一种基于质量弹簧/约束阻尼结构耗能机制的阻尼层材料的设计及制备
【技术领域】
[0001]本发明涉及材料物理科学领域，特别是一种基于质量弹簧/约束阻尼结构耗能机制的阻尼层材料的设计及制备。
【背景技术】
[0002]所谓阻尼(damping,或内耗)是指材料在振动中由于内部原因引起机械振动能消耗的现象。阻尼性能通常又称为减振性能，是材料的一种功能特性，常用内耗值Q—1来表征。
[0003]阻尼本领是材料的一种性质，它能够将材料的机械振动能量通过内部机制不可逆的转化为其他形式的能量(通常为热能)。因此机械振动能的耗散是通过内部机制来完成的，所以材料的这种性质也成为内耗(低频时)或超声衰减(高频时)。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种基于质量弹簧/约束阻尼结构耗能机制的阻尼层材料的设计及制备，根据模型建立及力学分析，可以设计出适合于目标要求的阻尼材料。
[0005]为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明公开了一种基于质量弹簧/约束阻尼结构耗能机制的阻尼层材料的设计及制备，阻尼层材料的设计包括了以下步骤:
[0006]质量弹簧模型的建立:利用数轴建模法，建立与系统平行方向的数轴，把弹簧的实际位移值当做有理数标在数轴上对应位置，按照有理数比较大小的结果确定相应质量块所受弹簧力或阻尼器的实际位移值当做有理数标在数轴上对应位置，然后按照有理数比较大小的结果确定相应质量块所受弹簧力的大小和方向，求得系统的微分方程；
[0007]质量弹簧模型的力学求解:外界对振动系统的激励是弹簧左端点的位移^，设m的输出位移为xo，列写系统的动力学方程；
[0008]具体步骤如下:
[0009](I)建立竖直数轴，假设正方向向下；
[0010]把弹簧k的输入位移为X1、输出位移为Xo标在数轴上对应的位置，通过对质量块m的受力分析，质量块m所受弹簧力大小为k(XQ，Xl)，受力方向为向上，经过能量损耗后，输出位移小于输入位移，质量块m所受弹簧力向上；
[0011](2)根据受力分析简图列写微分方程，列写微分方程如下:
[0012]-k( xo-xi) -ex。=mxQ从而求得系统的微分方程为mxo+kxo = kxi；
[0013]阻尼层材料的制备:根据上述方程设计出合适的阻尼层材料。
[0014]其中，阻尼层材料为聚氨酯材料，聚氨酯材料制备包括以下步骤:
[0015]A.取多元醇和二异氰酸酯，在80_120°C反应3-4小时，制得预聚体，密封备用，其中多元醇与二异氰酸酯的-0!1/-~0)摩尔比为1:2;
[0016]B.将预聚体与玄武岩短切纤维混合，与扩链剂混合均匀并加热至80°C，真空脱泡，然后浇注到事先已经预热好的含有固化剂的模具中固化成型，于60°C烘箱内预固化4小时，80°C固化6小时，100°C固化6小时制得聚氨酯基体材料；
[0017]其中，多元醇为聚己二酸乙二醇酯二醇、聚己二酸己二醇酯、聚己内酯多元醇、聚碳酸酯二元醇、聚己二酸丁二酯二醇、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸乙酯等中的一种，二异氰酸酯选自2，4_甲苯二异氰酸酯、2，4_甲苯二异氰酸酯与2，6_甲苯二异氰酸酯质量比为80: 20的混合物、4，4_二苯基甲烷二异氰酸酯、异氟尔酮二异氰酸酯中的一种或两种混合，扩链剂选自三羟甲基丙烷、I，4-丁二醇、2，4-二氨基-3，5-二甲硫基氯苯、二氨基二甲硫基甲苯中的一种或两种，固化剂为三羟甲基丙烷、I，4-丁二醇、2，4-二氨基-3，5-二甲硫基氯苯中的一种或两种。
[0018]优选的，玄武岩短切纤维预先经过硅烷偶联剂处理，并且经三辊研磨机剪切研磨，反应过程中需保持无氧无水环境。
[0019]本发明具有以下有益效果:
[0020]1.本发明通过从阻尼材料原理设计出发，根据模型建立及力学分析，可以设计出适合于目标要求的阻尼材料。
[0021]2.经过合理设计的阻尼复合材料在较宽的阻尼温域具有良好的阻尼性能，梯度复合层数可控，制备方法简单可连续批量生产。
【附图说明】
[0022]图1为本发明的模型分析示意图。
【具体实施方式】
[0023]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
[0024]实施例1
[0025]如图1所示，本发明公开了一种基于质量弹簧/约束阻尼结构耗能机制的阻尼层材料的制备方法，包括了以下步骤:
[0026]A.合成预聚体:在装有搅拌器、温度计的500ml三口瓶中加入聚碳酸酯二醇(分子量为2000 )100g，于110-120°c真空脱水2小时，降温至50°C，加入2，4-甲苯二异氰酸脂，缓慢升温至80-90°C反应3小时，得预聚体密封备用；
[0027]B.复合材料制备:称取10g预聚体于三口瓶内，真空脱泡2小时，加入预先经过硅烷偶联剂处理过的短切玄武岩纤维，经三辊研磨机剪切研磨，混合均匀后，加入预先于80°C烘箱内熔融的三羟甲基丙烷3.94g，倒入事先涂有脱模剂的模具中，于60°C烘箱内预固化4小时，80°C固化6小时，100°C固化6小时得阻尼材料。
[0028]实施例2
[0029]本发明公开了一种基于质量弹簧/约束阻尼结构耗能机制的阻尼层材料的制备方法，包括了以下步骤:
[0030]A.合成预聚体:在装有搅拌器、温度计的500ml三口瓶中加入聚己二酸乙二醇酯(分子量为2000) 10g，于110-120°C真空脱水2小时，降温至50°C，加入2，4-甲苯二异氰酸月旨，缓慢升温至80-90°C反应3小时，得预聚体密封备用；
[0031 ] B.复合材料制备:称取10g预聚体于三口瓶内，真空脱泡2小时，加入预先经过硅烷偶联剂处理过的短切玄武岩纤维，经三辊研磨机剪切研磨，混合均匀后，加入预先于80°C烘箱内熔融的三羟甲基丙烷4.67g，倒入事先涂有脱模剂的模具中，于60°C烘箱内预固化4小时，80°C固化6小时，100°C固化6小时得阻尼材料。
[0032]实施例3
[0033]A.合成预聚体:在装有搅拌器、温度计的500ml三口瓶中加入聚己二酸乙二醇酯(分子量为1000)10(^，于110-120°(3真空脱水2小时，降温至50°(3，加入2，4-甲苯二异氰酸脂，缓慢升温至80_90°C反应3小时，后得预聚体密封备用；
[0034]B.复合材料制备:称取10g预聚体于三口瓶内，真空脱泡2小时，加入预先经过硅烷偶联剂处理过的短切玄武岩纤维，经三辊研磨机剪切研磨，混合均匀后，加入预先于80°C烘箱内熔融的三羟甲基丙烷5.07g，倒入事先涂有脱模剂的模具中，于60°C烘箱内预固化4小时，80°C固化6小时，100°C固化6小时得阻尼材料。
[0035]实施例4
[0036]实验目的及方法:为了检测合成的阻尼材料的阻尼性能，实验采用了动态热机械分析仪(DMA)上采用拉伸法测定阻尼性能，测试对象为实施例1，实施例2和实施例3合成阻尼材料。
[0037]实验结果如下:
[0038]实施例1:升温速率为5°C/min，测试频率为频率为1、10、10Hz时、损耗因子2 0.5阻尼复合材料在-16.55°C?20.98°C范围。
[0039]实施例2:升温速率为5°C/min，测试频率为频率为1、10、10Hz时、损耗因子2 0.5阻尼复合材料在-12.30°C?26.09°C范围。
[0040]实施例3:升温速率为5°C/min，测试频率为频率为1、10、10Hz时、损耗因子2 0.5阻尼复合材料在-8.92°C?29.82°C范围。
[0041]以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种基于质量弹簧/约束阻尼结构耗能机制的阻尼层材料的设计及制备，其特征在于，所述的阻尼层材料的设计包括了以下步骤: 质量弹簧模型的建立:利用数轴建模法，建立与系统平行方向的数轴，把弹簧的实际位移值当做有理数标在数轴上对应位置，按照有理数比较大小的结果确定相应质量块所受弹簧力或阻尼器的实际位移值当做有理数标在数轴上对应位置，然后按照有理数比较大小的结果确定相应质量块所受弹簧力的大小和方向，求得系统的微分方程； 质量弹簧模型的力学求解:外界对振动系统的激励是弹簧左端点的位移Xi，设m的输出位移为xO，列写系统的动力学方程； 具体步骤如下: (1)建立竖直数轴，假设正方向向下。 把弹簧k的输入位移为x1、输出位移为xO标在数轴上对应的位置，通过对质量块m的受力分析，质量块m所受弹簧力大小为k(x0，xi)，受力方向为向上，经过能量损耗后，输出位移小于输入位移，质量块m所受弹簧力向上； (2)根据受力分析简图列写微分方程，列写微分方程如下: -k(xO-xi)-cxO=mxO从而求得系统的微分方程为mxO+kxO = kxi ； 阻尼层材料的制备:根据上述方程设计出合适的阻尼层材料。2.如权利要求1所述的一种基于质量弹簧/约束阻尼结构耗能机制的阻尼层材料的设计及制备，其特征在于:所述的阻尼层材料为聚氨酯材料，所述的聚氨酯材料制备包括以下步骤: A.取多元醇和二异氰酸酯，在80-120°C反应3-4小时，制得预聚体，密封备用，其中多元醇与二异氰酸酯的-0H/-NC0摩尔比为1:2; B.将预聚体与表面处理过的玄武岩短切纤维混合，与扩链剂混合均匀并加热至80°C，真空脱泡，然后浇注到事先已经预热好的模具中固化成型，于60°C烘箱内预固化4小时，80°C固化6小时，100°C固化6小时制得聚氨酯基体材料。3.如权利要求2所述的一种基于质量弹簧/约束阻尼结构耗能机制的阻尼层材料的设计及制备，其特征在于:所述的多元醇为聚己二酸乙二醇酯二醇、聚己二酸己二醇酯、聚己内酯多元醇、聚碳酸酯二元醇、聚己二酸丁二酯二醇、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸乙酯等中的一种，所述的二异氰酸酯选自2，4_甲苯二异氰酸酯、2，4_甲苯二异氰酸酯与2，6_甲苯二异氰酸酯质量比为80:20的混合物、4，4_ 二苯基甲烷二异氰酸酯、异氟尔酮二异氰酸酯中的一种或两种混合，所述的扩链剂选自三羟甲基丙烷、1，4_ 丁二醇、2，4_ 二氨基-3，5-二甲硫基氯苯、二氨基二甲硫基甲苯中的一种或两种，所述的固化剂为三羟甲基丙烷、I，4_丁二醇、2，4-二氨基-3，5-二甲硫基氯苯中的一种或两种。4.如权利要求3所述的一种基于质量弹簧/约束阻尼结构耗能机制的阻尼层材料的设计及制备，其特征在于:所述的玄武岩短切纤维预先经过硅烷偶联剂处理，并且经三辊研磨机剪切研磨，所述的反应过程中需保持无氧无水环境。
【专利摘要】本发明涉及材料物理科学领域，公开了一种基于质量弹簧/约束阻尼结构耗能机制的阻尼层材料的设计及制备，通过从阻尼材料原理设计出发，根据模型建立及力学分析，可以设计出适合于目标要求的阻尼材料；经过合理设计的阻尼复合材料在较宽的阻尼温域具有良好的阻尼性能，梯度复合层数可控，制备方法简单可连续批量生产，克服了传统阻尼材料阻尼温域小的特点。
【IPC分类】C08K9/06, C08L75/06, C08K7/10, C08G18/42, C08G18/44
【公开号】CN105504783
【申请号】CN201510940159
【发明人】崔向红, 刘晓东, 苏桂明, 姜海健, 方雪, 陈明月, 马宇良
【申请人】黑龙江省科学院高技术研究院
【公开日】2016年4月20日
【申请日】2015年12月12日