高溫老化后嵌入式共固化阻尼復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的阻尼性能

段風(fēng)海，梁 森，梁天錫

（1.青島理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 青島 266033；2.中國工程物理研究院，四川 綿陽 621900）

高溫老化后嵌入式共固化阻尼復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的阻尼性能

段風(fēng)海1，梁 森1，梁天錫2

（1.青島理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 青島 266033；2.中國工程物理研究院，四川 綿陽 621900）

在綜合研究雙馬來酰亞胺樹脂基碳纖維預(yù)浸料（T700/QY260）和AFLAS氟橡膠的力學(xué)性能、阻尼性能和耐高溫性能基礎(chǔ)上，通過試驗(yàn)的方法提出一種能夠耐260℃超高溫度的黏彈性阻尼材料。利用四氫呋喃溶液將該黏彈性阻尼材料制成阻尼膠漿溶液，結(jié)合雙面刷涂和熱壓罐工藝制備出嵌入式共固化阻尼復(fù)合材料試件，利用自由振動(dòng)衰減實(shí)驗(yàn)方法對(duì)該試件分別做常溫、230℃*96 H、260℃*96 H老化實(shí)驗(yàn)處理后相對(duì)阻尼系數(shù)的測(cè)定，得到不同溫度老化處理后的嵌入式共固化阻尼復(fù)合材料的相對(duì)阻尼系數(shù)與阻尼材料厚度的關(guān)系，證明了所制備的嵌入式共固化阻尼復(fù)合材料具有優(yōu)異耐超高溫性能和穩(wěn)定的阻尼性能。

振動(dòng)與波；嵌入式共固化阻尼復(fù)合材料；超高溫；老化處理；自由衰減實(shí)驗(yàn)；阻尼性能

嵌入式共固化阻尼復(fù)合材料結(jié)構(gòu)（Embedded Co-cured Composite Damping Structure,ECCDS）以其良好的阻尼性能和綜合力學(xué)性能，在航空航天等諸多領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注，隨著超高速全天候飛行器以及精確制導(dǎo)運(yùn)載器的發(fā)展，越發(fā)嚴(yán)酷的環(huán)境因素對(duì)其材料的高溫耐受性以及阻尼減震性能提出更高的要求，這就使得嵌入式共固化阻尼復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中所嵌入的黏彈性阻尼材料具有極好的耐高溫性能和阻尼性能[1–2]。目前，國內(nèi)外對(duì)嵌入式共固化阻尼復(fù)合材料的研究主要集中在中、低溫領(lǐng)域，對(duì)嵌入式共固化耐高溫阻尼復(fù)合材料研究非常稀少[3]，而耐高溫的大阻尼復(fù)合材料又是空間飛行器和運(yùn)載器必須解決的關(guān)鍵問題。本文在前人研究[4–6]的基礎(chǔ)上，從黏彈性阻尼材料的組分入手，通過大量的實(shí)驗(yàn)對(duì)比，得出一種耐超高溫黏彈性阻尼材料組分，通過雙面混合刷涂和共固化工藝制備出ECCDS實(shí)驗(yàn)試件[7]，并對(duì)實(shí)驗(yàn)試件分別進(jìn)行230℃和260℃高溫老化處理，利用自由衰減的實(shí)驗(yàn)方法測(cè)試高溫老化前后實(shí)驗(yàn)試件的阻尼性能，得出不同老化溫度處理對(duì)ECCDS實(shí)驗(yàn)試件相對(duì)阻尼系數(shù)的影響關(guān)系，為耐高溫大阻尼復(fù)合材料構(gòu)件的設(shè)計(jì)和廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1 制作工藝

1.1 黏彈性阻尼材料組分

嵌入式共固化阻尼復(fù)合材料與傳統(tǒng)的復(fù)合材料相比，就是將阻尼材料作為一層嵌入在碳纖維樹脂預(yù)浸料之間，通過阻尼材料與樹脂材料的雙鍵加成反應(yīng)形成IPN互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，保證了纖維層與阻尼層之間較大的層間結(jié)合力，同時(shí)使整個(gè)結(jié)構(gòu)具有良好的阻尼性能[8]。文獻(xiàn)[9－10]作者通過有限元模擬與力學(xué)實(shí)驗(yàn)比較得出當(dāng)阻尼材料層位于整個(gè)結(jié)構(gòu)的中間位置時(shí)，復(fù)合材料的阻尼性能最佳，如圖1所示。

圖1 嵌入式共固化阻尼復(fù)合材料結(jié)構(gòu)

在評(píng)估嵌入式共固化阻尼復(fù)合材料的綜合性能時(shí)，無論是其耐高溫性能還是力學(xué)性能，阻尼材料都是整個(gè)結(jié)構(gòu)中相對(duì)薄弱的環(huán)節(jié)，加之ECCDS的層間結(jié)合性能取決于樹脂材料與阻尼材料的反應(yīng)程度，所以阻尼材料對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能、耐溫性能和阻尼性能起著決定性的作用[11–13]。這就對(duì)阻尼材料提出了嚴(yán)苛的要求：

① 阻尼材料和樹脂基碳纖維預(yù)浸料能夠在基本相同的溫度區(qū)間和時(shí)間區(qū)間內(nèi)分別進(jìn)行硫化反應(yīng)和固化反應(yīng)，從而保證阻尼材料和樹脂材料完成共固化反應(yīng)；

② 阻尼材料作為嵌入層，必須能夠與樹脂基預(yù)浸料中的樹脂進(jìn)行反應(yīng)，并且反應(yīng)生成的分子鍵具有較高的分子鍵能，從而保證整個(gè)結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的層間結(jié)合力；

③ 阻尼材料必須要有良好的耐高溫性能和在高溫下的優(yōu)秀穩(wěn)定的阻尼性能。

氟橡膠由于其材料本身的耐放射性、難燃性、耐候性以及耐熱性和耐化學(xué)品穩(wěn)定性而被應(yīng)用在較苛刻的環(huán)境中。氟橡膠的力學(xué)性能優(yōu)異，經(jīng)過改性的氟橡膠的拉伸強(qiáng)度能達(dá)到23 MPa左右。在耐溫性能方面，氟橡膠能夠承受-60℃～300℃的溫度范圍，是所有橡膠中耐高溫性能最好的一種，并且與普通橡膠相比，氟橡膠具有更優(yōu)的高溫燃料油、液壓油等各種油類的耐受性能。加之氟橡膠本身具有較高的阻尼損耗因子，阻尼損耗因子峰值達(dá)1.6左右，其DMA曲線如圖2所示，故本文選用氟橡膠作為阻尼材料基體進(jìn)行改性實(shí)驗(yàn)，氟橡膠牌號(hào)為日本旭硝子公司生產(chǎn)的四丙氟橡膠AFLAS100H。

圖2 AFLAS氟橡膠的DMA曲線

在高溫共固化的過程中，氟橡膠的活性硫化點(diǎn)可以與樹脂基體中的雙鍵發(fā)生雙鍵加成反應(yīng)，從而形成IPN互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[14–15]。本文根據(jù)四丙氟橡膠和樹脂材料的聚合特性進(jìn)行阻尼材料組分的探索，通過設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證、優(yōu)化，最終確定了黏彈性阻尼材料的組分，如表1所示。

表1 黏彈性阻尼材料組分 份

1.2 試件的制備

依據(jù)所設(shè)計(jì)的組分制備出黏彈性阻尼材料，并按照1:4的比例將其溶解在四氫呋喃溶液中制成阻尼膠漿，并采用雙面混合刷涂的工藝將阻尼膠漿均勻地刷涂在T700/QY260表面[16]，按照如圖1所示設(shè)計(jì)工況涂有阻尼膠漿的樹脂預(yù)浸料與沒有阻尼膠漿的樹脂預(yù)浸料進(jìn)行鋪層，依據(jù)圖3所示的共固化工藝曲線進(jìn)行共固化，將所制得的嵌入式共固化阻尼復(fù)合材料，按照相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T3354-1999裁制成標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)試件，并進(jìn)行編號(hào)，如表2所示。

1.3 高溫老化處理

圖3 共固化工藝設(shè)備和共固化工藝曲線

根據(jù)阻尼材料組分與阻尼層厚度的不同，將實(shí)驗(yàn)試件分別編為A、B、C三組，將A組實(shí)驗(yàn)試件常溫下放置，不做老化處理；對(duì)B組實(shí)驗(yàn)試件進(jìn)行230℃*96 H老化處理；對(duì)C組實(shí)驗(yàn)試件進(jìn)行260℃*96 H老化處理[17–18]，實(shí)驗(yàn)試件如圖4所示。

表2 試驗(yàn)試件規(guī)格及編號(hào)

圖4 高溫老化實(shí)驗(yàn)試件

在進(jìn)行高溫老化處理實(shí)驗(yàn)時(shí)注意：務(wù)必將試件放置在高溫鼓風(fēng)干燥箱的旋轉(zhuǎn)支架上，并開啟旋轉(zhuǎn)模式，保證試件受熱均勻，并且在實(shí)驗(yàn)過程中要定時(shí)觀察干燥箱內(nèi)試件的情況，避免出現(xiàn)火災(zāi)等危險(xiǎn)，高溫老化實(shí)驗(yàn)設(shè)備為中國臺(tái)灣高鐵檢測(cè)儀器有限公司生產(chǎn)的GOTECH-GT-7017-E高溫鼓風(fēng)干燥箱如圖5所示。

圖5 高溫鼓風(fēng)干燥箱

2 自由衰減實(shí)驗(yàn)

為了探究嵌入式共固化阻尼復(fù)合材料的阻尼性能受不同老化溫度處理的影響，本文通過自由衰減實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)試驗(yàn)試件的阻尼性能進(jìn)行測(cè)試，并利用最小二乘法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[19–20]。

2.1 實(shí)驗(yàn)試件準(zhǔn)備

本實(shí)驗(yàn)試件為復(fù)合材料板材，屬于絕緣體，而實(shí)驗(yàn)所用的位移傳感器為電渦流傳感器，所以在實(shí)驗(yàn)前需要對(duì)復(fù)合材料板材進(jìn)行處理，處理方法是在試件端部粘貼一層0.1 mm錫箔，要求錫箔厚度薄，質(zhì)量輕。這樣既保證了電渦流傳感器能夠準(zhǔn)確地感應(yīng)到試件的振幅變化，又不會(huì)影響復(fù)合材料試件的振動(dòng)衰減性能[21]。

2.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試過程

實(shí)驗(yàn)過程中，把實(shí)驗(yàn)試件夾裝在試驗(yàn)臺(tái)上，用力錘（丹麥B&K公司、型號(hào)：8206-002、靈敏度2.035 mv/N）給實(shí)驗(yàn)試件施加一定的單脈沖激勵(lì)，使用位移傳感器（上海歐多公司、型號(hào)：為OD9001801、靈敏度：1.25 mv/N）測(cè)試其振動(dòng)幅值隨時(shí)間變化的衰減參數(shù)，再通過數(shù)據(jù)采集PULSE（丹麥B&K公司、型號(hào)：3500-B-030、通道數(shù)：5通道）將實(shí)驗(yàn)信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)的信號(hào)處理軟件中，通過進(jìn)一步的處理提取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，最終利用最小二乘法計(jì)算出嵌入式共固化耐超高溫阻尼復(fù)合材料的相對(duì)阻尼系數(shù)。具體實(shí)驗(yàn)方法為：

（1）實(shí)驗(yàn)前，對(duì)實(shí)驗(yàn)試件按照老化試驗(yàn)前的實(shí)驗(yàn)編號(hào)進(jìn)行分組，具體實(shí)驗(yàn)試件編號(hào)和尺寸規(guī)格如表2所示。

（2）將實(shí)驗(yàn)試件夾裝固定在試驗(yàn)臺(tái)上，實(shí)驗(yàn)設(shè)備的連接與組裝按照?qǐng)D6所示。

圖6 自由衰減實(shí)驗(yàn)設(shè)備

（3）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，使用力錘對(duì)試件施加單脈沖激勵(lì)，使試件振動(dòng)，位移傳感器感應(yīng)試件的振幅衰減變化曲線，通過數(shù)據(jù)采集PULSE采集實(shí)驗(yàn)信號(hào)，并將實(shí)驗(yàn)信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)記錄并保存信號(hào)。

2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

本文實(shí)驗(yàn)所用的復(fù)合材料板材的處理方法為：未作處理、230℃*96 H老化處理、260℃*96 H老化處理。振動(dòng)衰減試驗(yàn)對(duì)以上經(jīng)過不同條件處理的實(shí)驗(yàn)件均進(jìn)行測(cè)試，得到了實(shí)驗(yàn)試件的振動(dòng)時(shí)域圖，如圖7所示。

經(jīng)過傅里葉變換之后得到其頻域信號(hào)，將頻域信號(hào)加窗函數(shù)濾波，過濾掉高頻固有頻率，得到最終的頻域圖如圖8所示。

目前，對(duì)于離散數(shù)據(jù)的擬合處理方法主要有直線擬合法和多項(xiàng)式擬合法，多項(xiàng)式擬合法是在部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行擬合，無法充分地利用有效的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，精度較低。由于嵌入式共固化阻尼復(fù)合材料的相對(duì)阻尼系數(shù)較小，為了保證其數(shù)據(jù)處理的精度，本文提出使用最小二乘法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行直線擬合。

圖7 自由衰減時(shí)域圖

圖8 自由衰減頻域圖

由振動(dòng)力學(xué)可知：相對(duì)阻尼系數(shù)定義為實(shí)際的黏性阻尼系數(shù)與臨界阻尼系數(shù)之比，用符號(hào)ζ表示。不同的振動(dòng)系統(tǒng)有不同的振動(dòng)行為，系統(tǒng)的振動(dòng)行為由系統(tǒng)的固有頻率ωn和相對(duì)阻尼系數(shù)ζ所決定。

根據(jù)最小二乘法原理計(jì)算得到如表3所示的各試件的相對(duì)阻尼系數(shù)。并將表中數(shù)據(jù)分別繪制成圖9、圖10和圖11。

圖9 老化處理對(duì)阻尼層厚度為0.1 mm的實(shí)試驗(yàn)試件阻尼性能的影響

3 自由衰減實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖9、圖10、圖11分別給出了室溫處理、230℃* 96 H、260℃*96 H高溫老化處理對(duì)實(shí)驗(yàn)試件的相對(duì)阻尼系數(shù)和固有頻率的影響，其實(shí)驗(yàn)試件的阻尼材料組分為1#、2#，阻尼層厚度分別為0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm。

表3 不同處理?xiàng)l件下各試件相對(duì)阻尼系數(shù)

圖10 老化處理對(duì)阻尼層厚度為0.2 mm的試驗(yàn)試件阻尼性能的影響

圖11 老化處理對(duì)阻尼層厚度為0.3 mm的試驗(yàn)試件阻尼性能的影響

圖9所示為老化處理對(duì)阻尼層厚度為0.1 mm的試驗(yàn)試件阻尼性能的影響，由圖可知，本文所制備的嵌入式共固化阻尼復(fù)合材料在經(jīng)過230℃和260℃高溫老化處理之后，其阻尼性能保持穩(wěn)定。其中，當(dāng)阻尼材料厚度為0.1 mm時(shí)，經(jīng)過230℃*96 H和260℃*96 H高溫老化處理后，嵌入1#阻尼材料的ECCDS相對(duì)阻尼系數(shù)較室溫下降1.650%和4.554%，嵌入2#阻尼材料的ECCDS相對(duì)阻尼系數(shù)較室溫下下降1.471%和2.824%，兩者阻尼性能均保持較高的穩(wěn)定性，2#材料的阻尼性能穩(wěn)定性優(yōu)于1#阻尼材料。

由圖10可以看出，當(dāng)阻尼材料厚度為0.2 mm時(shí)，隨著老化溫度的升高，1#和2#嵌入式共固化阻尼復(fù)合材料試件的阻尼性能均略有下降，在經(jīng)過230℃*96 H和260℃*96 H高溫老化處理后，1#復(fù)合材料試件的相對(duì)阻尼系數(shù)分別下降0.553%和1.456%，2#復(fù)合材料試件的相對(duì)阻尼系數(shù)分別下降0.412%和1.826%，其阻尼性能保持穩(wěn)定。

由圖11可以看出，當(dāng)阻尼層厚度為0.3 mm時(shí)，高溫老化處理對(duì)試驗(yàn)試件的阻尼性能影響較小，在經(jīng)過230℃*96 H和260℃*96 H高溫老化處理后，1#試件相對(duì)阻尼系數(shù)下降了0.31%和0.869%，而2#試件的相對(duì)阻尼系數(shù)下降了0.353%和1.06%。

綜合圖9、10、11我們可以看出，當(dāng)試件嵌入的阻尼層厚度較薄時(shí)，無論試件老化與否，隨著阻尼層厚度的增加，其相對(duì)阻尼系數(shù)均增加，且當(dāng)阻尼層厚度每增加0.1 mm，其相對(duì)阻尼系數(shù)增加明顯，當(dāng)整個(gè)試件中嵌入的阻尼層厚度達(dá)到一定厚度時(shí)，其相對(duì)阻尼系數(shù)維持在穩(wěn)定的水平。這表明，阻尼材料的嵌入明顯的提高了復(fù)合材料試件的阻尼性能。同時(shí)，隨著阻尼層材料厚度的增加，高溫老化處理對(duì)其阻尼性能的影響越來越小，對(duì)于經(jīng)過260℃*96 H處理的1#試件，當(dāng)其阻尼層厚度為0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm時(shí)，其相對(duì)阻尼系數(shù)分別下降4.554%、1.456%、0.869%，對(duì)于2#復(fù)合材料試件，其相對(duì)阻尼系數(shù)分別下降2.824%、1.826%、1.06%，變化幅度均在5%以內(nèi)，說明本文制備的嵌入式共固化阻尼復(fù)合材料經(jīng)過高溫處理后，仍具備優(yōu)秀的阻尼性能穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

本文在綜合研究雙馬來酰亞胺樹脂基碳纖維預(yù)浸料（T700/QY260）和AFLAS氟橡膠的力學(xué)性能、阻尼性能和耐高溫性能基礎(chǔ)上，通過實(shí)驗(yàn)的方法提出一種能夠耐260℃超高溫度的黏彈性阻尼材料。利用四氫呋喃溶液將該黏彈性阻尼材料制成阻尼膠漿溶液，結(jié)合雙面刷涂和熱壓罐工藝制備出嵌入式共固化阻尼復(fù)合材料試件，利用自由振動(dòng)衰減實(shí)驗(yàn)方法對(duì)該試件分別做常溫、230℃*96 H、260℃*96 H老化實(shí)驗(yàn)處理后相對(duì)阻尼系數(shù)的測(cè)定，得到了不同溫度老化處理后的嵌入式共固化阻尼復(fù)合材料的相對(duì)阻尼系數(shù)與阻尼材料厚度的關(guān)系，主要結(jié)論為：

（1）本文所制備的嵌入式共固化阻尼復(fù)合材料在經(jīng)過不同溫度的高溫老化處理之后，相對(duì)阻尼系數(shù)略有下降，變化幅度均保持在5%以內(nèi)，說明其具有良好的阻尼穩(wěn)定性。

（2）嵌入式共固化阻尼復(fù)合材料中嵌入的阻尼層厚度較薄時(shí)，無論老化與否，其相對(duì)阻尼系數(shù)均隨著阻尼層厚度的增加而增大。

（3）高溫老化對(duì)阻尼層厚度不同的試件的影響不同，隨著阻尼層厚度的增加，ECCDS結(jié)構(gòu)的阻尼性能受老化溫度的影響越來越小。

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Damping Properties of Embedded Co-cured Composite Damping Structures after High TemperatureAging Treatment

DUAN Feng-hai1,LIANGSen1,LIANG Tian-xi2
(1.School of Mechanical Engineering,Qingdao Technological University, Qingdao 266033,Shandong China; 2.ChinaAcademy of Engineering Physics,Mianyang 621900,Sichuan China)

Based on the synthetic investigation of the mechanical properties,damping performance and high temperature resistant performance of AFLAS fluorine rubber,a new kind of viscoelastic damping material ingredient is presented,which can co-cure with carbon fiber/bismaleimides resin prepreg(T700/QY260）at 260°C high temperature.The viscoelastic damping material is dissolved in tetrahydrofuran dissolvant to prepare the viscoelastic material solution.By using the double-sided brush coating process and autoclave process,the embedded high-temperature co-curing high damping composite specimens are manufactured.The free vibration attenuation experiments of these specimens are performed to measure the relative damping coefficients under the conditions of normal temperature and after 230°C*96 h and 260°C*96 h aging treatments.The relation between the damping coefficients and the damping material thickness after the aging treatment at different temperatures is obtained.The results verify that the embedded co-cured composite damping structure has excellent ultra-high temperature resistance property and the stable damping performance.

vibration and wave;embedded co-cured composite damping structure;ultra high temperature;the aging process;free attenuation experiment;damping properties

TH703.62

：A

：10.3969/j.issn.1006-1335.2017.01.037

1006-1355(2017)01-0172-06

2016-07-12

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51375248）；中國工程物理研究院資助項(xiàng)目（B2-2015-0112）

段風(fēng)海（1992－），男，山東省德州市人，碩士生，主要研究方向?yàn)閺?fù)合材料。

梁森，男，陜西省咸陽市人，博士，高級(jí)工程師，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)和功能復(fù)合材料。E-mail:liangsen888111@163.com