近几年，新能源汽车保有量呈现增长趋势，与传统燃油车发动机相比，新能源汽车驱动电机转速较高，可以产生高达700~3000Hz频率的激励，这就要求减振部件中的橡胶材料在高频激励下具有良好的振动衰减性能。橡胶材料的动刚度是其动态性能评判的依据。动刚度是指材料在动载荷下抵抗变形的能力，即引起单位振幅所需要的动态力。LEE等利用橡胶试柱在一定频率和一定应变水平下进行动态测试，并记录试柱在不同条件下的动态响应，来确定指定频率和应变水平下橡胶材料的动刚度与静刚度之比(动静比)，并利用该动静比预测橡胶零部件的动刚度。谭宇等研究了硫化时间、温度和压力对天然橡胶动刚度的影响。在此基础上 ,杭超等通过振动台对橡胶隔振器施加正弦扫频激励，研究了不同环境温度下橡胶隔振器的动态性能。传统燃油汽车橡胶隔振件中的橡胶复合材料一般选用单一炭黑(CB)填料，但是该材料对于新能源汽车的高频振动环境下的减振效果不佳；当炭黑和碳纳米管(CNTs)混合使用时，橡胶的物理性能会得到进一步提升。炭黑和CNTs可以在橡胶中形成协同网络，阻碍天然橡胶分子链以及填料的运动，提高应力传递效率，这种协同效应有助于提高橡胶的高频动态性能。

 

CNTs具有极高的长径比，与橡胶间的接触面积远大于炭黑与橡胶间的接触面积，二者间可以形成更多的结合胶，填料的有效体积也随之增加，添加了CNTs的橡胶材料可以表现出更好的性能。为了研究CNTs对橡胶材料性能的影响，国内外很多学者进行了大量的试验和理论研究。卢聚贤等选取CNTs、炭黑、白炭黑3种填料来制备填料/硅橡胶复合材料，发现对提高复合材料力学性能效果最好的填料是CNTs，且当CNTs的用量低于10份(每100质量份天然橡胶中添加的质量份，下同)时，CNTs/硅橡胶复合材料的储能模量随应变振幅的变化不明显。然而，目前有关CNTs填料对橡胶材料动态性能影响的研究尚不充分，特别是在高频振动(1000~3000Hz)范围下的研究更少。为此，作者用0.5份CNTs分别替换天然橡胶复合材料基础配方中不同份数的炭黑，研究了CNTs含量对天然橡胶复合材料静态力学性能和高频动态性能的影响，讨论了复合材料静态力学性能与动态性能间的联系，以期为橡胶高频特性及橡胶减振技术的研究提供试验参考。

 

1、  试样制备与试验方法

 

1. 1  试样制备

 

试验原料：GT-300型CNTs，纯度大于 98%，直径大于50nm，长度在10~20μm，壁数为5~10层，常州稚田新材料科技有限公司提供；越南SVR3L天然橡胶，东莞顺捷塑胶科技有限公司提供；N774炭黑，上海京华化工厂有限公司提供；硬脂酸，上海制皂有限公司提供；硫(S-80)、氧化锌ZnO、防老剂(4020)~防老剂(3100)、微晶蜡 (9332F)、促进剂(TMTD-80)、促进剂(TBBS-80)、促进剂(MBTS- 75)、防焦剂(CTP-80)，均为市售工业级。按表1的试验基础配方进行配料，在制备过程中用0.5份CNTs分别替换基础配方中0(基础配方，未用CNTs替换碳黑)，2，4，6，8份炭黑。

 

表 1  试验基础配方

试验材料的制备流程如下：将原料在 XSM-500型密炼机中进行密炼，温度为70℃，转速为70r·min-1，时间为10min；在S(X)K-160型开炼机上进行混炼，打三角包薄通10次出片，得到混炼胶；将混炼胶放入对应模具中，在XLB-D350×350×2型平板硫化机中进行硫化，硫化温度为160℃，硫化时间为10min。制备静态力学性能试样和动态性能试样，试样的尺寸如图1所示。动态性能试样为橡胶金属件，其中间部分为天然橡胶复合材料，上下金属板为铝板，在硫化过程中完成金属与橡胶的黏合。

1. 2  试验方法

 

将制得的复合材料试样在液氮下进行冷冻硬脆，然后用超薄切片机将试样切成纳米级薄片置于铜网上，采用JEM-2100型透射电子显微镜(TEM)观察复合材料的微观形貌，测试电压为200kV。按照GB/T531.1-2008，采用邵氏硬度计A测定试样的硬度。分别按照GB/T528-2009和GB/T529-2008，采用Instron5966型小型电子万能试验机对硫化后的静态力学性能试样进行拉伸强度、断裂伸长率以及100%定伸应力测试，测5次取平均值，静态力学性能测试时的加载手段为拉伸，拉伸速度为200mm·min-1，位移峰值为300mm，载荷峰值为46N。采用自行设计并搭建的动态性能试验台进行动态性能测试，结构如图2所示，该试验台由试样工装、KSI-758ST型激振系统、VT-9008型振动控制器、KSI-108A050型加速度传感器和支架等组成。测试时在≈方向上对试样预加载100N，并通过推力杆对试样施加正弦扫频激励。推力杆穿过下固定板的孔与试样固接，振动台通过推力杆将激励传递到橡胶金属件上。频率激励范围为50~3000Hz，最大激励加速度为2g。通过输入的力信号和输出加速度信号来分析试样的动态性能。每个试样进行3次正弦信号扫频测试。

测试系统存在固有频率，在固有频率下系统在扫频激励时会发生共振，对后续测试信号分析产生干扰，在测试前需排除干扰。首先将推力杆向上延长至工装系统中橡胶金属件的上夹板，然后将输出加速度传感器固定放置在上夹板上，输入传感器位置不变，最后将工装系统中上夹板与下固定板夹紧进行扫频测试，得到其固有频率。将测试系统的固有频率与加入橡胶金属件后的固有频率进行对比，发现测试系统 的加速度在100~490Hz，650~800 Hz，1900~1950Hz频率范围出现峰值，但在加入橡胶金属件后对应频率的振动响应衰减，且峰值并未去除，说明测试系统的固有频率主要为上述频率。在测试时将这些频率范围的信号去除。

 

将试验中采集的加速度输入与输出信号通过软件信号处理后可以获得动态性能试样在高频时的模态参数，即得到各橡胶金属件在1000~3000Hz之间加速度响应时域信号，以及各橡胶金属件的固有模态。将动态试验台传感器得到的响应加速度时域信号进行快速傅里叶变换转变为频域信号，傅里叶变换的计算公式为

 

式中：a(n)为长度为M的有限长序列，即转换前的时域信号，n取0,… ,N-1;N为快速傅里叶变换区间长度，N≥M;A(k)为响应加速度时域信号经傅里叶变换后的频域信号；k为频率；WN为N次方根的复数单位。

 

通过信号处理分析可以得到动态测试时的加速度频域信号，与试样的质量m相乘即可计算出试样在频率k处受到的动载荷F，公式为

 

将测试得到的响应位移时域信号经过傅里叶变换转化为频域信号X(k)，具体变换过程为

 

式中:x(n)为长度为M的有限长序列，即转换前的位移时域信号；X(k)为响应位移时域信号经傅里叶变换后的频域信号。

 

动刚度Kd的计算公式为

 

 

 

 

2、  试验结果与讨论

 

2. 1  微观形貌

 

0.5份CNTs替换不同份数炭黑制备的天然橡胶复合材料微观形貌相似，所以仅观察0.5份CNTs替换2份炭黑的天然橡胶复合材料。由图 3可以看出，复合材料由线条状CNTs、黑色团块状炭黑以及橡胶基体组成，同时CNTs在复合材料中分布较为均匀，说明制备效果较好。

 

2. 2  静态力学特性

 

由图4可见，随着CNTs替换炭黑份数的增加，复合材料的硬度降低，这表明炭黑的减少会降低复合材料硬度。随着CNTs替换炭黑份数的增加，拉伸强度呈先增后降再增的趋势，断裂伸长率呈先降后增的趋势，100%定伸应力先增后降，用0.5份CNTs替换2份炭黑后的拉伸强度最大，比未用CNTs替换炭黑的拉伸强度提升了13.52%，断裂伸长率最小，比未用CNTs替换炭黑的断裂伸长率降低了4.79%，100%定伸应力最大，比未用CNTs替换炭黑的100%定伸应力提升了8.47%。综上，以CNTs替换适量炭黑可以使复合材料的静态力学性能提升。

 

2. 3   高频动态性能

 

由图5可以发现，用0.5份CNTs替换不同份数炭黑后复合材料的响应加速度在大于 2000Hz的高频下比未用CNTs替换炭黑的复合材料低，且用0.5份CNTs替换2份炭黑的复合材料的降低幅度最大。响应加速度降低幅度越大，说明复合材料在高频振动下的阻尼性能越好，越能够有效地吸收和耗散振动能量，从而起到良好的减振作用。

 

由图6可见，随着CNTs替换炭黑份数的增加，复合材料动刚度均方根呈先减后增的趋势 ,用0.5份CNTs替换2份炭黑后复合材料的动刚度均方根最小，比未用CNTs替换炭黑的复合材料动刚度均方根降低了12.94%，表明此时天然橡胶复合材料具有最好的高频动态性能。可以看出，适量的CNTs与炭黑共混可以提升复合材料的高频动态性能。

 

综上，用0.5份CNTs替换2份炭黑后天然橡胶复合材料的拉伸强度、100%定伸应力及高频动态性能均最佳，这表明拉伸强度和100%定伸应力与高频动态性能存在一定的正相关关系，而断裂伸长率和硬度与高频动态性能的相关度不显著。影响橡胶材料动态性能的主要因素包括填料微粒尺寸、填料分散程度、填料与聚合物结合的紧密程度、填料自身的力学性能等。适量的CNTs填料可以使CNTs与橡胶分子交联形成紧密的三维网状结构，使得外力更容易在橡胶基体中分散，从而提高天然橡胶复合材料的动态性能。

 

3、  结  论

 

(1)随着CNTs替换炭黑份数的增加，天然橡胶复合材料的硬度降低，拉伸强度先升后降再升，断裂伸长率先降再增，100%定伸应力先增后降；用0.5份CNTs替换2份炭黑后复合材料的综合静态力学性能最佳，此时拉伸强度和100%定伸应力均最大，分别比未用CNTs替换炭黑的复合材料提升13.52%和8.47%。

 

(2)随着CNTs替换炭黑份数的增加，动刚度均方根呈先减后增的趋势，用0.5份CNTs替换2份炭黑后的复合材料动刚度均方根最小，比未用CNTs替换炭黑的复合材料动刚度均方根降低了12.94%，此时天然橡胶复合材料具有最好的高频动态性能。

 

(3)用0.5份CNTs替换2份炭黑后天然橡胶复合材料的拉伸强度和100%定伸应力与高频动态性能正相关，断裂伸长率和硬度与高频动态性能的相关度不显著。

 

作者：

 

翁 爽1,陆伟强2,任 睿1,沈东明2,黄海波1 

 

工作单位：

 

1.宁波大学机械工程与力学学院

 

2.宁波拓普集团股份有限公司

 

来源：《机械工程材料》2024年3期

 

来源：机械工程材料

关键词： 碳纳米管 天然橡胶复合材料