粘弹性阻尼材料及嵌入式共固化阻尼复合材料制作工艺

摘要

本发明公开了一种粘弹性阻尼材料，按质量分数包括以下原材料组分：氟橡胶100份；炭黑30份；三烯丙基异氰脲酸酯14份；硫化剂双-253.8份；N，N’-间苯撑双马来酰亚胺1.5份。本发明同时还公开了利用粘弹性阻尼材料制备嵌入式共固化阻尼复合材料的工艺，包括：阻尼材料原胶的制作，粘弹性阻尼薄膜的制作，铺层和构件制作。该工艺制作的嵌入式共固化复合材料结构能够耐高温而且常温情况能够保持高阻尼。

说明书

技术领域

本发明属于复合材料动力学改性工艺研究领域，尤其是一种粘弹性阻尼材料及嵌入式 共固化阻尼复合材料制作工艺。

背景技术

目前，嵌入式共固化复合材料阻尼结构是利用复合材料力学性能的可设计性将三种不同 性质的材料，通过物理或化学的方法经人工或现代工艺复合而成的一种多相固体。从它的 组成和结构上分析，其中有一相在层内基本上是连续的称为基体相如树脂，而另一相是分 散在基体中，被基体所包容的称为增强相如碳纤维，还有一相是各向同性的粘弹性阻尼材 料。其基体相、增强相和粘弹性阻尼材料在性能上起协调作用，从而达到大幅度地提高复 合材料构件阻尼的目的，得到单一材料难以比拟的综合力学性能，具体结构如图1所示。 与传统的阻尼结构相比这种事先阻尼处理形式是镶嵌在基体材料内部的，具有不脱落、抗 老化等优点，在航空、航天、高速列车等高科技领域有着广泛的应用前景。然而这种材料 的耐高温性能作为一个重要的考量指标影响其应用范围，目前最高固化温度(180℃)的嵌入 式共固化阻尼复合材料使用温度最多能够达到150℃，在更高环境温度下，阻尼材料将快速 老化，致使强度和层间结合性能迅速下降，导致嵌入式共固化阻尼复合材料结构失效。因 此，需要一种能够耐高温并且同时保证高阻尼的嵌入式共固化阻尼复合材料结构。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种粘弹性阻尼材料及嵌入式共固 化阻尼复合材料制作工艺，该工艺制作的嵌入式共固化阻尼复合材料结构能够耐高温而且 常温情况能够保持高阻尼。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种粘弹性阻尼材料，按质量分数包括以下原材料组分：

氟橡胶99.5～100.5份；炭黑29.5～30.5份；三烯丙基异氰脲酸酯13.5～14.5份；硫化剂 双-253.5～4.0份；N，N’-间苯撑双马来酰亚胺1.3～1.7份。

所述炭黑为990牌号炭黑。

一种利用粘弹性阻尼材料制备嵌入式共固化阻尼复合材料的工艺，步骤如下：

1)阻尼材料原胶的制作，按照粘弹性阻尼材料的配方称取各组分物质，在开炼机上将 各个组分混炼成未硫化的原胶，胶料的加料顺序为：先将氟橡胶加入混炼机，混炼1分钟， 氟橡胶便均匀充满压辊，再将混合在一起的三烯丙基异氰脲酸酯、硫化剂双-25和990牌号 炭黑一同加入，混炼10分钟，混合物均匀充满压辊，再放入N，N’-间苯撑双马来酰亚胺， 混炼5分钟均匀后，减小压辊的辊距，再打三角包滚炼10遍，确保混炼均匀后，调节辊距 出2mm厚度的未硫化的原胶薄片，平铺放入聚四氟乙烯的隔离板中待用；

2)粘弹性阻尼薄膜的制作，采用刷涂或喷涂工艺制作粘弹性阻尼薄膜，所谓刷涂或喷 涂工艺就是先将步骤1)制备的粘弹性阻尼材料原胶按照质量1:3.5的比例溶于四氢呋喃溶 液中，制成胶浆，然后刷涂或喷涂在复合材料预浸料T700/QY260表面，晾干四氢呋喃溶剂 后，检查阻尼层厚度是否满足设计要求，如果不满足就继续刷涂或喷涂直到满足设计厚度 为止，在粘弹性阻尼材料原胶裸露面再铺上一层复合材料预浸料T700/QY260，这样就在复 合材料预浸料T700/QY260上制备出粘弹性阻尼薄膜，放入隔离布后再放入冷藏室保存待 用；

3)铺层和构件制作，从冷藏室取出已刷涂或喷涂有粘弹性阻尼材料原胶的复合材料预 浸料T700/QY260，室温下放置4小时后，根据所需总厚度在其上下两侧各铺上复合材料预 浸料T700/QY260，使整体达到所需厚度，置于模具中，密封好真空袋，放入热压罐，按照 固化工艺曲线，经升温，加压，抽真空流程完成成型，降温泄压后打开热压罐，取出，即 为已经制成的嵌入式共固化耐高温阻尼复合材料构件。

所述步骤2)中，将未硫化的原胶在开炼机上压制成薄片，再用剪刀切碎成细长薄条放 入四氢呋喃溶液中后，搅拌均匀再密封48小时，待完全溶解之后，就配制成胶浆；将液态 的胶浆均匀刷涂或喷涂在碳纤维预浸料T700/QY260表面，在通风良好处晾干，晾干后再进 行下一次刷涂，直到阻尼层厚度满足设计要求为止。

所述步骤2)中，因为未硫化的原胶和有机溶剂的配比是确定的，所以刷涂一次的厚度 是均匀的，通过改变刷涂或喷涂的次数来确定最终的阻尼层厚度，实验得出在预浸料上刷 涂4次其阻尼薄膜的厚度能达到0.1mm。

所述步骤3)中固化工艺曲线为先按照1-1.5℃/min升温至125℃，在0.5MPa压力下， 同时真空袋内保持压力小于0.095MPa，先保温15分钟，再以1-1.5℃/min升温至175℃， 保温4h，再以1-1.5℃/min升温至200℃，保温1h，再以1-1.5℃/min升温至260℃，保温 4h，再以1-1.5℃/min降温至常温，同时泄压取出构件。

本发明的原理：像氟橡胶、丁基橡胶、硅橡胶等高分子材料具有达到一定温度而硫化 的特点，并且交联后具有很长的分子链，其分子链上的侧链十分密集,形成蠕虫状分子结构， 因此具有良好的吸收冲击和振动能量的能力，另外交联后的高分子材料具有一定的强度， 并且能够与复合材料中的树脂发生交联反应，形成互穿网络结构。

本发明正是通过调整阻尼材料的组分得到能够在高温才开始硫化的橡胶，并且使硫化 曲线尽量与碳纤维预浸料的固化曲线保持一致，即氟橡胶的硫化温度与硫化时间与对应复 合材料预浸料的固化温度和时间一致。通过分子键形成互穿网络结构，从而使层间有较好 的强度和耐温性能。通过正交试验最终所得氟橡胶的组分如表1所示，从而实现嵌入式共 固化复合材料结构真正具有高阻尼和耐高温的特性。

表1粘弹性材料组分

在阻尼薄膜的制作过程中，先按表1称量出各组分，混炼成阻尼材料胶料，然后将其 与溶剂四氢呋喃按照质量1:3.5的比例溶解，粘弹性材料被制成胶浆溶液，均匀刷涂或喷涂 在预浸料表面，通过改变刷涂或喷涂的次数来确定最终的阻尼层厚度。依据铺层顺序铺设 好预浸料之后，将其放入热压罐，按照共固化曲线完成固化成型，取出后即为嵌入式共固 化耐高温阻尼复合材料构件。

本发明的嵌入式共固化耐高温阻尼复合材料采用能耐高温的碳纤维预浸料 T700/QY260，并且通过大量试验和测试提出了一种能满足该预浸料要求的嵌入式共固化耐 高温阻尼复合材料的粘弹性材料的组分，该组分是一种含有活性点的过氧化物硫化的氟橡 胶，当温度达到180℃后，硫化速度才明显加快，在硫化后因为C-F键有很大的键能而不会 发生硫化返原现象，而且在持续的高温环境下还会使橡胶内部的杂质排出，使其拉伸、剪 切性能得到提升，因此该材料具有很好的耐温性能。

同时该氟胶的硫化性能满足碳纤维预浸料T700/QY260的固化工艺要求，在此基础上给 出了一个粘弹性阻尼材料与复合材料预浸料共固化的工艺曲线，即嵌入式共固化耐高温阻 尼复合材料结构制作的工艺曲线，在氟胶固化过程中分子链能够与预浸料中的双马树脂分 子链发生化学反应，图2给出了两种反应式。通过这种错综的分子键的交联，形成互穿网 络聚合物(IPN)结构，使得粘弹性氟胶阻尼层与碳纤维预浸料层之间有很好的层间结合性 能，这点可以通过剪切试验后的断裂层照片看出。

附图说明

图1嵌入式共固化阻尼复合材料结构示意图；

图2氟胶硫化过程中与预浸料中的双马树脂发生的交联反应；

图3阻尼材料DMA曲线；

图4阻尼材料在180℃的硫化曲线；

图5嵌入式共固化耐高温阻尼复合材料结构制作的工艺曲线；

图6剪切试验后的断裂层；

图7配制成的胶浆；

图8嵌入式共固化耐高温阻尼复合材料试件；

其中1.碳纤维预浸料T700/QY260，2.粘弹性阻尼薄膜。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明正是通过调整阻尼材料的组分得到能够在高温才开始硫化的橡胶，并且使硫化 曲线尽量与碳纤维预浸料的固化曲线保持一致，即氟橡胶的硫化温度与硫化时间与对应复 合材料预浸料的固化温度和时间一致。通过分子键形成互穿网络结构，从而使层间有较好 的强度和耐温性能。通过正交试验最终所得氟橡胶的组分如表1所示，从而实现嵌入式共 固化复合材料结构真正具有高阻尼和耐高温的特性。

表1粘弹性材料组分

图1是要制作的嵌入式共固化阻尼复合材料结构，其中粘弹性材料具体的组分及各个 组分的质量分数为表1所示。表1配方是一种含有活性点的过氧化物硫化的氟橡胶，在共 固化的过程中，氟胶(即粘弹性阻尼薄膜2)硫化的同时要与碳纤维预浸料T700/QY260中 的双马树脂1发生交联反应，图2是这种交联反应的分子式。

图3是该组分的DMA曲线。从该曲线可以看出，该组分在常温下具有较好的阻尼特性。

图4是该组分在180℃的硫化曲线，该氟胶在到180℃后，硫化速度才明显加快，并且 在硫化后因为C-F键有很大的键能而不会发生硫化返原现象，而且持续的高温环境还会使 橡胶内部的杂质排出来，从而使其拉伸、剪切性能得到提升，因此其具有很好的耐温性能。 该氟胶的硫化性能能够满足碳纤维预浸料T700/QY260的固化工艺要求，成型后粘弹性的氟 胶仍保持很高的阻尼性能，在此基础上提出了一个粘弹性阻尼材料与复合材料预浸料共固 化的工艺曲线，即嵌入式共固化耐高温阻尼复合材料结构制作的工艺曲线，具体如图5所 示。

在使用该共固化工艺曲线加工的过程中，氟胶硫化时其分子链能够与预浸料中的双马 树脂分子链发生化学交联反应，通过这种错综的分子键的交联，形成互穿网络聚合物(IPN) 结构，使得粘弹性氟胶阻尼层与碳纤维预浸料层之间有很好的层间结合性能，这一点可以 通过图6的层间剪切试验后的断裂层照片得到证实，试件是从粘弹性层中撕裂，而非结合 面开裂。

在阻尼薄膜的制作过程中，先按表1称量出各组分，混炼成阻尼材料胶料，然后将其 与溶剂四氢呋喃按照质量1:3.5的比例溶解，粘弹性材料被制成如图7所示的胶浆溶液， 均匀刷涂或喷涂在预浸料表面，通过改变刷涂或喷涂的次数来确定最终的阻尼层厚度。依 据铺层顺序铺设好预浸料之后，将其放入热压罐，按照共固化曲线完成固化成型，取出后 即为嵌入式共固化耐高温阻尼复合材料构件，如图8所示。下面根据工艺顺序对制作过程 加以说明：

1)阻尼材料原胶的制作，按照表1的配方称取各组分物质，在开炼机上将各个组分混 炼成未硫化的原胶。胶料的加料顺序为：先将氟橡胶加入混炼机，混炼1分钟氟胶便均匀 充满压辊，再将混合在一起的TAIC、双-25和N990炭黑一同加入，混炼10分钟，橡胶就 均匀充满压辊，再放入HVA-2，混炼5分钟均匀后，减小辊距，再打三角包滚炼10遍，确 保混炼均匀后，调节辊距出2mm厚度的薄片，平铺放入聚四氟乙烯的隔离板中待用。

2)粘弹性阻尼薄膜的制作，采用刷涂或喷涂工艺制作粘弹性阻尼薄膜，所谓刷涂或喷 涂工艺就是先将粘弹性阻尼材料氟橡胶溶于有机溶剂，制成胶浆，然后刷涂或喷涂在复合 材料预浸料表面。本发明使用的有机溶剂是四氢呋喃，将未硫化的氟橡胶原胶在开炼机上 压制成薄片，再用剪刀切碎成细长小薄条，按照溶剂和氟橡胶3.5:1的质量配比将氟橡胶 放在四氢呋喃溶液中，搅拌均匀后密封48小时，待完全溶解之后，就配制成如图7所示的 胶浆。将液态的胶浆均匀刷涂或喷涂在碳纤维预浸料表面，在通风良好处晾干，晾干后再 进行下一次刷涂，因为橡胶和有机溶剂的配比是确定的，所以刷涂一次的厚度基本也是均 匀的，通过改变刷涂或喷涂的次数来确定最终的阻尼层厚度，实验得出在预浸料上刷涂4 次其阻尼薄膜的厚度能达到0.1mm。待刷涂或喷涂到设计厚度，晾干后在氟橡胶原胶裸露面 再铺上一层复合材料预浸料，放入隔离布后再放入冷藏室保存待用。

3)铺层和构件制作，从冷藏室取出已刷涂有粘弹性阻尼材料的预浸料，室温下放置4 小时后，根据所需总厚度在其上下两侧各铺上碳纤维预浸料，其中包括带阻尼薄膜的复合 材料预浸料，使整体达到所需厚度，置于模具中，密封好真空袋，放入热压罐，按照制定 的图5固化工艺曲线，经升温，加压，抽真空等一系列流程完成成型，降温泄压后打开热 压罐，取出，即为制成的嵌入式共固化耐高温阻尼复合材料试件。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的 限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需 要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。