环氧树脂基压电阻尼复合材料的研究进展

张春梅，张晓刚，刘晓非

(1.天津大学 材料科学与工程学院，天津 300072；2.河南城建学院 材料与化工学院，河南 平顶山 467036；3.浙江宏利汽车零部件股份有限公司，浙江 嘉兴 314200)

汽车、建筑及制造业等产生的振动和噪音，不仅影响设备的使用性能，而且极易造成结构疲劳，从而降低设备的使用寿命。振动和噪声还会危害人类的健康和安全，已经成为人类亟待解决的环境污染问题之一。通过阻尼材料达到减振降噪目的的研究在民用和军用领域都具有非常重要的意义[1-2]。

阻尼材料可以将外部的机械振动和噪声转化为热能耗散掉，从而可以有效减少振动和噪声问题。阻尼材料可以分为高阻尼合金、黏弹性阻尼材料、阻尼复合材料和智能型阻尼材料[3]。黏弹性阻尼材料一般为高分子聚合物，其中环氧树脂(EP)具有机械强度高、固化收缩率低、耐腐蚀性良好及固化成型方便等优点，被广泛应用于军事及民用领域的减振降噪[4]。环氧树脂良好的阻尼性能通常体现于玻璃化转变温度Tg±10 ℃的温度范围内，主要通过玻璃态大分子链间的受阻摩擦运动而耗能。但是，大多数阻尼材料的使用温度在室温附近，而结构用环氧树脂的Tg远远高于室温，因此制备室温下阻尼性能良好的环氧树脂基复合材料具有重要的研究价值。

压电阻尼材料是一类新型的阻尼材料，主要由压电相、导电相和聚合物基体组成[5]。对于这类复合材料，外部机械能可以通过三种途径得到耗散：聚合物基体本身的黏弹性耗能、压电阻尼效应耗能(外部机械能-电能-热能)和内部界面摩擦耗能。通过在聚合物基体中引入压电相和导电相，一部分振动能和声能可以通过压电陶瓷的压电效应转化为电能，随后产生的电流在流经复合材料内的电阻相时转化为热能耗散掉。另外，一部分机械能也可以通过填料-填料之间以及填料-聚合物基体之间的界面摩擦而耗散掉[6-7]。衡量材料阻尼性能的参数为损耗因子(tanδ)，损耗因子值越大，阻尼温域越宽，表明材料的阻尼性能越好。通过复合材料多重阻尼机理可知，以环氧树脂作为聚合物基体的压电阻尼材料必将具备优异的阻尼性能，将有广阔的应用前景。

1 国外研究进展

目前国内外已经报道了一些使用环氧树脂作为聚合物基体的压电阻尼材料。HORI等[8]制备得到锆钛酸铅(PZT)/炭黑(CB)/EP压电阻尼复合材料，当PZT/EP(质量比)为70/30时，复合材料的损耗因子值随着炭黑含量的增加先升高后降低；在炭黑含量为0.51%时，复合材料在室温(20 ℃)下阻尼性能最好，tanδ值可达0.078，相比较纯环氧树脂基体(20 ℃下tanδ值为 0.035)阻尼性能提高了约122.9%。研究结果表明，导电相含量对压电阻尼复合材料阻尼性能的影响非常重要，导电相含量太少或太多，复合材料表现为绝缘体或导体的性质，外界机械能通过压电陶瓷的压电效应产生的电流都无法在材料内部得到有效耗散，只有当导电相含量达到渗流阈值，复合材料表现为半导体性质时，压电效应产生的电流在流经导电网络时才能充分转化为热能而耗散掉。进一步提高了PZT含量，制备得到PZT/CB/EP质量比为90.0∶0.5∶9.5的复合材料，其在20 ℃下的tanδ值可达0.15。

SKANDANI等[9]采用氧化锌(ZnO)纳米棒作为压电陶瓷，碳纤维(CF)作为导电材料，制备得到ZnO/CF/EP压电阻尼复合材料。研究结果表明，压电阻尼复合材料的tanδ值，与碳纤维增强环氧树脂复合材料相比，提高了约50%，这可归因于复合材料的压电阻尼耗能，碳纤维和ZnO纳米棒相互之间以及各自与聚合物基体之间的界面摩擦耗能所致。

2 国内研究进展

TIAN等[10]以PZT为压电陶瓷，多壁碳纳米管(CNT)为导电材料制备得到PZT/CNT/EP压电阻尼复合材料。研究结果表明，加入CNT和PZT后，环氧树脂在玻璃态和玻璃化转变温度附近的储能模量(E′)都得到了提高，明显改善了环氧树脂的刚性，该现象可归因于填料的存在减少了环氧树脂基体分子链间的自由体积，并阻碍了分子链的运动所致。

TIAN等[11]制备得到各组分含量为1.5 g/80 g/100 g的MWCNTs/PZT/EP压电阻尼复合材料，由于压电阻尼和界面摩擦耗能，复合材料在室温(25 ℃)下的tanδ值可达约 0.24。

MA等[12]制备得到铌镁酸铅-锆钛酸铅(PMN-PZT)/CNT/EP压电阻尼复合材料，研究发现，当CNT含量为1～1.5 g/(100 g环氧树脂)时，复合材料内部形成导电网络，达到渗流阈值。在渗流阈值下，复合材料的阻尼性能随着PMN-PZT压电陶瓷含量的增加而增加，当PMN-PZT/CNT/EP复合材料内各组分质量比为80/1.5/100时，复合材料室温(25 ℃)下的tanδ值可达约0.3，比纯环氧树脂(25 ℃下的tanδ值约0.02)提高约1 400%。

ZHANG等[13]将锡酸锌(ZnSnO3)与PVDF的混合溶液静电纺丝得到压电相的纳米纤维膜，随后在纳米纤维表面包覆聚吡咯(PPy)导电层，最后填充环氧树脂基体制备得到(ZnSnO3/PVDF)@PPy 纳米纤维/EP压电阻尼复合材料(ZPPE)。

动态力学分析(DMA)结果表明，复合材料 ZPPE-60[ZnSnO3含量(质量分数)为60%]的储能模量(E′)、损耗模量(E″)和损耗因子(tanδ)值在20 ℃下相比较纯环氧树脂基体分别提高了约 195%、655%和330%，阻尼性能的提高归因于压电阻尼效应(外部机械能-电能-热能)及材料内部界面摩擦耗能(纤维-纤维和纤维-基体之间的摩擦)。此外，ZPPE复合材料的弯曲强度和邵氏硬度也得到提高，表明复合材料具有更好的机械性能和耐磨性能，可以用作性能良好的结构阻尼材料。

ZHANG等[14]采用PZT为压电陶瓷，PPy为导电材料，通过原位聚合和冷冻干燥的方法制备得到PZT@PPy泡沫，随后填充环氧树脂基体制备得到PZT@PPy泡沫/EP压电阻尼复合材料(PPAE)。研究了复合材料的阻尼性能随PZT含量变化的规律，复合材料的储能模量(E′)、损耗模量(E″)和损耗因子(tanδ)值随着PZT含量的增加均先升高后降低。在PZT含量为75%时，复合材料PPAE-75在室温(20 ℃)下的损耗因子达到最大值为0.115，比纯环氧树脂基体(20 ℃下的tanδ值为0.025)提高了约360%，这是由于在适量的压电陶瓷含量下，压电阻尼以及界面摩擦阻尼耗能达到最佳。此外，PPAE-75复合材料的储能模量比纯环氧树脂基体提高了约11.5%，这是由于一方面PZT或PPy的表面官能团(如羟基或氨基)可与环氧树脂基体反应，从而使填料与聚合物基体间形成较强的界面结合力；另一方面高模量PZT压电陶瓷的加入，也有利于提高复合材料的刚度。

3 结语

通过以上研究分析可以看出，在环氧树脂基体中加入压电陶瓷和导电材料，可以大幅提高环氧树脂在室温下的阻尼性能，所制备的压电阻尼复合材料具有广阔的应用前景。但目前该类材料仍存在诸多不足，面对多样的实际应用环境还存在局限性，建议可以从以下方面进行深入研究：①采用可以自发极化的压电系数更高的无铅压电陶瓷作为压电相，使材料制备更加节能环保。②可以将环氧树脂基体与其他种类聚合物进行共混改性、化学共聚改性等，以进一步拓宽复合材料的阻尼温域及损耗因子，实现阻尼材料在更多领域的广泛应用。③复合阻尼机理和实际工况环境下的作用机制尚不十分清晰，有待深入研究。