸声材料的研究概况

1.3现代阻尼吸声复合材料研究现状

1.4影响吸声性能的因素

1.5吸声材料的应用

1.6课题的目的及研究内容

2.实验方法

2.1实验仪器与原材料

2.2.分析测量仪器

2.3 RTV的性能调控

2.4 压电相的性能改进

2.5 阻尼吸声复合材料的制备

2.6性能测试及其评价

3.基体RTV的制备与性能调控

3.1 RTV基体的制备[101]

3.2 RTV改性复合材料的制备[101]

3.3 不同阻燃剂对综合力学性能的影响

3.4 D4-nano-SiO2/RTV和nano-SiO2/RTV体系的综合性能研究

3.5 小结

4.Ba(W0.5Cu0.5)O3/PSZT的相结构、微观形貌及电性能

4.1 Ba(W1/2Cu1/2)O3/PSZT压电陶瓷复合体系的电性能研究

4.2 小结

5.Bi4-xSbxTi3O12基无铅压电陶瓷的相结构、微观形貌及电性能研究

5.1 Sb2O3含量对BTO陶瓷的相结构、微观结构和电性能的影响

5.2小结

6.压电相对阻尼吸声复合材料性能的影响

6.1样品的制备

6.2 PZT对复合材料性能的影响

6.3 小结

7导电相形态对复合材料阻尼吸声性能的影响

7.1样品的制备

7.2不同导电相对复合材料性能的影响

7.3 小节

8.导电相含量对复合材料阻尼吸声性能的影响

8.1样品的制备

8.2纳米炭黑（NCB）对BWZT/RTV复合基体性能的影响

8.3纳米石墨（NG）对PZT/RTV复合基体性能的影响

8.4碳纳米管（CNT）对PZT/RTV复合基体性能的影响

8.5小结

9.结论与创新点

9.1结论

9.2论文的创新点

参考文献

附录

致谢

攻读学位期间的研究成果