石墨填充阻尼硅橡胶材料的动态力学性能研究

涂春潮，郭瑞毅，余贝贝，王大东，胡鹏飞，任玉柱

（1.北京航空材料研究院，北京 100095；2.北京航空材料研究院股份有限公司，北京 100095）

硅橡胶是线形高聚合度的聚有机硅氧烷弹性体[1]。硅橡胶的性能主要由分子结构决定，一般在－60～200 ℃范围内保持稳定。在硅橡胶侧链中引入大体积基团如苯基基团等可以赋予硅橡胶良好的阻尼性能[2]。阻尼硅橡胶是一类重要的、适合在宽温域范围内使用的功能材料，在航空航天、兵器、船舶以及工业装备的阻尼减振领域有着广阔的应用前景。

利用橡胶型弹性体阻尼材料制成的具有一定几何形状的橡胶减振垫，用以对关键结构件和电子设备等进行减振和隔振，这是阻尼减振领域的常用手段[3]。在振动尤其是大量级振动环境下，橡胶减振垫与安装基体之间的摩擦导致的橡胶磨损是橡胶减振垫的主要破坏形式。阻尼硅橡胶减振垫在特种装备领域广泛应用，但由于阻尼硅橡胶材料的摩擦因数较大、力学强度较低，大幅缩短了阻尼硅橡胶减振垫的使用寿命[4-8]。

石墨具有独特的化学特性和自润滑性，在橡胶材料（如氟橡胶材料和丁腈橡胶材料）中填充石墨可以有效地改善其摩擦磨损性能[9-12]，其应用集中在密封尤其是动密封领域。目前，对减振领域内橡胶材料的减摩研究极少有报道，本工作利用石墨填充阻尼硅橡胶材料，对石墨/阻尼硅橡胶复合材料的物理和动态力学性能进行研究，以期对耐磨损阻尼硅橡胶材料研制提供技术支撑。

1 实验

1.1 原材料

SE2155阻尼硅橡胶（含白炭黑的混炼胶），北京航空材料研究院产品；石墨，上海华谊集团华原化工有限公司产品；过氧化物BIPB，市售品。

1.2 配方

SE2155阻尼硅橡胶（以净硅橡胶计） 100，石墨 变量，过氧化物BIPB 0.6。

1#—6#配方的石墨用量分别为0，2，5，10，15和20份。

1.3 主要设备和仪器

XK160型（Φ160 mm×320 mm）开炼机，广东湛江机械制造有限公司产品；TYC-V-7-3RT-2-S-PCD型平板硫化机，东毓（宁波）油压工业有限公司产品；LX-A型橡胶硬度计，上海市轻工业局标准计量管理所试验工厂产品；T2000E型电子拉力机，北京友深电子仪器有限公司产品；RPA2000橡胶加工分析仪，美国阿尔法科技有限公司产品。

1.4 试样制备

在开炼机上将SE2155阻尼硅橡胶塑炼后依次加入石墨和过氧化物BIPB，胶料混炼至均匀，下片待用。

混炼胶在平板硫化机上硫化，硫化条件为170℃×t90。

1.5 性能测试

1.5.1 硫化特性

混炼胶的硫化特性按照GB/T 16584—1996《橡胶 用无转子硫化仪测定硫化特性》进行测试。

1.5.2 物理性能

硫化胶的邵尔A型硬度按照GB/T 531.1—2008《硫化橡胶或热塑性橡胶 压入硬度试验方法第1部分：邵氏硬度计法（邵尔硬度）》进行测试；硫化胶的拉伸性能按照GB/T 528—2009《硫化橡胶或热塑性橡胶 拉伸应力应变性能的测定》进行测试；硫化胶的撕裂强度按照GB/T 529—2008《硫化橡胶或热塑性橡胶撕裂强度的测定（裤形、直角形和新月形试样）》进行测试。

1.5.3 动态力学性能

胶料的动态力学性能采用RPA2000橡胶加工分析仪进行测试[13]：

（1）混炼胶的频率扫描测试条件为温度 100℃，应变 7%，频率 0.5～30 Hz；

（2）硫化胶的温度扫描测试条件为应变 7%，频率 10 Hz，温度 40～120 ℃；

（3）硫化胶的频率扫描测试条件为温度 40℃，应变 7%，频率 0.5～30 Hz；

（4）硫化胶的应变扫描测试条件为温度 40℃，频率 10 Hz，应变 1%～20%。

2 结果与讨论

2.1 硫化特性

石墨/SE2155阻尼硅橡胶混炼胶的硫化特性（170 ℃）如表1所示。

表1 石墨/SE2155阻尼硅橡胶混炼胶的硫化特性Tab.1 Vulcanization characteristics of graphite/SE2155 damping silicone rubber compounds

从表1可以看出，随着石墨用量的增大，石墨/SE2155阻尼硅橡胶混炼胶的FL和Fmax呈增大趋势，t10和t90呈缩短趋势，说明石墨可以改善SE2155阻尼硅橡胶材料的物理性能，缩短SE2155阻尼硅橡胶材料的硫化时间，但混炼胶的加工性能随着石墨用量的增大呈变差趋势。

2.2 物理性能

石墨/SE2155阻尼硅橡胶硫化胶的物理性能如表2所示。

表2 石墨/SE2155阻尼硅橡胶硫化胶的物理性能Tab.2 Physical properties of graphite/SE2155 damping silicone rubber vulanizates

从表2可以看出，随着石墨用量的增大，石墨/SE2155阻尼硅橡胶硫化胶的邵尔A型硬度逐渐增大，拉伸强度先增大后减小，拉断伸长率和撕裂强度呈减小趋势。综合来看，石墨用量为5份时，石墨/SE2155阻尼硅橡胶硫化胶的物理性能较优。

2.3 动态力学性能

2.3.1 混炼胶的频率扫描

石墨/SE2155阻尼硅橡胶混炼胶的储能模量（G′）和剪切模量（G″）随频率变化的曲线分别如图1和2所示。

从图1和2可以看出，石墨/SE2155阻尼硅橡胶混炼胶的G′和G″均随着扫描频率的增大而逐渐增大，且随着石墨用量的增大，G′和G″逐渐增大。

石墨/SE2155阻尼硅橡胶混炼胶的损耗因子（tanδ）随频率变化的曲线如图3所示。

混炼胶中填料的分散性越好且与橡胶结合量越多，相应的tanδ越大，因此tanδ能表征混炼胶填料分散性的优劣[14]。从图3可以看出，石墨/SE2155阻尼硅橡胶混炼胶的tanδ随着频率的增大而减小，说明石墨的加入破坏了白炭黑在SE2155阻尼硅橡胶中原有的聚集网络状态，造成填料在胶料中的分散性降低。不同用量的石墨加入SE2155阻尼硅橡胶材料后，不同频率下混炼胶的损耗性能无明显区别，说明石墨极易分散于阻尼硅橡胶材料中。

2.3.2 硫化胶的温度扫描

石墨/SE2155阻尼硅橡胶硫化胶的G′和tanδ随温度变化的曲线分别如图4和5所示。

从图4可以看出，在40～120 ℃范围内，石墨/SE2155阻尼硅橡胶硫化胶的G′随着温度的升高而减小，这是由于随着温度的升高，橡胶分子热运动越来越剧烈，硫化胶克服橡胶大分子间作用力的能力越来越强，导致其G′呈下降趋势[15]。随着石墨用量的增大，石墨/SE2155阻尼硅橡胶硫化胶的G′逐渐增大，这是由于石墨与SE2155阻尼硅橡胶中原有白炭黑起到了协同补强作用的缘故。

从图5可以看出，石墨/SE2155阻尼硅橡胶硫化胶的tanδ随着温度升高而逐渐减小，石墨加入基本不影响SE2155阻尼硅橡胶材料的阻尼性能随温度变化的趋势。石墨用量为2～15份时，由于石墨本身的润滑特性导致SE2155阻尼硅橡胶材料的阻尼性能降低；石墨用量达到20份后，常温段（40～60 ℃）时石墨/SE2155阻尼硅橡胶硫化胶的阻尼性能低于SE2155阻尼硅橡胶硫化胶，而高温段（80～120 ℃）时则高于SE2155阻尼硅橡胶硫化胶。这是由于在低温段，石墨的润滑特性降低，SE2155阻尼硅橡胶对硫化胶的阻尼起主导作用；而在高温段，石墨之间的摩擦增加，石墨对硫化胶的阻尼起主导作用。

2.3.3 硫化胶的频率扫描

石墨/SE2155阻尼硅橡胶硫化胶的G′和tanδ随频率变化的曲线分别如图6和7所示。

对于橡胶材料来说，增大频率相当于降低温度。从图6和7可以看出，石墨/SE2155阻尼硅橡胶硫化胶的G′和tanδ随着频率的增大而逐渐增大。随着石墨用量的增大，石墨/SE2155阻尼硅橡胶硫化胶的G′呈现先增大后减小的趋势，阻尼性能呈现先降低后升高的趋势。这是由于石墨不仅有补强作用，而且可提高SE2155阻尼硅橡胶材料的交联密度。石墨的润滑特性造成少量石墨会降低SE2155阻尼硅橡胶材料的阻尼性能，但石墨之间的摩擦以及硫化胶的交联密度升高会造成空间位阻的增大，使得SE2155阻尼硅橡胶材料的阻尼性能随着石墨用量的增大而升高。

2.3.4 硫化胶的应变扫描

石墨/SE2155阻尼硅橡胶硫化胶的G′和tanδ随应变变化的曲线分别如图8和9所示。

从图8可以看出，石墨用量较小时，石墨/SE2155阻尼硅橡胶硫化胶的G′较小，石墨用量较大时，随着石墨用量的增大，石墨/SE2155阻尼硅橡胶硫化胶的G′先增大后减小。

从图9可以看出：石墨用量较小时，石墨/SE2155阻尼硅橡胶硫化胶的阻尼性能较高；石墨用量较大时，随着石墨用量的增大，石墨/SE2155阻尼硅橡胶硫化胶的阻尼性能先降低后升高。

3 结论

通过开炼方式在SE2155阻尼硅橡胶材料中填充石墨，随着石墨用量的增大，石墨/SE2155阻尼硅橡胶混炼胶的加工性能变差，硫化胶的拉伸强度先增大后减小，在石墨用量为10份时，硫化胶的拉伸强度达到9.2 MPa；石墨用量为5份时，石墨/SE2155阻尼硅橡胶材料硫化胶的综合性能较优；石墨用量为20份以内时，石墨的加入不改变SE2155阻尼硅橡胶材料的模量及阻尼特性随温度、频率及应变变化的趋势。