材料是工程和高新技术进步的基础,高分子聚合物基复合材料作为材料中的后起之秀带来了材料和工程领域的重大变革。伴随着工业化大生产进程的加速、城市扩建步伐的加快、城市基础设施的不断增容、轨道、公路建设空前繁荣,振动和噪音的危害日趋严重,正成为一种继大气污染、环境污染后的又一影响人们身心健康的社会公害。为了有效降低振动和噪音,必须采用阻尼减振降噪材料。高分子聚合物作为一种传统的阻尼减振降噪材料主要是利用高聚物玻璃化转变区的粘弹性进行能量的消耗,也就是将吸收的振动能或声能部分转化成热能并将其消耗,从而达到减振降噪的目的。通常,由于高分子聚合物的玻璃化温度区域一般较窄,而阻尼减振降噪材料具有强烈的温度(频率)依赖性,这造成阻尼作用区较窄；阻尼材料由于没有引入空气,尤其是没能形成贯穿材料里外的孔隙,对声能的转化非常困难,从而造成阻尼降噪性能很差；同时材料的力学性能比较差,妨碍了其在工程上的应用。因此开发阻尼减振、吸声同时兼具一定的力学性能的高性能复合材料不仅具有重要的科学意义,而且还有广阔的工程应用前景。基于这一背景,高分子氯化聚乙烯为基体的复合材料的制备、阻尼减振、吸声性能、力学性能以及阻尼减振、吸声机理的研究,是本论文提出的涉及有机杂化高阻尼减振、纤维增强阻尼吸声以及穿孔板与复合材料复合吸声结构开发的创新思路。本论文从材料阻尼减振与阻尼吸声特性出发,通过将声波的波动认为是粒子的振动,从而将两者有机的联系起来,系统地研究了材料的微观形态结构与阻尼减振、吸声性能间的关系,开发了新型高效阻尼减振吸声材料。论文从如下几个方面展开进行了分析、研究：(1)高阻尼性能CPE/AO2246杂化复合材料本节通过理论分析,结合反复实验筛选,最终选择氯化聚乙烯(CPE)作为基体,国产功能有机小分子2,2亚甲基-双(4-甲基-6-叔丁基苯酚)(AO2246)作为填充剂。将有机小分子AO2246加入CPE中在混炼机中进行充分均匀的混合,通过热压淬火成型制备得CPE/AO2246杂化复合材料,并分别探讨了有机小分子含量及其加工工艺对CPE/AO2246杂化复合材料阻尼性能的影响,研究了散布于复合材料中的AO2246的微观形态与阻尼性能的关系。DMA测试分析发现,杂化复合材料的Tanδ-T曲线上只出现一个阻尼峰,说明CPE与AO2246组成了相容体系。AO2246含量在小于50%情况下,随AO2246含量的增加,材料的阻尼峰值不断增加,同时玻璃化温度也不断向高温方向转移；当AO2246含量达到50%(组分配比为100/100)时,阻尼峰值反而出现了下降,说明AO2246对CPE阻尼特性的改善存在临界点。扫描电镜观察发现,在AO2246含量很少时,复合材料的界面出现了零星的AO2246结晶,而在高含量AO2246的复合材料中到处布满了絮状结构的杂化态,在杂化态的边缘,形成了白色的AO2246微晶体。杂化态的结构有利于阻尼特性的改善,而微晶的存在对阻尼的贡献是两方面的：一方面AO2246微晶填充了CPE大分子链间的空隙,使自由体积减少,对阻尼作的是负贡献；另一方面在玻璃化转变区内,微晶与CPE间、微晶与微晶间的摩擦作用随分子运动的加剧而增大,从而有利于提高阻尼性能,当AO2246含量达到使材料形成完善的杂化态后,材料阻尼特性的增加取决于AO2246微晶对阻尼性能的贡献。为了探讨不同加工工艺对CPE/AO2246复合材料性能的影响,文中分别采用不同的加工工艺制备了CPE/AO2246(100/60)的复合材料。研究结果表明未热压的CPE/AO2246复合材料中存在大量的三维谷粒状结晶,这些AO2246结晶在材料中起到无机填料的作用,从而使阻尼性能下降；而在热压工艺所形成的复合材料中出现了大量的杂化态,结晶量迅速下降,未见有明显的结晶,并且在高温热压的材料中AO2246的结晶含量要比低温热压的略多,两不同热压工艺的复合材料的阻尼性能均得以明显改善,玻璃化温度都向高温转移,且两者的玻璃化温度并没有明显差异。但由于高温热压的复合材料出现了CPE的α-H与AO2246的羟基间形成氢键,所以高温热压工艺的阻尼性能要比低温的好。(2)高阻尼吸声性能CPE/SHPF复合材料本节通过对吸声材料机理分析,在结合反复试验的基础上,选定三维卷曲七孔中空涤纶短纤维(SHPF)作为吸声材料的空气携入物和材料的增强体。将SHPF混入CPE中加以混炼,使纤维均匀散布于CPE中,通过热压淬火工艺形成CPE/SHPF复合材料,并研究了纤维含量对材料的粘弹性、吸声性能、力学性能的影响；复合材料厚度、空腔深度对吸声性能的影响。通过扫描电镜和三维视频显微镜发现：少量纤维加入时,纤维在复合材料中呈均匀的无规散布,纤维未能形成纤维网络；而随纤维的增加,复合材料中纤维网络结构已经形成。纤维越多,纤维网络结构越完善。纤维的中空为复合材料内部带来了空气,当未能形成纤维网络时,空气的粘滞作用、空气与孔壁的摩擦将声能转化成热能,由于热能无法有效传递得以消耗,所以无法达到吸声的目的；当材料中形成完善的纤维网络结构时,所转化过来的热能就有效向外界传递加以消耗,从而达到吸声的要求,使复合材料成为一种新颖的吸声结构。当纤维含量达到20%(组分配比为100/25)时,复合材料的吸声性能是同厚度现有多孔材料所无法比拟的。当纤维含量为20%(组分配比为100/25)时,随着复合材料厚度的增加(1mm→3mm),其在中低频段均呈现较好的吸声性能,从而使复合材料在较薄时就能实现在较宽的频段内具有较好的吸声性能。在复合材料的后端空置空气层所形成的复合吸声结构,其只在特定频段具有优良的吸声性能。复合材料中的七孔中空涤纶充当了无机填料的作用,此时纤维一方面填充了基体大分子链间的空隙,使基体大分子链间的自由体积减少,阻碍了基体的运动,对阻尼作了负贡献；另一方面在玻璃化转变区内,纤维与CPE间、纤维与纤维间的摩擦作用随分子运动的加剧而增大,从而有利于提高阻尼特性。两者以前者所作的贡献为主,所以纤维的加入造成复合材料的阻尼峰值下降很明显,而玻璃化温度略向高温方向转移,并且纤维量越多,其阻尼峰值下降越多。从纤维含量增加,复合材料的吸声性能增加,而由阻尼性能下降不难发现：复合材料的吸声性能并没有阻尼特性的贡献,完全是由纤维网络结构的空气层所产生的耗能引起的。研究表明：随SHPF的加入,复合材料的伸长率急速下降,最大断裂强度增大。当纤维含量达到一定量时,所形成的纤维网络结构完全抑制了基体CPE的弹性,复合材料的最大断裂强度随纤维含量增大几乎呈线性增加。纤维的加入使复合材料获得了较高的强韧性,从而为其进入工程应用奠定了力学上的基础。(3)高阻尼吸声性能CPE/AO2246/SHPF复合材料对上述二种二元复合材料研究表明：CPE/AO2246杂化复合材料具有良好的阻尼特性,而CPE/SHPF的阻尼特性较差,却拥有良好的吸声性能。有研究者研究了阻尼性能和吸声性能二者的关联,发现阻尼性能与吸声性能具有正相关关系,基于这种原因,本节将在CPE/AO2246(55.5/44.5)的基础上加入SHPF中,制备出CPE/AO2246/SHPF复合材料,以研究AO2246、纤维在复合材料中的分散形态、材料的阻尼特性、吸声性能及机械力学性能。结果表明：随纤维的加入,纤维充当了AO2246的结晶诱导作用,从而使AO2246在复合材料中主要以结晶体的形式包覆于纤维表面,未结晶的AO2246与CPE形成“亚杂化体”。包覆有AO2246结晶的纤维填充了基体大分子链间的空隙,从而使阻尼损耗因子呈下降趋势,复合材料中出现了作用力较强的C1与-OH间的氢键,同时包覆有AO2246结晶纤维的存在使基体与AO2246间、AO2246与纤维间的摩擦耗能进一步增大。包覆有结晶的纤维结合各种氢键的存在,使材料的储存模量上升较明显,从而使材料的损耗因子有下降的趋势。却发现材料的耗能指标LA却随纤维含量的增加而增大,说明材料的阻尼性能是得到改善的。结晶包覆于纤维表面,从而使包覆有结晶体的纤维的表面积更大,有利于带结晶的纤维在复合材料中形成纤维网络结构。从而当声能转化成热能后有利于热能通过结晶纤维网络迅速向外传递得以消耗,从而使三元复合材料的吸声性能获得较大的改善。尤其有趣的是纤维含量为4.76%时就能形成一定的网络结构,其吸声性能与同厚度的纤维含量为20%(组分配比为100/25)的CPE/SHPF相当。SHPF的加入,使CPE/AO2246/SHPF复合材料的伸长率急速下降,最大断裂强度不断增大。与CPE/SHPF相比,同纤维含量的CPE/AO2246/SHPF复合材料的强韧性要高得多,从而认为CPE/AO2246/SHPF是一种高效吸声又具有工程应用的功能材料。(4)含穿孔板的复合结构材料吸声性能研究不管是上述二元还是三元含纤吸声材料按吸声作用原理可将其归入多孔吸声材料,其最大的特点是材料薄的时候,在中高频具有良好的吸声性能,而在低频段吸声较差。为了在低频段也同样具有良好的吸声性能,材料必须做得很厚,而吸声材料正朝着轻薄化方向发展。基于此,本节制作了一系列穿孔板与CPE/SHPF的组合的复合结构,以进行结构材料的声学性能研究。研究结果表明：当穿孔板的数量超过二块的复合结构,结构材料中都将出现二个吸声峰,并且第一吸声峰对应的频率与后一穿孔板的厚度相对应,厚度越厚,越向低频方向偏移；其吸声峰的数值与穿孔板的孔隙率相关,孔隙率越大,吸声系数越大。而第二吸声峰随第一吸声峰偏移而发生轻微偏移,当第二吸声峰越靠近2500Hz,则结构材料在这频段将越能获得来自于吸声复合材料膜的贡献而获得良好的吸声性能。总之,吸声复合结构能有效地利用多孔吸声机理和空腔共振机理,从而在很宽的频段内拥有良好的吸声性能。具有广阔的工程应用前景。