一种用于低频吸声的钛酸钡/橡胶压电复合材料及其制备方法与流程

本发明属于低频吸声材料领域，具体涉及一种用于低频吸声的钛酸钡/橡胶压电复合材料及其制备方法。

背景技术：

现代工业的发展使得噪声问题日趋严重,长时间接触噪声对机体会产生不良作用,还会对视觉、呼吸系统、人体免疫系统以及胎儿发育产生影响，吸声减振材料的研究制备显得尤为重要。传统的吸声材料主要包括泡沫类、纤维类、共振类和复合材料类，纤维材料在中高频吸声较好，但低频吸声较差；聚氨酯等泡沫材料低频吸声较差且强度较低；共振类材料需要特殊结构，吸声频率范围较窄，局限性较大而且材料厚度较大；而复合材料加工改性方便，可以满足不同使用环境。其中压电复合材料是一种较为新型的吸声减振复合材料，吸声频率对温度依赖性较小。

受到外部机械力作用时会在端面间出现电压的晶体材料称为压电材料。利用压电材料的这些特性可实现机械振动(声波)和电流的互相转换。压电材料性能很大程度上取决于压电晶体的合成。压电晶体的合成方法大体上可以分为固相法、液相法和气相法。固相法包括传统反应法、高能球磨法、燃烧法等；液相法包括溶液—凝胶法、水热法(热溶剂法)、草酸盐法、共沉淀法等；气相法包括物理气相沉积和化学气相沉积。液相法因其反应条件温和、结晶性较好、化学成分稳定等优点而被广泛应用于压电晶体的制备。

根据向橡胶内掺杂的填料特性及外部设计结构，可以设计多重阻尼机理(基体和纤维增强材料的内摩擦引起的能量损耗，结构共振，界面摩擦生热，黏塑性阻尼等)，大大增强了复合作为减振降噪材料的使用价值。区别于解耦、隔振和结构的刚化等传统的吸声减振方法，压电复合材料内部具有多种的能量转换机制，包括机械能与电能的转换(压电阻尼材料)，机械能和化学能的转换(可逆氢键耗能阻尼材料)，机械能和磁能的转换(稀土永磁阻尼材料)等，利用这些机理可以开发新型吸声减振材料。当声波或其他形式的振动机械能作用到压电复合材料表面时，通过正压电效应而将其转化为电能，在复合材料的压电单元内产生交流电压，当复合材料内部电阻过大或电阻过小时，产生的电能不能立即传导耗散，由于逆压电效应会将其再次转化为振动能。这样，正逆压电效应重复作用，振动能量持续衰减，最终以热能的形式耗散掉，从而起到减振降噪的效果。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的不足，目的在于提供一种用于低频吸声的钛酸钡/橡胶压电复合材料及其制备方法。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种用于低频吸声的钛酸钡/橡胶压电复合材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)钛酸钡陶瓷粉体的预处理：首先将钛酸钡陶瓷粉体放入球磨机中球磨5～15min得到钛酸钡陶瓷粉末，然后将钛酸钡陶瓷粉末和改性试剂置于高速混合机中，以1200～1500r/min高速搅拌10～30min，得到预处理后的钛酸钡陶瓷粉体，干燥后备用；

(2)按如下配方称取橡胶基体原料：丁腈橡胶100重量份、ZnO 3～8重量份、硬脂酸锌0.5～3重量份、硬脂酸0.5～3重量份、防老剂4010 0.5～2重量份、硫磺1～3重量份、促进剂DM 0.5～2重量份、促进剂CZ 0.5～2重量份；同时称取导电炭黑和步骤(1)所得预处理后的钛酸钡粉体；

(3)在密炼机或开炼机中依次加入氧化锌、硬脂酸、硬脂酸锌、防老剂、促进剂DM、促进剂CZ、预处理后的钛酸钡陶瓷粉体、导电炭黑和硫磺，在40～80℃温度下混炼10～40min得到混炼胶，混炼胶经硫化后得到用于低频吸声的钛酸钡/橡胶压电复合材料。

上述方案中，步骤(1)所述改性试剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、硬脂酸或硬脂酸盐。

上述方案中，步骤(1)中所述预处理后的钛酸钡陶瓷粉和改性试剂的质量比为100:1～6。

上述方案中，步骤(2)所述导电炭黑的体积占橡胶基体原料总体积的2％～10％，所述预处理后的钛酸钡粉体的体积占橡胶基体原料总体积的10％～60％。

上述方案中，步骤(3)所述硫化的温度为155～175℃，时间为15～30min。

上述方案中，步骤(3)所述硫化的压力为10～20MPa。

上述制备方法制备得到的用于低频吸声的钛酸钡/橡胶压电复合材料。

本发明的有益效果：本发明首先对钛酸钡陶瓷粉末进行预处理，然后以压电陶瓷为功能相、导电炭黑为导电相、丁腈橡胶为基体，利用压电效应与体积效应相结合的原理，制备得到用于低频吸声的钛酸钡/橡胶压电复合材料，所述钛酸钡/橡胶压电复合材料的阻尼温域较宽，储能模量较高；基于压电效应与体积效应原理，所述钛酸钡/橡胶压电复合材料在厚度较小的情况下既能获得较好的低频吸声效果。

附图说明

图1为实施例3中不同温度下2mm压电复合材料制品的阻尼性能。

图2为实施例3中不同频率下2mm压电复合材料制品的阻尼性能。

图3为实施例3中2mm压电复合材料制品的低频吸声性能。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

一种用于低频吸声的钛酸钡/橡胶压电复合材料，通过如下方法制备得到：

(1)钛酸钡陶瓷粉体预处理：将钛酸钡陶瓷粉体放入球磨机中球磨5min；采用硅烷偶联剂为改性剂，用量为钛酸钡陶瓷粉体质量的2％；将球磨后的钛酸钡陶瓷粉体和改性试剂置于高速混合机中，以高速1200r/min搅拌20min，得预处理后的钛酸钡陶瓷粉体，干燥备用；

(2)按以下配方称取橡胶基体原料：丁腈橡胶100重量份，ZnO 4重量份，硬脂酸锌1重量份，硬脂酸1重量份，防老剂4010 0.8重量份，硫磺1重量份，促进剂DM 0.8重量份，促进剂CZ 0.8重量份；同时称取导电炭黑(导电炭黑的体积为橡胶基体原料总体积的4％)；钛酸钡陶瓷粉体(钛酸钡陶瓷粉体的体积为橡胶基体原料总体积的30％)；

(3)在密炼机或开炼机中依次加入氧化锌、硬脂酸、硬脂酸锌、防老剂、促进剂DM、促进剂CZ、钛酸钡陶瓷粉体、导电炭黑和硫磺，在80℃以下混炼20min得到混炼胶，混炼胶在160℃、15MPa条件下硫化25min，得到用于低频吸声的钛酸钡/橡胶压电复合材料。

效果评价：厚度为2mm的复合材料制品的，在低频环境下，不同频率下平均阻尼系数在0.2左右，-20～0℃之间平均阻尼系数在0.74左右，最大低频吸声系数为0.25。

实施例2

一种用于低频吸声的钛酸钡/橡胶压电复合材料，通过如下方法制备得到：

(1)钛酸钡陶瓷粉体预处理：将钛酸钡陶瓷粉体放入球磨机中球磨8min；采用硅烷偶联剂为改性剂，用量为钛酸钡陶瓷粉体质量的3％；将球磨后的钛酸钡陶瓷粉体和改性试剂置于高速混合机中，以高速1300r/min搅拌25min，得预处理后的钛酸钡陶瓷粉体，干燥备用；

(2)按以下配方称取橡胶基体原料：丁腈橡胶100重量份，ZnO 4重量份，硬脂酸锌1重量份，硬脂酸1重量份，防老剂4010 0.8重量份，硫磺1重量份，促进剂DM 0.8重量份，促进剂CZ 0.8重量份；同时称取导电炭黑(导电炭黑的体积为橡胶基体原料总体积的8％)；钛酸钡陶瓷粉体(钛酸钡陶瓷粉体的体积为橡胶基体原料总体积的40％)；

(3)在密炼机或开炼机中依次加入氧化锌、硬脂酸、硬脂酸锌、防老剂、促进剂DM、促进剂CZ、钛酸钡陶瓷粉体、导电炭黑和硫磺，在60℃以下混炼20min得到混炼胶，混炼胶在170℃、10MPa条件下硫化25min，得到用于低频吸声的钛酸钡/橡胶压电复合材料。

效果评价：厚度为2mm的复合材料制品的，在低频环境下，不同频率下平均阻尼系数在0.2左右，-20～0℃之间平均阻尼系数在0.76左右，最大低频吸声系数为0.255。

实施例3

一种用于低频吸声的钛酸钡/橡胶压电复合材料，通过如下方法制备得到：

(1)钛酸钡陶瓷粉体预处理：将钛酸钡陶瓷粉体放入球磨机中球磨10min；采用硅烷偶联剂为改性剂，用量为钛酸钡陶瓷粉体质量的5％；将球磨后的钛酸钡陶瓷粉体和改性试剂置于高速混合机中，以高速1400r/min搅拌20min，得预处理后的钛酸钡陶瓷粉体，干燥备用；

(2)按以下配方称取橡胶基体原料：丁腈橡胶100重量份，ZnO 4重量份，硬脂酸锌1重量份，硬脂酸1重量份，防老剂4010 0.8重量份，硫磺1重量份，促进剂DM 0.8重量份，促进剂CZ 0.8重量份；同时称取导电炭黑(导电炭黑的体积为橡胶基体原料总体积的6％)；钛酸钡陶瓷粉体(钛酸钡陶瓷粉体的体积为橡胶基体原料总体积的50％)；

(3)在密炼机或开炼机中依次加入氧化锌、硬脂酸、硬脂酸锌、防老剂、促进剂DM、促进剂CZ、钛酸钡陶瓷粉体、导电炭黑和硫磺，在70℃以下混炼30min得到混炼胶，混炼胶在170℃、10MPa条件下硫化25min，得到用于低频吸声的钛酸钡/橡胶压电复合材料。

效果评价：厚度为2mm的复合材料制品的，不同温度下的阻尼性能测试结果如图1所示，不同频率下的阻尼性能测试结果如图2所示，低频吸声性能测试结果如图3所示。从图1～3可以看出：在低频环境下，不同频率下平均阻尼系数在0.3左右，-20～0℃之间平均阻尼系数在0.8左右，最大低频吸声系数为0.32。

实施例4

一种用于低频吸声的钛酸钡/橡胶压电复合材料，通过如下方法制备得到：

(1)钛酸钡陶瓷粉体预处理：将钛酸钡陶瓷粉体放入球磨机中球磨10min；采用硅烷偶联剂为改性剂，用量为钛酸钡陶瓷粉体质量的3％；将球磨后的钛酸钡陶瓷粉体和改性试剂置于高速混合机中，以高速1300r/min搅拌20min，得预处理后的钛酸钡陶瓷粉体，干燥备用；

(2)按以下配方称取橡胶基体原料：丁腈橡胶100重量份，ZnO 4重量份，硬脂酸锌1重量份，硬脂酸1重量份，防老剂4010 0.8重量份，硫磺1重量份，促进剂DM 0.8重量份，促进剂CZ 0.8重量份；同时称取导电炭黑(导电炭黑的体积为橡胶基体原料总体积的2％)；钛酸钡陶瓷粉体(钛酸钡陶瓷粉体的体积为橡胶基体原料总体积的40％)；

(3)在密炼机或开炼机中依次加入氧化锌、硬脂酸、硬脂酸锌、防老剂、促进剂DM、促进剂CZ、钛酸钡陶瓷粉体、导电炭黑和硫磺，在60℃以下混炼30min得到混炼胶，混炼胶在175℃、10MPa条件下硫化15min，得到用于低频吸声的钛酸钡/橡胶压电复合材料。

效果评价：厚度为2mm的复合材料制品的。在低频环境下，不同频率下平均阻尼系数在0.21左右，-20～0℃之间平均阻尼系数在0.75左右，最大低频吸声系数为0.25。

实施例5

一种用于低频吸声的钛酸钡/橡胶压电复合材料，通过如下方法制备得到：

(1)钛酸钡陶瓷粉体预处理：将钛酸钡陶瓷粉体放入球磨机中球磨10min；采用硅烷偶联剂为改性剂，用量为钛酸钡陶瓷粉体质量的5％；将球磨后的钛酸钡陶瓷粉体和改性试剂置于高速混合机中，以高速1500r/min搅拌30min，得预处理后的钛酸钡陶瓷粉体，干燥备用；

(2)按以下配方称取橡胶基体原料：丁腈橡胶100重量份，ZnO 4重量份，硬脂酸锌1重量份，硬脂酸1重量份，防老剂4010 0.8重量份，硫磺1重量份，促进剂DM 0.8重量份，促进剂CZ 0.8重量份；同时称取导电炭黑(导电炭黑的体积为橡胶基体原料总体积的10％)；钛酸钡陶瓷粉体(钛酸钡陶瓷粉体的体积为橡胶基体原料总体积的60％)；

(3)在密炼机或开炼机中依次加入氧化锌、硬脂酸、硬脂酸锌、防老剂、促进剂DM、促进剂CZ、钛酸钡陶瓷粉体、导电炭黑和硫磺，在60℃以下混炼40min得到混炼胶，混炼胶在170℃、15MPa条件下硫化25min，得到用于低频吸声的钛酸钡/橡胶压电复合材料。

效果评价：厚度为2mm的复合材料制品的。在低频环境下，不同频率下平均阻尼系数在0.3左右，-20～0℃之间平均阻尼系数在0.85左右，最大低频吸声系数为0.11。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。