聚合物基復合材料阻尼研究進展

王 麗，任 昆，丁新靜

(哈爾濱玻璃鋼研究院，哈爾濱 150036)

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聚合物基復合材料阻尼研究進展

王 麗，任 昆，丁新靜

(哈爾濱玻璃鋼研究院，哈爾濱 150036)

本文介紹了樹脂基復合材料的阻尼機理、提高阻尼因子的基本方法以及阻尼的分析性預測方法。同時分析了聚合物基復合材料結構/阻尼一體化技術特點并重點論述了該技術的研究發展現狀。

聚合物基復合材料；阻尼性能；結構阻尼一體化

1　引 言

阻尼材料是近幾十年發展起來的一種新型減振降噪材料。由于其應用廣泛，深受國內外研究人員重視。歐美、日本等發達國家對軍民兩用復合材料阻尼技術進行了大量的理論與實踐研究。

所謂阻尼材料是一種能吸收振動機械能，并將之轉化為熱能而耗散的功能材料，阻尼減振降噪技術利用阻尼材料在變形時把動能變成為熱能的原理，降低結構的共振振幅，增加疲勞壽命和降低結構噪音[1]。各類阻尼材料已廣泛應用于航空航天、艦船、機械工業、交通運輸等諸多領域。由于聚合物基復合材料具有良好的比剛度、比強度和阻尼特性，且密度低，因此逐漸成為阻尼材料研究領域的熱點。

近年來，隨著纖維增強樹脂基復合材料的推廣應用，一體化阻尼技術受到越來越廣泛的關注，在大型復合材料構件中得到廣泛的應用。結構/阻尼一體化復合材料是將高阻尼材料添加到結構內部形成一種新型復合材料結構，其結構具有較高的剛度和強度，同時具有更佳的結構阻尼、承重和減振效用。

2　纖維增強聚合物基復合材料阻尼機理

纖維增強聚合物基復合材料與金屬材料有著不同的阻尼機理，主要體現在以下5方面[2]：

2.1基體和增強纖維固有粘彈性

一般來講，復合材料阻尼的主要歸因于基體材料，當聚合物基體中的分子鏈處于運動狀態時，分子鏈段產生內摩擦，這需要在一定時間內克服阻力，將外部施加的機械能轉化為其他形式的能量。在分析纖維增強復合材料阻尼時，纖維的阻尼影響也較大。

2.2界面相的阻尼

界面是復合材料在熱、化學及力學環境下形成的微結構，它包括界面層本身的特性、界面粘結方式及其粘結強度大小等。界面是纖維與基體之間應力傳遞的介質，其結構和性能將直接影響復合材料的物理性能、化學性能、力學性能極其破壞行為。

界面相具有與纖維和基體不同的性質。界面阻尼是復合材料界面在外加應力的作用下發生相對的微滑移現象，產生剪切應力，從而消耗了來自外界的振動能量。界面阻尼在復合材料中發揮微觀阻尼作用，從而改善了復合材料的阻尼性能。

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域和分層產生的摩擦阻尼，二是基體開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，高應力情形下。特別是熱塑性復合材料，由于纖維之間的局部區域存在高應力和應變集中而表現出的非線性阻尼。

2.5熱彈性阻尼

這種阻尼是由復合材料中壓應力區對拉應力區的循環熱流產生的，熱塑性復合材料表現出較大的升溫幅度。其值是關于施加的載荷、頻率和樣品厚度以及應力循環次數的函數。

3　提高聚合物基復合材料阻尼因子的方法

基于以上所述的阻尼機理，可以通過多種方法和途徑提高和改善纖維增強復合材料的阻尼性能。綜合各種國內外文獻，總結方法如下：

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

(2) 在結構表面進行阻尼處理，將黏彈性阻尼材料粘貼于結構表面，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溫度和頻率的依賴性，使結構/阻尼一體化復合材料能在較寬的溫度和頻率范圍內都具有高阻尼特性[6]。

(5)共固化阻尼層，在復合材料內部增加黏彈性阻尼層，這是現階段提高結構阻尼性能的一種非常有效途徑[7]。

4　阻尼的分析性預測

許多關于微觀力學層次、宏觀力學層次以及在結構層面的阻尼預測的分析模型都是建立在線性粘彈性假設的基礎上的，基本上是利用材料力學和彈性力學來解釋彈性模量，而現階段阻尼主要利用對應性原理和應變能法兩種不同的原理/方法進行預測分析[8]。

4.1對應性原理

對應性原理與有效模量的解釋聯系起來共同形成纖維增強復合材料阻尼的基礎。對應性原理就是分別用相對應的動態應力和應變代替靜態應力和應變，以及用復數模量或復數柔量分別代替彈性模量或柔量，可使線性彈性靜態力學分析轉變成為動態線性粘彈性分析，這種方法已應用于微觀力學模型，以預測校準的非連續纖維或連續纖維增強復合材料的阻尼性能。對應性原理也用來與經典層壓制品理論(CLT)相聯系，以確定多層復合材料的損耗因子。損耗因子表達為虛拉伸剛度對實拉伸剛度的比率。

4.2應變能法

應變能法將材料與結構的總阻尼與每一單元的阻尼以及儲存在該單元中的總應變能分數結合起來。將這些方法應用于復合材料時，就可以把復合材料看成一種系統，系統中每個單元的性質依對其進行微觀力學或宏觀力學分析而定。在微觀力學分析中，單元包括增強纖維、樹脂基體以及纖維和樹脂基體間的界面、空隙含量。 另一方面，對于宏觀力學分析來說，單個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變和耗能單元。作為優化技術的有限元法與一些其它的數值方法，正被應用于復合材料的阻尼分析和復合材料結構的阻尼優化。

5　復合材料結構/阻尼一體化技術的研究進展

5.1復合材料結構/阻尼一體化技術的特點

阻尼減振技術是通過某種方式將高阻尼材料添加到結構中，增大結構的模態阻尼比，有效抑制共振區附近動態響應。一般按照阻尼材料添加方式的不同，可以將阻尼減振技術分為附加阻尼減振技術和阻尼/結構一體化技術。附加阻尼減振技術是在結構表面應變較大處粘貼高阻尼附加層，阻尼層上再粘接約束層，其顯著特點是對結構的模態頻率和振型影響較小，特別適合結構的事后修改，主要用于梁、板和薄殼結構的彎曲振動減振。

與附加阻尼層技術相比，一體化阻尼技術的特點為：

(1)附加阻尼一般應用于結構的修改，即結構產品制造過程已經完成，出現振動問題，在不對結構重新設計的情況下，通過結構表面粘貼附加約束阻尼達到減振降噪目的，而一體化阻尼技術是在產品制造前，通過阻尼設計，將高阻尼材料添加到結構內部，增加結構阻尼，達到減振降噪目的。

(2)由于附加阻尼是附加在結構基體的表面，該處模態應變能較小，而一體化阻尼處在結構內部，應變能比較大，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結構/阻尼一體化技術國內外研究進展

國外從60年代起，以石墨/環氧、Kevlar/環氧等聚合物基復合材料為主，從理論上研究了復合材料的阻尼機理、阻尼測量以及基體樹脂、固化劑、纖維的鋪放方式、纖維種類、復合材料結構等對阻尼性能的影響，但所研制材料阻尼性能較低，損耗因子在0．01～0．02，未能達到應用要求[9]。

20世紀90年代以來，國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合材料結構的阻尼。所謂共固化是指復合材料固化前將黏彈性材料嵌入復合材料層間與復合材料同時固化。該嵌入材料須經歷復合材料固化所需壓力和溫度。因此，復合材料內部的黏彈性材料在共固化過程中可能出現諸多問題，如阻尼材料在固化過程中可能老化降解，造成復合材料分層；阻尼材料可能產生蠕變或被擠壓到復合材料外部。結果表明，引入黏彈性共固化阻尼層是提高復合材料結構阻尼的有效途徑，在實際應用中也容易實現，可在保證復合材料結構具有足夠的強度和剛度的前提下，大幅提高復合材料結構的阻尼性能，且不易出現剝離分層現象。

BARRETT D J[10]研究表明，盡管共固化可明顯提高結構阻尼，但在共固化時，黏彈性阻尼材料的阻尼性能明顯下降，其原因主要是因為阻尼材料與環氧樹脂基體的相互作用所致。采用預混合低樹脂含量試樣的阻尼性能較好。如果固化前在阻尼材料和環氧樹脂之間置入聚酰亞胺膜，以阻止阻尼材料和環氧樹脂的相互作用，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、再粘接的結果接近。復合材料固化溫度對阻尼材料的影響不大。

M．J．Robinson[11]等人提出了黏彈阻尼層經過打孔后再共固化的改性方法。阻尼層經少量打孔后，基體樹脂可通過打孔與玻璃纖維結合，每一個穿孔處構成一個交聯點，而交聯點的剛度較大。可通過改變交聯點的大小和數量控制阻尼層的變形，進而控制整個復合材料的阻尼性能和彈性模量，使復合材料阻尼性能和力學強度達到理想的平衡點。

在國內，這方面的研究已有一些文獻報道，主要集中于一些基礎理論和分析研究。張少輝等應用基于有限元的模態應變能法，采用國外文獻中復合材料黏彈阻尼梁結構及其數據，研究了共固化復合材料結構的阻尼因子；同時考慮了黏彈性阻尼材料的頻率依賴性和復合材料本身對振動能量的損耗，提出了該類結構有限元模型，并進行了驗證。通過簡支梁模型，考察了復合材料本身的阻尼因素、柔性層的引入及其位置對復合材料黏彈阻尼結構阻尼因子的影響。結果表明：纖維增強復合材料本身的阻尼因素對結構阻尼因子的影響與鋪層結構和模態有關；在保證結構剛度前提下，在鄰近阻尼層的位置增加一定數目柔性層可提高結構阻尼；將黏彈阻尼層離散分布于偏離結構厚度中心適當距離的位置，有利于結構阻尼的改善。

潘利劍等[12-13]基于模態疊加法和模態應變能法，導出任意簡諧激勵下黏彈阻尼結構阻尼因子的計算方法，并用于分析共固化復合材料黏彈阻尼結構簡諧激勵下阻尼因子，該分析結果與DMA實測結果基本一致。他們研究了實驗溫度對0.3ram丁腈橡膠膜和T700碳纖維增強TT85環氧樹脂基共固化復合材料單向板阻尼性能的影響。結果表明：當溫度介于阻尼層玻璃態區和高彈態區時，共固化復合材料阻尼因子較小，且隨溫度變化不大；當溫度處于阻尼層黏流態區時，共固化復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合材料的13倍；共固化過程中阻尼層阻尼因子減小，共固化復合材料的阻尼性能降低；在阻尼層的黏流態區，其阻尼因子明顯小于預報結果；界面阻尼的影響提高了共固化復合材料的阻尼性能，在阻尼層的玻璃態區，其阻尼因子大于預報結果。

臺灣大學Liao[14]等研究了中間層鋪設了聚乙烯/丙烯酸酯的單向碳纖維/環氧樹脂桿件的阻尼性能，結果表明結構的宏觀阻尼顯著增加，外層復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合材料的對稱及非對稱圓盤的振動和阻尼特性，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合材料圓盤有較好的阻尼性能。

余啟勇等[16-17]采用3M公司的阻尼材料ISD112、高強玻璃纖維布和環氧樹脂，使用共固化工藝制備了復合材料，在0～500 Hz范圍內材料的阻尼因子≥0．03， 抗彎強度接近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/基體樹脂/玻璃布共固化復合材料.研究結果表明，阻尼膠膜穿孔面積比在8% 以內時，復合材料阻尼性能和靜態力學性能都有較大變化；阻尼層穿孔面積比在12%～30% 之間變化時，有一定的阻尼效果，阻尼層面積比小于70% 時，復合材料的損耗因子略有提高，靜力學性能與未加阻尼層的復合材料相當。

楊加明[18]等分析了復合材料夾雜雙層黏彈性阻尼材料的對稱夾層板的線性彎曲，用Ritz法研究各應力分量的應變能，計算分析了復合材料層的應變能以及復合結構的損耗因子。結果表明，復合材料層中的面內應變能發揮主要作用，黏彈性層中的z 方向的切應力應變能較大，芯層的應變能很小。楊加明等[19]以該類材料結構的損耗因子最大化為優化目標，用改進遺傳算法對其阻尼性能進行優化設計的效果明顯，多變量優化設計結果優于單變量優化設計，優化后結構的損耗因子明顯增大。

6　結 語

阻尼作為復合材料及其結構的重要力學性能，在振動、沖擊、噪音控制中發揮著十分重要的作用，在復合材料功能設計中占有重要地位。雖然目前復合材料阻尼性能理論研究不斷深入，但是在實際工程中的有效應用仍需要大力地進一步研究實踐。

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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，高級工程師，研究方向：復合材料應用。E-mail：hrbfrpwl@163.com.