粘彈阻尼層共固化復(fù)合材料的性能研究與優(yōu)化設(shè)計(jì).pdf

1、近十幾年的相關(guān)研究結(jié)果表明，共固化粘彈性阻尼層的使用是提高復(fù)合材料結(jié)構(gòu)阻尼性能的一種有效途徑。它是一種全新的阻尼處理方法，在成型復(fù)合材料的工藝過(guò)程中，直接將粘彈性阻尼材料作為特定的鋪層嵌入到復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中去，并與復(fù)合材料共固化成型，在保證強(qiáng)度和剛度的前提下達(dá)到大幅度提高復(fù)合材料結(jié)構(gòu)阻尼的目的，而且不易出現(xiàn)剝離現(xiàn)象。1996年，美國(guó)加利福尼亞大學(xué)與NASA合作已成功的將這一結(jié)構(gòu)應(yīng)用于渦流推進(jìn)器的葉片上。國(guó)內(nèi)對(duì)這一新型共固化復(fù)合材料亦給予了

2、極大的關(guān)注，對(duì)其在衛(wèi)星結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用正在進(jìn)行預(yù)研。
　　由于溫度和頻率是粘彈性阻尼材料的阻尼與力學(xué)性能兩個(gè)重要影響因素，所以當(dāng)將粘彈性阻尼材料作為特殊的鋪層插入到復(fù)合材料結(jié)構(gòu)當(dāng)中，勢(shì)必導(dǎo)致工作環(huán)境溫度和振動(dòng)載荷頻率對(duì)共固化復(fù)合材料的阻尼與力學(xué)性能產(chǎn)生較大影響。
　　目前，對(duì)于粘彈阻尼層共固化復(fù)合材料阻尼性能的預(yù)報(bào)大都采用模態(tài)應(yīng)變能法(MSE)，然而這一方法預(yù)報(bào)的損耗因子為結(jié)構(gòu)以各階固有頻率自由振動(dòng)的阻尼性能。由于實(shí)際結(jié)構(gòu)在簡(jiǎn)諧

3、激勵(lì)下的穩(wěn)定響應(yīng)頻率為激振頻率，而不是結(jié)構(gòu)的固有頻率。因此，采用模態(tài)應(yīng)變能法預(yù)報(bào)出的各階模態(tài)損耗因子，難以準(zhǔn)確描述結(jié)構(gòu)在實(shí)際工作中的阻尼性能。本文基于分析結(jié)構(gòu)阻尼的模態(tài)應(yīng)變能法(MSE)與分析結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)的模態(tài)疊加法，建立了粘彈阻尼結(jié)構(gòu)在實(shí)際振動(dòng)頻率下的損耗因子預(yù)報(bào)方法，并對(duì)載荷頻率為1Hz不同溫度下粘彈阻尼層共固化復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損耗因子進(jìn)行預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合，從而驗(yàn)證了這一方法的有效性。
　　現(xiàn)有關(guān)于粘彈阻尼層共固

4、化復(fù)合材料的研究，主要集中于靜態(tài)力學(xué)性能的分析，難以考察溫度和載荷頻率對(duì)其力學(xué)性能的影響。而動(dòng)態(tài)力學(xué)特性能描述接近實(shí)際使用條件下材料的力學(xué)特性。研究動(dòng)態(tài)力學(xué)，可提供設(shè)計(jì)參數(shù)，使復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為先進(jìn)、合理、安全和經(jīng)濟(jì)。本文即采用動(dòng)態(tài)力學(xué)熱分析(DMTA)技術(shù)研究了粘彈性阻尼層共固化復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能規(guī)律并與纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料進(jìn)行了比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，粘彈性阻尼層的插入使得復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能發(fā)生顯著變化，其動(dòng)態(tài)力學(xué)性能溫度譜與粘

5、彈性材料相似，且在粘彈性阻尼材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（ gT）附近亦出現(xiàn)阻尼峰值，且在所測(cè)試的溫度范圍內(nèi)是纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的2.5～13倍左右。
　　將粘彈性阻尼材料作為特殊的鋪層插入到復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中并與復(fù)合材料共固化成型，粘彈性阻尼材料同樣經(jīng)歷復(fù)合材料的固化周期。在這一過(guò)程中，復(fù)合材料固化溫度和壓力以及樹脂的滲透，將導(dǎo)致粘彈性阻尼材料性能的變化，并最終導(dǎo)致整個(gè)共固化復(fù)合材料性能的變化。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于這一方面的研究相對(duì)很少。本

6、論文利用掃描電子顯微鏡結(jié)合冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡證實(shí)了共固化對(duì)阻尼材料的影響，并采用采用動(dòng)態(tài)力學(xué)熱分析(DMTA)技術(shù)研究了復(fù)合材料共固化對(duì)粘彈性阻尼材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料共固化使粘彈性阻尼材料的阻尼性能整體下降，而剛度整體增大，其主要原因?yàn)楣补袒^(guò)程中樹脂的滲透，而固化溫度和壓力對(duì)粘彈性阻尼層的阻尼性能影響相對(duì)很小。
　　已有研究結(jié)果表明，雖然共固化粘彈性阻尼層的插入基本不影響復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的拉伸剛度與強(qiáng)度，但

7、是對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的彎曲剛度和強(qiáng)度以及層間剪切強(qiáng)度影響較大，在很多應(yīng)用領(lǐng)域無(wú)法滿足結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)的要求。已有相關(guān)研究人員雖然提出了對(duì)阻尼層進(jìn)行穿孔，可使得樹脂在穿孔處保持膠聯(lián)，這樣提高了共固化復(fù)合材料的彎曲剛度，但是卻減小了阻尼性能。彎曲剛度和阻尼性能之間的矛盾，使得阻尼層穿孔面積的大小難以確定。本論文研究了粘彈性阻尼層穿孔面積率對(duì)粘彈阻尼層共固化復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的阻尼與彎曲剛度的不同影響。采用統(tǒng)一目標(biāo)函數(shù)法，以粘彈阻尼層共固化復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損