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嘉峪檢測網(wǎng) 2024-06-07 10:26
近幾年，新能源汽車保有量呈現(xiàn)增長趨勢，與傳統(tǒng)燃油車發(fā)動(dòng)機(jī)相比，新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速較高，可以產(chǎn)生高達(dá)700~3000Hz頻率的激勵(lì)，這就要求減振部件中的橡膠材料在高頻激勵(lì)下具有良好的振動(dòng)衰減性能。橡膠材料的動(dòng)剛度是其動(dòng)態(tài)性能評(píng)判的依據(jù)。動(dòng)剛度是指材料在動(dòng)載荷下抵抗變形的能力，即引起單位振幅所需要的動(dòng)態(tài)力。LEE等利用橡膠試柱在一定頻率和一定應(yīng)變水平下進(jìn)行動(dòng)態(tài)測試，并記錄試柱在不同條件下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，來確定指定頻率和應(yīng)變水平下橡膠材料的動(dòng)剛度與靜剛度之比(動(dòng)靜比)，并利用該動(dòng)靜比預(yù)測橡膠零部件的動(dòng)剛度。譚宇等研究了硫化時(shí)間、溫度和壓力對(duì)天然橡膠動(dòng)剛度的影響。在此基礎(chǔ)上 ,杭超等通過振動(dòng)臺(tái)對(duì)橡膠隔振器施加正弦掃頻激勵(lì)，研究了不同環(huán)境溫度下橡膠隔振器的動(dòng)態(tài)性能。傳統(tǒng)燃油汽車橡膠隔振件中的橡膠復(fù)合材料一般選用單一炭黑(CB)填料，但是該材料對(duì)于新能源汽車的高頻振動(dòng)環(huán)境下的減振效果不佳；當(dāng)炭黑和碳納米管(CNTs)混合使用時(shí)，橡膠的物理性能會(huì)得到進(jìn)一步提升。炭黑和CNTs可以在橡膠中形成協(xié)同網(wǎng)絡(luò)，阻礙天然橡膠分子鏈以及填料的運(yùn)動(dòng)，提高應(yīng)力傳遞效率，這種協(xié)同效應(yīng)有助于提高橡膠的高頻動(dòng)態(tài)性能。
CNTs具有極高的長徑比，與橡膠間的接觸面積遠(yuǎn)大于炭黑與橡膠間的接觸面積，二者間可以形成更多的結(jié)合膠，填料的有效體積也隨之增加，添加了CNTs的橡膠材料可以表現(xiàn)出更好的性能。為了研究CNTs對(duì)橡膠材料性能的影響，國內(nèi)外很多學(xué)者進(jìn)行了大量的試驗(yàn)和理論研究。盧聚賢等選取CNTs、炭黑、白炭黑3種填料來制備填料/硅橡膠復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)對(duì)提高復(fù)合材料力學(xué)性能效果最好的填料是CNTs，且當(dāng)CNTs的用量低于10份(每100質(zhì)量份天然橡膠中添加的質(zhì)量份，下同)時(shí)，CNTs/硅橡膠復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量隨應(yīng)變振幅的變化不明顯。然而，目前有關(guān)CNTs填料對(duì)橡膠材料動(dòng)態(tài)性能影響的研究尚不充分，特別是在高頻振動(dòng)(1000~3000Hz)范圍下的研究更少。為此，作者用0.5份CNTs分別替換天然橡膠復(fù)合材料基礎(chǔ)配方中不同份數(shù)的炭黑，研究了CNTs含量對(duì)天然橡膠復(fù)合材料靜態(tài)力學(xué)性能和高頻動(dòng)態(tài)性能的影響，討論了復(fù)合材料靜態(tài)力學(xué)性能與動(dòng)態(tài)性能間的聯(lián)系，以期為橡膠高頻特性及橡膠減振技術(shù)的研究提供試驗(yàn)參考。
1、 試樣制備與試驗(yàn)方法
1. 1 試樣制備
試驗(yàn)原料：GT-300型CNTs，純度大于 98%，直徑大于50nm，長度在10~20μm，壁數(shù)為5~10層，常州稚田新材料科技有限公司提供；越南SVR3L天然橡膠，東莞順捷塑膠科技有限公司提供；N774炭黑，上海京華化工廠有限公司提供；硬脂酸，上海制皂有限公司提供；硫(S-80)、氧化鋅ZnO、防老劑(4020)~防老劑(3100)、微晶蠟 (9332F)、促進(jìn)劑(TMTD-80)、促進(jìn)劑(TBBS-80)、促進(jìn)劑(MBTS- 75)、防焦劑(CTP-80)，均為市售工業(yè)級(jí)。按表1的試驗(yàn)基礎(chǔ)配方進(jìn)行配料，在制備過程中用0.5份CNTs分別替換基礎(chǔ)配方中0(基礎(chǔ)配方，未用CNTs替換碳黑)，2，4，6，8份炭黑。
表 1 試驗(yàn)基礎(chǔ)配方
試驗(yàn)材料的制備流程如下：將原料在 XSM-500型密煉機(jī)中進(jìn)行密煉，溫度為70℃，轉(zhuǎn)速為70r·min-1，時(shí)間為10min；在S(X)K-160型開煉機(jī)上進(jìn)行混煉，打三角包薄通10次出片，得到混煉膠；將混煉膠放入對(duì)應(yīng)模具中，在XLB-D350×350×2型平板硫化機(jī)中進(jìn)行硫化，硫化溫度為160℃，硫化時(shí)間為10min。制備靜態(tài)力學(xué)性能試樣和動(dòng)態(tài)性能試樣，試樣的尺寸如圖1所示。動(dòng)態(tài)性能試樣為橡膠金屬件，其中間部分為天然橡膠復(fù)合材料，上下金屬板為鋁板，在硫化過程中完成金屬與橡膠的黏合。
1. 2 試驗(yàn)方法
將制得的復(fù)合材料試樣在液氮下進(jìn)行冷凍硬脆，然后用超薄切片機(jī)將試樣切成納米級(jí)薄片置于銅網(wǎng)上，采用JEM-2100型透射電子顯微鏡(TEM)觀察復(fù)合材料的微觀形貌，測試電壓為200kV。按照GB/T531.1-2008，采用邵氏硬度計(jì)A測定試樣的硬度。分別按照GB/T528-2009和GB/T529-2008，采用Instron5966型小型電子萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)硫化后的靜態(tài)力學(xué)性能試樣進(jìn)行拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率以及100%定伸應(yīng)力測試，測5次取平均值，靜態(tài)力學(xué)性能測試時(shí)的加載手段為拉伸，拉伸速度為200mm·min-1，位移峰值為300mm，載荷峰值為46N。采用自行設(shè)計(jì)并搭建的動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能測試，結(jié)構(gòu)如圖2所示，該試驗(yàn)臺(tái)由試樣工裝、KSI-758ST型激振系統(tǒng)、VT-9008型振動(dòng)控制器、KSI-108A050型加速度傳感器和支架等組成。測試時(shí)在≈方向上對(duì)試樣預(yù)加載100N，并通過推力桿對(duì)試樣施加正弦掃頻激勵(lì)。推力桿穿過下固定板的孔與試樣固接，振動(dòng)臺(tái)通過推力桿將激勵(lì)傳遞到橡膠金屬件上。頻率激勵(lì)范圍為50~3000Hz，最大激勵(lì)加速度為2g。通過輸入的力信號(hào)和輸出加速度信號(hào)來分析試樣的動(dòng)態(tài)性能。每個(gè)試樣進(jìn)行3次正弦信號(hào)掃頻測試。
測試系統(tǒng)存在固有頻率，在固有頻率下系統(tǒng)在掃頻激勵(lì)時(shí)會(huì)發(fā)生共振，對(duì)后續(xù)測試信號(hào)分析產(chǎn)生干擾，在測試前需排除干擾。首先將推力桿向上延長至工裝系統(tǒng)中橡膠金屬件的上夾板，然后將輸出加速度傳感器固定放置在上夾板上，輸入傳感器位置不變，最后將工裝系統(tǒng)中上夾板與下固定板夾緊進(jìn)行掃頻測試，得到其固有頻率。將測試系統(tǒng)的固有頻率與加入橡膠金屬件后的固有頻率進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)測試系統(tǒng) 的加速度在100~490Hz，650~800 Hz，1900~1950Hz頻率范圍出現(xiàn)峰值，但在加入橡膠金屬件后對(duì)應(yīng)頻率的振動(dòng)響應(yīng)衰減，且峰值并未去除，說明測試系統(tǒng)的固有頻率主要為上述頻率。在測試時(shí)將這些頻率范圍的信號(hào)去除。
將試驗(yàn)中采集的加速度輸入與輸出信號(hào)通過軟件信號(hào)處理后可以獲得動(dòng)態(tài)性能試樣在高頻時(shí)的模態(tài)參數(shù)，即得到各橡膠金屬件在1000~3000Hz之間加速度響應(yīng)時(shí)域信號(hào)，以及各橡膠金屬件的固有模態(tài)。將動(dòng)態(tài)試驗(yàn)臺(tái)傳感器得到的響應(yīng)加速度時(shí)域信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換轉(zhuǎn)變?yōu)轭l域信號(hào)，傅里葉變換的計(jì)算公式為
式中：a(n)為長度為M的有限長序列，即轉(zhuǎn)換前的時(shí)域信號(hào)，n取0,… ,N-1;N為快速傅里葉變換區(qū)間長度，N≥M;A(k)為響應(yīng)加速度時(shí)域信號(hào)經(jīng)傅里葉變換后的頻域信號(hào)；k為頻率；WN為N次方根的復(fù)數(shù)單位。
通過信號(hào)處理分析可以得到動(dòng)態(tài)測試時(shí)的加速度頻域信號(hào)，與試樣的質(zhì)量m相乘即可計(jì)算出試樣在頻率k處受到的動(dòng)載荷F，公式為
將測試得到的響應(yīng)位移時(shí)域信號(hào)經(jīng)過傅里葉變換轉(zhuǎn)化為頻域信號(hào)X(k)，具體變換過程為
式中:x(n)為長度為M的有限長序列，即轉(zhuǎn)換前的位移時(shí)域信號(hào)；X(k)為響應(yīng)位移時(shí)域信號(hào)經(jīng)傅里葉變換后的頻域信號(hào)。
動(dòng)剛度Kd的計(jì)算公式為
2、 試驗(yàn)結(jié)果與討論
2. 1 微觀形貌
0.5份CNTs替換不同份數(shù)炭黑制備的天然橡膠復(fù)合材料微觀形貌相似，所以僅觀察0.5份CNTs替換2份炭黑的天然橡膠復(fù)合材料。由圖 3可以看出，復(fù)合材料由線條狀CNTs、黑色團(tuán)塊狀炭黑以及橡膠基體組成，同時(shí)CNTs在復(fù)合材料中分布較為均勻，說明制備效果較好。
2. 2 靜態(tài)力學(xué)特性
由圖4可見，隨著CNTs替換炭黑份數(shù)的增加，復(fù)合材料的硬度降低，這表明炭黑的減少會(huì)降低復(fù)合材料硬度。隨著CNTs替換炭黑份數(shù)的增加，拉伸強(qiáng)度呈先增后降再增的趨勢，斷裂伸長率呈先降后增的趨勢，100%定伸應(yīng)力先增后降，用0.5份CNTs替換2份炭黑后的拉伸強(qiáng)度最大，比未用CNTs替換炭黑的拉伸強(qiáng)度提升了13.52%，斷裂伸長率最小，比未用CNTs替換炭黑的斷裂伸長率降低了4.79%，100%定伸應(yīng)力最大，比未用CNTs替換炭黑的100%定伸應(yīng)力提升了8.47%。綜上，以CNTs替換適量炭黑可以使復(fù)合材料的靜態(tài)力學(xué)性能提升。
2. 3 高頻動(dòng)態(tài)性能
由圖5可以發(fā)現(xiàn)，用0.5份CNTs替換不同份數(shù)炭黑后復(fù)合材料的響應(yīng)加速度在大于 2000Hz的高頻下比未用CNTs替換炭黑的復(fù)合材料低，且用0.5份CNTs替換2份炭黑的復(fù)合材料的降低幅度最大。響應(yīng)加速度降低幅度越大，說明復(fù)合材料在高頻振動(dòng)下的阻尼性能越好，越能夠有效地吸收和耗散振動(dòng)能量，從而起到良好的減振作用。
由圖6可見，隨著CNTs替換炭黑份數(shù)的增加，復(fù)合材料動(dòng)剛度均方根呈先減后增的趨勢 ,用0.5份CNTs替換2份炭黑后復(fù)合材料的動(dòng)剛度均方根最小，比未用CNTs替換炭黑的復(fù)合材料動(dòng)剛度均方根降低了12.94%，表明此時(shí)天然橡膠復(fù)合材料具有最好的高頻動(dòng)態(tài)性能?？梢钥闯?，適量的CNTs與炭黑共混可以提升復(fù)合材料的高頻動(dòng)態(tài)性能。
綜上，用0.5份CNTs替換2份炭黑后天然橡膠復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、100%定伸應(yīng)力及高頻動(dòng)態(tài)性能均最佳，這表明拉伸強(qiáng)度和100%定伸應(yīng)力與高頻動(dòng)態(tài)性能存在一定的正相關(guān)關(guān)系，而斷裂伸長率和硬度與高頻動(dòng)態(tài)性能的相關(guān)度不顯著。影響橡膠材料動(dòng)態(tài)性能的主要因素包括填料微粒尺寸、填料分散程度、填料與聚合物結(jié)合的緊密程度、填料自身的力學(xué)性能等。適量的CNTs填料可以使CNTs與橡膠分子交聯(lián)形成緊密的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使得外力更容易在橡膠基體中分散，從而提高天然橡膠復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)性能。
3、 結(jié) 論
(1)隨著CNTs替換炭黑份數(shù)的增加，天然橡膠復(fù)合材料的硬度降低，拉伸強(qiáng)度先升后降再升，斷裂伸長率先降再增，100%定伸應(yīng)力先增后降；用0.5份CNTs替換2份炭黑后復(fù)合材料的綜合靜態(tài)力學(xué)性能最佳，此時(shí)拉伸強(qiáng)度和100%定伸應(yīng)力均最大，分別比未用CNTs替換炭黑的復(fù)合材料提升13.52%和8.47%。
(2)隨著CNTs替換炭黑份數(shù)的增加，動(dòng)剛度均方根呈先減后增的趨勢，用0.5份CNTs替換2份炭黑后的復(fù)合材料動(dòng)剛度均方根最小，比未用CNTs替換炭黑的復(fù)合材料動(dòng)剛度均方根降低了12.94%，此時(shí)天然橡膠復(fù)合材料具有最好的高頻動(dòng)態(tài)性能。
(3)用0.5份CNTs替換2份炭黑后天然橡膠復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和100%定伸應(yīng)力與高頻動(dòng)態(tài)性能正相關(guān)，斷裂伸長率和硬度與高頻動(dòng)態(tài)性能的相關(guān)度不顯著。
作者：
翁 爽1,陸偉強(qiáng)2,任 睿1,沈東明2,黃海波1
工作單位：
1.寧波大學(xué)機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院
2.寧波拓普集團(tuán)股份有限公司
來源：《機(jī)械工程材料》2024年3期
來源：機(jī)械工程材料
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