[发明专利]一种1-3复合压电纤维/聚合物复合阻尼材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种1-3复合的PZT压电纤维/聚合物复合阻尼材料及其制备方法，可应用于列车、汽车等的减振降噪，属于复合材料领域。

背景技术

中国的铁路建设已经过了六次提速，现在全国铁路第六次大面积提速中投入使用的时速200公里及以上动车组，而京津城际铁路设计时速350Km/h，京沪高速铁路的设计时速高达380Km/h。随着轨道交通的高速化，列车运行所引起的振动噪声会更加剧烈。高速轨道交通线路要穿越许多城市，其振动与噪声不仅给车厢内旅客带来不适，而且还严重干扰沿线居民的正常生活，甚至影响附近学校、科研院所及医院、银行等的正常运行。减小列车的振动和噪声水平，在轨道交通区段采取相应的减振降噪措施，已成为轨道交通系统建设中的一个关键。多年来，人们研究并开发了多种解决设备振动和噪声问题的技术措施，其中阻尼材料的应用是减振降噪的重要手段之一。而压电阻尼材料引入了新的耗能机制，能实现机械能-电能-热能的转化，而将振动能耗散掉，成为研究的热点之一。

1979年Forward第一次在专利中提出利用压电材料减小振动。1988年，Uchino对压电阻尼原理进行了阐述。他设计了一种压电陶瓷阻尼器，通过压电效应将机械能转化为电能，并通过外接电阻以焦耳热的形式将能量耗散掉，从而起到阻尼的作用。1991年，N.W.Hagood和A.von.Flotow建立模型分析了用压电陶瓷和外接电路对结构振动的阻尼效果。研究表明，具有外接电路的压电系统的阻尼因子随外接电路参数和振动频率的改变而改变。该外接电路分为两类：一类是只是外接电阻，具有类似粘弹性材料的频率特性；另一类是外接电阻和电感，将会产生电路谐振，并且能够通过改变参数，将谐振峰调到结构谐振的位置。并且将这种具有外接电路的压电阻尼系统应用于悬臂梁，验证了压电阻尼模型。1995年，H.H.Law等人对压电陶瓷-聚合物构成的复合材料的阻尼机理进行了研究。提出了复合材料压电阻尼的串联和并联模型。他们认为，在复合材料中压电阻尼对复合材料阻尼因子的贡献程度由以下5方面决定：

1、压电陶瓷的压电性能，如C^T，Z和k；2、有效的负载阻抗；3、压电材料与聚合物基体的模量之比；4、压电陶瓷的体积分数；5、复合材料中基体与压电材料被看成是串联还是并联。

1996年H.H.Law等从能量转换和耗散的角度提出了新的模型来表征压电材料的阻尼性能，并提出了计算匹配电阻的电路模型。2008年，Fein建立了适用于二维结构的压电阻尼模型，认为选择合适的压电材料(主要参数为机电耦合系数k和杨氏模量)和电阻是得到好的阻尼性能的关键因素。

压电阻尼的研究大多以压电陶瓷为研究对象，但是用压电陶瓷做阻尼器有明显的缺点：一是易碎，在操作和粘合过程中需要特别注意；二是顺应曲面的性能很差，需要对曲面做特别处理。

用压电复合材料可以克服这些不足。现在已经商用的有Smart materials Corp.的1-3复合材料，MIT的AFC(active fiber composite)，NASA Langley Center的MFC(Macro fibercomposite)。他们都是采用插指电极的方式进行极化，主要用于传感器和制动器。Sodano将MFC用于膨胀式系统的振动模态识别和振动抑制。而本发明提供了一种新的1-3复合阻尼材料及其制备方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种新的1-3复合压电纤维/聚合物复合阻尼材料及其制备方法或制备工艺，以克服现有技术的不足。本发明的1-3复合压电纤维/聚合物复合阻尼材料具有良好的阻尼性能-通过调整外接电阻、应力大小、频率能够改变材料的阻尼系数。

本发明的设计思路为：

1、极化压电纤维，使其具有压电特性。可以根据不同降噪使用频率范围选择压电纤维的长度。

2、将压电纤维两端的电极分别用有机导电银浆粘结在一起，并引出导线，以便供测试和外接电阻使用。

3、将压电纤维平行排列，用环氧树脂等聚合物浇灌，环氧树脂等聚合物的厚度与压电纤维的直径相当。

4、加工成所需形状的阻尼膜片或阻尼板。

为了解决现有技术的问题，本发明采用以下的技术方案来实现：

本发明的1-3复合压电纤维/聚合物复合阻尼材料，包括并排的若干根沿长度方向极化的PZT压电纤维和包覆于所述压电纤维外的聚合物层，所述PZT压电纤维的两端均采用有机导电银浆粘结，并均经有机导电银浆引出电极。