本发明属于复合材料制备
技术领域：
，具体涉及一种多孔压电阻尼复合材料的制备方法。
背景技术：
阻尼材料能够有效的抑制噪声污染，还可以有效的减少由振动所产生的疲劳、扭曲等效应，因此广泛的应用于机械制造、船舶制造、汽车制造、飞机制造以及环保降噪等领域。高聚物阻尼材料在受到外力作用时，其内部分子内和分子间的相互作用力或摩擦力来消耗外部能量，使之变成热能损耗掉，从而起到减振阻尼的作用。但阻尼吸声会引起频繁发热，加上高分子耐老化性能差的缺点，极易导致高聚物的快速老化和耐候、耐热性能的降低。针对以上问题，通过共混或共聚方法制备复合材料是一种有效的解决手段。压电陶瓷是一种可以实现机械能和电能相互转换的无机材料，具有制备成本低、工艺简单、比表面积大、易于掺杂改性等优点。在高聚物阻尼材料中加入压电陶瓷，不但可以提高玻璃化温度，增加其阻尼峰半宽温度，而且能提高力学性能，并可将机械能转变为电能消耗掉，进而降低热能对阻尼材料的影响，延长其使用寿命。但压电陶瓷易出现团聚及分散不均匀的现象，并且在使用过程中，机械能转化的电能无法有效导出消耗，因此常将压电材料与导电材料同时使用，以便压电效应形成的电能在导电回路中转换成热能消耗掉。中国专利《一种环氧树脂基压电复合阻尼材料及其制备方法》(申请号：2008101408898，授权号：cn101323697b，公告日：2010.09.22)介绍了一种环氧树脂基压电复合阻尼材料及其制法，将环氧树脂，压电陶瓷粉，导电炭黑混合、分散，加入固化剂浇注成型后极化，其在宽温域内(10～100℃)阻尼性能好。但由于陶瓷粉自身易团聚难分散，无机相与聚合物基体界面结合弱，力学性能较差，并且与导电炭黑不连通，无法形成有效回路，阻尼性能有待提高。中国专利《一种橡胶基压电阻尼复合材料及其制备方法》(申请号：2009102277249，授权号：cn101746993b，公告日：2012.11.28)介绍了一种橡胶基压电阻尼复合材料及其制备方法，包括微米级压电陶瓷粉与导电炭黑混合，并与橡胶基体材料混合，然后经加热、加压固化成型、再经极化得压电阻尼复合材料，其在较宽的频率范围内显著提高了天然橡胶基体材料的阻尼性能。但同样力学性能提升不明显，压电陶瓷粉与导电炭黑在后续混合后不连通，无法形成有效回路。中国专利《一种具有压电阻尼的碳纤维复合材料层合板及其制备方法》(申请号：201210198864.x，授权号：cn102700203b，公告日：2014.10.29)公开了一种具有压电阻尼的碳纤维复合材料层合板的制备方法，将经极化的压电陶瓷与碳纳米管混合，并将碳纤维预浸料后涂刷预混胶料，放入热压机加压处理制备得到碳纤维复合材料层合板。其常温下阻尼性能好，层间强度有所提高，但碳纤维与基体层间结合，且与压电陶瓷和碳纳米管混合物接触面积有效，无法高效利用“压电导电回路”。中国专利《一种碳纳米纤维负载钛酸钡材料及其制备方法》(申请号：201510452768.7，公开号：cn106381577a，公告日：2017.02.08)公开了一种可应用于压电导电型减振降噪的碳纳米纤维负载钛酸钡材料，将钛的醇盐、钡盐以及聚合物溶解于有机溶剂后通过静电纺丝法制备纳米纤维，后续经预氧化、碳化得到碳纳米纤维负载钛酸钡材料。此方法未指出如何制备阻尼材料，且其制备的复合材料损耗较大，质量损失高达90％。技术实现要素：本发明的目的是提供一种多孔压电阻尼复合材料的制备方法，解决了现有技术中复合材料无法形成有效回路的问题，通过构建导电通路延长其使用寿命，提高其吸声阻尼性能。本发明所采用的技术方案是，一种多孔压电阻尼复合材料的制备方法，具体按以下步骤实施：步骤1、准备原材料：准备压电陶瓷粉末或压电陶瓷纤维、可纺导电聚合物a、溶剂a以及阻尼聚合物b、溶剂b、发泡剂b；步骤2、配制溶液：将可纺导电聚合物a加入到溶剂a中，混合均匀得到聚合物溶液，再将压电陶瓷粉末或压电陶瓷纤维加入到聚合物溶液中，制备得到纺丝溶液；将阻尼聚合物b加入到溶剂b中搅拌均匀，然后加入发泡剂b，制备得到阻尼溶液；步骤3、静电纺丝：将纺丝溶液置入推进泵中，调整纺丝电压、接收距离、推进速度以及纺丝温度和湿度进行静电纺丝；步骤4、卧式搅拌收集：使用盛有阻尼溶液的卧式搅拌机对静电纺丝纤维进行收集，调节搅拌速度，制备得到阻尼复合溶液；步骤5、固化成型：将制备的阻尼复合溶液注入模具中，在一定温度下加热保温一段时间后固化成型得到多孔阻尼复合材料；步骤6、极化处理：将多孔阻尼复合材料进行极化处理，得到多孔压电阻尼复合材料。本发明的特点还在于，步骤1中压电陶瓷粉末或压电陶瓷纤维为zno、batio3、bifeo3、bi4ti3o12、knbo3、nanbo3、na0.5k0.5nbo3和cds中的一种或任意几种以任意比例所得的混合物；可纺导电聚合物a为由质量比为1:6-1:2的导电小分子与可纺聚合物组成的混合物；其中，导电小分子为聚乙炔、聚苯胺、聚苯乙炔、聚吡咯、聚3,4-乙撑二氧噻吩或聚苯撑乙烯，可纺聚合物为聚苯乙烯、聚丙烯腈、甲基丙烯酸甲酯、聚氧化乙烯或聚己内酯；溶剂a为n,n—二甲基甲酰胺、四氢呋喃、三氯甲烷和六氟异丙醇中的一种或任意几种以任意比例所得的混合物。压电陶瓷粉末直径为100-300nm；压电陶瓷纤维直径为30-120nm区间，长径比为3-10。步骤1中阻尼聚合物b为107预聚体、聚氨酯、聚氯乙烯和环氧树脂中的一种，溶剂b为汽油、四氢呋喃、三氯甲烷、甲苯和二氯乙烯中的一种，发泡剂b为碳酸氢钠、碳酸氢铵、n,n二亚硝基五次甲基四胺、偶氮二甲酰胺、二苯磺酰肼醚、对甲苯磺酰肼、明矾和偶氮二异丁脑中的一种或任意几种以任意比例所得的混合物。步骤2中配制的纺丝溶液按质量百分比由以下物质组成：压电陶瓷粉末或纤维为15％～30％，可纺聚合物a为10％～20％，溶剂a为50％～75％，以上组分质量百分比之和为100％；配制的阻尼溶液按质量百分比由以下物质组成：阻尼聚合物b为25％～40％，发泡剂b为5％～20％，溶剂b为40％～70％，以上组分质量百分比之和为100％。步骤3中静电纺丝参数为：纺丝电压为22kv～30kv，接收距离为16cm～22cm，纺丝溶液推进速度为：0.3ml/h～0.6ml/h，纺丝温度在20℃～30℃，湿度在10％～30％。步骤4中卧式搅拌收集，具体为：使用盛有阻尼溶液的卧式搅拌机对静电纺丝纤维进行收集，调节搅拌速度20r/min～120r/min，制备得到静电纺丝纤维与阻尼溶液质量比为1:20-1:10的多孔阻尼复合溶液。步骤5中固化成型，具体为：将制备的阻尼复合溶液注入模具中，在100℃～200℃条件下，加热保温3h～12h固化成型得到多孔阻尼复合材料。步骤6极化处理，具体为：将步骤5得到的多孔阻尼复合材料进行极化处理，极化电压为：1.0-2.0kv/mm，极化温度为：140℃，极化时间为：15min，从而得到多孔压电阻尼复合材料。本发明一种多孔压电阻尼复合材料的制备方法的有益效果是：能够提高阻尼材料的吸声性能，延长其使用寿命，将多孔结构与压电导电结构相结合，二者产生协同作用。一方面多孔结构能够提高阻尼因子，提升其吸声性能；另一方面充分利用原材料将机械能转变为热能的内阻尼特性，并且通过压电材料与导电聚合物有机结合，构成导电通路，可实现将机械能转换为电能，并快速将电能传递消耗的目的，有效解决阻尼材料频繁发热导致老化而降低使用寿命的问题，有效抑制噪声污染，减少振动产生的疲劳、扭曲等，在机械制造、船舶制造、汽车制造、飞机制造及环保降噪等领域具有广阔的应用前景。具体实施下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。本发明提供了一种多孔压电阻尼复合材料的制备方法具体按以下步骤实施：步骤1、准备原材料；准备压电陶瓷粉末或压电陶瓷纤维、可纺导电聚合物a、溶剂a以及阻尼聚合物b、溶剂b、发泡剂b；其中压电陶瓷粉末或压电陶瓷纤维为zno、batio3、bifeo3、bi4ti3o12、knbo3、nanbo3、na0.5k0.5nbo3和cds中的一种或任意几种以任意比例所得的混合物；可纺导电聚合物a为由质量比为1:6-1:2的导电小分子与可纺聚合物组成的混合物；其中，导电小分子为聚乙炔、聚苯胺、聚苯乙炔、聚吡咯、聚3,4-乙撑二氧噻吩或聚苯撑乙烯(ppvs)，可纺聚合物为聚苯乙烯、聚丙烯腈、甲基丙烯酸甲酯、聚氧化乙烯或聚己内酯；溶剂a为n,n—二甲基甲酰胺、四氢呋喃、三氯甲烷和六氟异丙醇中的一种或任意几种以任意比例所得的混合物；其中压电陶瓷粉末直径为100-300nm；压电陶瓷纤维直径为30-120nm区间，长径比为3-10。其中阻尼聚合物b为107预聚体、聚氨酯、聚氯乙烯和环氧树脂中的一种，溶剂b为汽油、四氢呋喃、三氯甲烷、甲苯和二氯乙烯中的一种，发泡剂b为碳酸氢钠、碳酸氢铵、n,n二亚硝基五次甲基四胺、偶氮二甲酰胺、二苯磺酰肼醚、对甲苯磺酰肼、明矾和偶氮二异丁脑中的一种或任意几种以任意比例所得的混合物；步骤2、配制溶液；将可纺导电聚合物a加入到溶剂a中，混合均匀得到聚合物溶液，再将压电陶瓷粉末或压电陶瓷纤维加入到聚合物溶液中，制备得到纺丝溶液；将阻尼聚合物b加入到溶剂b中搅拌均匀，然后加入发泡剂b，制备得到阻尼溶液；其中配制的纺丝溶液按质量百分比由以下物质组成：压电陶瓷粉末或纤维为15％～30％，可纺聚合物a为10％～20％，溶剂a为50％～75％，以上组分质量百分比之和为100％；配制的阻尼溶液按质量百分比由以下物质组成：阻尼聚合物b为25％～40％，发泡剂b为5％～20％，溶剂b为40％～70％，以上组分质量百分比之和为100％；步骤3、静电纺丝；将纺丝溶液置入推进泵中，调整纺丝电压为22kv～30kv，接收距离为16cm～22cm，纺丝溶液推进速度为：0.3ml/h～0.6ml/h，纺丝温度在20℃～30℃，湿度在10％～30％进行静电纺丝；步骤4、卧式搅拌收集；使用盛有阻尼溶液的卧式搅拌机对静电纺丝纤维进行收集，调节搅拌速度20r/min～120r/min，制备得到静电纺丝纤维与阻尼溶液质量比为1:20-1:10的多孔阻尼复合溶液；步骤5、固化成型；将制备的阻尼复合溶液注入模具中，在100℃～200℃条件下，加热保温3h～12h固化成型得到多孔阻尼复合材料；步骤6、极化处理：将多孔阻尼复合材料进行极化处理，极化电压为：1.0-2.0kv/mm，极化温度为：140℃，极化时间为：15min，从而得到多孔压电阻尼复合材料。本发明选择直径在100-300nm区间的压电陶瓷粉末或者直径在30-120nm区间，长径比为3～10压电陶瓷纤维，控制压电陶瓷的直径使得其与导电聚合物的结合界面有效裸露在表面，从而在外界力的作用下有效形变，充分将力转换为电能，减少力转换为热能对阻尼聚合物的影响，并且后续通过导电聚合物将其导通，可以实现电能的快速传递消耗；控制压电陶瓷与导电聚合物的纺丝工艺可以调控复合纤维的直径，有效保证了压电陶瓷裸露在纤维表面；通过控制纺丝环境则有效保证纤维的快速成型，能够在使用盛有阻尼溶液的卧式搅拌机进行收集时固化完成，在搅拌作用下均匀连续的存在于阻尼溶液中，可以完整的形成导电网络回路；最后，在阻尼溶液固化成型时，加热温度促使发泡剂有效分解，进而在阻尼复合材料中形成多孔结构，提高了阻尼因子，增强了吸声性能，同时加热固化使得导电聚合物纤维网络结构与阻尼材料基体有效结合，进而增强了阻尼材料的力学性能，在后续机械振动或噪声载荷作用下阻尼效果更好，耐久性更强，使用寿命更长。本发明通过一种多孔压电阻尼复合材料的制备方法，将多孔结构与压电导电结构相结合，二者产生协同作用。一方面多孔结构能够提高阻尼因子，提升其吸声性能；另一方面充分利用原材料将机械能转变为热能的内阻尼特性，并且通过压电材料与导电聚合物有机结合，构成导电通路，可实现将机械能转换为电能，并快速将电能传递消耗的目的，有效解决阻尼材料频繁发热导致老化而降低使用寿命的问题，能够提高阻尼材料的吸声性能，延长其使用寿命，有效抑制噪声污染，减少振动产生的疲劳、扭曲等，在机械制造、船舶制造、汽车制造、飞机制造及环保降噪等领域具有广阔的应用前景。实施例1首先将0.9g聚乙炔和5.4g聚苯乙烯加入到19.5g溶剂n,n—二甲基甲酰胺中搅拌，完全溶解后加入4.5g直径在100nm的压电陶瓷zno粉末，混合均匀后制备得到纺丝溶液；将阻尼聚合物107预聚体25g加入到70g汽油中搅拌均匀，然后加入5g碳酸氢钠发泡剂，制备得到阻尼溶液；将纺丝溶液置入推进泵中，调整纺丝电压22kv、接收距离16cm、推进速度0.3ml/h，调整纺丝温度为20℃，纺丝湿度10％进行静电纺丝，使用盛有阻尼溶液的卧式搅拌机对静电纺丝纤维进行收集，调节搅拌速度120r/min，制备得到纤维与阻尼溶液质量比为1:10的多孔阻尼复合溶液；将制备的阻尼复合溶液注入模具中，在100℃加热保温12h固化成型得到多孔阻尼复合材料；将多孔阻尼复合材料进行极化处理，极化电压为1.0kv/mm，极化温度为140℃，极化时间为15min，得到多孔压电阻尼复合材料。实施例2首先将1.5g聚苯胺和3.0g聚氧化乙烯加入到16.5g溶剂三氯甲烷中搅拌，完全溶解后加入9.0g直径在30nm、长径比为10的压电陶瓷batio3纤维，混合均匀后制备得到纺丝溶液；将阻尼聚合物聚氨酯30g加入到65g四氢呋喃中搅拌均匀，然后加入5g偶氮二甲酰胺发泡剂，制备得到阻尼溶液；将纺丝溶液置入推进泵中，调整纺丝电压30kv、接收距离22cm、推进速度0.5ml/h，调整纺丝温度为25℃，纺丝湿度20％进行静电纺丝，使用盛有阻尼溶液的卧式搅拌机对静电纺丝纤维进行收集，调节搅拌速度60r/min，制备得到纤维与阻尼溶液质量比为1:20的多孔阻尼复合溶液；将制备的阻尼复合溶液注入模具中，在200℃加热保温8h固化成型得到多孔阻尼复合材料；将多孔阻尼复合材料进行极化处理，极化电压为2.0kv/mm，极化温度为140℃，极化时间为15min，得到多孔压电阻尼复合材料。实施例3首先将0.8g聚吡咯和3.2g甲基丙烯酸甲酯加入到22g溶剂n,n—二甲基甲酰胺中搅拌，完全溶解后加入6.0g直径在120nm、长径比为3的压电陶瓷bifeo3粉末，混合均匀后制备得到纺丝溶液；将阻尼聚合物环氧树脂40g加入到40g甲苯中搅拌均匀，然后加入20g二苯磺酰肼醚发泡剂，制备得到阻尼溶液；将纺丝溶液置入推进泵中，调整纺丝电压26kv、接收距离20cm、推进速度0.6ml/h，调整纺丝温度为30℃，纺丝湿度10％进行静电纺丝，使用盛有阻尼溶液的卧式搅拌机对静电纺丝纤维进行收集，调节搅拌速度20r/min，制备得到纤维与阻尼溶液质量比为1:12的多孔阻尼复合溶液；将制备的阻尼复合溶液注入模具中，在150℃加热保温3h固化成型得到多孔阻尼复合材料；将多孔阻尼复合材料进行极化处理，极化电压为1.5kv/mm，极化温度为140℃，极化时间为15min，得到多孔压电阻尼复合材料。实施例4首先将1.2g聚苯乙炔和6.0g聚己内酯加入到24.8g溶剂n,n—二甲基甲酰胺中搅拌，完全溶解后加入8g直径在300nm的压电陶瓷cds粉末，混合均匀后制备得到纺丝溶液；将阻尼聚合物聚氯乙烯35g加入到55g三氯甲烷中搅拌均匀，然后加入10g对甲苯磺酰肼发泡剂，制备得到阻尼溶液；将纺丝溶液置入推进泵中，调整纺丝电压24kv、接收距离18cm、推进速度0.4ml/h，调整纺丝温度为20℃，纺丝湿度30％进行静电纺丝，使用盛有阻尼溶液的卧式搅拌机对静电纺丝纤维进行收集，调节搅拌速度40r/min，制备得到纤维与阻尼溶液质量比为1:15的多孔阻尼复合溶液；将制备的阻尼复合溶液注入模具中，在110℃加热保温10h固化成型得到多孔阻尼复合材料；将多孔阻尼复合材料进行极化处理，极化电压为1.0kv/mm，极化温度为140℃，极化时间为15min，得到多孔压电阻尼复合材料。实施例5首先将1.6g聚吡咯和6.4g聚苯乙烯加入到22g溶剂n,n—二甲基甲酰胺中搅拌，完全溶解后加入10.0g直径在80nm的压电陶瓷纤维knbo3，混合均匀后制备得到纺丝溶液；将阻尼聚合物环氧树脂30g加入到60g甲苯中搅拌均匀，然后加入10g明矾发泡剂，制备得到阻尼溶液；将纺丝溶液置入推进泵中，调整纺丝电压22kv、接收距离20cm、推进速度0.6ml/h，调整纺丝温度为25℃，纺丝湿度25％进行静电纺丝，使用盛有阻尼溶液的卧式搅拌机对静电纺丝纤维进行收集，调节搅拌速度50r/min，制备得到纤维与阻尼溶液质量比为1:10的多孔阻尼复合溶液；将制备的阻尼复合溶液注入模具中，在140℃加热保温10h固化成型得到多孔阻尼复合材料；将多孔阻尼复合材料进行极化处理，极化电压为1.5kv/mm，极化温度为140℃，极化时间为15min，得到多孔压电阻尼复合材料。表1是实施例1中多孔压电复合阻尼材料、未加压电陶瓷的多孔阻尼材料、未加导电聚合物的多孔阻尼材料的吸声性能对比。从表1中可以看出，未加压电陶瓷的多孔阻尼材料的吸声系数最小，吸声系数主要由基体的阻尼性能及多孔结构决定；而未加导电聚合物的多孔阻尼材料的吸声性能有所提升，这是由于内部存在的压电陶瓷相能够有效将外界力转换为电能，虽然电能无法传递导出，但再经电能转换为热能后大量损耗，因此其吸声系数有所提高；表中多孔压电复合阻尼材料的吸声系数最大，这是由于除基体本身及多孔结构带来的吸声效果外，压电陶瓷能够有效将力转换为电能，而电能又将通过导电聚合物所形成的网络回路有效传递损耗，从而有效避免热能对于复合阻尼材料的影响，使得多孔压电复合阻尼材料的吸声系数最大。表1实施例1中多孔压电复合阻尼材料、未加压电陶瓷的多孔阻尼材料、未加导电聚合物的多孔阻尼材料的吸声性能对比类别吸声系数实施例1中多孔压电复合阻尼材料0.46-0.53未加压电陶瓷的多孔阻尼材料0.32-0.37未加导电聚合物的多孔阻尼材料0.43-0.48本发明的优点：通过静电纺丝将压电陶瓷与导电聚合物结合以制备出压电复合纤维，再将其加入阻尼高聚物中以制备具有“压电-导电通路”的多孔复合阻尼高聚物。此高聚物一方面延续了原有的机械能转变为热能的内阻尼作用，另一方面建立了将机械能转为电能消耗的压电效应损耗，此外还构建了导电通路以快速将电能传递消耗，因此延长了其使用寿命，且具有较好的吸声阻尼性能。当前第1页12