張春梅，張曉剛，劉曉非

(1.天津大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072；2.河南城建學(xué)院 材料與化工學(xué)院，河南 平頂山 467036；3.浙江宏利汽車零部件股份有限公司，浙江 嘉興 314200)

汽車、建筑及制造業(yè)等產(chǎn)生的振動(dòng)和噪音，不僅影響設(shè)備的使用性能，而且極易造成結(jié)構(gòu)疲勞，從而降低設(shè)備的使用壽命。振動(dòng)和噪聲還會(huì)危害人類的健康和安全，已經(jīng)成為人類亟待解決的環(huán)境污染問題之一。通過阻尼材料達(dá)到減振降噪目的的研究在民用和軍用領(lǐng)域都具有非常重要的意義[1-2]。

阻尼材料可以將外部的機(jī)械振動(dòng)和噪聲轉(zhuǎn)化為熱能耗散掉，從而可以有效減少振動(dòng)和噪聲問題。阻尼材料可以分為高阻尼合金、黏彈性阻尼材料、阻尼復(fù)合材料和智能型阻尼材料[3]。黏彈性阻尼材料一般為高分子聚合物，其中環(huán)氧樹脂(EP)具有機(jī)械強(qiáng)度高、固化收縮率低、耐腐蝕性良好及固化成型方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于軍事及民用領(lǐng)域的減振降噪[4]。環(huán)氧樹脂良好的阻尼性能通常體現(xiàn)于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg±10 ℃的溫度范圍內(nèi)，主要通過玻璃態(tài)大分子鏈間的受阻摩擦運(yùn)動(dòng)而耗能。但是，大多數(shù)阻尼材料的使用溫度在室溫附近，而結(jié)構(gòu)用環(huán)氧樹脂的Tg遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于室溫，因此制備室溫下阻尼性能良好的環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料具有重要的研究價(jià)值。

壓電阻尼材料是一類新型的阻尼材料，主要由壓電相、導(dǎo)電相和聚合物基體組成[5]。對(duì)于這類復(fù)合材料，外部機(jī)械能可以通過三種途徑得到耗散：聚合物基體本身的黏彈性耗能、壓電阻尼效應(yīng)耗能(外部機(jī)械能-電能-熱能)和內(nèi)部界面摩擦耗能。通過在聚合物基體中引入壓電相和導(dǎo)電相，一部分振動(dòng)能和聲能可以通過壓電陶瓷的壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)化為電能，隨后產(chǎn)生的電流在流經(jīng)復(fù)合材料內(nèi)的電阻相時(shí)轉(zhuǎn)化為熱能耗散掉。另外，一部分機(jī)械能也可以通過填料-填料之間以及填料-聚合物基體之間的界面摩擦而耗散掉[6-7]。衡量材料阻尼性能的參數(shù)為損耗因子(tanδ)，損耗因子值越大，阻尼溫域越寬，表明材料的阻尼性能越好。通過復(fù)合材料多重阻尼機(jī)理可知，以環(huán)氧樹脂作為聚合物基體的壓電阻尼材料必將具備優(yōu)異的阻尼性能，將有廣闊的應(yīng)用前景。

1 國外研究進(jìn)展

目前國內(nèi)外已經(jīng)報(bào)道了一些使用環(huán)氧樹脂作為聚合物基體的壓電阻尼材料。HORI等[8]制備得到鋯鈦酸鉛(PZT)/炭黑(CB)/EP壓電阻尼復(fù)合材料，當(dāng)PZT/EP(質(zhì)量比)為70/30時(shí)，復(fù)合材料的損耗因子值隨著炭黑含量的增加先升高后降低；在炭黑含量為0.51%時(shí)，復(fù)合材料在室溫(20 ℃)下阻尼性能最好，tanδ值可達(dá)0.078，相比較純環(huán)氧樹脂基體(20 ℃下tanδ值為 0.035)阻尼性能提高了約122.9%。研究結(jié)果表明，導(dǎo)電相含量對(duì)壓電阻尼復(fù)合材料阻尼性能的影響非常重要，導(dǎo)電相含量太少或太多，復(fù)合材料表現(xiàn)為絕緣體或?qū)w的性質(zhì)，外界機(jī)械能通過壓電陶瓷的壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電流都無法在材料內(nèi)部得到有效耗散，只有當(dāng)導(dǎo)電相含量達(dá)到滲流閾值，復(fù)合材料表現(xiàn)為半導(dǎo)體性質(zhì)時(shí)，壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電流在流經(jīng)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)時(shí)才能充分轉(zhuǎn)化為熱能而耗散掉。進(jìn)一步提高了PZT含量，制備得到PZT/CB/EP質(zhì)量比為90.0∶0.5∶9.5的復(fù)合材料，其在20 ℃下的tanδ值可達(dá)0.15。

SKANDANI等[9]采用氧化鋅(ZnO)納米棒作為壓電陶瓷，碳纖維(CF)作為導(dǎo)電材料，制備得到ZnO/CF/EP壓電阻尼復(fù)合材料。研究結(jié)果表明，壓電阻尼復(fù)合材料的tanδ值，與碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料相比，提高了約50%，這可歸因于復(fù)合材料的壓電阻尼耗能，碳纖維和ZnO納米棒相互之間以及各自與聚合物基體之間的界面摩擦耗能所致。

2 國內(nèi)研究進(jìn)展

TIAN等[10]以PZT為壓電陶瓷，多壁碳納米管(CNT)為導(dǎo)電材料制備得到PZT/CNT/EP壓電阻尼復(fù)合材料。研究結(jié)果表明，加入CNT和PZT后，環(huán)氧樹脂在玻璃態(tài)和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度附近的儲(chǔ)能模量(E′)都得到了提高，明顯改善了環(huán)氧樹脂的剛性，該現(xiàn)象可歸因于填料的存在減少了環(huán)氧樹脂基體分子鏈間的自由體積，并阻礙了分子鏈的運(yùn)動(dòng)所致。

TIAN等[11]制備得到各組分含量為1.5 g/80 g/100 g的MWCNTs/PZT/EP壓電阻尼復(fù)合材料，由于壓電阻尼和界面摩擦耗能，復(fù)合材料在室溫(25 ℃)下的tanδ值可達(dá)約 0.24。

MA等[12]制備得到鈮鎂酸鉛-鋯鈦酸鉛(PMN-PZT)/CNT/EP壓電阻尼復(fù)合材料，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)CNT含量為1～1.5 g/(100 g環(huán)氧樹脂)時(shí)，復(fù)合材料內(nèi)部形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到滲流閾值。在滲流閾值下，復(fù)合材料的阻尼性能隨著PMN-PZT壓電陶瓷含量的增加而增加，當(dāng)PMN-PZT/CNT/EP復(fù)合材料內(nèi)各組分質(zhì)量比為80/1.5/100時(shí)，復(fù)合材料室溫(25 ℃)下的tanδ值可達(dá)約0.3，比純環(huán)氧樹脂(25 ℃下的tanδ值約0.02)提高約1 400%。

ZHANG等[13]將錫酸鋅(ZnSnO3)與PVDF的混合溶液靜電紡絲得到壓電相的納米纖維膜，隨后在納米纖維表面包覆聚吡咯(PPy)導(dǎo)電層，最后填充環(huán)氧樹脂基體制備得到(ZnSnO3/PVDF)@PPy 納米纖維/EP壓電阻尼復(fù)合材料(ZPPE)。

動(dòng)態(tài)力學(xué)分析(DMA)結(jié)果表明，復(fù)合材料 ZPPE-60[ZnSnO3含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為60%]的儲(chǔ)能模量(E′)、損耗模量(E″)和損耗因子(tanδ)值在20 ℃下相比較純環(huán)氧樹脂基體分別提高了約 195%、655%和330%，阻尼性能的提高歸因于壓電阻尼效應(yīng)(外部機(jī)械能-電能-熱能)及材料內(nèi)部界面摩擦耗能(纖維-纖維和纖維-基體之間的摩擦)。此外，ZPPE復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和邵氏硬度也得到提高，表明復(fù)合材料具有更好的機(jī)械性能和耐磨性能，可以用作性能良好的結(jié)構(gòu)阻尼材料。

ZHANG等[14]采用PZT為壓電陶瓷，PPy為導(dǎo)電材料，通過原位聚合和冷凍干燥的方法制備得到PZT@PPy泡沫，隨后填充環(huán)氧樹脂基體制備得到PZT@PPy泡沫/EP壓電阻尼復(fù)合材料(PPAE)。研究了復(fù)合材料的阻尼性能隨PZT含量變化的規(guī)律，復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量(E′)、損耗模量(E″)和損耗因子(tanδ)值隨著PZT含量的增加均先升高后降低。在PZT含量為75%時(shí)，復(fù)合材料PPAE-75在室溫(20 ℃)下的損耗因子達(dá)到最大值為0.115，比純環(huán)氧樹脂基體(20 ℃下的tanδ值為0.025)提高了約360%，這是由于在適量的壓電陶瓷含量下，壓電阻尼以及界面摩擦阻尼耗能達(dá)到最佳。此外，PPAE-75復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量比純環(huán)氧樹脂基體提高了約11.5%，這是由于一方面PZT或PPy的表面官能團(tuán)(如羥基或氨基)可與環(huán)氧樹脂基體反應(yīng)，從而使填料與聚合物基體間形成較強(qiáng)的界面結(jié)合力；另一方面高模量PZT壓電陶瓷的加入，也有利于提高復(fù)合材料的剛度。

3 結(jié)語

通過以上研究分析可以看出，在環(huán)氧樹脂基體中加入壓電陶瓷和導(dǎo)電材料，可以大幅提高環(huán)氧樹脂在室溫下的阻尼性能，所制備的壓電阻尼復(fù)合材料具有廣闊的應(yīng)用前景。但目前該類材料仍存在諸多不足，面對(duì)多樣的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境還存在局限性，建議可以從以下方面進(jìn)行深入研究：①采用可以自發(fā)極化的壓電系數(shù)更高的無鉛壓電陶瓷作為壓電相，使材料制備更加節(jié)能環(huán)保。②可以將環(huán)氧樹脂基體與其他種類聚合物進(jìn)行共混改性、化學(xué)共聚改性等，以進(jìn)一步拓寬復(fù)合材料的阻尼溫域及損耗因子，實(shí)現(xiàn)阻尼材料在更多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。③復(fù)合阻尼機(jī)理和實(shí)際工況環(huán)境下的作用機(jī)制尚不十分清晰，有待深入研究。