[發明專利]一種1-3復合壓電纖維/聚合物復合阻尼材料及其制備方法

無效

• 申請號: 201110056485.2
• 申請日: 2011-03-09
• 公開（公告）號: CN102163689A
• 公開（公告）日: 2011-08-24
• 發明（設計）人: 王旭升;武傳貴;洪暄清;李祥明;陳銳;李艷霞;姚曼文;楊同青;于劍;姚熹
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: H01L41/18
• 分類號: H01L41/18;H01L41/22;C04B41/83
• 代理公司: 上海光華專利事務所 31219
• 代理人: 許亦琳;余明偉

技術領域

本發明涉及一種1-3復合的PZT壓電纖維/聚合物復合阻尼材料及其制備方法，可應用于列車、汽車等的減振降噪，屬于復合材料領域。

背景技術

中國的鐵路建設已經過了六次提速，現在全國鐵路第六次大面積提速中投入使用的時速200公里及以上動車組，而京津城際鐵路設計時速350Km/h，京滬高速鐵路的設計時速高達380Km/h。隨著軌道交通的高速化，列車運行所引起的振動噪聲會更加劇烈。高速軌道交通線路要穿越許多城市，其振動與噪聲不僅給車廂內旅客帶來不適，而且還嚴重干擾沿線居民的正常生活，甚至影響附近學校、科研院所及醫院、銀行等的正常運行。減小列車的振動和噪聲水平，在軌道交通區段采取相應的減振降噪措施，已成為軌道交通系統建設中的一個關鍵。多年來，人們研究并開發了多種解決設備振動和噪聲問題的技術措施，其中阻尼材料的應用是減振降噪的重要手段之一。而壓電阻尼材料引入了新的耗能機制，能實現機械能-電能-熱能的轉化，而將振動能耗散掉，成為研究的熱點之一。

1979年Forward第一次在專利中提出利用壓電材料減小振動。1988年，Uchino對壓電阻尼原理進行了闡述。他設計了一種壓電陶瓷阻尼器，通過壓電效應將機械能轉化為電能，并通過外接電阻以焦耳熱的形式將能量耗散掉，從而起到阻尼的作用。1991年，N.W.Hagood和A.von.Flotow建立模型分析了用壓電陶瓷和外接電路對結構振動的阻尼效果。研究表明，具有外接電路的壓電系統的阻尼因子隨外接電路參數和振動頻率的改變而改變。該外接電路分為兩類：一類是只是外接電阻，具有類似粘彈性材料的頻率特性；另一類是外接電阻和電感，將會產生電路諧振，并且能夠通過改變參數，將諧振峰調到結構諧振的位置。并且將這種具有外接電路的壓電阻尼系統應用于懸臂梁，驗證了壓電阻尼模型。1995年，H.H.Law等人對壓電陶瓷-聚合物構成的復合材料的阻尼機理進行了研究。提出了復合材料壓電阻尼的串聯和并聯模型。他們認為，在復合材料中壓電阻尼對復合材料阻尼因子的貢獻程度由以下5方面決定：

1、壓電陶瓷的壓電性能，如C^T，Z和k；2、有效的負載阻抗；3、壓電材料與聚合物基體的模量之比；4、壓電陶瓷的體積分數；5、復合材料中基體與壓電材料被看成是串聯還是并聯。

1996年H.H.Law等從能量轉換和耗散的角度提出了新的模型來表征壓電材料的阻尼性能，并提出了計算匹配電阻的電路模型。2008年，Fein建立了適用于二維結構的壓電阻尼模型，認為選擇合適的壓電材料(主要參數為機電耦合系數k和楊氏模量)和電阻是得到好的阻尼性能的關鍵因素。

壓電阻尼的研究大多以壓電陶瓷為研究對象，但是用壓電陶瓷做阻尼器有明顯的缺點：一是易碎，在操作和粘合過程中需要特別注意；二是順應曲面的性能很差，需要對曲面做特別處理。

用壓電復合材料可以克服這些不足。現在已經商用的有Smart?materials?Corp.的1-3復合材料，MIT的AFC(active?fiber?composite)，NASA?Langley?Center的MFC(Macro?fibercomposite)。他們都是采用插指電極的方式進行極化，主要用于傳感器和制動器。Sodano將MFC用于膨脹式系統的振動模態識別和振動抑制。而本發明提供了一種新的1-3復合阻尼材料及其制備方法。

發明內容

本發明的目的是提供一種新的1-3復合壓電纖維/聚合物復合阻尼材料及其制備方法或制備工藝，以克服現有技術的不足。本發明的1-3復合壓電纖維/聚合物復合阻尼材料具有良好的阻尼性能-通過調整外接電阻、應力大小、頻率能夠改變材料的阻尼系數。

本發明的設計思路為：

1、極化壓電纖維，使其具有壓電特性。可以根據不同降噪使用頻率范圍選擇壓電纖維的長度。

2、將壓電纖維兩端的電極分別用有機導電銀漿粘結在一起，并引出導線，以便供測試和外接電阻使用。

3、將壓電纖維平行排列，用環氧樹脂等聚合物澆灌，環氧樹脂等聚合物的厚度與壓電纖維的直徑相當。

4、加工成所需形狀的阻尼膜片或阻尼板。

為了解決現有技術的問題，本發明采用以下的技術方案來實現：

本發明的1-3復合壓電纖維/聚合物復合阻尼材料，包括并排的若干根沿長度方向極化的PZT壓電纖維和包覆于所述壓電纖維外的聚合物層，所述PZT壓電纖維的兩端均采用有機導電銀漿粘結，并均經有機導電銀漿引出電極。