阻尼复合材料发展研究

阻尼复合材料研究进展

摘要：阻尼材料是近几十年来发展起来的一种新型减振降噪材料。由于其特殊用途，深受国内外关注，而兼具高阻尼和静态力学性能的结构阻尼复合材料则具有十分广阔的应用前景，目前国内外对结构阻尼复合材料的研究和开发十分重视。本文简要阐述了阻尼复合材料的阻尼机理以及国内外的发展史，分别介绍了树脂基阻尼复合材料、金属基阻尼复合材料、橡胶阻尼复合材料、树脂—金属基阻尼复合材料、压电导电新型阻尼复合材料, 以及几种阻尼复合材料的研究发展状况。

关键词：树脂基、金属基、橡胶基、压电、阻尼复合材料

Abstract:Damping material is a new material for reducing librations and noises developed in recent years. Many people in and out of China begin to interested in this kind of material for its special use.The structural damping composites that have not only high damping but also high strength and modulus will hold an extensive application future. At present many countries have put emphasis on the study and exploitation of structural damping composites. This paper summarizes the chief principle of damping composite materials and its development history around world. It introduces a kind of damping composite materials such as resin based damping composite material、metal based damping composite material、rubber based damping composite material、resin-metal based damping composite material and piezoelectric and conductive advanced damping composite material. The paper shows the development of several damping composite material.

Keywords:Resin matrix;Metal matrix;Rubber matix ;Piezoelectic;Damping Composite material

1．引言

随着航空航天领域的巨大发展，科学技术的不断进步，人们对材料的要求越来越高，不仅要求材料满足力学性能要求，而且还要其具有特殊的功能，阻尼复合材料正是这种具有发展前途的功能复合材料。阻尼复合材料是一种能吸收振动机械能，并将其转化为其他形式的能量(如热能、电能、磁能、声能等)功能复合材料。各类阻尼复合材料已广泛应用于导弹、卫星、飞机、舰船、汽车工业等许多领域。阻尼复合材料的种类多种多样，按其基体不同主要可分为树脂基阻尼复合材料、金属基阻尼复合材料和金属—树脂复合阻尼材料；按其阻尼耗能机制可分为热损耗型阻尼复合材料、磁损耗型阻尼复合材料和电损耗型阻尼复合材[1]。

早在上世纪80年代美国海军就成功地将碳纤维增强环氧推进轴用于YP-654级巡逻艇并进行了海试。90年代初成功地将5000轴马力，外径0.68m、长10m的复合材料推进轴在军用运输船上进行海试,90年代末又成功地将复合材料推进轴应用到“孟菲斯”号潜艇进行海试，效果良好。从美国海军对复合材料推进轴的研制推广应用过程来看，美国海军已完成安静型潜艇用低噪声高阻尼复合材料推进轴的材料研制、成型工艺研究、配套技术以及海试验证，且已进入实用阶段。从效果看，采用低噪声高阻尼复合材料推进轴技术已成为安静型潜艇控制声目标强度的最为有效的措施之一。国外，结构阻尼复合材料基座在舰船设备上已有应用，俄罗斯潜艇的设备基座所采用的阻尼复合材料的结构损耗因子为0.025-0.1,连接部位有金属加强筋。另外，国外潜艇的减振浮筏的筏架也有部分采用结构阻尼复合材料制作，表现出优异的阻尼隔振效果[2]。

2．阻尼机理

阻尼复合材料主要是通过基体、增强体以及两者之间的界面摩擦阻尼来吸收振动机械能量，并将机械能转化为热能或其他形式的能量而耗散的功能材料。阻尼减振技术利用阻尼材料在变形时把动能变成为其他形式能的原理，降低材料结构的共振振幅和增加材料的疲劳寿命。因此，基体阻尼、增强体阻尼及界面阻尼构成了阻尼原理的三个主要的微观机制，其叠加的结果决定了复合材料的宏观阻尼行为。

2. 1 基体材料阻尼

阻尼复合材料通常是通过基体的阻尼特性起到减振抗噪的目的。聚合物基体与金属基体的阻尼特性是完全不同的。聚合物基体在处于刚性的玻璃态时，高分子链段的自由运动是受限制的，材料形变主要是由大分子链键长和键角的变化而引起，不能消耗机械能。当聚合物基体中的分子链处于运动状态时，分子链段发生相互运动时产生内摩擦，这需要克服阻力，需要一定的时间，将外部施加的机械能转化为其他形式的能量[3]，这就是基体材料阻尼的机制。

2. 2 增强体材料阻尼

阻尼复合材料的另一种减振方式是靠复合材料中的增强材料来消耗振动能量的。这些增强材料如纤维能起到增加材料的应变及损耗能量的能力。它能限制分子的运动，增加应力和应变之间的相位滞后；增强材料能限制分子长链相互转换过程中的运动，从而增强能量的转化，并增强了阻尼作用[4]。

2. 3 材料界面阻尼

大多数增强材料与基体树脂在结构上存在很大差异，在物理和化学性质上不相容，因此两者结合后，界面会影响复合材料的性能。而增强体与基体的结合面恰恰就是复合材料阻尼机制的来源。界面阻尼是复合材料界面在外加应力的作用下发生相对的微滑移现象，从而消耗了从外界来的振动能量。界面阻尼在复合材料中起到微观阻尼的作用，从而增大了复合材料的阻尼性能。

3．阻尼复合材料发展状况

3．1 树脂基阻尼复合材料

国外很早就开始从事树脂基阻尼复合材料的研究，在理论上分析了复合材料的阻尼机理、阻尼测量以及基体树脂、固化剂、纤维的铺设方式、纤维种类、复合材料结构等对阻尼性能的影响。树脂基阻尼复合材料具有粘性液体在流动状态下损耗能量，以及弹性固体材料贮存能量的特性，因此，聚合物是人们比较认可的阻尼材料。当高分子材料处于刚性的玻璃态时，大分子链段的运动是基本冻结的，形变主要是由大分子中的键长和键角的变化而引起的，弹性模量高，不能耗散机械能，只能将机械能作为位能贮存起来。当其处于粘流态时, 链段的运动是协同运动，只能消耗能量而不能存储机械能。介于这两者之间的是玻璃化转变区,当聚合物在玻璃化转变温度附近时，聚合物链段由完全冻结状态转变为运动状态，分子链段之间发生相互运动产生内摩擦，将外场作用的机械能部分地转变成热能或其他形式的能而散逸，从而达到减振降噪的目的。

随着环氧树脂阻尼材料应用的日益广泛和对阻尼材料性能要求的逐渐提高，研制高阻尼性能环氧树脂基体及其复合材料成为研究热点。互穿聚合物网络(IPN）技术、阻尼性能、高分子链段结构的评价能够在分子水平上指导新型环氧树脂的设计和开发；纳米技术、压电效应、材料制备新技术等与阻尼材料的研究相结合，能够为阻尼材料提供广阔的发展前景。

而在树脂基阻尼复合材料发展当中, 纤维增强环氧树脂阻尼复合材料无疑是研究和应用最广、最成功的阻尼材料之一。李明俊等[5]将M-3501环氧树脂基碳纤维预浸料(厚度为0.125 mm)与T54/T60型改性环氧树脂制成试样，并与不同厚度的阻尼层材料(ZN28)进行复合。用压敏胶和T54/T60型改性环氧树脂作胶粘剂, 借助动态机械分析仪(DMAQ800)，考查了2种粘接层材料和不同粘接层厚度对各向异性交替层合阻尼结构