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高声阻橡胶复合材料及其在水下吸声领域的应用研究

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第一章 绪论

1.1 课题来源

1.2 课题背景

1.3 橡胶声学阻尼机理

1.3.1 经典吸收理论

1.3.2 分子热弛豫引起的声吸收

1.3.3 波形转换

1.4 橡胶声学阻尼性能的评价方法

1.5 橡胶声学阻尼性能的影响因素

1.5.1 橡胶分子结构的影响

1.5.2 填料及助剂的影响

1.5.3 温度、压力及声波频率的影响

1.6 提高橡胶声学阻尼性能的方法

1.6.1 传统改性法

1.6.2 声学结构设计

1.6.3 新型声学阻尼材料

1.7 本课题的目的及意义

1.8 研究内容

1.9 创新点

第二章 实验部分

2.1 实验原材料

2.2 实验配方

2.2.1 NBR声学阻尼橡胶复合材料的基本配方

2.2.2 受阻酚/NBR杂化材料的基本配方

2.2.3 受阻酚AO-80/MPU杂化材料的基本配方

2.2.4 中试放大实验配方

2.3 实验设备与表征仪器

2.4 实验工艺

2.4.1 NBR声学阻尼复合材料的实验工艺

2.4.2 受阻酚/NBR杂化材料的实验工艺

2.4.3 受阻酚AO-80/MPU杂化材料的实验工艺

2.5 性能表征

2.5.1 硫化胶物理机械性能测试

2.5.2 示差扫描量热分析(DSC)

2.5.3 动态机械性能热分析(DMTA)

2.5.4 X射线衍射分析(XRD)

2.5.5 傅里叶红外分析(FTIR)

2.5.6 脉冲法声管测量吸声系数

第三章 NBR复合材料的制备及其声学阻尼性能研究

3.1 硫化配方的探究

3.2 不同丙烯腑含量NBR复合材料的声学阻尼性能研究

3.2.1 物理机械性能

3.2.2 动态机械性能

3.2.3 声学阻尼性能

3.3 不同种类、用量增塑剂填充NBR复合材料的声学阻尼性能

3.3.1 增塑剂种类的影响

3.3.2 增塑剂用量的影响

3.4 无机填料填充NBR复合材料的声学阻尼性能

3.4.1 炭黑补强NBR复合材料的声学阻尼性能

3.4.2 增重填料对橡胶复合材料声学阻尼性能的影响

3.4.3 中空玻璃微珠填充NBR复合材料的声学阻尼性能

3.5 小结

第四章 有机杂化材料及其梯度层合材料的声学阻尼性能

4.1 受阻酚/NBR杂化材料的声学阻尼性能

4.1.1 受阻酚的优选

4.1.2 不同用量AO-80/NBR杂化材料的声学阻尼性能

4.2 受阻酚AO-80/MPU杂化材料的声学阻尼性能

4.3 MPU/NBR梯度层合材料的声学阻尼性能

4.4 小结

第五章 中试放大试验

5.1 NBR声学阻尼橡胶材料的中试放大试验

5.1.1 工艺路线的确定

5.1.2 工艺参数的确定

5.2 抑振用受阻酚AO-80/NBR复合材料的放大试验

5.2.1 工艺路线设计及工艺参数的确定

5.2.2 性能表征

5.3 小结

结论

参考文献

致谢

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摘要

橡胶因其独特的粘弹性而广泛用于阻尼减振和降噪吸声领域,近些年,用于水下吸声的声学阻尼橡胶材料受到国内外水声材料专家的广泛关注。本论文制备了丁腈橡胶(NBR)复合材料,研究了丙烯腈含量、增塑剂种类及用量及无机填料填充对复合材料的物理机械性能、动态机械性能、热性能和声学阻尼性能的影响,探究了有机杂化(氢键作用)和梯度层合技术对不同基体复合材料的声学阻尼性能的影响,并进行了工艺的放大试验,获得如下有意义的结果:
  (1)在103Hz~104Hz的频率范围内,NBR复合材料的储能模量(E')值在1×108~7×108 Pa之间、损耗因子(tanδ)在0.5~0.9之间,表现出较优异的声学阻尼性能;选择低丙烯腈含量的NBR基体以及添加增塑剂可使NBR复合材料获得较低的玻璃化转变温度(Tg)和E值;其中NBR中丙烯腈含量为18%、以DOP为增塑剂且用量为15份时,复合材料声学阻尼性能最佳。
  (2)滑石粉的填充可有效提高NBR、天然橡胶(NR)、丁苯橡胶(SBR)以及杂化材料在3~8kHz频段中的平均吸声系数以及相对较高频段的吸声系数,其原因在于填充导致的材料密度的增加影响了材料与水的声阻抗匹配;中空玻璃微珠(HGMs)作为多孔填料,可有效改善NBR复合材料的力学性能以及声频高于4.3kHz时的声学阻尼性能。
  (3)氢键网络结构赋予高丙烯腈含量(41%)的受阻酚(AO-80)/NBR杂化材料更优异的力学性能和阻尼性能,且AO-80用量为10份时体系中形成的微弱氢键网络结构能有效改善杂化材料的声学阻尼性能;但氢键网络结构对于低丙烯腈含量(18%)的AO-80/NBR杂化材料而言,只能提高其拉伸强度以及在4.5kHz以上的吸声系数;增大AO-80用量时,AO-80/混炼型聚氨酯(MPU)杂化材料的密度、硬度、拉伸强度、撅裂强度逐渐降低,Tg逐渐升高,并引起阻尼性能的骤变;其中AO-80用量为10份时,材料损耗峰峰值高达0.87,但该用量的AO-80并未给杂化材料声学阻尼性能带来积极影响。
  (4)以MPU作为声波的入射端、NBR作为反射端层合硫化得到的梯度层合材料具备较优异的声学阻尼性能;该梯度层合方法可有效改善不同丙烯腈含量NBR的声学阻尼性能。
  (5)探索并确定了NBR声学阻尼橡胶材料及抑振用受阻酚AO-80/NBR复合材料的中试放大制备工艺,每批次可加工混炼胶50公斤以上,其硫化胶及制品性能与初试产品性能一致。

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