AO-80/201樹脂/BIIR共混阻尼橡膠動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究

趙苗苗，段宇星，王建強(qiáng)

（中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，西安 710065）

隨著高新技術(shù)的發(fā)展，航空航天武器裝備在高速度、大功率、長(zhǎng)壽命和舒適可靠性方面取得長(zhǎng)足的進(jìn)步，而減振降噪技術(shù)是飛機(jī)安全可靠的基本保證。高分子阻尼材料作為減振降噪材料被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[1]。高分子材料動(dòng)力學(xué)性能受使用溫度、振動(dòng)頻率的影響較大。溴化丁基橡膠（BIIR）大分子鏈取代基數(shù)目較多，鏈段的遲豫阻力大，內(nèi)耗較大，是一種良好的減振降噪材料。BIIR阻尼功能區(qū)從-60 ℃一直延續(xù)到10 ℃左右，是均聚物中阻尼溫域最寬的一種阻尼材料。但在10 ℃以上，BIIR的阻尼功能幾乎喪失，同時(shí)材料動(dòng)力學(xué)性能受使用溫度、振動(dòng)頻率的影響較大。因此，如何拓寬BIIR域的阻尼功能區(qū)溫度范圍，是高性能阻尼BIIR的研究方向。

趙秀英[2]等研究了向極性側(cè)基丁腈橡膠中添加極性小分子的阻尼設(shè)計(jì)方法，極性小分子 AO-60的添加使材料內(nèi)部形成了富集相和氫鍵，這一結(jié)構(gòu)使材料具有極高的減振性能。丁國(guó)芳等[3-4]研究了 201樹脂材料對(duì)丁基橡膠阻尼性能的影響，201樹脂的添加可以使材料的玻璃化溫度向高溫區(qū)域移動(dòng)。筆者將AO-80、201樹脂復(fù)合到溴化丁基中，通過 DMA分析方法研究了AO-80、201樹脂以及在不同使用頻率和不同使用溫度下材料的阻尼特性，同時(shí)對(duì) AO-80制備AO-80/酚醛樹脂/BIIR共混阻尼橡膠的約束阻尼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了減振降噪性能評(píng)估，為溴化丁基阻尼材料的研究提供一定技術(shù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)與設(shè)計(jì)方法

1.1 原材料

實(shí)驗(yàn)所用原材料為：溴化丁基橡膠（2255）100份，埃克森；硫化劑，201酚醛樹脂10～50份，山西化學(xué)研究所；受阻酚AO-80 10～50份，北京加成助劑研究所產(chǎn)品；氧化鋅 5份，分析純；硬脂酸 2份；高耐磨炭黑50份；石蠟 2份。

1.2 試樣制備

按所設(shè)計(jì)的配方在開煉機(jī)上混煉出片，然后再置于500 mm×500 mm平板硫化機(jī)中進(jìn)行硫化，硫化溫度為160 ℃，硫化時(shí)間為10 min。最后進(jìn)行裁樣，進(jìn)行性能測(cè)試。

DMA譜圖測(cè)定：將試樣按要求切成條狀，實(shí)驗(yàn)儀器為梅特勒 DMA（861e）型動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀。樣品尺寸為10 mm×35 mm×3 mm，測(cè)量溫度范圍為-70 ℃～+70 ℃，升溫速度為3 ℃/min，測(cè)試頻率為100 Hz，測(cè)試模式為拉伸模式。

2 試驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 阻尼機(jī)理

黏彈性材料產(chǎn)生阻尼的根本原因是由于其具有黏彈性，使之在交變應(yīng)力作用下產(chǎn)生滯后現(xiàn)象以及力學(xué)損失。滯后是指材料在交變應(yīng)力作用下由于黏滯性作用導(dǎo)致應(yīng)變落后于應(yīng)力的現(xiàn)象，力學(xué)損失是指在每一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)由于發(fā)生力學(xué)耗散而導(dǎo)致的能量損失。當(dāng)聚合物與振動(dòng)物體產(chǎn)生接觸時(shí)，必然會(huì)吸收并使一定的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為熱能，使振動(dòng)衰減。黏彈性材料隨溫度的變化存在玻璃態(tài)、玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變區(qū)和高彈態(tài)，阻尼材料要求高內(nèi)耗，即Tan δ大，理想的阻尼材料應(yīng)在整個(gè)工作溫度區(qū)間內(nèi)都有較大的內(nèi)耗。對(duì)于不同應(yīng)用的阻尼減振橡膠，在選材時(shí)應(yīng)使黏彈性材料的動(dòng)態(tài)性能處于合適的溫度范圍內(nèi)[5-6]，如圖1所示。

2.2 動(dòng)力學(xué)性能研究

不同添加比例下201樹脂/BIIR共混體的Tan δ-T圖如圖2所示，可以看出，在201樹脂/BIIR共混體系中，隨著201樹脂應(yīng)用量的增大，BIIR的Tan δ值由0.81降至0.53，最佳使用溫度由-10 ℃向高溫區(qū)域偏移至5 ℃。當(dāng)201樹脂使用量為10份時(shí)，材料最大損耗因子最高。這可能是由于201樹脂分子含有醚鍵和大量的羥基官能，因此其分子間和分子背部存在相互作用力——?dú)滏I。隨著樹脂用量的增大，未參與反應(yīng)的氫鍵越多，在交變應(yīng)力作用下，測(cè)試溫度升高，氫鍵斷裂吸收能量，使其Tan δ峰對(duì)應(yīng)的溫度向高溫方向移動(dòng)。Tan δmax值的下降一般認(rèn)為是由于樹脂為線性結(jié)構(gòu)，當(dāng)樹脂用量超過飽和用量時(shí)，分子間有促滑作用，降低了材料的Tan δ[7]。

201復(fù)合BIIR材料的DMA曲線只出現(xiàn)了一個(gè)損耗峰，可推斷此體系中樹脂硫化劑與溴化丁基材料具有良好的相容性。

AO-80添加量為10，20，30份時(shí)，橡膠材料在100 Hz下的DMA曲線如圖3所示。AO-80的添加使得材料的最大損耗因子增大，同時(shí)材料的最佳使用溫度向高溫方向移動(dòng)，材料呈現(xiàn)兩個(gè)阻尼峰。研究表明，當(dāng)AO-80用量為30份時(shí)，tan δ＞0.3的溫域?yàn)?40～60 ℃。參考王永剛[7]等的研究，認(rèn)為AO-80加入后，在BIIR基體中形成了AO-80富集相。AO-80分子間以及AO-80分子與BIIR所形成氫鍵使得AO-80/酚醛樹脂/BIIR體系中形成了超分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，交聯(lián)密度提高，引起分子鏈段阻力增大，耗能多，阻尼性能優(yōu)異。

2.3 不同應(yīng)用環(huán)境下材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能

AO-80/酚醛樹脂/BIIR共混阻尼橡膠在5，100，200 Hz下的tan δ-T曲線如圖4所示，可以看出，隨著使用頻率的增大，材料阻尼峰“變胖”，tan δ-T在-50～50 ℃上的包絡(luò)面積增大，材料表現(xiàn)出寬溫域高阻尼特征。同時(shí)，材料阻尼峰向高溫區(qū)域移動(dòng)。由圖5可以得出，當(dāng)材料使用溫度由30 ℃降低至-30 ℃時(shí)，材料的最佳使用頻率向低頻方向移動(dòng)，即材料的低溫相當(dāng)于材料的高頻效應(yīng)。

2.4 減振降噪方面的應(yīng)用

約束阻尼層是減振降噪領(lǐng)域常用的阻尼處理方法，對(duì)AO-80/酚醛樹脂/BIIR共混阻尼橡膠進(jìn)行約束阻尼處理。依據(jù)GB/T 18258—2000《阻尼性能測(cè)試方法》進(jìn)行測(cè)試，分別對(duì)不附加阻尼層、附加國(guó)外某先進(jìn)阻尼層、附加新研材料的懸臂梁依次進(jìn)行掃頻試驗(yàn)。頻帶范圍為50～2 000 Hz，試驗(yàn)量值為1 g，掃頻速率為1 oct/min。測(cè)試數(shù)據(jù)如圖6所示，經(jīng)受阻酚AO-80/201酚醛樹脂處理后的約束阻尼層可消減25%數(shù)量的共振峰，優(yōu)于國(guó)外先進(jìn)阻尼材料。由表1可得出，共振峰阻尼系數(shù)、剩余峰高數(shù)據(jù)同時(shí)表明，AO-80/酚醛樹脂/BIIR共混阻尼橡膠均優(yōu)于國(guó)外先進(jìn)阻尼材料，AO-80/酚醛樹脂/BIIR具有更高的減振降噪效果。

表1 減振降噪效果分析

4 結(jié)語(yǔ)

通過DMA技術(shù)研究了AO-80/酚醛樹脂/BIIR共混阻尼橡膠的阻尼性能，討論了樹脂硫化劑和AO-80受阻酚對(duì)阻尼材料最大損耗因子和有效阻尼溫域的影響，同時(shí)對(duì)阻尼機(jī)理進(jìn)行了分析，為研究不同應(yīng)用的阻尼材料提供了理論基礎(chǔ)。研究了不同溫度和不同頻率下材料的阻尼性能，最后以約束阻尼結(jié)構(gòu)對(duì)AO-80/201樹脂/BIIR共混阻尼橡膠在減振降噪領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行分析，AO-80/酚醛樹脂/BIIR共混阻尼橡膠材料具有更好的減振降噪效果。