結(jié)構(gòu)阻尼樹脂基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與性能研究.pdf

1、近年來，隨著航空航天飛行器向高速、輕質(zhì)和多功能化方向發(fā)展，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料在減重和減振降噪方面面臨著更大的挑戰(zhàn)。尤其隨著纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用比重的迅速提升，開發(fā)兼具高力學(xué)性能和振動阻尼性能的新型結(jié)構(gòu)-阻尼復(fù)合材料成為研究的熱點之一。結(jié)構(gòu)阻尼復(fù)合材料屬于結(jié)構(gòu)功能一體化復(fù)合材料之一，其應(yīng)用范圍涉及航天航空、交通運輸、電力電子以及儀器儀表等工業(yè)領(lǐng)域，對于國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活質(zhì)量的提高起到重要的作用。
　　傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)阻尼復(fù)合

2、材料制備是將結(jié)構(gòu)材料與高阻尼的黏彈性材料粘合在一起。由結(jié)構(gòu)材料提供強(qiáng)度和剛度，黏彈性材料提供阻尼性能。這種復(fù)合方式目前暴露出的主要問題是結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和耐熱性能的下降及工藝性和服役性變差。而最新發(fā)展的其他共固化復(fù)合材料（蜂窩、智能材料、金屬泡沫、納米材料）又存在增厚增重大、工藝復(fù)雜和成本增加的弊端。結(jié)構(gòu)阻尼材料研制中關(guān)鍵問題是選擇與結(jié)構(gòu)層匹配的阻尼層材料并能形成很好的界面結(jié)構(gòu)。從材料層面來說，一方面阻尼層材料應(yīng)與結(jié)構(gòu)層樹脂具有較好的界面

3、結(jié)合力和不沖突的成型工藝，另一方面阻尼層應(yīng)具有相對較高的力學(xué)性能、阻尼性能和耐熱性能。從結(jié)構(gòu)層面來說，結(jié)構(gòu)層和阻尼層最好形成互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這樣能減少界面處應(yīng)力集中，同時改善應(yīng)力的傳遞效率，充分發(fā)揮阻尼層的阻尼效果。
　　此外，材料的阻尼性能和斷裂韌性關(guān)系密切，相對成熟的增韌技術(shù)可用于結(jié)構(gòu)阻尼復(fù)合材料的開發(fā)，尤其是通過力學(xué)性能優(yōu)異的熱塑性聚合物離位增韌復(fù)合材料和納米級碳材料如納米碳纖維、碳納米管等增韌均可以在保證復(fù)合材料力學(xué)性能的前

4、提下明顯提高其斷裂韌性。因此，本論文的基本思路即是從材料層面上篩選與基體樹脂相匹配且具有較好離位增韌效果的幾種多孔的熱塑性樹脂無紡布（本文選用尼龍和芳綸兩種無紡布）作為阻尼材料和離位增韌材料，通過與基體樹脂在復(fù)合材料的層間形成多相連續(xù)的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在離位增韌改性的同時提高復(fù)合材料的阻尼性能。同時，為進(jìn)一步提高體系的阻尼性能和斷裂韌性，通過篩選將結(jié)晶型熱塑性聚合物PVDF和納米碳材料VGCF負(fù)載在無紡布材料上，研究不同增韌和阻尼材料的協(xié)

5、同增韌和阻尼改性效果。另外，考慮到近年來綠色復(fù)合材料的發(fā)展越來越受到人們的重視，而結(jié)構(gòu)阻尼材料的開發(fā)中也應(yīng)考慮綠色環(huán)保的設(shè)計原則，本文還篩選了力學(xué)性能和阻尼性能相對較好的苧麻纖維和黃麻纖維來制備綠色結(jié)構(gòu)阻尼復(fù)合材料。
　　由于阻尼層的加入方式和阻尼性能對結(jié)構(gòu)阻尼材料的整體阻尼性能有直接影響，為進(jìn)一步研究其變化規(guī)律，本論文在實驗的基礎(chǔ)上對結(jié)構(gòu)阻尼復(fù)合材料的兩種阻尼測試過程進(jìn)行了有限元模擬分析。通過ANSYS軟件建立了結(jié)構(gòu)阻尼復(fù)合材料

6、的阻尼因子和模態(tài)頻率的虛擬測試方法，通過改變阻尼層的各物理屬性可以非常方便的考察阻尼層的變化對復(fù)合材料整體性能的影響。這種通過有限元分析建立的虛擬測試技術(shù)具有很強(qiáng)的實用性能，可以大大縮短了材料開發(fā)的時間周期，為結(jié)構(gòu)阻尼材料的研究提供方便。
　　本論文研究主要得到以下結(jié)論:
　　1)尼龍無紡布能夠在離位增韌復(fù)合材料的同時明顯提高復(fù)合材料的損耗因子且不會造成復(fù)合材料力學(xué)性能的明顯下降。其中，復(fù)合材料的阻尼性能和力學(xué)性能與阻尼層的

7、位置和體積分?jǐn)?shù)密切相關(guān)。通過在尼龍無紡布上負(fù)載PVDF能進(jìn)一步明顯提高共固化復(fù)合材料的振動衰減性能和層間斷裂韌性，插入7層時損耗因子達(dá)到0.0121，比空白樣品提高了152.1％，其GⅠC和GⅡC分別達(dá)到1700.0J/m2和2829.0J/m2，較空白樣品提高了4.6倍和2.9倍。通過在尼龍無紡布上負(fù)載PVDF/VGCF能進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)阻尼復(fù)合材料的耐熱性能、高溫段阻尼性能、導(dǎo)電性能，但對復(fù)合材料的力學(xué)性能沒有明顯提高，這可能與納米材

8、料的分散性差、容易團(tuán)聚有關(guān)。
　　2)芳綸無紡布同樣能夠在不明顯降低復(fù)合材料的力學(xué)性能的前提下同步提高復(fù)合材料的斷裂韌性和阻尼性能。與尼龍無紡布相比，ANF離位增韌結(jié)構(gòu)阻尼復(fù)合材料的力學(xué)性能更好，但界面結(jié)合性相對較差，Ⅰ型、Ⅱ型層間斷裂韌性和CAI較低，但界面阻尼作用反而較高。
　　3)通過苧麻纖維布/碳纖維布/玻璃纖維布的混雜鋪層能夠平衡力學(xué)性能和阻尼性能之間的矛盾，實現(xiàn)材料阻尼性能和力學(xué)性能的可控調(diào)節(jié)，充分發(fā)揮復(fù)合材料可

9、設(shè)計性強(qiáng)的優(yōu)勢。其中“RCRCR”鋪層的復(fù)合材料的損耗因子達(dá)到0.0057，比純碳纖維布復(fù)合材料的0.0018提高了2.2倍，而拉伸強(qiáng)度達(dá)到381.6MPa，比純苧麻纖維板提高了4.6倍?！癛CRCR”型復(fù)合材料的損耗因子達(dá)到0.0101，比純玻璃纖維布復(fù)合材料提高了1.4倍，而拉伸強(qiáng)度達(dá)到278MPa，比純苧麻纖維板提高了3倍多。
　　4)利用ANSYS軟件建立了兩種虛擬阻尼性能測試方法即虛擬自由振動衰減法和虛擬強(qiáng)迫共振掃頻法。