一种1-3复合压电纤维/聚合物复合阻尼材料及其制备方法

摘要

本发明涉及一种1-3复合PZT压电纤维/聚合物复合阻尼材料及其制备方法，属于复合材料领域。本发明的复合阻尼材料，包括并排的若干根沿长度方向极化的PZT压电纤维和包覆于所述压电纤维外的聚合物层，PZT压电纤维的两端经其两端引出的电极与外接电阻连接；所述外接电阻的电阻值按照公式（I）确定。本发明采用沿压电纤维长度方向极化的方法获得压电特性，并经有机导电银浆引出电极的方式连接外接匹配电阻，本发明复合阻尼材料的阻尼特性在外接阻抗匹配的条件下，阻尼因子能提高0.1；在施加力增大的条件下，阻尼因子提高；在有机物基体与压电纤维的储能模量差别越大时，阻尼效果越明显；可作为减振降噪材料应用于列车、汽车等领域中。

说明书

技术领域

本发明涉及一种1-3复合的PZT压电纤维/聚合物复合阻尼材料及其制备方法，可应用于列车、汽车等的减振降噪，属于复合材料领域。

背景技术

中国的铁路建设已经过了六次提速，现在全国铁路第六次大面积提速中投入使用的时速200公里及以上动车组，而京津城际铁路设计时速350Km/h，京沪高速铁路的设计时速高达380Km/h。随着轨道交通的高速化，列车运行所引起的振动噪声会更加剧烈。高速轨道交通线路要穿越许多城市，其振动与噪声不仅给车厢内旅客带来不适，而且还严重干扰沿线居民的正常生活，甚至影响附近学校、科研院所及医院、银行等的正常运行。减小列车的振动和噪声水平，在轨道交通区段采取相应的减振降噪措施，已成为轨道交通系统建设中的一个关键。多年来，人们研究并开发了多种解决设备振动和噪声问题的技术措施，其中阻尼材料的应用是减振降噪的重要手段之一。而压电阻尼材料引入了新的耗能机制，能实现机械能-电能-热能的转化，而将振动能耗散掉，成为研究的热点之一。

1979年Forward第一次在专利中提出利用压电材料减小振动。1988年，Uchino对压电阻尼原理进行了阐述。他设计了一种压电陶瓷阻尼器，通过压电效应将机械能转化为电能，并通过外接电阻以焦耳热的形式将能量耗散掉，从而起到阻尼的作用。1991年，N.W.Hagood和A.von.Flotow建立模型分析了用压电陶瓷和外接电路对结构振动的阻尼效果。研究表明，具有外接电路的压电系统的阻尼因子随外接电路参数和振动频率的改变而改变。该外接电路分为两类：一类是只是外接电阻，具有类似粘弹性材料的频率特性；另一类是外接电阻和电感，将会产生电路谐振，并且能够通过改变参数，将谐振峰调到结构谐振的位置。并且将这种具有外接电路的压电阻尼系统应用于悬臂梁，验证了压电阻尼模型。1995年，H.H.Law等人对压电陶瓷-聚合物构成的复合材料的阻尼机理进行了研究。提出了复合材料压电阻尼的串联和并联模型。他们认为，在复合材料中压电阻尼对复合材料阻尼因子的贡献程度由以下5方面决定：

1、压电陶瓷的压电性能，如C^T，Z和k；2、有效的负载阻抗；3、压电材料与聚合物基体的模量之比；4、压电陶瓷的体积分数；5、复合材料中基体与压电材料被看成是串联还是并联。

1996年H.H.Law等从能量转换和耗散的角度提出了新的模型来表征压电材料的阻尼性能，并提出了计算匹配电阻的电路模型。2008年，Fein建立了适用于二维结构的压电阻尼模型，认为选择合适的压电材料(主要参数为机电耦合系数k和杨氏模量)和电阻是得到好的阻尼性能的关键因素。

压电阻尼的研究大多以压电陶瓷为研究对象，但是用压电陶瓷做阻尼器有明显的缺点：一是易碎，在操作和粘合过程中需要特别注意；二是顺应曲面的性能很差，需要对曲面做特别处理。

用压电复合材料可以克服这些不足。现在已经商用的有Smart materials Corp.的1-3复合材料，MIT的AFC(active fiber composite)，NASA Langley Center的MFC(Macro fibercomposite)。他们都是采用插指电极的方式进行极化，主要用于传感器和制动器。Sodano将MFC用于膨胀式系统的振动模态识别和振动抑制。而本发明提供了一种新的1-3复合阻尼材料及其制备方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种新的1-3复合压电纤维/聚合物复合阻尼材料及其制备方法或制备工艺，以克服现有技术的不足。本发明的1-3复合压电纤维/聚合物复合阻尼材料具有良好的阻尼性能-通过调整外接电阻、应力大小、频率能够改变材料的阻尼系数。

本发明的设计思路为：

1、极化压电纤维，使其具有压电特性。可以根据不同降噪使用频率范围选择压电纤维的长度。

2、将压电纤维两端的电极分别用有机导电银浆粘结在一起，并引出导线，以便供测试和外接电阻使用。

3、将压电纤维平行排列，用环氧树脂等聚合物浇灌，环氧树脂等聚合物的厚度与压电纤维的直径相当。

4、加工成所需形状的阻尼膜片或阻尼板。

为了解决现有技术的问题，本发明采用以下的技术方案来实现：

本发明的1-3复合压电纤维/聚合物复合阻尼材料，包括并排的若干根沿长度方向极化的PZT压电纤维和包覆于所述压电纤维外的聚合物层，所述PZT压电纤维的两端均采用有机导电银浆粘结，并均经有机导电银浆引出电极。

较佳的，所述每根极化的PZT压电纤维为采用两端加电压直接极化所得或将PZT压电纤维分段加电压极化所得；所述沿长度方向极化的PZT压电纤维，其压电系数d₃₃为300-450pC/N。

较佳的，所述PZT压电纤维的长度为30-300mm，直径d的范围为0.1mm≤d≤0.8mm，所述PZT压电纤维的根数为8-20根；优选的，PZT压电纤维的长度为30-150mm。所述PZT压电纤维为Smart Material Corp.公司的PZT-5A1或PZT-5H2等PZT纤维。

较佳的，所述聚合物层的厚度与压电纤维的直径相当。

较佳的，所述聚合物为环氧树脂或水性阻燃防腐阻尼浆；优选的，所述聚合物为环氧树脂。所述环氧树脂为上海金机橡塑化工有限公司的环氧树脂618，也可用其他公司生产的环氧树脂，如日本三键化工(ThreeBond)公司的环氧树脂TB2022；所述水性阻燃防腐阻尼浆可以为青岛海源实业有限公司生产的水性阻燃防腐阻尼浆，其制备方法参照专利申请号为200410035937.6的《水性阻燃防腐阻尼浆的制备方法》。

本发明的有机导电银浆为日本三键化工(ThreeBond)的有机导电银浆TB3301F。

本发明的阻尼系统，包括1-3复合压电纤维/聚合物复合阻尼材料和与所述复合阻尼材料的引出电极连接的外接电阻；所述外接电阻的电阻值按照公式(I)确定：R为外接电阻值，ω为外界施加力频率，C_d为整排压电纤维的电容，R’为整排压电纤维在等于施加力频率的电场下的动态电阻；

$R=\sqrt{{\left\{\frac{R^{\prime }}{1+{\left(\omega C_d{R}^{\prime }\right)}^2}\right\}}^2+{\left\{\frac{\omega C_d{R}^{\prime 2}}{1+{\left(\omega C_d{R}^{\prime }\right)}^2}\right\}}^2}---\left(I\right).$

本发明的1-3复合压电纤维/聚合物复合阻尼材料的制备方法，包括如下步骤：

1)将PZT压电纤维沿长度方向极化，所述沿长度方向极化为将PZT压电纤维两端加电压直接极化或将PZT压电纤维分段加电压极化；

2)将极化的若干根压电纤维紧密并排成一排，之后将压电纤维两端的电极均用有机导电银浆粘结在一起，并用导线引出电极；

3)将获得的整排压电纤维置于模具内，用聚合物浇灌并包覆压电纤维，固化后获得所述1-3复合压电纤维/聚合物复合阻尼材料；较佳的，所述模具为方形模具；优选的，所述聚合物为环氧树脂；

4)将获得的1-3复合压电纤维/聚合物复合阻尼材料加工成所需的形状。

步骤3)中，所需的形状如阻尼膜片、阻尼板或阻尼条；所述加工为沿PZT压电纤维的长度方向将聚合物的厚度加工成所需的厚度，将复合阻尼材料加工成所需的形状。

步骤4)中，所述聚合物层的厚度与压电纤维的直径相当。优选的，所述聚合物为环氧树脂。

本发明的阻尼系统的制备方法，包括如下步骤：

根据公式(I)确定外接电阻的大小，将外接电阻与加工后的复合阻尼材料所引出的电极连接，获得阻尼系统。

所述阻尼系统可为采用阻尼膜片、阻尼板或阻尼条与外接电阻连接而成。

本发明的1-3复合压电纤维/聚合物复合阻尼材料可作为减振降噪材料应用于列车、汽车等领域中。

本发明具有以下特点：

(1)本发明区别于市场上压电纤维的插指电极极化方法，采用两端加电压直接极化或加电压分段极化的方法，压电系数d₃₃可以达到370pC/N以上；

(2)本发明将压电纤维两端用有机导电银浆粘结在一起，便于测试整排压电纤维的阻抗特性，而且外接匹配电阻可按照公式(I)获得；

(3)本发明的阻尼特性在外接阻抗匹配的条件下，阻尼因子能提高0.1；

(4)本发明的阻尼特性在施加力增大的条件下，阻尼因子提高；

(5)本发明的阻尼特性在有机物基体与压电纤维的储能模量差别越大时，阻尼效果越明显。

附图说明

图11-3复合压电纤维/聚合物复合阻尼材料示意图

图2位移0.02mm，接外接电阻和不接外接电阻的阻尼特性

图3位移0.05mm，接外接电阻和不接外接电阻的阻尼特性

图4不同位移量，接外接电阻的阻尼特性

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步阐述本发明，应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。

实施例1

如图1所示的1-3复合压电纤维/聚合物复合阻尼材料，包括并排的若干根沿长度方向极化的PZT压电纤维1和包覆于所述压电纤维外的聚合物层2，所述PZT压电纤维1的两端均采用有机导电银浆3粘结，并均经有机导电银浆3引出电极4。其中，所述每根极化的PZT压电纤维为采用两端加电压直接极化所得或将PZT压电纤维分段加电压极化所得；所述聚合物层2的厚度与压电纤维1的直径相当。

一种阻尼系统，包括如图1所示的1-3复合压电纤维/聚合物复合阻尼材料和与所述复合阻尼材料的引出电极4连接的外接电阻；所述外接电阻的电阻值按照公式(I)确定：R为外接电阻值，ω为外界施加力频率，C_d为整排压电纤维的电容，R’为整排压电纤维在等于施加力频率的电场下的动态电阻；

$R=\sqrt{{\left\{\frac{R^{\prime }}{1+{\left(\omega C_d{R}^{\prime }\right)}^2}\right\}}^2+{\left\{\frac{\omega C_d{R}^{\prime 2}}{1+{\left(\omega C_d{R}^{\prime }\right)}^2}\right\}}^2}---\left(I\right).$

进一步的，所述沿长度方向极化的PZT压电纤维，其压电系数d₃₃为300-450pC/N。

进一步的，所述PZT压电纤维的长度为30-180mm，直径d的范围为0.1mm≤d≤0.8mm，所述PZT压电纤维的根数为8-20根。

实施例2

制备1-3复合压电纤维/聚合物复合阻尼条片和阻尼系统：1)将直径为0.8mm，长度为30mm的PZT-5H2压电纤维沿长度方向极化，所述沿长度方向极化为将PZT压电纤维两端加电压直接极化所得，其中极化电场为500V/mm，压电系数d₃₃为370pC/N。

2)将极化的8根压电纤维紧密并排成一排，之后将压电纤维两端的电极均用有机导电银浆粘结在一起，并用导线引出电极；

选8根极化的压电纤维紧密排列在30×10×2mm³的模具中，两端的电极分别用有机导电银浆粘结在一起，并用导线引出电极。用环氧树脂浇灌，将压电纤维包裹，然后固化，制成复合阻尼条片。外接电阻的大小根据公式(I)选用，R为1MΩ。

$R=\sqrt{{\left\{\frac{R^{\prime }}{1+{\left(\omega C_d{R}^{\prime }\right)}^2}\right\}}^2+{\left\{\frac{\omega C_d{R}^{\prime 2}}{1+{\left(\omega C_d{R}^{\prime }\right)}^2}\right\}}^2}---\left(I\right).$

将本实施例2所得的复合阻尼条片进行测试，获得图2-图4，图2为位移0.02mm，接外接电阻和不接外接电阻的阻尼特性，说明与不接外接电阻相比，外接电阻匹配的情况下，阻尼因子tanδ提高约0.1；图3为位移0.05mm，接外接电阻和不接外接电阻的阻尼特性，说明进一步验证了与不接外接电阻相比，外接电阻匹配的情况下，阻尼因子tanδ提高约0.1；图4为不同位移量，接外接电阻的阻尼特性，位移量增大，代表外力增大，0.05位移量下的阻尼因子的峰值比0.02位移量下阻尼因子峰值提高约0.2。说明阻尼因子tanδ随外力的增大而增大。

实施例3

制备1-3复合压电纤维/聚合物复合阻尼条片和阻尼系统：1)将直径为0.1mm，长度为150mm的PZT-5H2压电纤维沿长度方向极化，所述沿长度方向极化为将PZT压电纤维两端加电压直接极化所得，其中极化电场为500V/mm，压电系数d₃₃为370pC/N。

2)将极化的15根压电纤维紧密并排成一排，之后将压电纤维两端的电极均用有机导电银浆粘结在一起，并用导线引出电极；

选15根极化的压电纤维紧密排列在150×2×0.3mm³的模具中，两端的电极分别用有机导电银浆粘结在一起，并用导线引出电极。用环氧树脂浇灌，将压电纤维包裹，然后固化，制成复合阻尼膜片。外接电阻的大小根据公式(I)选用，R为150MΩ。

$R=\sqrt{{\left\{\frac{R^{\prime }}{1+{\left(\omega C_d{R}^{\prime }\right)}^2}\right\}}^2+{\left\{\frac{\omega C_d{R}^{\prime 2}}{1+{\left(\omega C_d{R}^{\prime }\right)}^2}\right\}}^2}---\left(I\right).$

将本实施例3所得的复合阻尼膜片进行测试可知，位移为0.02mm，接外接电阻与不接外接电阻相比，外接电阻匹配的情况下，阻尼因子tanδ提高约0.1；位移为0.05mm，接外接电阻与不接外接电阻相比，外接电阻匹配的情况下，阻尼因子tanδ提高约0.1；接外接电阻时，阻尼因子tanδ随外力的增大而增大。

实施例4

制备1-3复合压电纤维/聚合物复合阻尼条和阻尼系统：1)将直径为0.5mm，长度为100mm的PZT-5H2压电纤维沿长度方向极化，所述沿长度方向极化为将PZT压电纤维两端加电压直接极化所得，其中极化电场为500V/mm，压电系数d₃₃为370pC/N。

2)将极化的20根压电纤维紧密并排成一排，之后将压电纤维两端的电极均用有机导电银浆粘结在一起，并用导线引出电极；

选20根极化的压电纤维紧密排列在100×12×1.2mm³的模具中，两端的电极分别用有机导电银浆粘结在一起，并用导线引出电极。用环氧树脂浇灌，将压电纤维包裹，然后固化，制成复合阻尼条。外接电阻的大小根据公式(I)选用，R为30MΩ。

$R=\sqrt{{\left\{\frac{R^{\prime }}{1+{\left(\omega C_d{R}^{\prime }\right)}^2}\right\}}^2+{\left\{\frac{\omega C_d{R}^{\prime 2}}{1+{\left(\omega C_d{R}^{\prime }\right)}^2}\right\}}^2}---\left(I\right).$

将本实施例4所得的复合阻尼条进行测试可知，位移为0.02mm，接外接电阻与不接外接电阻相比，外接电阻匹配的情况下，阻尼因子tanδ提高约0.1；位移为0.05mm，接外接电阻与不接外接电阻相比，外接电阻匹配的情况下，阻尼因子tanδ提高约0.1；接外接电阻时，阻尼因子tanδ随外力的增大而增大。

实施例5

制备1-3复合压电纤维/聚合物复合阻尼条和阻尼系统：1)将直径为0.8mm，长度为30mm的PZT-5H2压电纤维沿长度方向极化，所述沿长度方向极化为将PZT压电纤维两端加电压直接极化所得，其中极化电场为700V/mm，压电系数d₃₃为450pC/N。

2)将极化的8根压电纤维紧密并排成一排，之后将压电纤维两端的电极均用有机导电银浆粘结在一起，并用导线引出电极；

选8根极化的压电纤维紧密排列在30×10×2mm³的模具中，两端的电极分别用有机导电银浆粘结在一起，并用导线引出电极。用环氧树脂浇灌，将压电纤维包裹，然后固化，制成复合阻尼条。外接电阻的大小根据公式(I)选用，R为800KΩ。

$R=\sqrt{{\left\{\frac{R^{\prime }}{1+{\left(\omega C_d{R}^{\prime }\right)}^2}\right\}}^2+{\left\{\frac{\omega C_d{R}^{\prime 2}}{1+{\left(\omega C_d{R}^{\prime }\right)}^2}\right\}}^2}---\left(I\right).$

将本实施例5所得的复合阻尼条进行测试可知，位移为0.02mm，接外接电阻与不接外接电阻相比，外接电阻匹配的情况下，阻尼因子tanδ提高约0.1；位移为0.05mm，接外接电阻与不接外接电阻相比，外接电阻匹配的情况下，阻尼因子tanδ提高约0.1；接外接电阻时，阻尼因子tanδ随外力的增大而增大。

实施例6

制备1-3复合压电纤维/聚合物复合阻尼条和阻尼系统：1)将直径为0.8mm，长度为30mm的PZT-5H2压电纤维沿长度方向极化，所述沿长度方向极化为将PZT压电纤维两端加电压直接极化所得，其中极化电场为420V/mm，压电系数d₃₃为300pC/N。

2)将极化的8根压电纤维紧密并排成一排，之后将压电纤维两端的电极均用有机导电银浆粘结在一起，并用导线引出电极；

选8根极化的压电纤维紧密排列在30×10×2mm³的模具中，两端的电极分别用有机导电银浆粘结在一起，并用导线引出电极。用环氧树脂浇灌，将压电纤维包裹，然后固化，制成复合阻尼条。外接电阻的大小根据公式(I)选用，R为2MΩ。

$R=\sqrt{{\left\{\frac{R^{\prime }}{1+{\left(\omega C_d{R}^{\prime }\right)}^2}\right\}}^2+{\left\{\frac{\omega C_d{R}^{\prime 2}}{1+{\left(\omega C_d{R}^{\prime }\right)}^2}\right\}}^2}---\left(I\right).$

将本实施例6所得的复合阻尼条进行测试可知，位移为0.02mm，接外接电阻与不接外接电阻相比，外接电阻匹配的情况下，阻尼因子tanδ提高约0.1；位移为0.05mm，接外接电阻与不接外接电阻相比，外接电阻匹配的情况下，阻尼因子tanδ提高约0.1；接外接电阻时，阻尼因子tanδ随外力的增大而增大。