專利名稱：改性二氧化硅分子篩基納米通道阻尼片及其阻尼器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種改性二氧化硅分子篩基納米通道阻尼片及其阻尼器。
背景技術(shù)：
納米流體作為一種均勻、穩(wěn)定、高導(dǎo)熱的新型換熱介質(zhì)最先應(yīng)用于強(qiáng)化傳熱領(lǐng)域。隨著對納米流體性能研究的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)該材料可廣泛應(yīng)用于微納米加工制造、生物醫(yī)學(xué)、熱電傳導(dǎo)、智能催化與吸收等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的納米流體材料一般是由某些納米尺度功能介質(zhì)和具備某些特殊物理、化學(xué)性質(zhì)的液體混合而成。Qiao等人發(fā)現(xiàn)了水分子進(jìn)入表面處理后的介孔材料時需要克服極強(qiáng)的界面張力 及分子間力，并對二氧化硅氣凝膠、MCM-41、介孔碳顆粒等與水組成的納米流體進(jìn)行了材料的耗能能力研究。Duiardin等人實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了表面張力小于130-170mN/m的液體常壓下都能自動浸潤碳納米管并自動進(jìn)入碳納米管孔道中。而Striolo等人采用蒙特卡羅分子模擬法研究了單壁碳納米管在248-548K溫度范圍內(nèi)吸收水分子的能力，研究結(jié)果卻表明水分子不能自動進(jìn)入碳納米管內(nèi)，除非外界壓強(qiáng)達(dá)到一個閥值。Naguib等人采用透射電子顯微鏡(TEM)對水分子在碳管內(nèi)的運(yùn)動及分布進(jìn)行了直接觀測。他們發(fā)現(xiàn)相比于宏觀水分子的流動性質(zhì)，水分子在碳管內(nèi)的流動受到了很大的約束，這一發(fā)現(xiàn)與目前許多理論分析結(jié)果不同。通過國內(nèi)外學(xué)者的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究可知，流體在納米尺度范圍內(nèi)的運(yùn)動規(guī)律及能量轉(zhuǎn)化關(guān)系還沒有徹底研究清楚，而且國內(nèi)外對流體在復(fù)雜納米通道內(nèi)運(yùn)動的研究和應(yīng)用還十分匱乏。本發(fā)明采用將表面疏液功能化的MCM-48分子篩與雙酚A環(huán)氧樹脂在高溫高壓下形成納米孔復(fù)合材料，通過迫使液體在復(fù)合材料納米孔道中往返連續(xù)流動，成功制備出了一種新型納米流體耗能材料。該材料通過液體在納米孔道中運(yùn)動時需要克服很強(qiáng)的固——液界面張力和液體分子間力，有效的耗散了外界輸入的機(jī)械能，而且材料成本低，質(zhì)量輕，體積小，是一種性能優(yōu)良的耗能材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明專利涉及一種改性二氧化硅分子篩基納米通道阻尼片及其阻尼器。發(fā)明采用的方法如下一種改性二氧化硅分子篩基納米通道阻尼片的制備方法，按如下步驟進(jìn)行I)將具有3-5nm孔徑及兩套相互獨(dú)立的三維螺旋孔道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的MCM-48材料，真空100°C干燥24h后，與無水甲苯混合均勻，并迅速加入三甲基氯硅烷，其中MCM-48材料、無水甲苯和三甲基氯硅烷的固液比為2g 50mL 5mL，然后將混合液磁力攪拌并90°C油浴加熱回流24h ;回流完畢后將溶液分別用甲苯和蒸餾水反復(fù)沖洗過濾直至MCM-48pH值為中性后100°C真空干燥12h ；
2)將表面接枝三甲基硅烷的MCM-48、雙酚A環(huán)氧樹脂和芳香族多胺型高溫固化劑加入到丙酮內(nèi)，表面接枝三甲基硅烷的MCM-48:雙酚A環(huán)氧樹脂芳香族多胺型高溫固化齊L1:丙酮的固液比為Ig :1g : 0. 25g 50mL ;常溫下磁力攪拌溶液使其混合均勻；由于丙酮的不斷揮發(fā)，溶液最終變成黏稠狀；將黏稠物放入圓柱形模具內(nèi)在IOMPa壓強(qiáng)作用下，80°C固化2h，然后在120°C固化2h，最后將固化成型的阻尼塊體分別從兩頭往中間打磨成5mm厚的圓形薄片。本發(fā)明還具有如下技術(shù)特點(diǎn)1、按如上方法制備的一種改性二氧化硅分子篩基納米通道阻尼片。2、一種的高動態(tài)液壓密封阻尼器，包括上缸體、下缸體和兩個連接鋼管，并且還包括如上所述一種改性二氧化硅分子篩基納米通道阻尼片，上缸體內(nèi)部固定有改性二氧化硅分子篩基納米通道阻尼片；下缸體為雙出活塞缸，下缸體分別通過兩個連接鋼管與上缸體的兩端連接并采用高壓氟橡膠密封圈密封，上、下缸體和兩個連接鋼管內(nèi)部有乙二醇；工作壓強(qiáng)最大可至60MPa ;通過對雙出活塞缸的活塞桿施加拉、壓力，能夠使乙二醇在阻尼片中 的納米孔道內(nèi)連續(xù)往返運(yùn)動。3、所述的乙二醇或?yàn)榕c改性二氧化硅分子篩基納米通道阻尼片的表面的接觸角大于100°的液體。本發(fā)明研制的二氧化硅分子篩基納米流體阻尼器具備體積小、質(zhì)量輕、能量能力強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)，可作為新一代的被動耗能阻尼器用于軍事、航空航天、工程機(jī)械及土木工程等領(lǐng)域的振動控制。


圖1 二氧化硅分子篩基納米流體阻尼器耗能曲線圖，其中(a)加載頻率為0.1Hz滯回曲線；(b)加載頻率為0. 5Hz滯回曲線；(c)加載頻率為IHz滯回曲線；圖2 二氧化硅分子篩基納米孔復(fù)合材料SEM圖；其中(a) IOum下復(fù)合材料照片；(b) I 下復(fù)合材料照片；圖3高動態(tài)液壓密封阻尼器結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方案下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明專利做更詳細(xì)地描述實(shí)施例1結(jié)合圖1，本發(fā)明涉及的納米流體阻尼材料是由表面接枝三甲基硅烷的MCM-48 二氧化硅分子篩與環(huán)氧樹脂在高溫高壓下，形成內(nèi)部具有許多貫通納米通道的復(fù)合材料，并與極性高表面張力液體乙二醇配套組成。該納米孔復(fù)合材料內(nèi)部納米通道的有效率及分子篩與環(huán)氧樹脂的粘接情況直接決定了該阻尼材料的耗能能力。該納米孔阻尼材料的制備主要分為兩個步驟1、將2g具有3_5nm孔徑及兩套相互獨(dú)立的三維螺旋孔道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的MCM-48材料真空100°C干燥24h后，與50mL無水甲苯在500mL圓底燒瓶中混合均勻，迅速加入5mL三甲基氯硅烷后將混合液磁力攪拌并90°C油浴加熱回流24h?；亓魍戤吅髮⑷芤悍謩e用甲苯和蒸餾水反復(fù)沖洗過濾直至MCM-48pH值為中性后100°C真空干燥12h。
2、將Ig表面接枝三甲基硅烷的MCM-48與Ig雙酚A環(huán)氧樹脂和0. 25g芳香族多胺型高溫固化劑，加入到50mL丙酮內(nèi)。常溫下磁力攪拌溶液使其混合均勻。由于丙酮的不斷揮發(fā)，溶液最終變成黏稠狀。將黏稠物放入圓柱形模具內(nèi)在IOMPa壓強(qiáng)作用下，80°C固化2h, 120°C固化2h。最后將固化成型的阻尼塊體分別從兩頭往中間打磨成5mm圓形薄片。3、一種的高動態(tài)液壓密封阻尼器，包括上缸體1、下缸體2和兩個連接鋼管5，并且還包括如上所述一種改性二氧化硅分子篩基納米通道阻尼片3，上缸體I內(nèi)部固定有改性二氧化硅分子篩基納米通道阻尼片3 ;下缸體2為雙出活塞缸，下缸體2分別通過兩個連接鋼管5與上缸體I的兩端連接并采用高壓氟橡膠密封圈密封，上、下缸體1. 2和兩個連接鋼管5內(nèi)部裝有乙二醇4 ;工作壓強(qiáng)最大可至60MPa ;通過對雙出活塞缸的活塞桿6施加拉力或壓力，能夠使乙二醇4在阻尼片3中的 納米孔道內(nèi)連續(xù)往返運(yùn)動。組成納米流體耗能材料的液體必須滿足與處理后的MCM-48不能相互浸潤，可采用測量液體在處理后的MCM-48表面的接觸角大于100°的方法。本專利經(jīng)試驗(yàn)證明乙二醇等極性高表面張力液體均可與接枝三甲基硅烷的MCM-48粉末形成大于100°的接觸角，固液不能相互浸潤，與改性二氧化硅分子篩基納米通道阻尼塊組成具有耗能能力的納米流體阻尼材料。實(shí)施例2為了測試該納米流體阻尼器的耗能能力，將制備出的二氧化硅分子篩基納米孔復(fù)合材料固定于阻尼外殼上部腔體內(nèi)，采用液壓槍將乙二醇液體注入到下部活塞腔體內(nèi)，并盡力排除阻尼器內(nèi)所有空氣。采用InStron4505萬能材料試驗(yàn)機(jī)推、拉阻尼器活塞桿，使液體往返流過復(fù)合材料的納米孔道。試驗(yàn)機(jī)加載采用正玄波位移加載方式，加卸載頻率分別為0. 1,0. 5、lHz，振動幅值為2mm。從圖1中可以看出，該納米流體材料在低壓強(qiáng)作用下，流體無法進(jìn)入復(fù)合材料二氧化硅納米孔道中，曲線初始階段僅為液體的壓縮。當(dāng)缸內(nèi)液壓達(dá)到液體進(jìn)入納米孔內(nèi)所需最低壓強(qiáng)時，乙二醇分子克服固——液界面張力，開始進(jìn)入納米管道中。隨著壓強(qiáng)的進(jìn)一步升高，液體分子不斷進(jìn)入納米管道中，已進(jìn)入納米管內(nèi)的液體不斷流出，到達(dá)復(fù)合材料的另一側(cè)。當(dāng)反向加載時，液體在納米管內(nèi)的運(yùn)動方式與正向加載相同。阻尼器完成一次加卸載后，滯回曲線形成了一個類似橢圓形的包絡(luò)面積，求解該面積的就得到該納米流體材料所耗散的能量。從圖1中可以看出，隨著加載頻率的增加，納米流體的耗能能力逐漸提高。阻尼力最大值從0.1Hz的約5kN增加到IHz的約20kN，這種趨勢與液體在孔道內(nèi)的毛細(xì)力與毛細(xì)速率的關(guān)系相符。圖中該復(fù)合材料的滯回曲線前幾圈的阻尼力較大，隨著加卸載的次數(shù)增加，阻尼力逐步回落，并穩(wěn)定在一個數(shù)值，由此，可以說明該納米流體阻尼器的耗能能力是穩(wěn)定的。同時，該阻尼材料正反向加載開始前都會有一段斜率緩慢增加曲線，這是由于阻尼器內(nèi)部殘存的空氣受壓所致。實(shí)施例3:結(jié)合圖2，本發(fā)明采用了掃描電子顯微鏡(SEM)研究了表面疏液處理后的MCM-48與環(huán)氧樹脂的復(fù)合情況。從圖2中可以看出，粒徑較大且塊體規(guī)則的是MCM-48分子篩，而填充在分子篩空隙間的是環(huán)氧樹脂。該復(fù)合材料必須保證整體剛度的同時，盡量減少環(huán)氧樹脂堵塞MCM-48納米孔道的情況。因此，需要通過不斷的實(shí)驗(yàn)，尋找MCM-48顆粒與環(huán)氧樹脂的質(zhì)量比，及成型工藝。本發(fā)明將表面接枝三甲基硅烷的MCM-48、雙酚A環(huán)氧樹脂和芳香族多胺型高溫固化劑加入到丙酮內(nèi)，表面接枝三甲基硅烷的MCM-48 雙酚A環(huán)氧樹脂芳香族多胺型高溫固化劑丙酮的固液比為Ig Ig 0. 25g 50mL。常溫下磁力攪拌溶液使其混合均勻后不斷攪拌，丙酮揮發(fā)后使溶液最終變成黏稠狀。將黏稠物放入圓柱形模具內(nèi)在IOMPa壓強(qiáng)作用下，80°C固化2h，120°C固化2h，最終制備出如圖2所示的，高液壓下不易破壞且大部分內(nèi)部納米孔道未被堵塞的二氧化硅分子篩基納米孔復(fù)合材料。實(shí)施例4 由于環(huán)氧樹脂在高壓強(qiáng)，高溫下的粘接，保證了 MCM-48顆粒間的空隙也為納米尺度，同時提高了復(fù)合材料整體的剛度。由于該復(fù)合材料厚度決定了液體通過的難易程度，因此為了使得阻尼器內(nèi)液體壓強(qiáng)不超過阻尼器動態(tài)密封最高壓強(qiáng)值，本發(fā)明將該復(fù)合材料打磨成了厚度為5mm的圓形薄片。本發(fā)明為了實(shí)現(xiàn)流體在復(fù)合材料納米孔道內(nèi)的往復(fù)連續(xù)流動，設(shè)計出的一種高動態(tài)液壓密封雙出桿阻尼器。示意圖上部腔體中部用于固定復(fù)合材料 圓片，下部為活塞缸，上下缸體通過鋼管連接。所有接口都采用高壓氟橡膠密封圈密封，乙二醇液體可通過下部活塞缸注入。通過材料試驗(yàn)機(jī)作用在阻尼器活塞桿上，可通過活塞迫使液體雙向流入復(fù)合材料納米孔道內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種改性二氧化硅分子篩基納米通道阻尼片的制備方法，其特征在于該方法按如下步驟進(jìn)行 1)將具有3-5nm孔徑及兩套相互獨(dú)立的三維螺旋孔道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的MCM-48材料，真空100°C干燥24小時后，與無水甲苯混合均勻，并迅速加入三甲基氯硅烷，其中MCM-48材料、無水甲苯和三甲基氯娃燒的固液比為2g 50mL 5mL,然后將混合液磁力攪拌并90°C油浴加熱回流24小時；回流完畢后將溶液分別用甲苯和蒸餾水反復(fù)沖洗過濾直至MCM-48pH值為中性后100°C真空干燥12h ； 2)將表面接枝三甲基硅烷的MCM-48、雙酚A環(huán)氧樹脂和芳香族多胺型高溫固化劑加入到丙酮內(nèi)，表面接枝三甲基硅烷的MCM-48 雙酚A環(huán)氧樹脂芳香族多胺型高溫固化劑丙酮的固液比為Ig :1g : O. 25g 50mL ;常溫下磁力攪拌溶液使其混合均勻；由于丙酮的不斷揮發(fā)，溶液最終變成黏稠狀；將黏稠物放入圓柱形模具內(nèi)在IOMPa壓強(qiáng)作用下，80°C固化2h，然后在120°C固化2h，最后將固化成型的阻尼塊體分別從兩頭往中間打磨成5mm厚的圓形薄片。
2.如權(quán)利要求1所述的一種改性二氧化硅分子篩基納米通道阻尼片的制備方法制備的一種改性二氧化硅分子篩基納米通道阻尼片。
3.一種的高動態(tài)液壓密封阻尼器，包括上缸體、下缸體和兩個連接鋼管，其特征在于還包括如權(quán)利要求2所述一種改性二氧化硅分子篩基納米通道阻尼片，上缸體內(nèi)部固定有改性二氧化硅分子篩基納米通道阻尼片；下缸體為雙出活塞缸，下缸體分別通過兩個連接鋼管與上缸體的兩端連接并采用高壓氟橡膠密封圈密封，上、下缸體和兩個連接鋼管內(nèi)部裝有乙二醇；工作壓強(qiáng)最大為60MPa ;通過對雙出活塞缸的活塞桿施加拉力或壓力，使乙二醇在阻尼片中的納米孔道內(nèi)連續(xù)往返運(yùn)動。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種的高動態(tài)液壓密封阻尼器，其特征在于所述的乙二醇或用與改性二氧化硅分子篩基納米通道阻尼片的表面的接觸角大于100°的液體代替。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種改性二氧化硅分子篩基納米通道阻尼片及其阻尼器，阻尼材料由表面接枝三甲基硅烷的MCM-48分子篩與環(huán)氧樹脂在高溫高壓下復(fù)合而成，經(jīng)過打磨形成了內(nèi)部具有表面改性的貫通納米通道阻尼片，高動態(tài)液壓密封阻尼器，包括上缸體、下缸體和兩個連接鋼管，并且還包括如上所述一種改性二氧化硅分子篩基納米通道阻尼片，上缸體內(nèi)部固定有改性二氧化硅分子篩基納米通道阻尼片；下缸體和兩個連接鋼管內(nèi)部有乙二醇；工作壓強(qiáng)最大可至60MPa。本發(fā)明研制的二氧化硅分子篩基納米流體阻尼器具備體積小、質(zhì)量輕、能量能力強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)，可作為新一代的被動耗能阻尼器用于軍事、航空航天、工程機(jī)械及土木工程等領(lǐng)域的振動控制。
文檔編號C01B39/00GK103011190SQ20121054920
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月5日
發(fā)明者李惠, 徐翔, 石通潞 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)