聚合物基復(fù)合材料阻尼研究進(jìn)展

王 麗，任 昆，丁新靜

(哈爾濱玻璃鋼研究院，哈爾濱 150036)

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聚合物基復(fù)合材料阻尼研究進(jìn)展

王 麗，任 昆，丁新靜

(哈爾濱玻璃鋼研究院，哈爾濱 150036)

本文介紹了樹(shù)脂基復(fù)合材料的阻尼機(jī)理、提高阻尼因子的基本方法以及阻尼的分析性預(yù)測(cè)方法。同時(shí)分析了聚合物基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)/阻尼一體化技術(shù)特點(diǎn)并重點(diǎn)論述了該技術(shù)的研究發(fā)展現(xiàn)狀。

聚合物基復(fù)合材料；阻尼性能；結(jié)構(gòu)阻尼一體化

1　引 言

阻尼材料是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一種新型減振降噪材料。由于其應(yīng)用廣泛，深受?chē)?guó)內(nèi)外研究人員重視。歐美、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)軍民兩用復(fù)合材料阻尼技術(shù)進(jìn)行了大量的理論與實(shí)踐研究。

所謂阻尼材料是一種能吸收振動(dòng)機(jī)械能，并將之轉(zhuǎn)化為熱能而耗散的功能材料，阻尼減振降噪技術(shù)利用阻尼材料在變形時(shí)把動(dòng)能變成為熱能的原理，降低結(jié)構(gòu)的共振振幅，增加疲勞壽命和降低結(jié)構(gòu)噪音[1]。各類(lèi)阻尼材料已廣泛應(yīng)用于航空航天、艦船、機(jī)械工業(yè)、交通運(yùn)輸?shù)戎T多領(lǐng)域。由于聚合物基復(fù)合材料具有良好的比剛度、比強(qiáng)度和阻尼特性，且密度低，因此逐漸成為阻尼材料研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

近年來(lái)，隨著纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的推廣應(yīng)用，一體化阻尼技術(shù)受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注，在大型復(fù)合材料構(gòu)件中得到廣泛的應(yīng)用。結(jié)構(gòu)/阻尼一體化復(fù)合材料是將高阻尼材料添加到結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成一種新型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)具有較高的剛度和強(qiáng)度，同時(shí)具有更佳的結(jié)構(gòu)阻尼、承重和減振效用。

2　纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料阻尼機(jī)理

纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料與金屬材料有著不同的阻尼機(jī)理，主要體現(xiàn)在以下5方面[2]：

2.1基體和增強(qiáng)纖維固有粘彈性

一般來(lái)講，復(fù)合材料阻尼的主要?dú)w因于基體材料，當(dāng)聚合物基體中的分子鏈處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，分子鏈段產(chǎn)生內(nèi)摩擦，這需要在一定時(shí)間內(nèi)克服阻力，將外部施加的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量。在分析纖維增強(qiáng)復(fù)合材料阻尼時(shí)，纖維的阻尼影響也較大。

2.2界面相的阻尼

界面是復(fù)合材料在熱、化學(xué)及力學(xué)環(huán)境下形成的微結(jié)構(gòu)，它包括界面層本身的特性、界面粘結(jié)方式及其粘結(jié)強(qiáng)度大小等。界面是纖維與基體之間應(yīng)力傳遞的介質(zhì)，其結(jié)構(gòu)和性能將直接影響復(fù)合材料的物理性能、化學(xué)性能、力學(xué)性能極其破壞行為。

界面相具有與纖維和基體不同的性質(zhì)。界面阻尼是復(fù)合材料界面在外加應(yīng)力的作用下發(fā)生相對(duì)的微滑移現(xiàn)象，產(chǎn)生剪切應(yīng)力，從而消耗了來(lái)自外界的振動(dòng)能量。界面阻尼在復(fù)合材料中發(fā)揮微觀(guān)阻尼作用，從而改善了復(fù)合材料的阻尼性能。

2.3材料破壞引起的阻尼

一是纖維和基體之間的界面未粘合區(qū)域和分層產(chǎn)生的摩擦阻尼，二是基體開(kāi)裂和纖維斷裂的能量耗散引起的阻尼。

2.4粘塑性阻尼

在大振幅，高應(yīng)力情形下。特別是熱塑性復(fù)合材料，由于纖維之間的局部區(qū)域存在高應(yīng)力和應(yīng)變集中而表現(xiàn)出的非線(xiàn)性阻尼。

2.5熱彈性阻尼

這種阻尼是由復(fù)合材料中壓應(yīng)力區(qū)對(duì)拉應(yīng)力區(qū)的循環(huán)熱流產(chǎn)生的，熱塑性復(fù)合材料表現(xiàn)出較大的升溫幅度。其值是關(guān)于施加的載荷、頻率和樣品厚度以及應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的函數(shù)。

3　提高聚合物基復(fù)合材料阻尼因子的方法

基于以上所述的阻尼機(jī)理，可以通過(guò)多種方法和途徑提高和改善纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的阻尼性能。綜合各種國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，總結(jié)方法如下：

(1)提高復(fù)合材料組分的阻尼性能，如采用具有高阻尼性能的樹(shù)脂基體和增強(qiáng)纖維[3]。

(2) 在結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行阻尼處理，將黏彈性阻尼材料粘貼于結(jié)構(gòu)表面，即自由阻尼；也可在上面再覆蓋一層約束層，即約束阻尼[4]。

(3)采用2種以上的纖維混雜鋪層，制備混雜復(fù)合材料[5]。

(4)采用壓敏材料提高阻尼特性，壓敏材料可以克服高分子粘彈性阻尼對(duì)溫度和頻率的依賴(lài)性，使結(jié)構(gòu)/阻尼一體化復(fù)合材料能在較寬的溫度和頻率范圍內(nèi)都具有高阻尼特性[6]。

(5)共固化阻尼層，在復(fù)合材料內(nèi)部增加黏彈性阻尼層，這是現(xiàn)階段提高結(jié)構(gòu)阻尼性能的一種非常有效途徑[7]。

4　阻尼的分析性預(yù)測(cè)

許多關(guān)于微觀(guān)力學(xué)層次、宏觀(guān)力學(xué)層次以及在結(jié)構(gòu)層面的阻尼預(yù)測(cè)的分析模型都是建立在線(xiàn)性粘彈性假設(shè)的基礎(chǔ)上的，基本上是利用材料力學(xué)和彈性力學(xué)來(lái)解釋彈性模量，而現(xiàn)階段阻尼主要利用對(duì)應(yīng)性原理和應(yīng)變能法兩種不同的原理/方法進(jìn)行預(yù)測(cè)分析[8]。

4.1對(duì)應(yīng)性原理

對(duì)應(yīng)性原理與有效模量的解釋聯(lián)系起來(lái)共同形成纖維增強(qiáng)復(fù)合材料阻尼的基礎(chǔ)。對(duì)應(yīng)性原理就是分別用相對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力和應(yīng)變代替靜態(tài)應(yīng)力和應(yīng)變，以及用復(fù)數(shù)模量或復(fù)數(shù)柔量分別代替彈性模量或柔量，可使線(xiàn)性彈性靜態(tài)力學(xué)分析轉(zhuǎn)變成為動(dòng)態(tài)線(xiàn)性粘彈性分析，這種方法已應(yīng)用于微觀(guān)力學(xué)模型，以預(yù)測(cè)校準(zhǔn)的非連續(xù)纖維或連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的阻尼性能。對(duì)應(yīng)性原理也用來(lái)與經(jīng)典層壓制品理論(CLT)相聯(lián)系，以確定多層復(fù)合材料的損耗因子。損耗因子表達(dá)為虛拉伸剛度對(duì)實(shí)拉伸剛度的比率。

4.2應(yīng)變能法

應(yīng)變能法將材料與結(jié)構(gòu)的總阻尼與每一單元的阻尼以及儲(chǔ)存在該單元中的總應(yīng)變能分?jǐn)?shù)結(jié)合起來(lái)。將這些方法應(yīng)用于復(fù)合材料時(shí)，就可以把復(fù)合材料看成一種系統(tǒng)，系統(tǒng)中每個(gè)單元的性質(zhì)依對(duì)其進(jìn)行微觀(guān)力學(xué)或宏觀(guān)力學(xué)分析而定。在微觀(guān)力學(xué)分析中，單元包括增強(qiáng)纖維、樹(shù)脂基體以及纖維和樹(shù)脂基體間的界面、空隙含量。 另一方面，對(duì)于宏觀(guān)力學(xué)分析來(lái)說(shuō)，單個(gè)薄層就是綜合考慮了給定的層壓制品的整體損耗因子的應(yīng)變和耗能單元。作為優(yōu)化技術(shù)的有限元法與一些其它的數(shù)值方法，正被應(yīng)用于復(fù)合材料的阻尼分析和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的阻尼優(yōu)化。

5　復(fù)合材料結(jié)構(gòu)/阻尼一體化技術(shù)的研究進(jìn)展

5.1復(fù)合材料結(jié)構(gòu)/阻尼一體化技術(shù)的特點(diǎn)

阻尼減振技術(shù)是通過(guò)某種方式將高阻尼材料添加到結(jié)構(gòu)中，增大結(jié)構(gòu)的模態(tài)阻尼比，有效抑制共振區(qū)附近動(dòng)態(tài)響應(yīng)。一般按照阻尼材料添加方式的不同，可以將阻尼減振技術(shù)分為附加阻尼減振技術(shù)和阻尼/結(jié)構(gòu)一體化技術(shù)。附加阻尼減振技術(shù)是在結(jié)構(gòu)表面應(yīng)變較大處粘貼高阻尼附加層，阻尼層上再粘接約束層，其顯著特點(diǎn)是對(duì)結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率和振型影響較小，特別適合結(jié)構(gòu)的事后修改，主要用于梁、板和薄殼結(jié)構(gòu)的彎曲振動(dòng)減振。

與附加阻尼層技術(shù)相比，一體化阻尼技術(shù)的特點(diǎn)為：

(1)附加阻尼一般應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的修改，即結(jié)構(gòu)產(chǎn)品制造過(guò)程已經(jīng)完成，出現(xiàn)振動(dòng)問(wèn)題，在不對(duì)結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)的情況下，通過(guò)結(jié)構(gòu)表面粘貼附加約束阻尼達(dá)到減振降噪目的，而一體化阻尼技術(shù)是在產(chǎn)品制造前，通過(guò)阻尼設(shè)計(jì)，將高阻尼材料添加到結(jié)構(gòu)內(nèi)部，增加結(jié)構(gòu)阻尼，達(dá)到減振降噪目的。

(2)由于附加阻尼是附加在結(jié)構(gòu)基體的表面，該處模態(tài)應(yīng)變能較小，而一體化阻尼處在結(jié)構(gòu)內(nèi)部，應(yīng)變能比較大，因此，一體化阻尼比附加阻尼的減振效率更高。

(3)減振原理和約束阻尼層完全一致。

5.2結(jié)構(gòu)/阻尼一體化技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

國(guó)外從60年代起，以石墨/環(huán)氧、Kevlar/環(huán)氧等聚合物基復(fù)合材料為主，從理論上研究了復(fù)合材料的阻尼機(jī)理、阻尼測(cè)量以及基體樹(shù)脂、固化劑、纖維的鋪放方式、纖維種類(lèi)、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)等對(duì)阻尼性能的影響，但所研制材料阻尼性能較低，損耗因子在0．01～0．02，未能達(dá)到應(yīng)用要求[9]。

20世紀(jì)90年代以來(lái)，國(guó)外一些研究者采用共固化黏彈性阻尼材料的方法顯著提高了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的阻尼。所謂共固化是指復(fù)合材料固化前將黏彈性材料嵌入復(fù)合材料層間與復(fù)合材料同時(shí)固化。該嵌入材料須經(jīng)歷復(fù)合材料固化所需壓力和溫度。因此，復(fù)合材料內(nèi)部的黏彈性材料在共固化過(guò)程中可能出現(xiàn)諸多問(wèn)題，如阻尼材料在固化過(guò)程中可能老化降解，造成復(fù)合材料分層；阻尼材料可能產(chǎn)生蠕變或被擠壓到復(fù)合材料外部。結(jié)果表明，引入黏彈性共固化阻尼層是提高復(fù)合材料結(jié)構(gòu)阻尼的有效途徑，在實(shí)際應(yīng)用中也容易實(shí)現(xiàn)，可在保證復(fù)合材料結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度和剛度的前提下，大幅提高復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的阻尼性能，且不易出現(xiàn)剝離分層現(xiàn)象。

BARRETT D J[10]研究表明，盡管共固化可明顯提高結(jié)構(gòu)阻尼，但在共固化時(shí)，黏彈性阻尼材料的阻尼性能明顯下降，其原因主要是因?yàn)樽枘岵牧吓c環(huán)氧樹(shù)脂基體的相互作用所致。采用預(yù)混合低樹(shù)脂含量試樣的阻尼性能較好。如果固化前在阻尼材料和環(huán)氧樹(shù)脂之間置入聚酰亞胺膜，以阻止阻尼材料和環(huán)氧樹(shù)脂的相互作用，其阻尼性能明顯提高。加入聚酰亞胺隔膜的Avery Demmison FastTapel125丙烯酸阻尼膠膜的試樣的有效阻尼因子提高了15.7%～92.3%，加入聚酰亞胺膜的3M ISD112丙烯酸阻尼膠膜的試樣的有效阻尼因子則至少提高168%。性能與先固化、再粘接的結(jié)果接近。復(fù)合材料固化溫度對(duì)阻尼材料的影響不大。

M．J．Robinson[11]等人提出了黏彈阻尼層經(jīng)過(guò)打孔后再共固化的改性方法。阻尼層經(jīng)少量打孔后，基體樹(shù)脂可通過(guò)打孔與玻璃纖維結(jié)合，每一個(gè)穿孔處構(gòu)成一個(gè)交聯(lián)點(diǎn)，而交聯(lián)點(diǎn)的剛度較大?？赏ㄟ^(guò)改變交聯(lián)點(diǎn)的大小和數(shù)量控制阻尼層的變形，進(jìn)而控制整個(gè)復(fù)合材料的阻尼性能和彈性模量，使復(fù)合材料阻尼性能和力學(xué)強(qiáng)度達(dá)到理想的平衡點(diǎn)。

在國(guó)內(nèi)，這方面的研究已有一些文獻(xiàn)報(bào)道，主要集中于一些基礎(chǔ)理論和分析研究。張少輝等應(yīng)用基于有限元的模態(tài)應(yīng)變能法，采用國(guó)外文獻(xiàn)中復(fù)合材料黏彈阻尼梁結(jié)構(gòu)及其數(shù)據(jù)，研究了共固化復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的阻尼因子；同時(shí)考慮了黏彈性阻尼材料的頻率依賴(lài)性和復(fù)合材料本身對(duì)振動(dòng)能量的損耗，提出了該類(lèi)結(jié)構(gòu)有限元模型，并進(jìn)行了驗(yàn)證。通過(guò)簡(jiǎn)支梁模型，考察了復(fù)合材料本身的阻尼因素、柔性層的引入及其位置對(duì)復(fù)合材料黏彈阻尼結(jié)構(gòu)阻尼因子的影響。結(jié)果表明：纖維增強(qiáng)復(fù)合材料本身的阻尼因素對(duì)結(jié)構(gòu)阻尼因子的影響與鋪層結(jié)構(gòu)和模態(tài)有關(guān)；在保證結(jié)構(gòu)剛度前提下，在鄰近阻尼層的位置增加一定數(shù)目柔性層可提高結(jié)構(gòu)阻尼；將黏彈阻尼層離散分布于偏離結(jié)構(gòu)厚度中心適當(dāng)距離的位置，有利于結(jié)構(gòu)阻尼的改善。

潘利劍等[12-13]基于模態(tài)疊加法和模態(tài)應(yīng)變能法，導(dǎo)出任意簡(jiǎn)諧激勵(lì)下黏彈阻尼結(jié)構(gòu)阻尼因子的計(jì)算方法，并用于分析共固化復(fù)合材料黏彈阻尼結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)諧激勵(lì)下阻尼因子，該分析結(jié)果與DMA實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致。他們研究了實(shí)驗(yàn)溫度對(duì)0.3ram丁腈橡膠膜和T700碳纖維增強(qiáng)TT85環(huán)氧樹(shù)脂基共固化復(fù)合材料單向板阻尼性能的影響。結(jié)果表明：當(dāng)溫度介于阻尼層玻璃態(tài)區(qū)和高彈態(tài)區(qū)時(shí)，共固化復(fù)合材料阻尼因子較小，且隨溫度變化不大；當(dāng)溫度處于阻尼層黏流態(tài)區(qū)時(shí)，共固化復(fù)合材料阻尼因子迅速增加到最大值后再減小，最大阻尼因子約為未插入黏彈阻尼層復(fù)合材料的13倍；共固化過(guò)程中阻尼層阻尼因子減小，共固化復(fù)合材料的阻尼性能降低；在阻尼層的黏流態(tài)區(qū)，其阻尼因子明顯小于預(yù)報(bào)結(jié)果；界面阻尼的影響提高了共固化復(fù)合材料的阻尼性能，在阻尼層的玻璃態(tài)區(qū)，其阻尼因子大于預(yù)報(bào)結(jié)果。

臺(tái)灣大學(xué)Liao[14]等研究了中間層鋪設(shè)了聚乙烯/丙烯酸酯的單向碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂桿件的阻尼性能，結(jié)果表明結(jié)構(gòu)的宏觀(guān)阻尼顯著增加，外層復(fù)合材料剛度的影響作用也很明顯。

Wang[15]等分析了中間夾黏彈性層的三層復(fù)合材料的對(duì)稱(chēng)及非對(duì)稱(chēng)圓盤(pán)的振動(dòng)和阻尼特性，討論了材料性能、半徑/厚度比、面板及芯層厚度等的影響。除非選取適宜的面板和芯層的模量和厚度，厚的黏彈性芯層不一定可使復(fù)合材料圓盤(pán)有較好的阻尼性能。

余啟勇等[16-17]采用3M公司的阻尼材料ISD112、高強(qiáng)玻璃纖維布和環(huán)氧樹(shù)脂，使用共固化工藝制備了復(fù)合材料，在0～500 Hz范圍內(nèi)材料的阻尼因子≥0．03， 抗彎強(qiáng)度接近550 MPa，彎曲模量20 GPa。采用航天材料及工藝研究所的厚度0．15 mm的新型丁腈橡膠阻尼材料，制備了穿孔阻尼層/基體樹(shù)脂/玻璃布共固化復(fù)合材料.研究結(jié)果表明，阻尼膠膜穿孔面積比在8% 以?xún)?nèi)時(shí)，復(fù)合材料阻尼性能和靜態(tài)力學(xué)性能都有較大變化；阻尼層穿孔面積比在12%～30% 之間變化時(shí)，有一定的阻尼效果，阻尼層面積比小于70% 時(shí)，復(fù)合材料的損耗因子略有提高，靜力學(xué)性能與未加阻尼層的復(fù)合材料相當(dāng)。

楊加明[18]等分析了復(fù)合材料夾雜雙層黏彈性阻尼材料的對(duì)稱(chēng)夾層板的線(xiàn)性彎曲，用Ritz法研究各應(yīng)力分量的應(yīng)變能，計(jì)算分析了復(fù)合材料層的應(yīng)變能以及復(fù)合結(jié)構(gòu)的損耗因子。結(jié)果表明，復(fù)合材料層中的面內(nèi)應(yīng)變能發(fā)揮主要作用，黏彈性層中的z 方向的切應(yīng)力應(yīng)變能較大，芯層的應(yīng)變能很小。楊加明等[19]以該類(lèi)材料結(jié)構(gòu)的損耗因子最大化為優(yōu)化目標(biāo)，用改進(jìn)遺傳算法對(duì)其阻尼性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的效果明顯，多變量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果優(yōu)于單變量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的損耗因子明顯增大。

6　結(jié) 語(yǔ)

阻尼作為復(fù)合材料及其結(jié)構(gòu)的重要力學(xué)性能，在振動(dòng)、沖擊、噪音控制中發(fā)揮著十分重要的作用，在復(fù)合材料功能設(shè)計(jì)中占有重要地位。雖然目前復(fù)合材料阻尼性能理論研究不斷深入，但是在實(shí)際工程中的有效應(yīng)用仍需要大力地進(jìn)一步研究實(shí)踐。

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[18]楊加明，鐘小丹，趙艷影．復(fù)合材料夾雜雙層黏彈性材料的應(yīng)變能和阻尼性能分析[J]．工程力學(xué)，2010，27(3)：212-216．

[19]楊加明，張義長(zhǎng)，吳麗娟．多層黏彈性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)阻尼性能優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]．航空學(xué)報(bào)，2011，32(2)：265-270．

Research progress on Damping Technology for Polymer Composites

WANG Li，REN Kun，DING Xinjing

(Harbin FRP Institute, Harbin 150036)

Damping mechanism, methods to improve damping factors and analytic prediction of polymer composites were firstly introduced in the paper. Meanwhile，the features for the Structure/Damping Technology for Polymer Composite Materials were analyzed and finally their research and development status were discussed.

polymer composites；damping property；structure/damping technology

2015-08-07)

王麗(1969-)，女，碩士研究生，高級(jí)工程師，研究方向：復(fù)合材料應(yīng)用。E-mail：hrbfrpwl@163.com.