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空心玻璃微珠(Hollow Glass Microspheres,HGM)作为一种重要的无机非金属球形粉体材料,由于其中空的结构使其具有优良的绝热、隔音性能。而硅橡胶(Silicon Rubber,SR)是一种具有良好耐热性、耐低温性、耐候性的材料,在医疗、电子、航空航天等领域具有广泛应用。但是SR的分子链柔顺、链间作用力差,这使得其力学强度较低,大大限制了其应用范围,在实际应用中会采用各种补强填料补强其力学性能。这些补强填料包括白炭黑、纳米碳酸钙等,然而这些填料的使用会增加SR的密度。而HGM作为填料,首先会减少SR的用量而减少其成本;其次,在降低复合材料密度的同时,也会赋予SR良好的力学性能;另外也将增强SR的绝热效果。但由于普通橡胶以及混炼硅橡胶与填料的混合过程是采用开炼机等设备将HGM与SR强行混合,这需要填料具有相当大的强度,因此明显不适用于HGM这样相对强度较弱的填料,而液体硅橡胶与HGM的混合过程只是普通的分散过程,可以用搅拌桨在较低的转速下使二者混合均匀,从而大大减少对HGM的破坏。因此,液体硅橡胶的采用可以使HGM对橡胶类弹性体力学性能影响的研究成为可能,将会为以后更深入的研究提供一定的理论依据。
本论文主要进行了HGM对SR力学性能影响的研究。主要考察了HGM添加量、HGM破损比率、HGM粒度以及经KH550、KH570、A171表面改性后的HGM对HGM/SR复合材料力学性能的影响,然后还初步研究了HGM对SR绝热性能的影响,包括了HGM填充量、HGM破损率、HGM粒度分布对SR绝热性能的影响,得到以下结论:
1.HGM添加量的增加会提高复合材料的拉伸强度(可提高至2倍),降低断裂伸长率,但是当HGM添加量到了一定程度之后(质量填充率为14.29%),继续增加其添加量复合材料的拉伸强度与断裂伸长率基本不变。而复合材料的邵氏硬度随着HGM添加量的增加而增加,二者近似呈线型关系。
2.随着破损HGM比率的增大,复合材料的密度、拉伸强度、断裂伸长率等均会增大,但是其邵氏硬度会随着HGM破损比率的增加而减小。据此可提出一种估算复合材料中HGM破损比率的方法,即将待测复合材料的密度,拉伸强度等数据与之前测得的各数据对比,根据破损HGM比率与密度、拉伸强度、断裂伸长率、邵氏硬度的曲线,反推出复合材料中破损HGM的比率。
3.HGM的粒度分布也会影响复合材料的力学性能。HGM的粒度越小,在等添加质量的前提下,拉伸强度越大,断裂伸长率也越高。但是HGM的粒度分布对复合材料的邵氏硬度无太大影响。
4.KH550、KH570、A171等硅烷偶联剂可增强HGM表面与SR基体间的作用力,进而提高复合材料的拉伸强度与断裂伸长率。KH570对拉伸强度的提升作用最好,最大可提升46%。A171对断裂伸长率的提升效果最好,最大可提升14.8%。但是上述三种硅烷偶联剂只是改变了HGM的表面性能,而邵氏硬度表征的是橡胶抵抗探针压入的能力大小,HGM表面性能的改变并不能提高SR抵抗探针压入的能力,因此HGM的表面改性对SR的邵氏硬度无太大影响。
5.HGM对SR绝热性能的研究表明:HGM可显著提高SR的绝热性能,随着HGM添加量的提高,复合材料的绝热性能也越来越好;破损的HGM会使SR的绝热性能大大降低;粒径越大的HGM越能提高复合材料的绝热性能。
综上所述,HGM的加入可大大提高SR的拉伸强度,提高其邵氏硬度,降低其断裂伸长率,然而到了一定程度后(HGM的质量填充率为14.29%),HGM对SR的补强效果达到饱和;随着破损HGM含量的提升,SR的拉伸强度、断裂伸长率也将逐渐升高,邵氏硬度逐渐降低;HGM的粒度分布也会影响SR的力学性能:粒径越小的HGM对SR拉伸强度、断裂伸长率的提升越明显;硅烷偶联剂对HGM具有一定的改性效果,改性后的HGM将提高SR的拉伸强度、断裂伸长率,但是并不能提升其邵氏硬度;HGM对SR绝热性能的研究表明,粒径越大的HGM越能提升SR的隔热性能,然而粒径越小的HGM对SR力学性能的补强效果越好,在实际生产应用中,应根据实际情况平衡这两方面的影响。