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)動機相比，新能源汽車驅動電機轉速較高，可以產(chǎn)生高達700~3000Hz頻率的激勵，這就要求減振部件中的橡膠材料在高頻激勵下具有良好的振動衰減性能。橡膠材料的動剛度是其動態(tài)性能評判的依據(jù)。動剛度是指材料在動載荷下抵抗變形的能力，即引起單位振幅所需要的動態(tài)力。LEE等利用橡膠試柱在一定頻率和一定應變水平下進行動態(tài)測試，并記錄試柱在不同條件下的動態(tài)響應，來確定指定頻率和應變水平下橡膠材料的動剛度與靜剛度之比(動靜比)，并利用該動靜比預測橡膠零部件的動剛度。譚宇等研究了硫化時間、溫度和壓力對天然橡膠動剛度的影響。在此基礎上 ,杭超等通過振動臺對橡膠隔振器施加正弦掃頻激勵，研究了不同環(huán)境溫度下橡膠隔振器的動態(tài)性能。傳統(tǒng)燃油汽車橡膠隔振件中的橡膠復合材料一般選用單一炭黑(CB)填料，但是該材料對于新能源汽車的高頻振動環(huán)境下的減振效果不佳；當炭黑和碳納米管(CNTs)混合使用時，橡膠的物理性能會得到進一步提升。炭黑和CNTs可以在橡膠中形成協(xié)同網(wǎng)絡，阻礙天然橡膠分子鏈以及填料的運動，提高應力傳遞效率，這種協(xié)同效應有助于提高橡膠的高頻動態(tài)性能。

CNTs具有極高的長徑比，與橡膠間的接觸面積遠大于炭黑與橡膠間的接觸面積，二者間可以形成更多的結合膠，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對橡膠材料性能的影響，國內外很多學者進行了大量的試驗和理論研究。盧聚賢等選取CNTs、炭黑、白炭黑3種填料來制備填料/硅橡膠復合材料，發(fā)現(xiàn)對提高復合材料力學性能效果最好的填料是CNTs，且當CNTs的用量低于10份(每100質量份天然橡膠中添加的質量份，下同)時，CNTs/硅橡膠復合材料的儲能模量隨應變振幅的變化不明顯。然而，目前有關CNTs填料對橡膠材料動態(tài)性能影響的研究尚不充分，特別是在高頻振動(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合材料基礎配方中不同份數(shù)的炭黑，研究了CNTs含量對天然橡膠復合材料靜態(tài)力學性能和高頻動態(tài)性能的影響，討論了復合材料靜態(tài)力學性能與動態(tài)性能間的聯(lián)系，以期為橡膠高頻特性及橡膠減振技術的研究提供試驗參考。

1、  試樣制備與試驗方法

1. 1  試樣制備

試驗原料：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)、促進劑(TMTD-80)、促進劑(TBBS-80)、促進劑(MBTS- 75)、防焦劑(CTP-80)，均為市售工業(yè)級。按表1的試驗基礎配方進行配料，在制備過程中用0.5份CNTs分別替換基礎配方中0(基礎配方，未用CNTs替換碳黑)，2，4，6，8份炭黑。

表 1  試驗基礎配方

試驗材料的制備流程如下：將原料在 XSM-500型密煉機中進行密煉，溫度為70℃，轉速為70r·min-1，時間為10min；在S(X)K-160型開煉機上進行混煉，打三角包薄通10次出片，得到混煉膠；將混煉膠放入對應模具中，在XLB-D350×350×2型平板硫化機中進行硫化，硫化溫度為160℃，硫化時間為10min。制備靜態(tài)力學性能試樣和動態(tài)性能試樣，試樣的尺寸如圖1所示。動態(tài)性能試樣為橡膠金屬件，其中間部分為天然橡膠復合材料，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  試驗方法

將制得的復合材料試樣在液氮下進行冷凍硬脆，然后用超薄切片機將試樣切成納米級薄片置于銅網(wǎng)上，采用JEM-2100型透射電子顯微鏡(TEM)觀察復合材料的微觀形貌，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機對硫化后的靜態(tài)力學性能試樣進行拉伸強度、斷裂伸長率以及100%定伸應力測試，測5次取平均值，靜態(tài)力學性能測試時的加載手段為拉伸，拉伸速度為200mm·min-1，位移峰值為300mm，載荷峰值為46N。采用自行設計并搭建的動態(tài)性能試驗臺進行動態(tài)性能測試，結構如圖2所示，該試驗臺由試樣工裝、KSI-758ST型激振系統(tǒng)、VT-9008型振動控制器、KSI-108A050型加速度傳感器和支架等組成。測試時在≈方向上對試樣預加載100N，并通過推力桿對試樣施加正弦掃頻激勵。推力桿穿過下固定板的孔與試樣固接，振動臺通過推力桿將激勵傳遞到橡膠金屬件上。頻率激勵范圍為50~3000Hz，最大激勵加速度為2g。通過輸入的力信號和輸出加速度信號來分析試樣的動態(tài)性能。每個試樣進行3次正弦信號掃頻測試。

測試系統(tǒng)存在固有頻率，在固有頻率下系統(tǒng)在掃頻激勵時會發(fā)生共振，對后續(xù)測試信號分析產(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行對比，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應頻率的振動響應衰減，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。在測試時將這些頻率范圍的信號去除。

將試驗中采集的加速度輸入與輸出信號通過軟件信號處理后可以獲得動態(tài)性能試樣在高頻時的模態(tài)參數(shù)，即得到各橡膠金屬件在1000~3000Hz之間加速度響應時域信號，以及各橡膠金屬件的固有模態(tài)。將動態(tài)試驗臺傳感器得到的響應加速度時域信號進行快速傅里葉變換轉變?yōu)轭l域信號，傅里葉變換的計算公式為

式中：a(n)為長度為M的有限長序列，即轉換前的時域信號，n取0,… ,N-1;N為快速傅里葉變換區(qū)間長度，N≥M;A(k)為響應加速度時域信號經(jīng)傅里葉變換后的頻域信號；k為頻率；WN為N次方根的復數(shù)單位。

通過信號處理分析可以得到動態(tài)測試時的加速度頻域信號，與試樣的質量m相乘即可計算出試樣在頻率k處受到的動載荷F，公式為

將測試得到的響應位移時域信號經(jīng)過傅里葉變換轉化為頻域信號X(k)，具體變換過程為

式中:x(n)為長度為M的有限長序列，即轉換前的位移時域信號；X(k)為響應位移時域信號經(jīng)傅里葉變換后的頻域信號。

動剛度Kd的計算公式為

2、  試驗結果與討論

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合材料。由圖 3可以看出，復合材料由線條狀CNTs、黑色團塊狀炭黑以及橡膠基體組成，同時CNTs在復合材料中分布較為均勻，說明制備效果較好。

2. 2  靜態(tài)力學特性

由圖4可見，隨著CNTs替換炭黑份數(shù)的增加，復合材料的硬度降低，這表明炭黑的減少會降低復合材料硬度。隨著CNTs替換炭黑份數(shù)的增加，拉伸強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%定伸應力先增后降，用0.5份CNTs替換2份炭黑后的拉伸強度最大，比未用CNTs替換炭黑的拉伸強度提升了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%定伸應力最大，比未用CNTs替換炭黑的100%定伸應力提升了8.47%。綜上，以CNTs替換適量炭黑可以使復合材料的靜態(tài)力學性能提升。

2. 3   高頻動態(tài)性能

由圖5可以發(fā)現(xiàn)，用0.5份CNTs替換不同份數(shù)炭黑后復合材料的響應加速度在大于 2000Hz的高頻下比未用CNTs替換炭黑的復合材料低，且用0.5份CNTs替換2份炭黑的復合材料的降低幅度最大。響應加速度降低幅度越大，說明復合材料在高頻振動下的阻尼性能越好，越能夠有效地吸收和耗散振動能量，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，復合材料動剛度均方根呈先減后增的趨勢 ,用0.5份CNTs替換2份炭黑后復合材料的動剛度均方根最小，比未用CNTs替換炭黑的復合材料動剛度均方根降低了12.94%，表明此時天然橡膠復合材料具有最好的高頻動態(tài)性能。可以看出，適量的CNTs與炭黑共混可以提升復合材料的高頻動態(tài)性能。

綜上，用0.5份CNTs替換2份炭黑后天然橡膠復合材料的拉伸強度、100%定伸應力及高頻動態(tài)性能均最佳，這表明拉伸強度和100%定伸應力與高頻動態(tài)性能存在一定的正相關關系，而斷裂伸長率和硬度與高頻動態(tài)性能的相關度不顯著。影響橡膠材料動態(tài)性能的主要因素包括填料微粒尺寸、填料分散程度、填料與聚合物結合的緊密程度、填料自身的力學性能等。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)狀結構，使得外力更容易在橡膠基體中分散，從而提高天然橡膠復合材料的動態(tài)性能。

3、  結  論

(1)隨著CNTs替換炭黑份數(shù)的增加，天然橡膠復合材料的硬度降低，拉伸強度先升后降再升，斷裂伸長率先降再增，100%定伸應力先增后降；用0.5份CNTs替換2份炭黑后復合材料的綜合靜態(tài)力學性能最佳，此時拉伸強度和100%定伸應力均最大，分別比未用CNTs替換炭黑的復合材料提升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份炭黑后的復合材料動剛度均方根最小，比未用CNTs替換炭黑的復合材料動剛度均方根降低了12.94%，此時天然橡膠復合材料具有最好的高頻動態(tài)性能。

(3)用0.5份CNTs替換2份炭黑后天然橡膠復合材料的拉伸強度和100%定伸應力與高頻動態(tài)性能正相關，斷裂伸長率和硬度與高頻動態(tài)性能的相關度不顯著。

作者：

翁 爽1,陸偉強2,任 睿1,沈東明2,黃海波1 

工作單位：

1.寧波大學機械工程與力學學院

2.寧波拓普集團股份有限公司

來源：《機械工程材料》2024年3期