苯基硅橡胶高频动态力学性能和冲击环境下的阻尼性能关系研究

摘要

武器装备、电子系统等在意外撞击、跌落等过程中，会经受高速冲击载荷的作用，系统内部的关键部组件和精密元器件极可能因此而造成失灵、失效或损坏，采用性能优异的橡胶阻尼材料对其进行冲击隔离是重要的防护措施。苯基硅橡胶耐高低温、耐老化和耐辐照性能优异，同时还具有优越的电绝缘性能、良好的化学稳定性以及生物相容性等，综合性能优异，广泛应用于电子、运输、航空航天等领域，也有望作为性能优良的阻尼材料应用于高冲击环境中。 动态力学性能是阻尼材料设计和应用的重要依据。高冲击将产生高频率、高过载的振动，而目前的相关研究主要针对的是苯基硅橡胶在低频条件下的动态力学性能研究，不足以对苯基硅橡胶作为高冲击阻尼材料的应用提供充分的依据。鉴于此，本论文基于时温等效原理和冲击阻尼性能测试装置，重点针对苯基硅橡胶在高频率、高冲击条件下的动态力学性能开展了相关的研究工作，得到了以下主要结论： （1） 制备了不同苯基含量的苯基硅橡胶，基于热机械动态力学性能分析和时温等效原理，研究了苯基含量对苯基硅橡胶动态力学性能的影响。研究结果表明：苯基含量增加，苯基硅橡胶的玻璃化转变温度向高温移动，最大阻尼因子增大，在常温低频条件下，苯基硅橡胶的阻尼因子小于0.3，难以作为优异的阻尼材料得到应用，但苯基硅橡胶在高频条件下具有较好的阻尼性能，随苯基含量增加，最大阻尼因子所对应的频率降低，有效阻尼频域向低频方向移动，苯基含量为30mol%左右的苯基硅橡胶在频率范围为9.0×103Hz～2.2×106Hz、温度范围为-15℃～25℃时，具有较好的阻尼性能； （2） 采用过氧化二苯甲酰（BPO）和过氧化二异丙苯（DCP）两种不同类型的硫化剂，获得了具有不同交联网络结构的苯基硅橡胶，研究了交联网络结构对苯基硅橡胶动态力学性能的影响，研究结果表明：交联网络结构对苯基硅橡胶动态力学性能-频率谱的影响程度明显大于对动态力学性能-温度谱的影响，交联密度增加，有效阻尼频域变窄并向高频方向移动，当交联密度过大时，部分分子链段失去运动能力，阻尼因子显著下降；同时，当交联密度相近时，由于交联网络结构构建方式的不同，通过DCP硫化获得的苯基硅橡胶的有效 阻尼频域与通过BPO获得苯基硅橡胶的有效阻尼频域存在显著的差异。 （3） 采用两种具有不同表面特性的气相法白炭黑作为补强填料，研究了白炭黑表面特性及其用量对苯基硅橡胶动态力学性能的影响，研究结果表明，白炭黑填料用量越高，填料与苯基硅橡胶之间的相互作用越强，对分子链段运动的抑制作用越明显，阻尼因子越低；白炭黑表面特性和用量对苯基硅橡胶的玻璃化转变温度和有效阻尼温域没有明显的影响，而对有效阻尼频域有明显影响，白炭黑用量增加，有效阻尼频域明显变窄，当白炭黑与苯基硅橡胶之间有较强的相互作用时，白炭黑用量对有效阻尼频域的影响更为明显。 （4） 利用加速度传感器可以感知冲击环境特征参数的能力，设计了苯基硅橡胶样品与加速度传感器组成的复合阻尼结构，并结合落锤式冲击加载装置和数据采集系统，研究了苯基含量、样品厚度以及样品压缩率状态对苯基硅橡胶冲击阻尼性能的影响，结果表明，本论文设计的冲击性能阻尼测试装置可为橡胶冲击阻尼性能及其影响因素的研究提供有效的手段。苯基硅橡胶的冲击阻尼性能研究结果表明，苯基含量越高，苯基硅橡胶的冲击阻尼性能更好，能够有效过滤或衰减高冲击环境中产生的高频振动信号，同时样品越厚，压缩率越低，苯基硅橡胶的冲击阻尼效果越好。

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