增强约束阻尼材料、结构设计及特性研究

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丁腈橡胶(NBR)具有高阻尼性能、出色的耐油性、耐热老化性能等,常用作舰船、水下航行体内机械设备的抑振降噪材料。纯丁腈橡胶材料的高阻尼性能温域有限,不能满足舰船、水下航行体宽温域需求。另外,舰船受内部空间、载荷的限制,迫切需要一种体积小、抑振降噪效率高的阻尼复合结构。本文采用酚醛树脂(PF)对NBR进行共混改性,制备了宽温域、高阻尼性能的NBR/PF弹性复合材料。同时发明了一种增强约束层阻尼(ECLD)结构,以NBR/PF复合材料制备了穿孔粘弹性阻尼层(PVDM),提高了ECLD结构的阻尼抑振效率,并展开了对ECLD结构抑振机理和效能的研究与优化。最后,尝试用氧化石墨烯(GO)对NBR进行共混改性,并对其阻尼、导热性能及抗疲劳寿命进行探索研究。首先,筛选出与NBR相容性良好并且能够有效提升玻璃化温度(Tg)的酚醛树脂(PF 2123-3),通过调控NBR/PF比例,制备宽温域、高阻尼性能、机械性能优异的NBR/PF弹性阻尼材料。结果表明,随PF添加量增大,提升了材料的Tg、拓宽了有效阻尼温域(?T)、提高了物理机械性能,并且保持了良好的弹性,便于与曲面、异形结构表面紧密贴合。当PF添加量为30 phr时,Tg由9.1 oC提升到30.9 oC,提高了21.8 oC;?T由36.9 oC拓宽到45.8 oC;拉伸强度增加了4.8 MPa,提高了35%;断裂伸长率为780%。该NBR/PF弹性复合材料综合性能优异,能满足舰船舱室宽温域、高阻尼的应用需求。然后,发明了一种ECLD结构并建立了自由梁振动测试方法,对ECLD结构的阻尼性能进行了研究与优化。结果表明,ECLD结构突破了传统无约束层阻尼(UCLD)和被动约束层阻尼(PCLD)结构低效的局限,随约束力增加,ECLD结构阻尼效率提高、高阻尼温域拓宽。当约束力为15 N·m、阻尼层(PVDM)厚度为12 mm时,最大振动加速度级差(VALDmax)为14.80 d B;高阻尼温域达43.6 oC,拓宽了27.1 oC。模态测试结果表明,ECLD结构能够抑制基板上所有的共振峰,其第三阶、四阶共振峰振型改变、振幅减小,且高阶模态共振峰大部分消失。阻尼层厚度仅4 mm时,ECLD结构的VALDmax达10.43 d B,比UCLD和PCLD结构分别提高了8.72 d B和3.00 d B,加速度响应幅值分别降低了63.4%和29.2%;其阻尼效果已经超过8 mm厚的PCLD结构,接近16 mm的UCLD结构。ECLD结构的高效阻尼特别适合于受空间、载荷限制的舰船、水下航行体,采用该技术的产品已批量装备。最后,通过改进的溶液共混法制备了高阻尼、高导热性能及高抗疲劳寿命的NBR/GO弹性复合材料。结果表明,GO分散均匀,其阻尼、导热、导电、力学性能及抗疲劳寿命均得到提升。当GO添加量为1.0 phr时,Tg提高了1.7 oC;最大损耗因子达1.79;导热系数由0.126 W/(m·k)提高到0.236 W/(m·k),提高了87.3%;拉伸强度由11.4MPa增加到17.1 MPa,提高了50%;电导率提高了14.5倍;损耗模量下降为原来的90%(LM90)所对应的抗疲劳使用寿命由4800次增加到17500次,增幅为264.6%;损耗模量下降为原来的80%(LM80)所对应的抗疲劳使用寿命由14800次增加到36600次,增幅为147.3%,有望提升阻尼材料的使用寿命。
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