一种添加镍钛合金粒子的减振复合材料及制备方法

1.本发明属于复合材料应用与制造领域，具体涉及一种添加镍钛合金粒子的减振复合材料及制备方法。


背景技术：

2.振动是自然界最普遍的现象之一，普遍存在于人们的日常生活和生产当中，例如桥梁和建筑物在阵风或地振激励下的振动，飞机和船舶在航行中的振动，机床和刀具在加工时的振动，各种动力机械的振动等。大多数时，振动被认为是有害的，例如振动会影响精密仪器设备的功能，降低加工精度和光洁度，加剧构件的疲劳和磨损等。因此，振动的危害越来越受人们重视。纤维增强复合材料是一种优质的阻尼材料，其阻尼通常是金属的10-100倍，并且随着科技的发展，其得到广泛的应用，尤其在航空航天领域。然而，振动对于飞机及航天器的危害较大，会影响精密仪器的工作甚至导致材料的加速失效，因此，减振技术一直是研究人员探究的热点。
3.镍钛合金为一种形状记忆合金，由于具有高阻尼能力而被用作能量耗散或振动控制应用的结构材料。纳米材料添加技术是改善聚合物基复合材料性能的有效手段，并有着极高的效率，少量的纳米材料的添加即可极大改善复合材料性能。因此，本发明拟将纳米尺寸的镍钛合金粒子添加入纤维增强热塑性树脂复合材料中。本发明预期可以有效增强纤维增强复合材料阻尼，削弱振动带来的影响，本发明预期在航空航天领域具有广泛的应用前景。


技术实现要素：

4.本发明提供一种添加镍钛合金粒子的减振复合材料及制备方法，通过镍钛合金的形状记忆效果以及摩擦阻尼耗散作用，从而减弱振动效应，为航空航天领域提供一种高性能、轻质和具有良好减振效果的复合材料。
5.本发明的技术方案如下：
6.一种添加镍钛合金粒子的减振复合材料的制备方法，包括以下步骤：
7.(1)称量镍钛合金粒子，置于溶剂中，得到混合溶剂；
8.(2)将体积分数5-10％的热塑性树脂添加入步骤(1)的混合溶剂中，使用超声方法均匀分散，采用加热式磁力搅拌的方法使溶剂挥发后得到镍钛合金粒子改性热塑性树脂复合材料；
9.(3)用手工法对所述镍钛合金粒子改性热塑性树脂复合材料进行铺层，得到纤维增强热塑性复合材料，并用硫化机进行固化。
10.进一步地，所述镍钛合金粒子为球状，粒径为5-25um，所述球状镍钛合金粒子在热塑性树脂中分散体积比为5-10％，所述溶剂为丙酮。
11.进一步地，所述步骤(2)的超声功率为500-600w，超声时间为3-4h；所述加热式磁力搅拌的温度为80-100℃，转速为300-500转/分钟，搅拌时间为2-3h至溶剂完全挥发。
12.进一步地，所述步骤(3)中手工铺层法为：取出大小为200*100mm的碳纤维布，在上表面加入0.5g-1g热塑性树脂，用刷子使热塑性树脂在纤维表面均匀分布，再放入下一层碳纤维，重复以上步骤。
13.优选地，步骤(3)中所述的对镍钛合金粒子改性热塑性树脂复合材料进行铺层，铺设的层数为4层，角度为[0
°
/90
°
/90
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]。
[0014]
进一步地，步骤(3)中所述固化步骤为：先预固化，保持压力为0.2-0.3mpa，升温至370-390℃；再高温固化：压力设置为5-6mpa，温度保持370-390℃，固化时间为30-50分钟，保持压力自然冷却后即得。
[0015]
一种添加镍钛合金粒子的减振复合材料，由镍钛合金粒子、热塑性树脂、纤维采用上述一种添加镍钛合金粒子的减振复合材料的制备方法制得。
[0016]
进一步地，所述镍钛合金粒子为球形纳米镍钛合金粒子，所述球形纳米镍钛合金粒子的平均粒径为5-25um，所述镍钛合金粒子在热塑性树脂中分散体积比为5％-10％。
[0017]
进一步地，所述热塑性树脂为聚醚醚酮或聚酰亚胺。
[0018]
进一步地，所述纤维为碳纤维或玻璃纤维。
[0019]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
[0020]
(1)本发明所采用的球形镍钛合金粒子为形状记忆合金，具有高阻尼，可以很好的起到减振效果，该复合材料内镍钛合金粒子仅为10％的体积比，而该复合材料的振幅即可降低24.0％，在具有优异性能的同时，具有良好的减振效果，适用于航空航天领域中精密设备的减振材料。
[0021]
(2)本发明提供的镍钛合金粒子改善纤维增强复合材料的方法，在不改变材料的形态及特征的情况下提供一定的减振效果，与传统增加阻尼层材料相比具有轻质、保持结构完整性的优点。
[0022]
(3)本发明提供镍钛合金颗粒增强纤维增强热塑性树脂复合材料具有优异的强度、刚度以及低密度，并同时具有良好的减振效果，制备方法步骤简单、无污染，以极低比例的合金粒子就可以有效减振，适合大规模生产，可以广泛的应用于航空航天领域。
附图说明
[0023]
图1为实施例1和2添加不同镍钛合金粒子前后振动响应对比图；
[0024]
图2为实施例1-4添加不同镍钛合金粒子前后振幅下降对比图。
具体实施方式
[0025]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，结合具体实施例对本发明技术内容做进一步解释说明。应当理解所描述的具体实例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
[0026]
本发明提供的热塑性树脂基体、碳纤维或玻璃纤维、镍钛合金粉末均可由市场购买。
[0027]
本发明提供一种添加镍钛合金粒子的减振复合材料的制备方法，按照配方比例，可按照一般的填料添加方法制备，优选按照下述方法制备：
[0028]
(1)将称量好的5-10％镍钛合金粒子与聚醚醚酮加入一定量的丙酮溶剂中，超声波分散，使其在溶剂中均匀分散；所述超声分散参数为：功率500-600瓦，温度为25℃以下，超声分散3-4小时；
[0029]
(2)将混合溶液除去分散溶剂，将分散完成的混合物在80-100℃加热并进行磁力搅拌，转速为300-500转/分钟，挥发去除混合物中的丙酮溶剂，即得到所述镍钛合金粒子改性热塑性树脂复合材料。
[0030]
(3)采用手工铺层方法将制备好的镍钛合金粒子改性热塑性树脂进行铺设，取出大小为200*100mm的碳纤维布，在上表面加入0.5g-1g热塑性树脂，用刷子使热塑性树脂在纤维表面均匀分布，再放入下一层碳纤维，重复以上步骤，铺设的碳纤维板层数为4层，角度为[0
°
/90
°
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]；得到碳纤维增强树脂复合材料后用硫化机进行固化，预固化保持压力为0.2mpa，升温至370℃；高温固化：压力设置为5mpa，温度保持370℃，固化时间为30分钟，之后保持压力自然冷却。
[0031]
优选地，步骤(3)中所述铺设的碳纤维板层数为4层，角度为[0
°
/90
°
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/0
°
]；
[0032]
以下为具体实施例：
[0033]
实施例1
[0034]
一种镍钛合金粒子改性碳纤维增强热塑性树脂复合材料，在碳纤维增强树脂复合材料中均匀分散有体积比为5％的合金粒子，所述粒子直径为20um的镍钛合金颗粒。
[0035]
一种添加镍钛合金粒子的减振复合材料的制备方法，优选按照下述方法制备：
[0036]
(1)将称量好的5％镍钛合金粒子与体积分数95％的聚醚醚酮树脂加入一定量的丙酮溶剂中，超声波分散，使其在溶剂中均匀分散；所述超声分散参数为：功率550瓦，温度为20℃，超声分散3小时；
[0037]
(2)将混合溶液除去分散溶剂，将分散完成的混合物在80℃加热并进行磁力搅拌，转速为400转/分钟，挥发去除混合物中的丙酮溶剂，即得到所述镍钛合金粒子改性热塑性树脂复合材料。
[0038]
(3)采用手工铺层方法将制备好的镍钛合金粒子改性热塑性树脂进行铺设，取出大小为200*100mm的碳纤维布，在上表面加入0.5g热塑性树脂，用刷子使热塑性树脂在纤维表面均匀分布，再放入下一层碳纤维，重复以上步骤，铺设的碳纤维板层数为4层，角度为[0
°
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]；得到碳纤维增强树脂复合材料后用硫化机进行固化，预固化保持压力为0.2mpa，升温至370℃；高温固化：压力设置为5mpa，温度保持370℃，固化时间为30分钟，之后保持压力自然冷却。
[0039]
对实施例1制得的碳纤维增强树脂复合材料的振动性能利用振动台进行测试，结果表明5％镍钛合金粒子改性碳纤维增强热塑性树脂复合材料振幅减小13.7％。
[0040]
实施例2
[0041]
一种镍钛合金粒子改性碳纤维增强热塑性树脂复合材料，在碳纤维增强树脂复合材料中均匀分散有体积比为10％的合金粒子，所述粒子直径为20um的镍钛合金颗粒。
[0042]
一种添加镍钛合金粒子的减振复合材料的制备方法，优选按照下述方法制备：
[0043]
(1)将称量好的10％镍钛合金粒子与体积分数90％的聚醚醚酮树脂加入一定量的丙酮溶剂中，超声波分散，使其在溶剂中均匀分散；所述超声分散参数为：功率550瓦，温度为20℃，超声分散3小时；
[0044]
(2)将混合溶液除去分散溶剂，将分散完成的混合物在80℃加热并进行磁力搅拌，转速为400转/分钟，挥发去除混合物中的丙酮溶剂，即得到所述镍钛合金粒子改性热塑性树脂复合材料。
[0045]
(3)采用手工铺层方法将制备好的镍钛合金粒子改性热塑性树脂进行铺设，取出大小为200*100mm的碳纤维布，在上表面加入0.5g热塑性树脂，用刷子使热塑性树脂在纤维表面均匀分布，再放入下一层碳纤维，重复以上步骤，铺设的碳纤维板层数为4层，角度为[0
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]；得到碳纤维增强树脂复合材料后用硫化机进行固化，预固化保持压力为0.2mpa，升温至370℃；高温固化：压力设置为5mpa，温度保持370℃，固化时间为30分钟，之后保持压力自然冷却。
[0046]
对实施例2制得的碳纤维增强树脂复合材料的振动性能利用振动台进行测试，结果表明10％镍钛合金粒子改性碳纤维增强热塑性树脂复合材料振幅减小24％。
[0047]
实施例3
[0048]
一种镍钛合金粒子改性碳纤维增强热塑性树脂复合材料，在碳纤维增强树脂复合材料中均匀分散有体积比为7％的合金粒子，所述粒子直径为20um的镍钛合金颗粒。
[0049]
一种添加镍钛合金粒子的减振复合材料的制备方法，优选按照下述方法制备：
[0050]
(1)将称量好的7％镍钛合金粒子与体积分数93％的聚醚醚酮树脂加入一定量的丙酮溶剂中，超声波分散，使其在溶剂中均匀分散；所述超声分散参数为：功率550瓦，温度为20℃，超声分散3小时；
[0051]
(2)将混合溶液除去分散溶剂，将分散完成的混合物在80℃加热并进行磁力搅拌，转速为400转/分钟，挥发去除混合物中的丙酮溶剂，即得到所述镍钛合金粒子改性热塑性树脂复合材料。
[0052]
(3)采用手工铺层方法将制备好的镍钛合金粒子改性热塑性树脂进行铺设，取出大小为200*100mm的碳纤维布，在上表面加入0.5g热塑性树脂，用刷子使热塑性树脂在纤维表面均匀分布，再放入下一层碳纤维，重复以上步骤，铺设的碳纤维板层数为4层，角度为[0
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]；得到碳纤维增强树脂复合材料后用硫化机进行固化，预固化保持压力为0.2mpa，升温至370℃；高温固化：压力设置为5mpa，温度保持370℃，固化时间为30分钟，之后保持压力自然冷却。
[0053]
对实施例3制得的碳纤维增强树脂复合材料的振动性能利用振动台进行测试，结果表明7％镍钛合金粒子改性碳纤维增强热塑性树脂复合材料振幅减小16.8％。
[0054]
实施例4
[0055]
一种镍钛合金粒子改性碳纤维增强热塑性树脂复合材料，在碳纤维增强树脂复合材料中均匀分散有体积比为8％的合金粒子，所述粒子直径为20um的镍钛合金颗粒。
[0056]
一种添加镍钛合金粒子的减振复合材料的制备方法，优选按照下述方法制备：
[0057]
(1)将称量好的8％镍钛合金粒子与体积分数92％的聚醚醚酮树脂加入一定量的丙酮溶剂中，超声波分散，使其在溶剂中均匀分散；所述超声分散参数为：功率550瓦，温度为20℃，超声分散3小时；
[0058]
(2)将混合溶液除去分散溶剂，将分散完成的混合物在80℃加热并进行磁力搅拌，转速为400转/分钟，挥发去除混合物中的丙酮溶剂，即得到所述镍钛合金粒子改性热塑性树脂复合材料。
[0059]
(3)采用手工铺层方法将制备好的镍钛合金粒子改性热塑性树脂进行铺设，取出大小为200*100mm的碳纤维布，在上表面加入0.5g热塑性树脂，用刷子使热塑性树脂在纤维表面均匀分布，再放入下一层碳纤维，重复以上步骤，铺设的碳纤维板层数为4层，角度为[0
°
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/90
°
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]；得到碳纤维增强树脂复合材料后用硫化机进行固化，预固化保持压力为0.2mpa，升温至370℃；高温固化：压力设置为5mpa，温度保持370℃，固化时间为30分钟，之后保持压力自然冷却。
[0060]
对实施例4制得的碳纤维增强树脂复合材料的振动性能利用振动台进行测试，结果表明8％镍钛合金粒子改性碳纤维增强热塑性树脂复合材料振幅减小20.3％。
[0061]
对比例1
[0062]
本对比例与实施例1相比，区别在于不加入镍钛合金粒子。
[0063]
对比例1制得的碳纤维增强树脂复合材料的振动性能利用振动台进行测试，结果表明热塑性树脂复合材料振幅增大20.3％。
[0064]
测试分析：对实施例1和2提供的镍钛合金粒子改性碳纤维增强热塑性树脂复合材料进行了振动响应的测试，结果如图1所示。
[0065]
根据实验结果显示，如图2所示，当镍钛合金粒子的体积分数为10％时，碳纤维增强树脂复合材料的振幅较纯碳纤维增强树脂复合材料减小了24.0％。这表明镍钛合金粒子对碳纤维增强树脂复合材料的振动响应有削弱的效果。这主要是因为具有高阻尼的镍钛合金粒子在受到振动的同时发生形变，使能量耗散，并且其自身与聚合物基体之间发生摩擦，也吸收大部分的能量，因此可以有效降低碳纤维增强树脂复合材料的振动响应。这说明本发明提供的镍钛合金粒子改性碳纤维增强树脂复合材料是一种效率高，高性能，低密度并同时减振效果出众的航空航天材料，有很高的应用价值。

技术特征：
1.一种添加镍钛合金粒子的减振复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)称量镍钛合金粒子，置于溶剂中，得到混合溶剂；(2)将体积分数5-10％的热塑性树脂添加入步骤(1)的混合溶剂中，使用超声方法均匀分散，采用加热式磁力搅拌的方法使溶剂挥发后得到镍钛合金粒子改性热塑性树脂复合材料；(3)用手工法对所述镍钛合金粒子改性热塑性树脂复合材料进行铺层，得到纤维增强热塑性复合材料，并用硫化机进行固化。2.根据权利要求1所述的一种添加镍钛合金粒子的减振复合材料的制备方法，其特征在于，所述镍钛合金粒子为球状，粒径为5-25um，所述球状镍钛合金粒子在热塑性树脂中分散体积比为5-10％，所述溶剂为丙酮。3.根据权利要求1所述的一种添加镍钛合金粒子的减振复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)的超声功率为500-600w，超声时间为3-4h；所述加热式磁力搅拌的温度为80-100℃，转速为300-500转/分钟，搅拌时间为2-3h至溶剂完全挥发。4.根据权利要求1所述的一种添加镍钛合金粒子的减振复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中手工铺层法为：取出大小为200*100mm的碳纤维布，在上表面加入0.5g-1g热塑性树脂，用刷子使热塑性树脂在纤维表面均匀分布，再放入下一层碳纤维，重复以上步骤。5.根据权利要求1所述的一种添加镍钛合金粒子的减振复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述的对镍钛合金粒子改性热塑性树脂复合材料进行铺层，铺设的层数为4层，角度为[0
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]。6.根据权利要求1所述的一种添加镍钛合金粒子的减振复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述固化步骤为：先预固化，保持压力为0.2-0.3mpa，升温至370-390℃；再高温固化：压力设置为5-6mpa，温度保持370-390℃，固化时间为30-50分钟，保持压力自然冷却后即得。7.一种添加镍钛合金粒子的减振复合材料，其特征在于，由镍钛合金粒子、热塑性树脂、纤维采用上述权利要求1-6中任一权利要求所述的一种添加镍钛合金粒子的减振复合材料的制备方法制得。8.根据权利要求7所述的一种添加镍钛合金粒子的减振复合材料，其特征在于，所述镍钛合金粒子为球形纳米镍钛合金粒子，所述球形纳米镍钛合金粒子的平均粒径为5-25um，所述镍钛合金粒子在热塑性树脂中分散体积比为5％-10％。9.根据权利要求7所述的一种添加镍钛合金粒子的减振复合材料，其特征在于，所述热塑性树脂为聚醚醚酮或聚酰亚胺。10.根据权利要求7所述的一种添加镍钛合金粒子的减振复合材料，其特征在于，所述纤维为碳纤维或玻璃纤维。

技术总结
本发明提供一种添加镍钛合金粒子的减振复合材料及制备方法，属于复合材料应用与制造领域。本发明利用镍钛合金的形状记忆效果以及摩擦阻尼耗散作用，从而减弱振动效应，在减振复合材中添加镍钛合金粒子，在不改变材料的形态及特征的情况下提供一定的减振效果，与传统增加阻尼层材料相比具有轻质、保持结构完整性的优点，制备方法步骤简单、无污染，以极低比例的合金粒子就可以有效减振，适合大规模生产，可以广泛的应用于航空航天领域。可以广泛的应用于航空航天领域。可以广泛的应用于航空航天领域。


技术研发人员：张业伟 曹猛 王朔 臧健 秦政琪 龚勋
受保护的技术使用者：沈阳航空航天大学
技术研发日：2023.05.17
技术公布日：2023/8/16