基于质量弹簧模型的阻尼复合材料*

崔向红，刘晓东，李天智，姜海健，苏桂明，方 雪，陈明月，宋美慧，张晓臣

（黑龙江省科学院 高技术研究院，黑龙江 哈尔滨 150020）

基于质量弹簧模型的阻尼复合材料*

崔向红，刘晓东，李天智，姜海健，苏桂明，方 雪，陈明月，宋美慧，张晓臣

（黑龙江省科学院 高技术研究院，黑龙江 哈尔滨 150020）

利用聚氨酯（PU）/环氧EP互穿网络聚合物,引入质量弹簧模型,利用质量块与鳞片纤维的协同作用制备了高阻尼、宽温域阻尼复合材料，考察表面修饰后的质量块在基体中的分散情况及其对阻尼复合材料动态力学性能的影响。利用扫描电镜（SEM）、动态力学热分析仪（DMA）对该阻尼复合材料的结构和阻尼性能进行了研究。结果表明，作为质量弹簧模型中的质量块的加入和其存在的形态对复合材料的阻尼性能有很大的影响，加入表面修饰后的质量块，阻尼复合材料损耗因子为0.4的阻尼温域达到80℃。

质量弹簧模型;阻尼复合材料；动态热力学性能

质量弹簧模型中,物体被看成一些具有质量的点的集合,这些点分布在整体结构中通过弹簧相连接，简易的质量弹簧模型是局域共振型声子晶体（具有声波或振动禁带特性的周期性介质结构的材料被成为声子晶体材料）的独立结构单元，由振子和弹簧构成，振子一般选择密度大的金属或者其他无机组分，弹簧选择硬度较小弹性比较大的橡胶或者弹性体；振子质量越大弹簧弹性越小，共振频率就越容易达到较低的数值，也就说明材料在较低的频率处体现出来的振动衰减的优势。将振子埋入硬质材料中，再在外层包覆软质橡胶或聚氨酯弹性体，可以组成具有低频减振降噪的可调整型功能复合材料。

M.S.Kushwaha等人提出了声子晶体的理论并采用平面波方法对镍柱在铝合金基体中形成的复合材料计算得到声波带隙。从此,各国学者如美国的M.M.Sigalas、法国的J.O.Vasseur、西班牙的 R.Martinez-Sala和M.Torres以及墨西哥的M.S.Kushwaha等都在声子晶体的带隙产生机理和缺陷态研究方面做了大量的工作,并取得了很大的发展。局域共振理论已成功应用于声学材料，并且得到了显著成效，声学耗能与阻尼耗能本身是相辅相成，不可分开的，将声子晶体理论用于阻尼材料中的报道尚未见到。

本文借鉴局域共振以“错层效应”的理论，将质量弹簧模型用于阻尼材料当中，以六面体纳米粒子做质量块振子、聚氨酯弹性体做包覆材料形成一种二维局域共振型声子晶体的单元结构，通过六面体纳米粒子和玄武岩鳞片纤维的协同共振效应，探索出新的阻尼耗能途径。

本文采用玄武岩鳞片纤维作为填料,六面体纳米粒子做质量弹簧模型的质量块,PCDL和TDI分别合成预聚体和互穿网络聚氨酯,用TMP扩链交联后制得阻尼材料,用DMA分析动态力学性能,结果发现:PCDL/TDI预聚体可以获得很高的阻尼损耗因子,但是阻尼温域过窄,没有实用价值；PCDL/TDI/EP互穿网络聚合物,虽然损耗因子有所下降但是阻尼温域却得到了很大程度的拓宽,对于阻尼复合材料的实际应用提供了更宽的使用范围。

1 实验部分

1.1 主要原料

聚碳酸酯二醇（PCDL）（洛阳黎明化工研究院）；环氧树脂E-51（无锡树脂厂）；甲苯二二异氰酸酯（TDI）（上海凌峰化学试剂有限公司）；三羟甲基丙烷（TMP）（天津市博迪化工有限公司）；玄武岩鳞片（江苏天龙玄武岩连续纤维高新科技有限公司）六氢吡啶（国药集团化学试剂有限公司）；氯代苯（国药集团化学试剂有限公司）；三氯甲烷（国药集团化学试剂有限公司）；金属钠米粒子（自制）。

1.2 实验过程

1.2.1 立方六面体金属钠米粒子的表面修饰 将自制的粒径为5～20μm的纳米粒子在高温下烘干3h，称取等量的的纳米粒子与硅烷偶联剂溶于无水乙醇中，利用机械搅拌在50℃反应5h后过滤，用去离子水清洗，取产物真空干燥24h，即得到表面含有氨基的改性纳米粒子。

1.2.2 阻尼复合材料的制备 本文采用预聚物法，先将多元醇与异氰酸酯合成预聚物，再扩链剂（交联剂）混合进行固化交联的方法。具体的制备方法如下：

A预聚体PCDL/TDI将计量好的聚酯多元醇PCDL在110℃在接有真空系统的三口烧瓶中真空脱水2h直至无泡，降温至60℃，加入按设定值计算得的TDI，升高温度到80℃，反应3h后，测定其异氰酸根含量,达到理论计算量后装瓶密封备用。

B互穿网络PCDL/TDI/EP 将预聚体A按照计算量加入真空脱泡后的环氧树脂E-51进行封端110℃反应4h后测定异氰酸根含量。IPN是由两种或者两种以上的聚合物交联相互贯穿而形成的互穿网络聚合物，两相间形成强迫互容，表现出微观结构的不均一性质，可以在很宽的范围内都具有较高的阻尼性能。

C分别在A、B聚合物中加入经过硅烷偶联剂处理的玄武岩鳞片纤维混合均匀。

D阻尼复合材料制备 在聚合物C中加入已在溶剂中分散均匀的金属钠米粒子，混合均匀后利用旋蒸仪蒸除溶剂,在一定温度和反应速度形成聚氨酯包覆的弹性体振子，添加TMP快速搅拌并真空脱泡约2min至无泡，立刻倒入涂有脱模剂并事先已经充分预热的浇注模具中，置于100℃烘箱中固化20h得到复合材料试样。

1.3 分析与测试

动态力学性能测试（DMA）：采用美国TA公司的Q800，将试样制成10mm×10mm×2mm的尺寸,利用动态粘弹谱仪进行测试,在-80℃～+160℃范围内，升温速率设定为3℃·min-1，的,选取频率为1Hz对其做tanδ-T曲线分析；差示扫描量热仪（DSC）：美国 TA公司的 Q200，以 10℃·min-1的升温速率，以高纯N2为保护气研究各组分相容性以及玻璃化转变温度；扫描电子显微镜（SEM）：采用荷兰FEI公司的Quanta200,将样品于液氮中喷金，观察材料的微观形态；FA2004电子天平（上海天平仪器厂）；DZF型电热恒温真空干燥箱（上海跃进医疗器械厂）；QM-3SPZ行星式球磨机;激光粒度测试仪（欧美克）。

2 结果与讨论

2.1 扫描电镜分析

2.1.1 金属钠米粒子晶型 化学共沉淀法，方法简单、产率高、成本低等优点而被广泛应用，纳米粒子的尺寸可以通过改变反应条件来控制，

图1 立方六面体纳米粒子的形貌照片Fig.1 Cubic hexahedron nanoparticles morphology photographs

2.1.2 玄武岩鳞片纤维对性能的影响 玄武岩鳞片是具有一定粒径和厚度的薄片,经过物理或化学方法进行表面处理后可以与树脂进行复合,玄武岩属于火山喷出岩，是地球上存在和分布最广的天然矿物之一，玄武岩鳞片为灰绿色透明状，尺寸在25μm～3mm范围之间，厚度大约为3μm，玄武岩鳞片纤维与玻璃纤维、碳纤维相比，具有与树脂基体更强的粘合强度，强度方面与玻璃纤维复合材料不相上下，而弹性模量方面却具有很明显的优势，用其制成的阻尼复合板具有很高的弹性模量和强度。

图2 阻尼复合材料的形貌照片Fig.2 Morphology of damping composite

立方六面体和玄武岩鳞片纤维，片层之间的滑移可以有效增加损耗，玄武岩鳞片的片状结构可以在金属与活性介质中形成物理屏障,阻碍渗透扩散的进行。玄武岩鳞片与立方六面体之间形成很多个独立的错层式结构，产生一种特定的“错位”效应，片层之间的相对滑移更加容易，除了可以形成许多小空间降低收缩应力和膨胀系数又可以通过片层之间的相对滑移增加更多的能量耗散从而提高阻尼性能。

2.2 动态热力学性能

2.2.1 动态热力学性能测试

将试样制成10mm×10mm×2mm的尺寸,利用动态粘弹谱仪进行测试,在-80～+160℃范围内，升温速率设定为3℃·min-1，的,选取频率为1Hz对其做tanδ-T曲线分析。

选取立方多面体型金属钠米粒子作为质量弹簧模型的质量块，示意图如下：

图3 质量弹簧模型示意图Fig.3 Sketch of mass spring model

2.2.2 阻尼复合材料的阻尼性能

图4 阻尼复合材料DMA测试结果图Fig.4 DMA test result of damping composite

单纯的聚氨酯材料在低温区具有较高的阻尼损耗因子（见图4a中tanδ1），但是阻尼温域过窄，没有实用价值；互穿网络PCDL/TDI/EP-TMP阻尼损耗因子虽然有所降低，但是阻尼温域达到了40℃（80～120℃）（见图 4a中 tanδ3）；这是因为互穿网络在形态学上表现出微观的相分离；质量弹簧PCDL/TDI/EP-TMP在玻璃化转变区域出现了较宽的平台区，阻尼温域达到了80℃（60～140℃）（见图4a中 tanδ2）。

3 结论

在阻尼复合材料中引入质量弹簧模型，把聚氨酯弹性体看成弹簧，具有质量的纳米金属粒子作为振子，形成局域共振，在粘弹性耗能的同时，外部的振动与内部的质量块发生谐振，使振动逐渐衰减，因此，从阻尼复合材料的整体结构上看，和内部的质量块的局域共振与外部的粘弹性耗能协同作用可提高阻尼复合材料的阻尼性能。

［1］ 张思文，吴九汇.基于局域共振声子晶体结构的低频振动能量回收研究［J］.固体力学学报,2013,34（4）:333-341.

［2］ 孟丹.约束阻尼复合材料的制备及性能研究［D］.武汉理工大学博士学位论文，2010.

［3］ 文庆珍，朱金华，王源生，等.高阻尼性能聚氨酯的结构设计与研究［J］.武汉理工大学学报，2005，（3）：9-12.

［4］ 胡晓兰，梁国正.聚氨酯/环氧树脂IPN的研究［J］.化工新型材料，2001，（8）：21-24.

Damping composite materials based on mass spring model*

CUI Xiang-hong，LIU Xiao-dong，LI Tian-zhi，JIANG Hai-jian，SU Gui-ming,FANF Xue，CHEN Ming-yue,SONG Mei-hui，ZHANG Xiao-chen
（Academy of Sciences Institute of High Technology in Heilongjiang Province,Harbin 150020,China）

A kind of high damping,wide temperature range damping composite material was prepared by using polyurethane（PU）/EP epoxy interpenetrating polymer network with mass spring model,and synergistic reaction of mass and synergy of flake fiber.The quality of the piece after surface modification on the dispersion in the matrix and its effect on damping dynamic mechanical properties of composite materials was studied by using scanning electron microscopy （SEM）,dynamic mechanical thermal analyzer（DMA）.The damping structure and damping properties of the composites were studied.Results show that as the quality of the mass spring model，its existing form of the damping properties of the composite material has a great influence，damping composite.The damping temperature range reached 80℃when lossing factor is 0.4.

quality spring model；damping composite material；dynamic thermodynamic performance

TB332

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20171001

2017-06-21

黑龙江省科学院科学研究基金项目（XKJJ1601）

崔向红（1979-），女，高级工程师，本科，主要从事聚合物基复合材料的研究工作。