一种铜铝锰合金/聚合物/碳纳米管阻尼材料及制备方法与流程

本发明属于阻尼材料制备技术领域，涉及一种铜铝锰合金/碳纳米管/聚合物阻尼材料及制备方法。

背景技术：

振动和噪声不仅破坏环境和损害人体健康，而且还影响机械的质量，缩短设备的寿命，降低仪表的精度和可靠性。例如，火箭、卫星失效分析结果表明，约三分之二的故障与振动和噪声有关。飞机在长期使用的过程中，由于振动常出现方向舵、机尾罩萌生裂纹，以及空速管断裂、座舱噪音等问题，严重影响其可靠性和使用寿命。飞机上的各种仪器仪表处在振动与噪音环境中，常发生故障。另外，潜艇和舰船存在送分系统噪音大，细菌易于滋生等问题。而对于上述的情况，通过传统的降噪手段，已经很难达到满意的效果。因此减振降噪、改善人机工作环境以及设计和生产振动及噪声小的产品就成为了人们亟待解决的问题。研究表明采用高阻尼材料是减振降噪的最为有效的手段。

目前具有实用前景的阻尼材料主要可以分为两类，一是阻尼合金材料，二是粘弹性的聚合物材料。

阻尼合金减振降噪的机理是通过内部孪晶、层错、位错、晶界等微观组织结构将振动能量通过界面运动转化为热能进行耗散。其优点是机械强度高可作为结构材料、阻尼性能稳定、耐高温、耐腐蚀、阻燃。其缺点表现为阻尼效果过于依赖于合金质量、比重较大。

粘弹性的聚合物材料是由大量单体分子经聚合而成的高分子材料。聚合物(高分子)体系减振降噪的机理是将振动或声波通过分子链或链段间的内摩擦转化为热能而耗散(玻璃化转变温度附近效果最好)。这类材料的优点是密度低、加工方便、性能易于调控、内耗值大。缺点为不耐高温、尺寸稳定性差、强度低。

通常单一材料体系很难满足减振降噪材料对于综合性能日益严苛的要求，复合材料体系能综合各类材料的优点，通过叠加多重机理、形成多重界面、构建多种共振单元等方式实现高性能和多功能的发展需求。例如，采用浸渗法在泡沫铝试件空隙中渗入环氧树脂后，泡沫铝/环氧树脂复合材料的阻尼性能相比单一泡沫铝能提高1倍左右；某科研单位还提出了“声子玻璃”的概念，利用泡沫金属的孔洞和高分子材料结合形成多种共振单元实现宽频吸声，同时多孔骨架还能提高复合材料的力学性能。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种减振降噪效果好、比重小、强度高、耐高温和尺寸稳定性好的铜铝锰合金/聚合物/碳纳米管阻尼材料及制备方法，该阻尼材料能有效叠加多组元阻尼机制，既能有效减小阻尼合金所占比重，又能弥补聚合物阻尼材料强度不够、尺寸稳定性差的缺点，从而提升其阻尼性能。

本发明提供的这种铜铝锰合金/聚合物/碳纳米管阻尼材料，包括多孔铜铝锰记忆合金骨架和热塑性弹性体，所述热塑性弹性体由聚丙烯酸酯橡胶(acm)、聚氯乙烯(pvc)和碳纳米管(cnts)共混得到，热塑性弹性体负载于铜铝锰记忆合金骨架的孔隙内，所述多孔铜铝锰合金骨架的孔径为0.355～1.43μm，孔隙率为70～90％。

优选的，所述聚丙烯酸酯橡胶、聚氯乙烯和碳纳米管的质量百分比为：

(47.5～49)％：(47.5～49)％：(2～5)％。

作为一个总的发明构思，本发明还提供所述铜铝锰合金/聚合物/碳纳米管阻尼材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备多孔铜铝锰合金骨架；

(2)将聚丙烯酸酯橡胶、聚氯乙烯和碳纳米管共混得到热塑性弹性体；

(3)将热塑性弹性体压力渗透至多孔铜铝锰合金骨架的孔隙内，得到所述铜铝锰合金/聚合物/碳纳米管阻尼材料。

优选的，所述步骤(1)中，采用烧结蒸发工艺制备多孔铜铝锰合金骨架，具体步骤如下：

1.1)将cualmn合金进行熔炼，得到cualmn合金熔体；

1.2)利用高纯氩气通过雾化器将步骤1.1)所得cualmn合金熔体雾化成cualmn合金粉末，将cualmn合金粉末进行筛选，得到粒径小于75μm的cualmn合金粉末；

1.3)将方形nacl颗粒进行筛分，得到1～1.43mm和0.355～0.45mm的粒径范围的nacl颗粒，将筛分出的方形nacl颗粒与步骤1.2)所得粒径小于75um的cualmn合金粉末混合均匀，得到混合粉末；

1.4)真空热压烧结：将步骤1.3)所得混合粉末装入热压机的石墨模具中，抽真空，然后升温至设定温度进行真空热压烧结，控制热压压强，得到cualmn合金与nacl颗粒的复合初坯；

1.5)高温烧结及蒸发脱盐：在真空热压机中，将压力完全卸载，并继续升温至预定温度进行烧结，将nacl完全蒸发去除，得到多孔cualmn记忆合金骨架。

进一步，所述步骤1.1)中，cualmn合金中的组分cu、al、mn的质量百分比为85.6wt％：11.9wt％：2.5wt％，以得到相变点合适的记忆合金骨架。

进一步，所述步骤1.2)中，将cualmn合金熔体过热到1350～1370℃，浇入雾化装置中，用大于3mpa的高纯氩气通过雾化器进行雾化。

进一步，所述步骤1.3)中，筛分出的方形nacl颗粒的粒径范围为1～1.43mm和/或0.355～0.45mm。

进一步，所述步骤1.4)中，抽真空至10^-2～10^-3pa，然后升温至730～750℃，真空热压烧结时间为2～4h，控制热压压强为28～30mpa。

进一步，所述步骤1.5)中，并继续升温至930～950℃，保温6～24h。

优选的，所述步骤(2)中，将聚丙烯酸酯橡胶、聚氯乙烯和碳纳米管于55～65℃恒温下连续搅拌使其混合均匀，得到热塑性弹性体。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果为：

(1)本发明所述铜铝锰合金/聚合物/碳纳米管阻尼材料，采用抗马氏体稳定化能力强、孔隙相互连通的多孔cualmn形状记忆合金作为骨架，将acm/pvc聚合物和cnts生成的热塑性弹性体渗入到连通孔中，得到的复合材料既能有效减小阻尼合金所占比重，又能弥补聚合物阻尼材料强度不够、尺寸稳定性差的缺点；采用的多孔cualmn形状记忆合金骨架不仅孔结构参数可以精确控制，还具有抗压强度高、吸能大、耐高温和尺寸稳定性好的优点。

(2)本发明所述铜铝锰合金/聚合物/碳纳米管阻尼材料，热塑性弹性体由聚丙烯酸酯橡胶(acm)、聚氯乙烯(pvc)和碳纳米管(cnts)共混得到，聚丙烯酸酯橡胶拥有较为良好的阻尼性能，共混改性研究表明，聚氯乙烯能够很好的与聚丙烯酸酯橡胶共混，研究表明acm/pvc多组共混聚合物有良好的阻尼性能；在热塑性弹性体中添加cnts，cnts加入高聚物会使材料在宽频率、宽温域范围内具有较高的阻尼性能，当碳纳米管含量为2％时，材料结构阻尼可提高200％，硬度提高30％，这是因为碳纳米管的比表面积非常大，与高聚物之间的界面摩擦很大，能吸收很大的能量，所以阻尼性能好。

(3)本发明所述铜铝锰合金/聚合物/碳纳米管阻尼材料的制备方法，通过调控工艺参数，调整cualmn形状记忆合金骨架的孔隙率、孔径大小、孔隙形状以及通孔率，本发明制备方法简单，成本低廉，对设备要求不高，能够适用于大规模生产。

附图说明

图1为本发明所述铜铝锰合金/聚合物/碳纳米管阻尼材料的结构示意图。

图2为实施例1中多孔铜铝锰记忆合金骨架的外观图，其中(a)为横截面，(b)为纵截面。

图3为实施例1中多孔铜铝锰记忆合金骨架的金相图，其中(a)为横截面，(b)为纵截面。

图4为实施例1中多孔铜铝锰记忆合金经120℃长时间(最长达到168h)时效后相变点的变化曲线图。

图5为实施例2所得铜铝锰合金/聚合物/碳纳米管阻尼材料的截面图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本发明实施例一种铜铝锰合金/聚合物/碳纳米管阻尼材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备多孔铜铝锰合金骨架；

1.1)将cu-11.9al-2.5mn(wt％)合金进行熔炼，得到cualmn合金熔体；

1.2)利用高纯氩气通过雾化器将cualmn合金熔体雾化成cualmn合金粉末，将cualmn合金粉末进行筛选，得到粒径小于75μm的cualmn合金粉末；

1.3)将方形nacl颗粒进行筛分，得到1～1.43mm粒径范围的nacl颗粒，按80％理论孔隙率的质量配比均匀混合，将cualmn合金粉末、方形nacl颗粒按质量比为0.868：1混合均匀，得到混合粉末；

1.4)真空热压烧结：将混合粉末装入热压机的石墨模具中，抽真空至10^-2～10^-3pa，然后升温至740℃真空热压3h，热压压强为30mpa；

1.5)高温烧结及蒸发脱盐：在真空热压机中，将压力完全卸载，并继续升温至940℃，保温6h，将nacl完全蒸发去除，得到多孔cualmn记忆合金骨架，横截面的直径ф为25mm，多孔cualmn记忆合金骨架孔结构数据如表1所示；

图2为实施例1中多孔铜铝锰记忆合金骨架的外观图，其中(a)为横截面，(b)为纵截面；图3为实施例1中多孔铜铝锰记忆合金骨架的金相图，其中(a)为横截面，(b)为纵截面。

(2)将acm、pvc和cnts按质量比为49：49：2共混，于60℃恒温下连续搅拌使其充分溶解，得到热塑性弹性体；

(3)将热塑性弹性体压力渗透至多孔铜铝锰合金骨架的孔隙内，得到铜铝锰合金/聚合物/碳纳米管阻尼材料，结构示意图如图1所示，其性能数据对比如表2所示。

表1实施例1中多孔cualmn记忆合金骨架孔结构数据

表2多孔cualmn记忆合金骨架与阻尼材料的性能数据对比

图4为实施例1中多孔cualmn记忆合金经120℃长时间(最长达到168h)时效后相变点的变化曲线图，从图4可以看出，各相变点均没有出现明显的变化，这说明该多孔cualmn记忆合金在应用温度范围内(-10℃～100℃)抗马氏体稳定化能力很强，阻尼性能稳定；且acm与pvc共混聚合物的固化温度也在相变温度以下，这样就保证了在后续聚合物渗入记忆合金孔隙后的固化过程中，多孔合金骨架不会发生马氏体转变，从而保证了工艺的合理可行性。

实施例2

本发明实施例一种铜铝锰合金/聚合物/碳纳米管阻尼材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备多孔铜铝锰合金骨架；

1.1)将cu-11.9al-2.5mn(wt％)合金进行熔炼，得到cualmn合金熔体；

1.2)利用高纯氩气通过雾化器将cualmn合金熔体雾化成cualmn合金粉末，将cualmn合金粉末进行筛选，得到粒径小于75μm的cualmn合金粉末；

1.3)将方形nacl颗粒进行筛分，得到1～1.43mm和0.355～0.45mm粒径范围的nacl颗粒，按80％理论孔隙率的质量配比均匀混合，将筛选后的cualmn合金粉末、大粒径nacl和小粒径nacl按质量比为1.858：1.14：1混料，先让cualmn合金粉与粒径范围为1～1.43mm的大方形nacl混合，加入适量酒精充分混匀，让大方形nacl颗粒表面包裹着合金粉，再加入粒径范围为0.355～0.45mm的小方形nacl充分混合，让其均匀填充在包裹着合金粉的大颗粒nacl之间；

1.4)真空热压烧结：将混合粉末装入热压机的石墨模具中，抽真空至10^-2～10^-3pa，然后升温至750℃真空热压2h，热压压强为30mpa；

1.5)高温烧结及蒸发脱盐：在真空热压机中，将压力完全卸载，并继续升温至950℃，保温6h，将nacl完全蒸发去除，得到多孔cualmn记忆合金骨架，横截面的直径ф为25mm，多孔cualmn记忆合金骨架孔结构数据如表3所示；

(2)将acm、pvc和cnts按质量比为49：49：2共混，于65℃恒温下连续搅拌使其充分溶解，得到热塑性弹性体；

(3)将热塑性弹性体压力渗透至多孔铜铝锰合金骨架的孔隙内，得到铜铝锰合金/聚合物/碳纳米管阻尼材料，其性能数据对比如表4所示。

表3实施例2中多孔cualmn记忆合金骨架孔结构数据

表4多孔cualmn记忆合金骨架与阻尼材料的性能数据对比

实施例3

本发明实施例一种铜铝锰合金/聚合物/碳纳米管阻尼材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备多孔铜铝锰合金骨架；

1.1)将cu-11.9al-2.5mn(wt％)合金进行熔炼，得到cualmn合金熔体；

1.2)利用高纯氩气通过雾化器将cualmn合金熔体雾化成cualmn合金粉末，将cualmn合金粉末进行筛选，得到粒径小于75μm的cualmn合金粉末；

1.3)将方形nacl颗粒进行筛分，得到1～1.43mm粒径范围的nacl颗粒，按90％理论孔隙率的质量配比均匀混合，将筛选后的cualmn合金粉末、nacl颗粒按质量比为0.386：1混料；

1.4)真空热压烧结：将混合粉末装入热压机的石墨模具中，抽真空至10^-2～10^-3pa，然后升温至740℃真空热压3h，热压压强为30mpa；

1.5)高温烧结及蒸发脱盐：在真空热压机中，将压力完全卸载，并继续升温至940℃，保温6h，将nacl完全蒸发去除，得到多孔cualmn记忆合金骨架，横截面的直径ф为25mm，多孔cualmn记忆合金骨架孔结构数据如表5所示；

(2)将acm、pvc和cnts按质量比为49：49：2共混，于60℃恒温下连续搅拌使其充分溶解，得到热塑性弹性体；

(3)将热塑性弹性体压力渗透至多孔铜铝锰合金骨架的孔隙内，得到铜铝锰合金/聚合物/碳纳米管阻尼材料，其性能数据对比如表6所示，图5实施例2所得铜铝锰合金/聚合物/碳纳米管阻尼材料的截面图。

表5实施例3中多孔cualmn记忆合金骨架孔结构数据

表6多孔cualmn记忆合金骨架与阻尼材料的性能数据对比

实施例4

本发明实施例一种铜铝锰合金/聚合物/碳纳米管阻尼材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备多孔铜铝锰合金骨架；

1.1)将cu-11.9al-2.5mn(wt％)合金进行熔炼，得到cualmn合金熔体；

1.2)利用高纯氩气通过雾化器将cualmn合金熔体雾化成cualmn合金粉末，将cualmn合金粉末进行筛选，得到粒径小于75μm的cualmn合金粉末；

1.3)将方形nacl颗粒进行筛分，得到1～1.43mm粒径范围的nacl颗粒，按70％理论孔隙率的质量配比均匀混合，将筛选后的cualmn合金粉末、nacl颗粒按质量比为1.488：1混料；

1.4)真空热压烧结：将混合粉末装入热压机的石墨模具中，抽真空至10^-2～10^-3pa，然后升温至740℃真空热压3h，热压压强为30mpa；

1.5)高温烧结及蒸发脱盐：在真空热压机中，将压力完全卸载，并继续升温至940℃，保温6h，将nacl完全蒸发去除，得到多孔cualmn记忆合金骨架，横截面的直径ф为25mm，多孔cualmn记忆合金骨架孔结构数据如表7所示；

(2)将acm、pvc和cnts按质量比为49：49：2共混，于60℃恒温下连续搅拌使其充分溶解，得到热塑性弹性体；

(3)将热塑性弹性体压力渗透至多孔铜铝锰合金骨架的孔隙内，得到铜铝锰合金/聚合物/碳纳米管阻尼材料，其性能数据对比如表8所示。

表7实施例4中多孔cualmn记忆合金骨架孔结构数据

表8多孔cualmn记忆合金骨架与阻尼材料的性能数据对比

实施例5

本发明实施例一种铜铝锰合金/聚合物/碳纳米管阻尼材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备多孔铜铝锰合金骨架；

1.1)将cu-11.9al-2.5mn(wt％)合金进行熔炼，得到cualmn合金熔体；

1.2)利用高纯氩气通过雾化器将cualmn合金熔体雾化成cualmn合金粉末，将cualmn合金粉末进行筛选，得到粒径小于75μm的cualmn合金粉末；

1.3)将方形nacl颗粒进行筛分，得到1～1.43mm粒径范围的nacl颗粒，按80％理论孔隙率的质量配比均匀混合，将筛选后的cualmn合金粉末、nacl颗粒按质量比为0.868：1混料；

1.4)真空热压烧结：将混合粉末装入热压机的石墨模具中，抽真空至10^-2～10^-3pa，然后升温至740℃真空热压3h，热压压强为30mpa；

1.5)高温烧结及蒸发脱盐：在真空热压机中，将压力完全卸载，并继续升温至940℃，保温6h，将nacl完全蒸发去除，得到多孔cualmn记忆合金骨架，横截面的直径ф为25mm，多孔cualmn记忆合金骨架孔结构数据如表9所示；

(2)将acm、pvc和cnts按质量比为47.5：47.5：5共混，于60℃恒温下连续搅拌使其充分溶解，得到热塑性弹性体；

(3)将热塑性弹性体压力渗透至多孔铜铝锰合金骨架的孔隙内，得到铜铝锰合金/聚合物/碳纳米管阻尼材料，其性能数据对比如表10所示。

表9实施例5中多孔cualmn记忆合金骨架孔结构数据

表10多孔cualmn记忆合金骨架与阻尼材料的性能数据对比

实施例6

本发明实施例一种铜铝锰合金/聚合物/碳纳米管阻尼材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备多孔铜铝锰合金骨架；

1.1)将cu-11.9al-2.5mn(wt％)合金进行熔炼，得到cualmn合金熔体；

1.2)利用高纯氩气通过雾化器将cualmn合金熔体雾化成cualmn合金粉末，将cualmn合金粉末进行筛选，得到粒径小于75μm的cualmn合金粉末；

1.3)将方形nacl颗粒进行筛分，得到0.355～0.45mm粒径范围的nacl颗粒，按80％理论孔隙率的质量配比均匀混合，将筛选后的cualmn合金粉末、nacl颗粒按质量比为0.868：1混料；

1.4)真空热压烧结：将混合粉末装入热压机的石墨模具中，抽真空至10^-2～10^-3pa，然后升温至740℃真空热压3h，热压压强为30mpa；

1.5)高温烧结及蒸发脱盐：在真空热压机中，将压力完全卸载，并继续升温至940℃，保温6h，将nacl完全蒸发去除，得到多孔cualmn记忆合金骨架，横截面的直径ф为25mm，多孔cualmn记忆合金骨架孔结构数据如表11所示；

(2)将acm、pvc和cnts按质量比为49：49：2共混，于60℃恒温下连续搅拌使其充分溶解，得到热塑性弹性体；

(3)将热塑性弹性体压力渗透至多孔铜铝锰合金骨架的孔隙内，得到铜铝锰合金/聚合物/碳纳米管阻尼材料，其性能数据对比如表12所示。

表11实施例6中多孔cualmn记忆合金骨架孔结构数据

表12多孔cualmn记忆合金骨架与阻尼材料的性能数据对比