空间微振动高效减振用阻尼硅橡胶的制备及性能研究

来源 :中国运载火箭技术研究院 | 被引量 : 1次 | 上传用户:lingdujimo
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卫星在轨运行期间,各种姿控装置如控制力矩陀螺正常运转时会产生一系列幅值小,频谱宽的微振动,这种微振动会严重降低高分辨卫星上搭载光学载荷的成像质量。采用橡胶减振器是减轻微振动对光学载荷影响的好方法,硅橡胶减振器质量轻,可靠性高,同时具有良好的耐高低温性能、耐辐照性能等,在航空航天领域得到了广泛的应用。但传统硅橡胶损耗因子低,模量变化大,难以满足微振动小量级、小位移环境下的减振需要。本文从硅橡胶体系调控着手,围绕硅橡胶苯基含量,硫化体系,补强体系,阻尼添加剂等开展了一系列研究,基于30μm的微小振幅下,研究了硅橡胶在动态力学性能及其与硅橡胶结构、组成之间的关系,旨在制备一种能满足空间微振动环境减振要求的阻尼硅橡胶材料。以下是本文的主要研究内容及结论:(1)以含大体积苯基侧基的甲基苯基硅橡胶为基胶,制备了不同苯基含量的阻尼硅橡胶,研究了苯基含量对硅橡胶物理机械性能和动态力学性能的影响,结果表明随苯基含量提高,硅橡胶的玻璃化转变温度升高,损耗因子提高,但模量变化幅度增大。在-30~70℃的范围内,低苯基硅橡胶Ph-5%的损耗因子只有0.2左右,而苯基含量为20%的硅橡胶Ph-20%最大损耗因子tanδmax相比Ph-5%上升了23%,在0.20~0.27之间,而苯基含量为30%的高苯基硅橡胶损耗因子进一步提高,tanδmax达到了0.36。(2)分别使用两种不同种类的硫化剂2,4-二氯过氧化苯甲酰(DCBP)和过氧化二异丙苯(DCP)硫化硅橡胶,对比研究了两种硫化剂对硅橡胶物理机械性能和动态力学性能的影响,研究表明,DCBP硫化的硅橡胶损耗因子更高,模量变化更小,阻尼硅橡胶在-30~70℃范围内,DCBP硫化的硅橡胶损耗因子在0.22~0.26之间,弹性模量变化量△E’为13.5MPa,相比DCP硫化的硅橡胶损耗因子提高了23%,而△E’却降低了48%。(3)研究了白炭黑用量对阻尼硅橡胶物理机械性能和动态力学性能的影响,并将碳纳米管(CNTs)作为阻尼填料添加到阻尼硅橡胶中,研究表明随白炭黑用量增加,硅橡胶损耗因子上升,模量变化显著增大,当白炭黑用量从20份提高到60份时,在-30~70℃范围内硅橡胶模量变化从1.4MPa上升到了42.7MPa。CNTs可以在保证硅橡胶力学强度的同时,不大幅改变硅橡胶模量,同时提高硅橡胶的损耗因子,添加CNTs的硅橡胶在-70~20℃范围内损耗因子提升了20%,而硅橡胶-30℃下的弹性模量仅仅从20MPa变化到了24MPa。(4)将苯基硅中间体作为阻尼添加剂加入硅橡胶中并使用硫化剂DCBP与硅橡胶共硫化,研究表明,随苯基硅中间体用量的增加,硅橡胶的硫化程度降低,拉断伸长率、撕裂强度和高温下的损耗因子明显提高。苯基硅中间体作为新的弛豫单元进一步增加了硅橡胶的滞后损耗,硅橡胶在-30℃~70℃之间出现一阻尼峰,最大损耗因子tanδmax从0.2提高到0.3。(5)基于上述研究制备了硅橡胶减振器,通过有限元仿真和振动实验验证了新研硅橡胶的减振效果,结果表明,阻尼硅橡胶对微小量级下振动扰动的具有良好的抑制效果,在100mg的微振动扰动下,敏感频点200Hz处的振动响应下降了20%,300Hz处的振动响应下降了60%。制备的硅橡胶材料在宽温域范围内能够保持模量稳定,在-30~70℃的温度范围内频率偏差不超过10Hz,振动前后的指向精度变化量小于1′。测得硅橡胶真空条件下质量损失为0.2%,可凝挥发物为0.02%,经过500krad辐照后,硅橡胶的力学性能没有发生明显变化,而损耗因子只改变了3%,结果表明制备的硅橡胶材料可以空间环境条件下的应用要求。
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