石墨填充阻尼硅橡膠材料的動態力學性能研究

涂春潮，郭瑞毅，余貝貝，王大東，胡鵬飛，任玉柱

（1.北京航空材料研究院，北京 100095；2.北京航空材料研究院股份有限公司，北京 100095）

硅橡膠是線形高聚合度的聚有機硅氧烷彈性體[1]。硅橡膠的性能主要由分子結構決定，一般在－60～200 ℃范圍內保持穩定。在硅橡膠側鏈中引入大體積基團如苯基基團等可以賦予硅橡膠良好的阻尼性能[2]。阻尼硅橡膠是一類重要的、適合在寬溫域范圍內使用的功能材料，在航空航天、兵器、船舶以及工業裝備的阻尼減振領域有著廣闊的應用前景。

利用橡膠型彈性體阻尼材料制成的具有一定幾何形狀的橡膠減振墊，用以對關鍵結構件和電子設備等進行減振和隔振，這是阻尼減振領域的常用手段[3]。在振動尤其是大量級振動環境下，橡膠減振墊與安裝基體之間的摩擦導致的橡膠磨損是橡膠減振墊的主要破壞形式。阻尼硅橡膠減振墊在特種裝備領域廣泛應用，但由于阻尼硅橡膠材料的摩擦因數較大、力學強度較低，大幅縮短了阻尼硅橡膠減振墊的使用壽命[4-8]。

石墨具有獨特的化學特性和自潤滑性，在橡膠材料（如氟橡膠材料和丁腈橡膠材料）中填充石墨可以有效地改善其摩擦磨損性能[9-12]，其應用集中在密封尤其是動密封領域。目前，對減振領域內橡膠材料的減摩研究極少有報道，本工作利用石墨填充阻尼硅橡膠材料，對石墨/阻尼硅橡膠復合材料的物理和動態力學性能進行研究，以期對耐磨損阻尼硅橡膠材料研制提供技術支撐。

1 實驗

1.1 原材料

SE2155阻尼硅橡膠（含白炭黑的混煉膠），北京航空材料研究院產品；石墨，上海華誼集團華原化工有限公司產品；過氧化物BIPB，市售品。

1.2 配方

SE2155阻尼硅橡膠（以凈硅橡膠計） 100，石墨 變量，過氧化物BIPB 0.6。

1#—6#配方的石墨用量分別為0，2，5，10，15和20份。

1.3 主要設備和儀器

XK160型（Φ160 mm×320 mm）開煉機，廣東湛江機械制造有限公司產品；TYC-V-7-3RT-2-S-PCD型平板硫化機，東毓（寧波）油壓工業有限公司產品；LX-A型橡膠硬度計，上海市輕工業局標準計量管理所試驗工廠產品；T2000E型電子拉力機，北京友深電子儀器有限公司產品；RPA2000橡膠加工分析儀，美國阿爾法科技有限公司產品。

1.4 試樣制備

在開煉機上將SE2155阻尼硅橡膠塑煉后依次加入石墨和過氧化物BIPB，膠料混煉至均勻，下片待用。

混煉膠在平板硫化機上硫化，硫化條件為170℃×t90。

1.5 性能測試

1.5.1 硫化特性

混煉膠的硫化特性按照GB/T 16584—1996《橡膠 用無轉子硫化儀測定硫化特性》進行測試。

1.5.2 物理性能

硫化膠的邵爾A型硬度按照GB/T 531.1—2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠 壓入硬度試驗方法第1部分：邵氏硬度計法（邵爾硬度）》進行測試；硫化膠的拉伸性能按照GB/T 528—2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠 拉伸應力應變性能的測定》進行測試；硫化膠的撕裂強度按照GB/T 529—2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠撕裂強度的測定（褲形、直角形和新月形試樣）》進行測試。

1.5.3 動態力學性能

膠料的動態力學性能采用RPA2000橡膠加工分析儀進行測試[13]：

（1）混煉膠的頻率掃描測試條件為溫度 100℃，應變 7%，頻率 0.5～30 Hz；

（2）硫化膠的溫度掃描測試條件為應變 7%，頻率 10 Hz，溫度 40～120 ℃；

（3）硫化膠的頻率掃描測試條件為溫度 40℃，應變 7%，頻率 0.5～30 Hz；

（4）硫化膠的應變掃描測試條件為溫度 40℃，頻率 10 Hz，應變 1%～20%。

2 結果與討論

2.1 硫化特性

石墨/SE2155阻尼硅橡膠混煉膠的硫化特性（170 ℃）如表1所示。

表1 石墨/SE2155阻尼硅橡膠混煉膠的硫化特性Tab.1 Vulcanization characteristics of graphite/SE2155 damping silicone rubber compounds

從表1可以看出，隨著石墨用量的增大，石墨/SE2155阻尼硅橡膠混煉膠的FL和Fmax呈增大趨勢，t10和t90呈縮短趨勢，說明石墨可以改善SE2155阻尼硅橡膠材料的物理性能，縮短SE2155阻尼硅橡膠材料的硫化時間，但混煉膠的加工性能隨著石墨用量的增大呈變差趨勢。

2.2 物理性能

石墨/SE2155阻尼硅橡膠硫化膠的物理性能如表2所示。

表2 石墨/SE2155阻尼硅橡膠硫化膠的物理性能Tab.2 Physical properties of graphite/SE2155 damping silicone rubber vulanizates

從表2可以看出，隨著石墨用量的增大，石墨/SE2155阻尼硅橡膠硫化膠的邵爾A型硬度逐漸增大，拉伸強度先增大后減小，拉斷伸長率和撕裂強度呈減小趨勢。綜合來看，石墨用量為5份時，石墨/SE2155阻尼硅橡膠硫化膠的物理性能較優。

2.3 動態力學性能

2.3.1 混煉膠的頻率掃描

石墨/SE2155阻尼硅橡膠混煉膠的儲能模量（G′）和剪切模量（G″）隨頻率變化的曲線分別如圖1和2所示。

從圖1和2可以看出，石墨/SE2155阻尼硅橡膠混煉膠的G′和G″均隨著掃描頻率的增大而逐漸增大，且隨著石墨用量的增大，G′和G″逐漸增大。

石墨/SE2155阻尼硅橡膠混煉膠的損耗因子（tanδ）隨頻率變化的曲線如圖3所示。

混煉膠中填料的分散性越好且與橡膠結合量越多，相應的tanδ越大，因此tanδ能表征混煉膠填料分散性的優劣[14]。從圖3可以看出，石墨/SE2155阻尼硅橡膠混煉膠的tanδ隨著頻率的增大而減小，說明石墨的加入破壞了白炭黑在SE2155阻尼硅橡膠中原有的聚集網絡狀態，造成填料在膠料中的分散性降低。不同用量的石墨加入SE2155阻尼硅橡膠材料后，不同頻率下混煉膠的損耗性能無明顯區別，說明石墨極易分散于阻尼硅橡膠材料中。

2.3.2 硫化膠的溫度掃描

石墨/SE2155阻尼硅橡膠硫化膠的G′和tanδ隨溫度變化的曲線分別如圖4和5所示。

從圖4可以看出，在40～120 ℃范圍內，石墨/SE2155阻尼硅橡膠硫化膠的G′隨著溫度的升高而減小，這是由于隨著溫度的升高，橡膠分子熱運動越來越劇烈，硫化膠克服橡膠大分子間作用力的能力越來越強，導致其G′呈下降趨勢[15]。隨著石墨用量的增大，石墨/SE2155阻尼硅橡膠硫化膠的G′逐漸增大，這是由于石墨與SE2155阻尼硅橡膠中原有白炭黑起到了協同補強作用的緣故。

從圖5可以看出，石墨/SE2155阻尼硅橡膠硫化膠的tanδ隨著溫度升高而逐漸減小，石墨加入基本不影響SE2155阻尼硅橡膠材料的阻尼性能隨溫度變化的趨勢。石墨用量為2～15份時，由于石墨本身的潤滑特性導致SE2155阻尼硅橡膠材料的阻尼性能降低；石墨用量達到20份后，常溫段（40～60 ℃）時石墨/SE2155阻尼硅橡膠硫化膠的阻尼性能低于SE2155阻尼硅橡膠硫化膠，而高溫段（80～120 ℃）時則高于SE2155阻尼硅橡膠硫化膠。這是由于在低溫段，石墨的潤滑特性降低，SE2155阻尼硅橡膠對硫化膠的阻尼起主導作用；而在高溫段，石墨之間的摩擦增加，石墨對硫化膠的阻尼起主導作用。

2.3.3 硫化膠的頻率掃描

石墨/SE2155阻尼硅橡膠硫化膠的G′和tanδ隨頻率變化的曲線分別如圖6和7所示。

對于橡膠材料來說，增大頻率相當于降低溫度。從圖6和7可以看出，石墨/SE2155阻尼硅橡膠硫化膠的G′和tanδ隨著頻率的增大而逐漸增大。隨著石墨用量的增大，石墨/SE2155阻尼硅橡膠硫化膠的G′呈現先增大后減小的趨勢，阻尼性能呈現先降低后升高的趨勢。這是由于石墨不僅有補強作用，而且可提高SE2155阻尼硅橡膠材料的交聯密度。石墨的潤滑特性造成少量石墨會降低SE2155阻尼硅橡膠材料的阻尼性能，但石墨之間的摩擦以及硫化膠的交聯密度升高會造成空間位阻的增大，使得SE2155阻尼硅橡膠材料的阻尼性能隨著石墨用量的增大而升高。

2.3.4 硫化膠的應變掃描

石墨/SE2155阻尼硅橡膠硫化膠的G′和tanδ隨應變變化的曲線分別如圖8和9所示。

從圖8可以看出，石墨用量較小時，石墨/SE2155阻尼硅橡膠硫化膠的G′較小，石墨用量較大時，隨著石墨用量的增大，石墨/SE2155阻尼硅橡膠硫化膠的G′先增大后減小。

從圖9可以看出：石墨用量較小時，石墨/SE2155阻尼硅橡膠硫化膠的阻尼性能較高；石墨用量較大時，隨著石墨用量的增大，石墨/SE2155阻尼硅橡膠硫化膠的阻尼性能先降低后升高。

3 結論

通過開煉方式在SE2155阻尼硅橡膠材料中填充石墨，隨著石墨用量的增大，石墨/SE2155阻尼硅橡膠混煉膠的加工性能變差，硫化膠的拉伸強度先增大后減小，在石墨用量為10份時，硫化膠的拉伸強度達到9.2 MPa；石墨用量為5份時，石墨/SE2155阻尼硅橡膠材料硫化膠的綜合性能較優；石墨用量為20份以內時，石墨的加入不改變SE2155阻尼硅橡膠材料的模量及阻尼特性隨溫度、頻率及應變變化的趨勢。