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新型高阻尼材料的研发

         阻尼材料能防止或减轻机械振动对部件的破坏,高聚物作为传统的阻尼材料,是利用其玻璃化转变区内的粘弹性中的粘性阻尼部分,将吸取的机械能或声能部分地转变为热能散逸掉,但其性能的进一?i提高已不太可能。因此,人们正积极探索新的阻尼材料。
        国内外研究动向
        美国宇宙工程研究中心于1991年提出在压电陶瓷上外接控制电路,将振动的机械能转变为电能再转变为热能,即通过能量来减振,这一思想引起了世人的关注。其后日本理化学研究所和东京大学教授也相继展开同样的研究,但由于其结构复杂、成本昂贵,很难实用化。1995年末,日本组织了开发新的高分子系阻尼材料的课题组。在较短的时间内,发明了一系列高阻尼新材料,其性能要高出通常的阻尼材料的好几倍。这种材料是一种有机高分子与小分子的杂化体系。1999年4月起,他们由单纯的材料开发转向基础研究。2002年4月又继续开发汽车用阻尼材料,有望于2004年在汽车上得到推广使用。与此同时,重新组织了功能性小分子分散型高分子阻尼材料课题组,主要从事住宅用减振降噪材料及系统的研发与生产。
        为满足军工的需求,国内许多研究单位也在十几年前就开始了对阻尼材料的研究,但这些研究一般都采用互穿聚合物(IPN),因其成本较高,难于大面积使用。另一方面,最近发展起来的一些生产厂家(如天津东海橡塑、无锡中策等)几乎都是外资主导,没有自主常识产权。综上所述,研发具有自主常识产权的、高阻尼新材料是很有必要的。
        新型功能性高分子材料的基础研究及其应用开发吸引了很多研究人员。其中不同性质材料的复合化特?e引人注目。任何聚合物要想成为材料,都必需添加很多填料,包括一些有机小分子物质。通常,有机小分子的添加量都很少,其作用一般只局限于使材料改性以及提高加工性能,还没有形成一种真正意义上的有机高分子与小分子的复合。最近,研究者开始了探索模仿生物材料的结构、通过氢键将各种类型的分子组装成一个巨高分子系统,工作取得了一些结果,但还没有形成完整的理论体系,离实用化尚远。
        现在提出的高分子与有机小分子的杂化概念是一种新的有机材料构筑方法。该方法通过相分离构造的动态控制和氢键的积极利用,形成极性高分子与受阻酚、受阻胺等功能性有机小分子的纳米级杂化。这种高分子与小分子的杂化材料不但具有阻尼、形状记忆、自粘接等多种功能;而且对于使用中产生的性能下降和功能丧失具有自修复特性;用完后可利用加热等手段将氢键切断实现各组分的分别回收。作为在该领域的研究成果,已发表学术论文30多篇及日美专利29项,并在日本的住宅、汽车等行业开始应用。
        研制新材料的主要技术指标和性能
        作为新材料研发的努力目标,大家提出如下技术指标:
        高阻尼型材料本身的损耗因子Tanδ>4
        宽温型Tanδ>1的温度范围为50o以上
        阻尼性能超过目前的国际先进水平1倍以上
        高分子与小分子的杂化体是集多种功能于一身的新的弹性体。可用作新型阻尼材料。高分子系阻尼材料本身不能用作构造材料,它必需粘接在作为振动体的铁板等构造材料上。因此如果阻尼材料本身就具有粘接性的话,则可省去粘接剂以及粘接工序,这是阻尼材料设计者长年的梦想。在聚丙烯酸脂橡胶和氯化聚丙烯树脂的混合物中添加受阻酚,不仅可以改善其阻尼性能,而且还显示了比常用的粘接剂好得多的粘接性。
        形状记忆材料也是最近材料开发的一个热点。形状记忆的机理都不外乎是利用分散相的微结晶的融解或玻璃化转变。由于微结晶融解的再现性较差、而玻璃化转变又是在一个温度区域内发生的,所以还很少看到高分子系形状记忆材料的问世。小分子富有相内的异种分子间的氢键的解离是固定在某个温度处发生,可以克服前2种材料的不足,故高分子与小分子的杂化体是一种很有发展前景的形状记忆材料。
        另外针对使用中因意外原因而导致材料性能下降或功能丧失,材料的自修复性也日益受到研究人员的关注。氢键连接而成的小分子富有相不光是热可逆的物理交联,也是机械可逆的物理交联。一旦塑性变形发生,因氢键的解离会导致高分子与小分子间的相互作用暂时消失,但随着时间的推移、处在橡胶态的材料会自动回复到原来的形状,最后因氢键的动态重组,高分子与小分子间又重新结合在一起、材料的原形也就被固定住。

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