粘弹阻尼层共固化复合材料的阻尼特征分析

利用动态力学热分析技术(DMTA)测试了粘弹性阻尼材料在与复合材料共固化前后的动态力学性能,并利用有限元分析方法考察了复合材料共固化、粘弹性阻尼层的厚度以及复合材料柔性层对共固化复合材料的阻尼特征的影响.结果表明,复合材料共固化过程中由于树脂渗透等原因,共固化复合材料的阻尼峰值仅为理想状态的54%左右且阻尼峰值所对应的温度向高温方向移动;增加粘弹性阻尼层的厚度以及在阻尼层附近插入柔性层不仅可以提高粘弹阻尼层共固化复合材料的阻尼峰值,而且可拓宽共固化复合材料的阻尼温域.     

嵌入式低温共固化高阻尼纤维/树脂基复合材料

通过正交试验新研制出一种可以与玻璃纤维/BA9913环氧树脂预浸料低温共固化的高阻尼黏弹性材料,提出使用四氢呋喃（THF）作为溶剂,将该高阻尼材料制成黏弹性材料溶液。采用双面刷涂工艺,将玻璃纤维/BA9913环氧树脂复合材料制成带阻尼薄膜的预浸料,按照设计的铺层根据热压罐固化工艺制成嵌入式低温共固化高阻尼复合材料试件。模态试验和层间剪切试验验证了本文所提出制作工艺和黏弹性材料组分的有效性,试件一阶模态损耗因子可达7.2%。为嵌入式低温共固化高阻尼复合材料的广泛使用奠定了基础。      

简谐激励下共固化复合材料粘弹阻尼结构的损耗因子研究

基于模态叠加法和模态应变能法,推导出在任意简谐激励下粘弹阻尼结构的损耗因子的计算方法,并采用这种方法分析了共固化复合材料粘弹阻尼结构在简谐激励下的损耗因子.分析结果与动态机械分析仪(DMA)实测结果基本吻合,从而验证了本文建立方法的有效性,对粘弹阻尼结构的损耗因子的分析以及共固化复合材料粘弹阻尼结构的设计和应用具有一定的参考价值.     

高温老化后嵌入式共固化阻尼复合材料结构的阻尼性能

在综合研究双马来酰亚胺树脂基碳纤维预浸料(T700/QY260)和AFLAS氟橡胶的力学性能、阻尼性能和耐高温性能基础上,通过试验的方法提出一种能够耐260℃超高温度的黏弹性阻尼材料。利用四氢呋喃溶液将该黏弹性阻尼材料制成阻尼胶浆溶液,结合双面刷涂和热压罐工艺制备出嵌入式共固化阻尼复合材料试件,利用自由振动衰减实验方法对该试件分别做常温、230℃*96 H、260℃*96 H老化实验处理后相对阻尼系数的测定,得到不同温度老化处理后的嵌入式共固化阻尼复合材料的相对阻尼系数与阻尼材料厚度的关系,证明了所制备的嵌入式共固化阻尼复合材料具有优异耐超高温性能和稳定的阻尼性能。     

中温共固化阻尼复合材料制备及层间结合性能

基于树脂基体的固化工艺与阻尼材料的硫化特性,利用正交试验法研制了一种能够与酚醛树脂在165℃发生共固化的黏弹性阻尼材料。然后将阻尼材料制成阻尼胶浆,探索使用刷涂工艺将中间层制成带有阻尼薄膜的预浸料,最终按照设计的铺层顺序根据共固化工艺制成玻璃纤维增强酚醛树脂基复合材料阻尼结构。通过层间剪切实验研究该复合材料结构的层间剪切性能,获得了层间剪切强度随阻尼层厚度的变化曲线。当阻尼层仅为0.1 mm时,其最大剪切力为4647 N,层间剪切强度达到7.435 MPa。随着阻尼层厚度的增大,共固化阻尼复合材料结构的层间剪切强度逐渐降低,实验研究表明,阻尼层与约束层间具有优异的层间结合性能。模态实验结果表明,共固化复合材料具有良好的阻尼层能。利用扫描电镜对其剪切失效面进行微观分析,结果表明树脂基体与阻尼材料具有良好的相容性。这为共固化阻尼复合材料的进一步应用提供了理论参考。     

嵌入式高温共固化复合材料阻尼结构层间结合性能

使用正交实验法, 研制出满足嵌入式高温共固化复合材料阻尼结构制作工艺要求的黏弹性材料组分, 提出使用刷涂工艺代替压片工艺制备黏弹性材料薄膜, 并对两种工艺制备的碳纤维/双马来酰亚胺(T300/QY8911)复合材料试件进行层间剪切测试, 获得了薄膜厚度与层间最大剪切应力的变化关系, 实验数据表明: 刷涂工艺能提高嵌入式高温共固化复合材料阻尼结构层间结合性能10%以上, 而且阻尼层越薄, 提高幅度越大; 失效表面证明: 刷涂工艺所制得试件能在阻尼薄膜与复合材料界面间形成互穿网络结构。     

嵌入式高温共固化复合材料阻尼结构层间结合性能

使用正交实验法,研制出满足嵌入式高温共固化复合材料阻尼结构制作工艺要求的黏弹性材料组分,提出使用刷涂工艺代替压片工艺制备黏弹性材料薄膜,并对两种工艺制备的碳纤维/双马来酰亚胺(T300/QY8911)复合材料试件进行层间剪切测试,获得了薄膜厚度与层间最大剪切应力的变化关系,实验数据表明:刷涂工艺能提高嵌入式高温共固化复合材料阻尼结构层间结合性能10％以上,而且阻尼层越薄,提高幅度越大;失效表面证明:刷涂工艺所制得试件能在阻尼薄膜与复合材料界面间形成互穿网络结构.     

多层阻尼薄膜嵌入的共固化复合材料结构动力学性能

为大幅度地提高复合材料结构动力学性能,首先提出了新型多层阻尼薄膜嵌入的共固化复合材料结构,并按照玻璃纤维/环氧(5231/EW180B)预浸料固化工艺曲线将其制成嵌入式中温共固化多层阻尼薄膜复合材料试件;然后,探索使用模态应变能有限元数值模拟法对该结构的动力学性能进行了研究;最后,将结果与模态分析实验数据进行对比,并获得了多层阻尼薄膜嵌入的共固化复合材料结构模态参数随阻尼层的厚度、数量、位置和分布的变化关系。结果表明:多层阻尼薄膜嵌入的复合材料结构能显著提高整体结构的一阶模态损耗因子。研究结果为轻质大阻尼复合材料结构设计理论和制作工艺的进一步研究奠定了基础。     

温度对敷有阻尼层的铝型材声学性能的影响

为了研究温度变化对敷有黏弹性阻尼层的高速列车车体铝型材结构声学性能的影响,建立高速列车车体铝型材隔声和振动声辐射计算模型,其中100 Hz~500 Hz中低频段采用混合有限元-统计能量分析法(FE-SEA),630Hz以上高频段采用统计能量分析法(SEA)。基于试验测试数据,考虑黏弹性材料温变特性对其杨氏模量和阻尼损耗因子的影响。通过数值模型,研究不同温度条件下铝型材隔声量及振动声辐射性能的变化,分析温度对敷有阻尼层的铝型材声学性能的影响。结果显示:温度的影响主要集中在共振区及1 600 Hz以上的高频段。阻尼层在10℃~50℃环境中,即处于黏流态时对铝型材声学性能的优化作用较好,但在10℃以下环境中敷设阻尼层的降噪效果将有所减弱。     

PVDF对芳纶无纺布/环氧树脂共固化复合材料力学和阻尼性能的影响

为评价热塑性结晶聚合物聚偏二氟乙烯(PVDF)对共固化复合材料动态力学和阻尼性能的影响,首先,将PVDF负载到芳纶无纺布(ANF)上,采用共固化工艺制备了PVDF-ANF/环氧树脂(EP)结构阻尼复合材料。然后,利用动态机械分析仪测试了PVDF-ANF/EP复合材料的损耗因子、损耗模量和储能模量的温度谱;通过弯曲强度、弯曲模量和层间剪切强度的测试评价了复合材料的静态力学性能;通过单悬臂梁振动实验测试了复合材料的共振频率及自由振动衰减曲线,并计算了损耗因子;通过I型、II型层间断裂韧性实验及断面微观形貌的观察研究了复合材料的断裂韧性及增韧机制。最后,对复合材料的微观结构进行分析,探讨了其兼具力学性能和阻尼性能的结构内因。结果表明:通过在ANF表面负载PVDF,可在不引起复合材料力学性能明显下降的前提下,进一步提高PVDF-ANF/EP复合材料的阻尼性能和层间断裂韧性,复合材料的损耗因子提高了33.3%,I型和II型断裂韧性分别提高了168%和208%。     

Damping properties of thermoplastic-elastomer interleaved carbon fiber-reinforced epoxy composites

The aim of this study is to characterize the damping properties of carbon fiber-reinforced interleaved epoxy composites. Several types of thermoplastic-elastomer films, such as polyurethane elastomers, polyethylene-based ionomers and polyamide elastomers were used as the interleaving materials. The damping properties of the composite laminates with/without the interleaf films were evaluated by the mechanical impedance method. Also, the effects of the lay-up arrangements of the carbon-fiber prepregs on the damping properties of the interleaved laminates were examined. The viscoelastic properties of interleaved polymer films were reflected in the damping properties of the corresponding interleaved laminates. The loss tangent of the interleaf films at the test temperature played an important roll in the loss factor of the interleaved laminates. Also, the stiffness of the films at the resonant frequency of the laminates was another important parameter that controlled the loss factor of the interleaved laminates.     

黏弹性复合材料结构的多目标优化设计

黏弹性复合材料具有良好的阻尼性能,但黏弹性层的存在对黏弹性复合材料结构的强度性能会有所影响,黏弹性复合材料结构只有同时兼备良好的阻尼和强度才能满足工程要求。该文在经典层合板及小挠度弯曲理论基础上,运用Ritz法建立黏弹性复合材料结构应变能损耗因子和横向均布荷载作用下初始破坏强度计算模型。提出新的遗传算法适应度函数构造办法,克服了多目标优化问题中优化结果的偏移现象,对黏弹性复合材料结构进行单目标和双目标优化设计。优化结果表明:改进的遗传算法适用于黏弹性复合材料结构阻尼和强度性能的优化设计,而且多目标优化设计可以权衡复合结构的阻尼性能和强度性能,有利于发挥黏弹性复合材料结构良好的整体性能。     

On Remarkable Loss Amplification Mechanism in Fiber Reinforced Laminated Composite Materials

In this present work, we investigate damping behavior of filled and layered composite material that has its inclusions coated by viscoelastic coating material. To analyze its behavior, we use generalized self-consistent Eshelby method with correspondence principle approach. The viscous coating layer is assumed to possess properties at its glass transition temperature. This analytical study reveals that at ultra thin coating layer, the composite exhibits very high loss characteristics where its effective loss moduli significantly exceed the loss moduli of both coating and matrix materials. High shearing dissipation mechanism in ultra thin layer of viscoelastic coating material is found to be responsible for this peculiar behavior. This remarkable loss amplification effect is technologically appealing as such composites with high damping and high stiffness properties might be attainable.     

甲基乙烯基硅橡胶/丁基橡胶的阻尼性能与热稳定性研究

用共混-硫化法制备了甲基乙烯基硅橡胶/丁基橡胶(PMVS/IIR)复合材料,并采用拉伸测试和动态力学测试(DMA)、TG分析了材料的力学性能、阻尼性能和在空气中的热稳定性.结果表明,通过改变聚合物组分的配比和硫化剂的用量,可得到力学性能较好的复合材料.DMA测试表明,与硅橡胶相比,在以酚醛树脂作为硫化剂时,复合材料的阻尼温域从0℃拓宽到近150℃(-50～100 ℃),阻尼因子从0.12提高到0.69.所制备出的材料可作为阻尼材料使用.     

023型铌镁锆钛酸铅/环氧树脂复合材料的介电和阻尼性能

采用树脂浇注成型法制备了 023型铌镁锆钛酸铅(PMN) /环氧树脂( EP)复合材料 , 并用差示扫描量热仪(DSC)研究了 PMN对环氧树脂固化性能的影响。介电性能研究表明 , 随着 PMN质量分数的增加 , 介电常数和5介电损耗都呈非线性增大 ; 在小于 10 Hz频率范围内 , 介电常数随频率增大迅速降低 , 这主要是受复合材料界面极化影响 , 频率较高时 , 介电常数变化较小 , 表现出较好的频率稳定性 ; 在测试频率范围内 , 介电损耗随频率的升高略有降低 , 但变化幅度很小。动态热机械分析(DMA)表明 , 复合材料的储能模量随 PMN 含量的增加而增大 , 损耗模量和阻尼损耗因子的峰值及阻尼温域受 PMN含量的影响较大 , 当 PMN 含量为 87. 24 wt %时在 90℃附近观察到新的阻尼损耗因子峰出现 , 且该峰对应的温度不随频率的改变而移动 , 该阻尼损耗因子峰可能为复合材料的介电损耗耗能所致。     

碳纳米管增强铝基复合泡沫的阻尼性能

通过填加造孔剂方法制备了碳纳米管（CNTs）增强铝基复合泡沫,采用热机械分析仪研究了测试温度、频率、外加振幅、泡沫的孔隙率和CNTs含量对其阻尼性能的影响,并分析了相关阻尼机制。结果表明:复合泡沫铝的阻尼性能随孔隙率和振幅的增大而提高,随着频率的增加而下降。在环境测试温度25~200℃范围内,复合泡沫的损耗因子变化较小;当温度高于200℃后,损耗因子随温度升高有明显的提高。CNTs的加入可以显著提高泡沫铝的阻尼性能,常温下3.0% CNTs增强的铝基复合泡沫的损耗因子达0.27,为泡沫铝的3.71倍。复合泡沫的阻尼机制主要为位错阻尼、晶界阻尼、孔隙阻尼、CNTs的本征阻尼和CNTs-Al间界面阻尼,其中本征和界面阻尼发挥了重要的增强作用。      

Synergistic reinforcement effect of aramid nonwoven fabrics and PVDF on mechanical and damping properties of bismaleimide matrix composites

A new type of structural damping composite was prepared by interleaving aramid nonwoven fabrics (ANF) modified with semi-crystalline polyvinylidene fluoride (PVDF) between carbon-fibre-reinforced bismaleimide (BMI) laminae. The co-cured composite exhibited an increase of 108% and 2.72% in loss factor and flexural modulus, respectively, compared with the original carbon-fibre-reinforced BMI composite. The damping behaviour of the co-cured composites was experimentally investigated using the single cantilever beam test and dynamic mechanical analysis. Furthermore, the composite interlaminar shear strength and flexural strength and modulus were also investigated. The results indicated that the composite interleaved with ANF/PVDF possessed higher flexural modulus and loss factor than the composites interleaved with ANF or PVDF films alone as a result of synergistic reinforcement of ANF and PVDF. Finally, the reinforcement mechanism of ANF/PVDF was investigated by analyzing the composite microstructure and the dynamical mechanical properties of ANF, PVDF, and ANF/PVDF interlayers.     

频率相关自由阻尼层复合材料加筋板动力分析

采用子空间迭代法和精细积分对敷设粘弹性阻尼层的含损伤复合材料加筋板结构进行了频率和动力响应分析。分析中对层合板和层合梁采用了Adams应变能法与Raleigh阻尼模型相结合的阻尼矩阵构造方法;对表面粘弹性阻尼材料则考虑了材料性质和耗散系数对激振频率与温度的依赖性,建立了频率相关粘弹性材料阻尼矩阵的计算方法。通过有限元分析,分别研究了敷设自由阻尼层无损伤和含分层损伤复合材料加筋板的自振频率和模态特征,并根据幅频曲线讨论了阻尼材料模量、耗散系数和阻尼层厚度等因素对结构响应的影响,提出的计算方法对通过合理选择阻尼层材料与几何参数来有效地控制加筋板结构的振动特性,具有一定的参考价值。     

Dynamic Mechanical Analysis of Hybrid Fibre/Glass Microspheres Composites

Abstract: This article presents the results obtained in a current study of the viscous properties on hybrid short fibre/hollow glass microspheres composites fabricated with epoxy binder. The effect of the filler volume fraction and of the fibre reinforcement on the dynamic stiffness modulus, damping coefficient and glass transition temperature was studied. These properties were determined using dynamic mechanical analysis (DMA) in three points bending mode. The specimens were cut from plates produced by vacuum resin transfer moulding with microspheres weight contents up to 17%. Net resin exhibits storage modulus significantly higher than the 2% in weight of microspheres foam, while negligible effect was observed on the maximum loss modulus, maximum damping coefficient and glass transition temperature. The increase in filler volume fraction tends to decrease significantly storage and loss modulus at stable regions and the maximum damping coefficient, while glass transition temperature is only marginally affected. The addition of low contents of short fibre increases significantly storage modulus, particularly for carbon fibre, while maximum loss modulus does not exhibit a well‐defined tendency. Important reduction in the maximum damping coefficient was observed by the addition of both fibre reinforcements.