銅粉／阻尼硅橡膠復合材料動態特性研究

　　摘 要：通過機械共混法制備了銅粉/SE2155阻尼硅橡膠復合材料，并利用 RPA2000分析了復合材料在不同溫度、頻率、應變下的動態性能。結果表明，當銅粉用量低于20份時，對銅粉/SE2155復合材料的力學性能影響較小;當銅粉用量為2份時，復合材料的模量提高，阻尼性降低，拉伸強度達到8.71MPa，但工藝性能不如SE2155硅橡膠;當銅粉用量為5～20份時，復合材料的模量和阻尼性能均低于SE2155硅橡膠，模量和阻尼性能隨溫度、頻率的變化趨勢與SE2155阻尼硅橡膠近似。只有在7%以內的應變下，復合材料的模量隨著應變的增大而增大，與SE2155阻尼硅橡膠的趨勢相反。

　　關鍵詞：阻尼;硅橡膠;銅粉;模量

　　涂春潮; 石偉; 胡鵬飛; 呂磊; 余貝貝 特種橡膠制品 2021-12-06

　　硅橡膠是以Si-O 單元為主鏈、有機基團為側鏈的線性聚合物，是典型的半無機有機聚合物，既有無機高分子的耐熱性，又具有有機高分子的柔順性;硅橡膠材料具有優異的耐高低溫性能、卓越的耐候性能，可以在-100℃～250℃范圍內長期使用，并且在-60℃～200℃范圍內性能非常穩定[1-3]。通過在硅橡膠側鏈中引入大體積分子基團，可以賦予硅橡膠良好的阻尼性能，如利用苯基基團等大體積分子基團使分子內旋轉阻力增大，分子鏈間以及分子鏈-填料間的相互作用力也因苯環共軛π鍵間的相互作用而加大，賦予硅橡膠良好的阻尼性能[4]。因此，阻尼硅橡膠是一類重要的、適合在寬溫域范圍內使用的功能材料，在航空航天、兵器、船舶以及其他工業裝備的阻尼減振領域有著廣闊的應用前景。橡膠減振墊是利用橡膠型粘彈性阻尼材料制成的具有一定幾何形狀的組件，用以隔離關鍵結構件或電子設備，獲得減振和隔振效果[5]，是阻尼減振領域的常用手段。在振動環境下，尤其是大量級振動環境下，橡膠減振墊與安裝基體之間的摩擦導致的橡膠磨損、斷裂是橡膠減振墊的主要破壞形式。阻尼硅橡膠的摩擦系數較大，力學強度較低，嚴重影響了阻尼硅橡膠減振墊的應用。利用銅粉、石墨、炭黑、二硫化鉬以及層狀硅酸鹽等填料改善橡膠硫化性能、力學性能及摩擦磨損性能的研究有很多[6-10]。但目前利用銅粉填充阻尼硅橡膠的性能，尤其是銅粉對阻尼硅橡膠 動 態 性 能 的 研 究 鮮 有 報 道。 本 文 利 用RPA2000對銅粉/阻尼硅橡膠的力學性能及動態性能進行了研究，以期對研制耐磨損阻尼硅橡膠提供實驗支撐。

　　1 實驗部分

　　1.1 主要原材料

　　SE2155阻尼硅橡膠(以下簡稱 SE2155)，北京航空材料研究院;銅粉，粒徑0.05mm，重慶華浩冶煉有限公司;雙叔丁基過氧化異丙基苯(BI-PB)和其他材料均為橡膠工業市售品。

　　1.2 基本配方

　　SE2155，100(質量份，下同);銅粉，變量(0，2，5，10，15，20);BIPB，0.6。

　　1.3 主要儀器與設備

　　Φ160mm×320mm 型開煉機，廣東湛江機械廠;TYC-V-7-2-S-PCD 型 平 板 硫 化 機，東 毓 (寧波)油壓工業有限公司;T2000E 型電子拉力機，北京友深電子儀器有限公司;LX-A 型橡膠硬度計，上海市輕工業局標準計量管理所試驗工廠;RPA2000，美國 Alpha公司。

　　1.4 試樣制備

　　在開煉機上將 SE2155塑煉，依次加入銅粉和 BIPB，混煉均勻，下片，待用，停放12h。使用平板硫化機硫化試樣，硫化條件為(170±3)℃× 10MPa×t90。

　　1.5 分析與測試1.5.1 RPA2000分析

　　本實驗 RPA2000分析程序包含：(1)升溫至100℃進行小應變的頻率掃描(100℃，7% 應變，0.5～30Hz);(2)升溫至170℃進行硫化(170℃× 30min);(3)降溫至 120℃ 進行溫度 掃 描 (7% 應變，10Hz，120℃ 降 溫 至 40℃);(4)應 變 掃 描(40℃，10Hz，1% ～20%);(5)頻 率 掃 描 (40℃，7%應變，0.5～30Hz)。

　　1.5.2 力學性能

　　拉伸性能按 GB/T528-2009測試;ShoreA硬度按 GB/T531.1-2008測試。

　　2 結果與討論2.1 力學性能

　　不同用量的銅粉對銅粉/SE2155復合材料力學性能的影響見表1?！谋?可以看出，當銅粉用量低于10份時，復合材料的拉伸強度呈先增大后降低的趨勢;當銅粉用量低于20份時，ShoreA 硬度基本保持不變，拉斷伸長率及撕裂強度隨著銅粉用量的增加而逐漸降低。從表1還可以看出，當銅粉用量低于2 份時，銅粉/SE2155 的拉伸強度有所增加。分析原因可能是，銅粉粒徑較小，在 SE2155中的分散較好，有可能是以“獨立相”均勻分散其中，并不影響SE2155中原有炭黑的補強體系，因此加入銅粉不影響拉伸強度及硬度，但銅粉本身與硅橡膠的結合強度不高，使銅粉/SE2155阻礙裂紋拓展的能力降低，因此撕裂強度逐漸下降。銅粉在SE2155中的分散形態有待進一步驗證。

　　2.2 動態性能

　　利用 RPA2000分析程序對不同用量銅粉填充SE2155混 煉 膠 和 硫 化 膠 進 行 動 態 力 學 性 能研究。

　　2.2.1 混煉膠的頻率掃描

　　混煉膠的頻率掃描曲線見圖1和圖2。混煉膠的模量分為粘性模量(G″)和彈性模量(G′)，一般情況下G″和G′隨著頻率增加、溫度降低而逐漸增大。由圖1，2可以看出，在1～30Hz范圍內，混煉膠的G″和G′隨著掃描頻率的增加而逐漸增大;隨著銅粉用量的增加，混煉膠的模量逐漸增大，這是銅粉本身模量的體現。混煉膠中填料的分散越好，且與橡膠結合量越多，相應的tanδ越大，因此tanδ表征混煉膠填料分散的優劣[11]。圖3為混煉膠的tanδ隨頻率的變化曲線。由圖3可以看出，SE2155添加銅粉后，損耗性能降低，但力學性能變化不大，原因可能是填料膠體分散性降低以及由于銅粉的潤滑特性造成混煉膠阻尼性降低的綜合體現。

　　2.2.2 混煉膠的硫化特性

　　ML 反映材料的加工性能，ML 越小則加工性能越好;MH 與膠料的力學性能相關，越大說明力學性能越好。表2為銅粉/SE2155的硫化特性。 由 表 2 可 以 看 出，銅 粉 可 以 改 善 銅 粉/SE2155的力學性能，但隨著銅粉用量的增加，銅粉/SE2155的加工性能逐漸變差，少量銅粉可以縮短硫化時間，但當用量超過5份之后，混煉膠的硫化時間變化不大。

　　2.2.3 硫化膠的溫度掃描

　　利用 RPA2000 對不 同 用 量 的 銅 粉/SE2155阻尼硅橡膠的硫化膠進行溫度掃描，考察膠料性能隨溫度的變化，見圖4和圖5。橡膠彈性模量隨溫度的變化是由于隨著溫度的升高，分子熱運動越來越劇烈，克服橡膠大分子間作用力的能力越來越強，導致彈性模量呈下降趨勢[12]。如圖4所示，在40℃～120℃范圍內，銅粉/SE2155的彈性模量隨溫度升高而下降。加入少量的銅粉可以提高 SE2155的彈性模量，但隨著銅粉用量的增加，銅粉/SE2155的模量將低于SE2155的模量，并隨著銅粉用量的增加而逐漸增大。分析其原因，加入少量的銅粉呈“獨立相”均勻分散于硅橡膠基體之中，并與部分橡膠分子形成“包埋膠”，且呈剛性特性，因此當銅粉用量為2份時，銅粉/SE2155模量高于 SE2155;用量超過2份后，銅粉逐漸向聚集 態 發 展，破 壞 了 橡 膠 模量，因此用量為5份的銅粉/SE2155的模量低于SE2155，但隨 著 銅 粉 用 量 的 增 加，銅 粉/SE2155的模量逐漸增加。

　　如圖 5 所 示，tanδ 隨 著 溫 度 的 升 高 逐 漸 降低，說明銅粉/SE2155的阻尼性能隨溫度的升高逐漸降低，與 SE2155 本身的規律相同。這主要是因為隨著溫度的升高，分子熱運動越來越劇烈，高分子鏈段運動的內摩擦阻力越來越小，由硫化膠所損耗的能量逐漸降低。另外，加入銅粉降低了SE2155的損耗性能，這是由于銅粉潤滑特性降低了橡膠的內摩擦阻尼，導致銅粉/SE2155的阻尼性能下降。

　　2.2.4 硫化膠的頻率掃描

　　對于橡膠材料，增加頻率相當于降低溫度。如圖6，7所示，銅粉/SE2155的彈性模量和tanδ 隨著頻率的增加而逐漸增大;加入少量銅粉可以提高SE2155的彈性模量，但超過2份后，銅粉/SE2155的模量低于 SE2155本身的模量，且隨著銅粉用量的增加而增大，其原因與溫度掃描的變化是相同的。

　　2.2.5 硫化膠的應變掃描

　　共混膠的應變掃描曲線見圖8，9。改變應變幅度，可以測定橡膠動態性能隨剪切速率的變化，并得到材料的非線性粘彈性方面的流變學數據。硫化膠的彈性模量響應曲線與定伸應力和拉伸強度相關，彈性模量越大定伸應力越大;應變掃描的tanδ與生熱 相 關，即 與 硫 化 膠 的 耗 能 (阻 尼)相關，tanδ越大則阻尼越大。填充橡膠的彈性模量隨應變的增大而急劇降低的現象稱為 Payne效應[13]，如圖8所示，少量銅粉填充SE2155阻尼硅橡膠符合這一規律。銅粉/SE2155的模量隨著銅粉用量的增加，先增大再減小后又逐步增大。表明銅粉/SE2155中填料網絡化程度隨銅粉用量的增加呈先減小后增大趨勢，說明少量的銅粉可以抑制橡膠中填料聚集。但隨著銅粉用量的進一步增加，膠料中填料有效體積增大，使銅粉/SE2155的彈性模量增加。

　　在7%應變范圍內，填充少量銅粉與未填充的SE2155彈性模量，隨著應變的增大逐漸降低;當銅粉用量超過2份后，銅粉/SE2155彈性模量隨 著 應 變 的 增 大 而 升 高。 這 可 能 是 銅 粉 在SE2155中的分散狀態引起的，有待進一步考察。銅粉填充 SE2155阻尼硅橡膠后，顯著降低了阻尼硅橡膠的阻尼特性，這是銅粉本身潤滑特性降低了阻尼硅橡膠的內摩擦造成的。

　　3 結論

　　(1)通過機械共混法在 SE2155阻尼硅橡膠中填充銅粉。當銅粉填充用量小于20份時，對銅粉/SE2155的力學性能影響不大，在較小的用量下，可以略微提高SE2155的拉伸強度，但會降低SE2155本身的工藝性能，且隨著銅粉用量的增加而加劇。

　　(2)銅粉/SE2155阻尼硅橡膠的模量和阻尼性能隨溫度、頻率的變化規律與 SE2155阻尼硅橡膠相似。在應變掃描過程中，應變超過7%以后，銅粉/SE2155阻尼硅橡膠的模量和阻尼特性隨應變增大的變化規律與 SE2155阻尼硅橡膠相似。但在小應變(7%以內)振動過程中，銅粉用量超過2份后，銅粉/SE2155阻尼硅橡膠復合材料的模量隨應變增加而升高。

　　(3)當銅粉用量為2份時，可以提高 SE2155的拉伸強度和模量，但降低了 SE2155的損耗性能。銅粉填充用量2份應是一閾值，后續研究應針對該現象進行深入研究。