结构阻尼复台材料及其研究进展２５３
结构阻尼复合材料及其研究进展
ＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＤａｍｐｉｎｇＣｏｍｐｏｓｉｔｅａｎｄＩｔｓ
ＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｇｒｅｓｓ
余启勇，马玉瑗，郭万涛，吴医博
（洛阳船舶材料研究所，河南洛阳４７１０３９）
ＹＵＱｉ—ｙｏｎｇ，ＭＡＹｕ—ｐｕ，ＧＵＯＷａｎ—ｔａｏ，ＷＵＹｉ－ｂｏ
（ＬｕｏｙａｎｇＳｈｉｐＭａｔｅｒｉａｌＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｌｕｏｙａｎｇ４７１０３９，Ｈｅｎａｎ，Ｃｈｉｎａ）
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，探受国内外关注，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台材料的研究和开发十分重视。本文主要介绍了近年来国内外纤维增强树脂基结构阻尼复合材料的实验及理论进展情况，总结了以下几个方面的内容：结构阻尼复台材料的发展现状．阻尼分析模型，提高复合材料阻尼的方｛壹和制备结构阻尼复合材料的工艺。
关ｔ词：复合材料Ｉ结构阻尼｝共固化
文最标识码：Ａ文章编号：１００１—４３８１（Ｚ００７）Ｓｕｐｐｂ０２５３－０６
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄａｍｐｉｎｇｍａｔｅｒｉａｌｉｓａｎｅｗｍａｔｅｒｉａｌｆｏｒｒｅｄｕｃｉｎｇｌｉｂｒａｔｉｏｎｓａｎｄｎｏｉｓｅｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ．ＭａｎｙｐｅｏｐｌｅｉｎａｎｄｏｕｔｏｆＣｈｉｎａｂｅｇｉｎｔｏｉｎｔｅｒｅｓｔｅｄｉｎｔｈｉｓｋｉｎｄｏｆｍａｔｅｒｉａｌｆｏｒｉｔｓｓｐｅｃｉａｌｕｓｅ．Ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄａｍｐｉｎｇｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｔｈａｔｈａｖｅｎｏｔｏｎｌｙｈｉｇｈｄａｍｐｉｎｇｂｕｔａｌｓｏｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｍｏｄｕ一１ｕｓｗｉｌｌｈｏｌｄａｎｅｘｔｅｎｓｉｖｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｆｕｔｕｒｅ．Ａｔｐｒｅｓｅｎｔｍａｎｙｃｏｕｎｔｒｉｅｓｈａｖｅｐｕｔｅｍｐｈａｓｉｓｏｎｔｈｅｓｔｕｄｙａｎｄｅｘｐｌｏｉｔａｔｉｏｎｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄａｍｐｉｎｇｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ．Ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｔｈｅｏｒｙａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｏｆｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄａｍｐｉｎｇｃｏｍｐｏｓｉｔｅ，ｗｈｉｃｈｉａｍａｄｅｏｆｆｉｂｅｒ－ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｒｅｓｉｎ，ａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｔｈｉｓａｒ—ｔｉｄｅ．Ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄｔｈｅｃｏｎｔｅｎｔｓａｓｆｏｌｌｏｗｓ：ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄａｍｐｉｎｇｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，ｔｈｅｍｏｄｅｌｏｆｄａｍｐｉｎｇａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｈｅｍｅａｎｓａｂｏｕｔｈｏｗｔＯｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅｄａｍｐｉｎｇｏｆｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｅｅｄｃｏｍｐｏｓ—ｉｔｅｓａｎｄｔｈｅｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｏｎｈｏｗｔｏｆａｂｒｉｃａｔｅｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄａｍｐｉｎｇｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：１ａｍｉｎａｔｅｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ；ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄａｍｐｉｎｇ；ｃｏｃｕｒｅ
结构阻尼复合材料不仅具有高的刚度，而且具有
较高的阻尼容量。它是近年来发展起来的先进复合材料。它的母体采用的是纤维增强复合材料，与传统的以钢板为母体的结构阻尼材料相比，使用纤维增强复合材料代替钢板，粘弹层能够更好的与复台材料结合在一起，有效提高整个结构阻尼材料的比强度、比模量，而且纤维增强复合材料本身的阻尼性能要优于钢板ｌ～２个数量级。
结构阻尼复合材料是目前较理想的减振降噪材料，它不但在控制噪声和振动方面，而且在延长结构承受循环载荷和冲击的服役时间方面也扮演者重要角色。美、日、英、德等对结构阻尼复合材料的研究较为成熟，并且都已批量生产，得到广泛应用“］。国内于二十世纪８０年代中期开始研制阻尼结构，但进展相对较慢，且产品仅在舰艇、汽车制造、机械等领域得到应用，有必要进行深入研究。１结构阻尼复合材料的母体－纤维增强复合材料
结构阻尼复合材料的强度由所选的母体材料一纤维增强复合材料确保ｏ］，在保证复合材料强度的同时，也需要适当增大本身的阻尼性能。
纤维增强复合材料具有高刚度，高强度，质量轻等优点，已经作为一种主要的结构材料用于航天，舰船，汽车等工程领域。但纤维增强复合材料多数场合都是使用整体成型制作结构件，和传统金属结构材料不同，不能期望通过连接部位的摩擦达到振动的衰减（结构衰减）。比如对于人造卫星等宇航结构来说，结构的振动会造成运载机器的损坏，天线位置精度下降。
目前提高复合物材料阻尼的途径可以分为两大类…］，一是增加材料的固有阻尼，另一种途径是对复合物材料外加阻尼。
２５４材料工程／２００７年增刊１
纤维增强复合材料常用的阻尼改性方法有‘“：
（１）改善复合材料本身的阻尼性能，选择具有高阻尼性能的纤维或基体。（２）将复合材料和高阻尼的粘弹性材料粘合在一起，约束层阻尼处理、层问阻尼处理属于这种方法。（３）利用两种以上的纤维制成混杂复合材料。
圈１叠层复合材料阻尼改性分类流程用
Ｆｉｇ．１Ｆ１０ＷｃｈａｒｔｏｆｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｕｓｅｄｔＯｉｎｃｒｅａｓｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄａｍｐｉｎｇｉｎｃｏｍｐｏｓｉｔｅｌａｍｉｎａｔｅｓ
现在考察基体树脂对复合材料阻尼性能的影响［５］：对单向纤维增强复合材料施加弯曲振动时，其损耗因子７／，可以分别用基体树脂的损耗因子＂。及弹性模量Ｅ。，纤维的损耗因子珊及弹性模量Ｅ，来表示，关系式为：
Ｆ
锄（１一Ｖ／）＋｝?珊?Ｖ／
’孕一二———｛｝二（１）
１一ｙｒ＋孚?Ｖｒ
Ｅｍ
ｖ，为纤维的体积百分数
一般碳纤维按５０％的体积分数填充，树脂的弹性模量２ＧＰａ左右，模量比约为１００，此时（１）式可写成：班一血铲≈志＋班（２）通常，树脂的损耗因子‰为０．０１以下，碳纤维的计为０．００２左右，由（２）式可知∞ｒ约为０．００２，也可以由（２）式得出结论：即使增加树脂的损耗因子，也不能期望整个复合材料的损耗因子‰有较大的提高。
Ｔｒｅｇｏ和ＥａｓｔｍａｎＥ６３提出了一个复合材料阻尼的增强方案，在构造上采用了非对称纤维增强复合材料夹层结构，芯层为具有高阻尼性能的粘弹性层。该设计的关键是在结构的长度及方向的不同区段内有不同的纤维取向角，通过应力耦合效应。位于这些段内的粘弹性阻尼层内将产生高剪切应力，对设计参数如取向角、与取向角对应的区域长度，复合材料的弹性模量等进行适当的选择，可望在整个粘弹性夹层材料内各点产生高剪切应力，从而最大限度地激活和利用整个阻尼材料能量耗散的潜在性能。这种方法称之为应力耦合阻尼技术（ＳＣＡＤ）。与约束层阻尼技术相比，ＳＣＡＤ除了能获得结构的面外阻尼也能获得面内阻尼。研究表明，利用ＳＣＡＤ技术，复合材料梁的弯曲阻尼可提高ｌｏ％～２０％。Ｍｏｓｅｒ和Ｌｕｍａｓｓｅｇｇｅｒ”１建议在层合纤维／聚合物复合材料的轴向弯曲的应力零线位置埋人软质的叠层，利用其剪切变形产生附加阻尼。有限元分析结果表明，这种结构的基础模态损耗因子为０．３～０．５。ＳａｒａｖｒｉｉｏｓＤＡ等人介绍的关于采用层问阻尼层提高复合材料层合板的阻尼性能的方法，也具有很好的参考价值。Ｌｉａｏ口３等人分析了中面内交叠有聚乙烯一丙烯酸的单向碳／环氧及其对称角交铺设碳／环氧层板的阻尼性能，结果表明结构宏观阻尼有显著的增加，而且外层复合材料刚度的影响作用也很明显。
２复合材料的阻尼预报［４．９－－１１］
２．１阻尼预报的基础
２．１．１对应原理
分别用动应力、动应变代替相应的静压力、静应变，可以把精力学弹性分析推广到动态线性粘弹性分析。这就是著名的对应原理。对应原理已经应用于微观结构模型，预测线形连续或不连续结构的纤维增强复合物材料的阻尼。对应原理与经典的叠层理论结合可以计算叠层复合物的损耗因子，表现为外延应力虚部与实部的比值，即复刚度法。
对应原理与解决有效模量的方法相结合构成了预测纤维增强复合物的阻尼基础。运用这种方法时有一些常规的假设，纤维是弹性的，不会扩散；基体膨胀时表现弹性，剪切时表现粘性。Ｈａｓｈｉｎ成功的应用这种
结构阻Ｊ已复合材料及其研究进展２５５
方法发展丁从各相同性粘弹材料到各相异性纤维增强材料的多种模量的计算。从此这种方法就开始被大多数的工作者接受。
ｚ．１．２拉伸能量法
这种理论认为，材料中总阻尼的组织结构或每一成分的阻尼和存储在每一单元中的总拉伸能量相关。任意一种线性粘弹单元体系的损耗因子都可以表示为各独立单元的损耗因子之和与存储在每一部分的拉伸能量之和的比值。
２．１．３模态及有限元法
它的结构因子是附加阻尼层中的模态变形能与总的结构变形能之比，这种方法进一步分析了各阶模态的结构损耗因子，可进一步使用于结构的动态分析和能量分析，以及结构的动态优化设计等。
以这些理论为基础，研究人员建立了各种阻尼预测模型，主要有宏观和细观力学模型。
２．２阻尼预报的宏观与细观力学模型
２．２．１宏观力学模型
从宏观力学角度研究复合材料的阻尼，研究对象主要集中于单向单层复合材料这一层次，阻尼性能预报所涉及的丰要影响因素有：纤维取向，铺层方式、频率的影响、材料内部应力大小的影响、层间应力的影响、横向剪切的影响、表面层和问层阻尼层的影响等等。
例如，Ａｄａｍｓ和Ｂａｃｏｎ以狭长的角交层合板阻尼性能的实验研究结果为基础，首次从宏观力学角度，提出了纤维增强复合材料的阻尼元模型，有的文献也将其称之为Ａｄａｍｓ—Ｂａｃｏｎ［１２１准则。Ａｄａｍｓ和Ｂａｃｏｎ准则认为，单向复合材料单层材料的能量耗散应当等于分别由纵向应力、横向应力和剪应力引起的能量耗散的总和，材料的阻尼能力则定义为耗散的能量与储存的应变能之比。上述模喇被用于预报玻璃纤维增强塑料板和碳纤维增强塑料的单向偏轴、角交铺层、正交铺层及其一般的铺层复合材料结构阻尼性能。
剐一彬“＋抑船＋３Ｕ６６（３）
１１１其中，ｄＵｌｌ一音口ｌＥｌ８Ｖ，８Ｕ２一÷ｍ￡２６＂Ｖ，ｄＵ６６一÷
‘‘６巩Ｅ６占Ｖ
８ｕ。，表示径向载荷储能应变，ｄＵ２：表示横向载荷储能应变，孔Ｌ。表示剪切载荷的储能应变。２．２．２细观力学模型
采用细观力学阻尼预报方法的目的在于建立复合材料的宏观阻尼特性同其组分材料弹性和阻尼性能及细观结构之间的定量关系，这不仅可以揭示复合材料不同的材料复合具有不同的宏观性能的内在机制，进而还可以为材料及结构分析提供理论依据和方法，同
时还可以对复合材料进行细观层次上的设计，即根据工程的不同需求选取适当的组分材料及优化的细观结构形式。
例如，Ｋａｌｉｓｋｅｕ”等采用Ａｂｏｕｄｉ的体元近似理论，建立了由１个纤维单元和３个基体单元组成的体积元阻尼模型（如图２），并采用能量变形能法得到了６个方向的阻尼损耗因子。结果表明，复合材料的阻尼性能表现出正交各向异性。
田２Ｋａｌｉｓｋｅ代表性体积元
Ｆｉｇ．２Ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅｖｏ｜ｕｍｅｅ｜ｅｍｅｘ、ｔｏｆｋａｌｉｓｋｅ
Ｓａｒａｖａｎｏｓ［１４３等提出了预估单向纤维增强复合材料阻尼的综合微观方法，综合考虑了基体、纤维材料阻尼的综合微观方法，综合考虑了基体、纤维、界面摩擦阻尼以及纤维断裂引起的阻尼．分析维、界面摩擦阻尼以及纤维断裂引起的阻尼。分析了与六个应力相关的六个阻尼系数。模型假设基体耗散特性为各向同性，纤维耗散特性为各向异性（横向各向同性）。模型中还包括了湿度和温度对阻尼的影响。并揭示了正轴阻尼与纤维、基体特性和纤维体积含量之间的关系。复合材料的偏轴阻尼可由正轴阻尼值经过变换得到。
使用哪种方法取决于对材料的分析模式。微观分析单元包括的组成部分有基体、纤维及两者之间的相互作用、缺陷和界面。对宏观分析而言，每～单层都是一个基本单元，应变能和损耗能构成了整个复合材料的损耗因子。
３芯层材料一粘弹性阻尼层及阻尼结构的优化‘１５－１７］
粘弹性阻尼材料减振技术是近四、五十年来迅速发展起来的一项新技术。由于粘弹性阻尼材料具有高阻尼的特性，能在较宽的频带内抑制振动和噪声，被广泛地应用于机械和运载工程结构的振动和噪声控制。
粘弹性阻尼层是结构阻尼复合材料的重要组成部分。结构阻尼复合材料的主要形式是粘弹性阻尼复合结构。随着阻尼技术的不断发展，粘弹性阻尼复合结构的类型也从最初的自由阻尼层结构逐渐发展到约束
２５６材料下程／２００７年增刊１
阻尼层结构、插入阻尼结构等。阻尼敷设形式也从单层阻尼发展到多层，从单层阻尼单层约束到多层间隔处理，从全部敷设到根据需要局部敷设。而作为复合结构中一种主要的敷设阻尼材料，粘弹性阻尼材料的损耗因子、敷设厚度以及敷设方式等是影响结构阻尼性能的关键因素。对于选定的粘弹性阻尼材料来讲，材料本身的损耗因子是确定的，为了寻求最佳的阻尼效果，需要考察敷设厚度和敷设方式的影响。
Ｇ．Ｐａｒｔｈａｓａｒａｔｈｙｌ”１等较详细地研究了局部敷设阻尼的自由阻尼层板结构，讨论了阻尼材料的优化布置，并进行了试验研究工作。Ａ．Ｌｕｍｓｄａｉｎｅ和Ｒ．Ａ．Ｓｃｏｔｔ用有限元法研究了阻尼层结构的优化处理“”。ＲＯＳＳ口”等对约束阻尼处理的粱和板结构作了理论分析，提出了处理约束阻尼结构的一些基本方程，即ＲＫＵ方程。
国内方面，中国台湾中山大学的Ｌｉａｏ．Ｆｕ．Ｓｅｎ口”等研究了中面内变叠有聚乙烯一丙烯酸（ＰＥＥＡ）的单向碳／环氧及其对称角交铺没碳／环氧层板的阻尼性能。结果表明结构宏观阻尼有显著增加。而且外层复合材料刚度的影响作用也很明。孙大刚和诸文农ｏ”等人对多弹性约束层减振结构的动态优化问题进行了研究，研究了粘弹性阻尼材料的温一频动态特性，并把特性曲线拟合成方程，建立了结构的优化模型。杨雪建立了有限元模型从理论上研究由三层粘弹性高分子阻尼材料和钢板组成复合结构的阻尼性能，并用实验进行了验证。李明俊等ｏ”理论上分析了各向异性层合阻尼结构阻尼特性，结果表明，内部柔性层对阻尼的影响比应力耦台对其影响大得多。并且分别采用压敏胶和环氧树脂作为粘结剂，制备兼顾高强度、高刚度和高阻尼的结构阻尼复合材料，考察了两种糌结层材料和不同粘结层厚度对７层各相异性交替层台阻尼结构内耗温频特性的影响。并指出，在低于阻尼层材料玻璃化转变温度附近，用压敏胶做粘结层材料，其结构内耗的温度特性优于环氧树脂；在不同位置处不同的厚度对结构内耗的温频特性的影响不同，结构内耗的频率特性与粘结层材料及其厚度密切相关，刮涂越薄，结构内耗的温度特性越好。
总结国内外的研究成果，欧美、日本等发达国家对于阻尼复合材料和结构阻尼大多偏于理论研究口３；要么侧重于复合材料的静态力学性能，即强度和模量为研究重点，而且这方面的理论和实验研究已经较为深入；要么侧重于复合材料的阻尼性能，在阻尼性能提高的同时，牺牲了材料的静力性能。我国在阻尼材料领域的研究和发展方面还存在较大的差距，对于制备兼具高阻尼和高强高模的结构阻尼复合材料的研究需要继续深入。
４结构阻尼复合材料的制备工艺一共固化
４．１共固化的定义及优势
早期解决金属材料的振动问题一般采用自由阻尼结构和约束阻尼结构的处理方法，方法是把阻尼材料粘贴在需要改善的材料上，最外层为刚性材料，以增大阻尼层的剪切形变，达到消耗振动能量的目的。这两种方法都属被动处理结构。而且往往受到尺寸、空间和重量等诸多条件的限制，另外，阻尼层在使用中的剥离现象也是以上方法的缺点。在上世纪九十年代许多研究者开始在复合物材料中加入粘弹性材料，成功地使复合物结构的阻尼性能有了很大的提高，但是也存在很多问题，如静态力学强度和刚度方面的性能牺牲太多‘２“。
所谓共固化，就是在复合材料的成型工艺过程中，将粘弹性阻尼材料作为特定的铺层嵌入复合材料结构中去，在保证强度和刚度的前提下，达到大幅提高复合材料结构阻尼的目的，而且不易出现剥离现象”“。经过共固化处理后，粘弹阻尼材料与复合材料合为一体，构成复合材料的一部分，达到了改善复合材料本身阻尼性能的目的，而且这种方法较少的牺牲材料的刚度和强度性能。
共固化阻尼层不会对阻尼复合材料的结构阻尼性能造成不利影响，反而会使之获得较好的结构阻尼。可以使产品一次固化生产，在增强产品阻尼性能的同时，成本也得到降低。粘弹性阻尼层的加入改进了复台材料的动态力学性能，也会使静态刚度和强度有所降低。静态和动态性能最有效的平衡可以被其各自的应用要求所确定。
４．２共固化工艺的实施
近年来，许多学者对共固化阻尼材料进行了研究，在提高材料阻尼性能的同时尽量减少静态力学性能的损失，并且已经取得了部分进展。在国外经共固化阻尼改性的复合材料已经应用于航空航天、船舶等行业。在国内，这方面的应用还较少，目前国内并没有比较可直接应用的结构阻尼复合材料。
加利福尼亚圣地亚哥大学的ＪａｎｅｔＭ．Ｂｉｇｇｅｒ—ｓｔ“ｆ”博士对共固化复合材料进行了比较详细的研究。使用碳纤维增强环氧树脂与粘弹性阻尼材料ＡｖｅｒｙＤｅｎｎｉｓｏｎＦａｓＴａｐｅＴＭ１１２５进行共固化阻尼处理，获得损耗因子∞至０．１３（２０～２００Ｈｚ）的共固化阻尼复合材料，指出了影响共固化阻尼材料损耗因子的主要因素。即粘弹阻尼材料与复合材料在共固化过程
结构阻尼复合材料及其研究进展２５７
中树脂与阻尼层互相作用，相互渗透，导致阻尼层的性质发生变化，模餐增大，阻尼能力下降”…。
粘弹阻尼材料与复合材料共固化制成的阻尼复合材料显示出了优良的阻尼性能。但是，ＪａｎｅｔＭ．Ｂｉｇｇｅｒｓｔａｆｆ博ｊ‘发现共固化阻尼处理岳的复合材料的阻尼性能并没有达到预期的效果。共固化阻尼复合材料与二次固化（先将两块无阻尼层的复合材料预聚物分别固化，然后把阻尼层粘贴进去）的阻尼复合材料相比，阻尼性能还是略差一畴。为了调查其中的原因，ＪａｎｅｔＭ．Ｂｉｇｇｅｒｓｔａｆｆ用共固化阻尼复合材料与二次固化的阻尼复合材料进行了对比。两者的不同之处是前者的阻尼层与基体树脂经历了共同的固化过程，后者只是部分的参与了共固化的过程。经过对比后发现，造成复合材料阻尼性能降低的原因是树脂基体与阻尼层在共同固化时发生了相互渗透的现象，降低了阻尼层的实际工作厚度。
ＪａｎｅｔＭ．Ｂｉｇｇｅｒｓｔａｆｆ博士提出了在阻尼层与基体树脂之间增加一层阻隔薄膜后再进行共固化反应的方法，这样得到的复合材料的损耗因子会有１５．７％～９２．３％的提高，各种频率下都会有不｜司的提高。同时，降低基体树脂含量也能减少树脂基体与阻尼层的渗透现象，从而增强复合物材料的阻尼性能。
但是ＪａｎｅｔＭ．Ｂｉｇｇｅｒｓｔａｆｆ博士对纤维增强复台材料进行阻尼改性的同时，并没有给出改性后复合材料的力学性能损失情况。
４．３粘弹性阻尼层穿孔后共固化
Ｍ．Ｊ．Ｒｏｂｉｎｓｏｎｃ２”等人提出了阻尼层经过穿孔后５结论再参与共Ｈ化的改性方法。在粘弹阻尼改性的复合材料中，阻尼层足复合材料力学强度的薄弱环节。阻尼层经过少量穿孔后，基体树脂可以通过穿孔的佗置，与玻璃纤维结合。在每个孔的位置处都是一个交联点，交联点的刚度较大。可以通过改变交联点的大小和数目控制阻尼层的形变，从而控制整个复合材料的阻尼与弹性模量，使复合材料的阻尼性能和力学强度达到一个平衡点，满足工程应用的需要。
在阻尼层穿孔处，基体树脂与玻璃布结合代替了阻尼层，从而增加了刚度，但同时减少了阻尼层的面积，降低了整个复合材料的阻尼性能。Ｍ．Ｊ．Ｒｏｂｉｎｓｏｎ从阻尼层孔径大小、孔间距和穿孔率三个方面出发，系统的考察了穿孔固化对阻尼改性复合材料的阻尼和刚度的影响。结果表明，与未改性的复合材料相比，穿孔阻尼层与完整阻尼层的面积比从００Ａ到９５％的区间内，改性复合材料的损耗因子和弹性模量只有很小的改变，效果不明显。当比僦增大到９５％以后，阻尼和弹性模量急剧的变化。
对于固定的阻尼层穿孔面积而言，孔径较大阻尼层改性的复合材料的阻尼性能要优于较小孔径改性的复台材料。最后Ｍ．Ｊ．Ｒｏｂｉｎｓｏｎ等人指出，可以根据实际应用的需要来确定７Ｌ径的大小、穿孔率，但穿孔率应在０％～５％之间变化，否则改性效果不佳。
采用阻尼层穿孔后固化的方法，可以制得兼具阻尼和力学强度的复合材料，且使用寿命更持久，并能够在一定的范围内调整复合材料的阻尼和力学性能之间的关系。
图３阻尼层穿孔压铺层示意脚
Ｆｉｇ．３ＩｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎｓｈｏｗｉｎｇｔｈｅｐｅｒｆｏｒａｔｅｄｄａｍｐｉｎｇｌａｙｅｒｅｍｂｅｄｄｅｄｉｎａｔｃｏｍｐｏｓｉｔｅＬａｍｉｎａｔｅ
采用粘弹性材料对纤维增强树脂基复合材料进行阻尼改性制备结构阻尼复合材料的方法已经得到了成功的应用。笔者采用３Ｍ公司的阻尼层ＩＳＤｌｌ２、高强玻璃布及环氧树脂为原料，使用共固化工艺，获取了阻尼和静态力学性能皆优的纤维增强树脂基复合材料。在ｏ～５００ＨＺ的范围内材料的损耗因子≥０．０３，弯曲强度接近５５０ＭＰａ，弯曲模量２０ＧＰａ，可以作为很好的结构阻尼复合材料。值得注意的是在对复合材料进行阻尼改性时，不能以牺牲材料的刚度和强度性能为代价，应该将阻尼、强度、刚度等宏观性能同时作为设计目标进行最优化设计。在复合材料阻尼改性之前应进行计算模拟或用计算机仿真计算，以预测改性效果，优化材料的宏观阻尼性能，对粘弹改性复合材料的研制开发有重要的意义。另外，除采用粘弹改性的方法外，
对纤维、基体进行改性，发展高性能的阻尼复合材料也
２５８材料ｔ程／２００７年增刊１
是一种有效途径。
近年来美国宇航材料科学家为满足宇航工业发展
的需要研制出了新型聚台物基阻尼复合材料，而且可直接用作结构材料。他们使用高强高模并具有高阻尼因子的聚合物做基体，用各种纤维作为增强材料，其结构阻尼因子可达０．２左右，不存在材料阻尼因子的损失，对结构没有任何附加变量。这种材料应用范围广泛，可用于宇宙飞船天线或飞机机翼和表面等航空航天材料。这种方法也是发展结构阻尼复合材料的一种趋势，值得进一步探讨。
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作者简介：余启勇（１９８０－－），男，硕士研究生，主要从事纤维增强复合材料研究，通讯地址；河南省洛阳市０２３信箱３分箱（４７１０３９），Ｅ－ｍａｉｌ?ｙｑＹ一５１８＠１６３．ｔｏｎｉ
结构阻尼复合材料及其研究进展
作者：余启勇， 马玉璞， 郭万涛， 吴医博， YU Qi-yong， MA Yu-pu， GUO Wan-tao， WU Yi-bo
作者单位：洛阳船舶材料研究所,河南洛阳,471039
刊名：
材料工程
英文刊名：JOURNAL OF MATERIALS ENGINEERING
年，卷(期)：2007，(z1)
引用次数：0次
参考文献(27条)
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相似文献(10条)
1.学位论文王翔环氧树脂基结构阻尼复合材料的制备及性能研究2008
结构阻尼复合材料不仅具有高的刚度，而且具有较高的阻尼容量。它是近年来发展起来的先进复合材料，其应用范围广泛，涉及到航天航空、机械动力、交通运输、电力电子、军工以及仪器仪表工业等领域，对于国家经济的发展和减少振动噪音，提高人们的生活质量起到重要的作用。通过材料的复合化，制备强度、刚度和阻尼性能俱佳的结构阻尼复合材料成为阻尼材料的发展方向。 为实现结构与功能的一体化，需要对复合材料结构进行整体设计。本文从阻尼材料研究出发，对通用型环氧树脂进行改性，制得高阻尼宽温域的环氧树脂粘弹性材料。并以此为基体，制备环氧树脂基阻尼复合材料。通过铺层设计，将其与环氧树脂基结构复合材料进行复合，制备高强度高模量及高阻尼性的环氧树脂基复合材料。 这种将阻尼复合材料与结构复合材料“复合化”的思路，由阻尼复合材料提供阻尼性能，结构复合材料保证结构强度，以达到静态力学性能与动态力学性能的平衡，实现高强度与高阻尼的有机结合。 遵循这种思路，本文就相关材料的制备及性能开展了研究。在阻尼层用高阻尼环氧树脂基体制备方面，通过选用各类柔性固化剂固化环氧树脂，并采用环氧树脂体系共混的方法，制得了室温高阻尼宽温域环氧类粘弹性阻尼材料。研究了其阻尼性能的各项影响因素。
研究表明，当环氧树脂固化物结构中含有苯环等刚性基团时，其力学损耗因子较低。而只含有柔性链段的固化物体系的损耗因子较高；交联密度对阻尼性能也有明显的影响。采用相同的树脂体系，若固化物交联密度高，则其损耗因子温度谱中阻尼峰面积小，表明其耗散能量的能力低。而随着交联密度降低，在一定范围内，其温度谱中阻尼峰面积增大，阻尼峰高度、宽度均增加；体系中柔性链段的含量对固化物的阻尼性能也有影响。表现为在相同的树脂体系中，当柔性链段含量增加时，其温度谱中阻尼峰的宽度增加，使材料的有效阻尼温度范围增大。 在分析各种因素对固化物阻尼性能影响的规律后，本文采用聚合物共混的方法，使用聚醚胺D400/D2000混合固化剂固化CYD-128与XY678环氧树脂混合体系，其固化物最大损耗因子达到了1.89，玻璃化转变温度为14.3℃，且有效阻尼温度范围提高到了47.7℃，在3.87℃—51.6℃范围内均有较高的损耗因子，是常温下高阻尼宽温域的环氧类粘弹性阻尼材料。 为得到阻尼性能及力学性能较好的阻尼复合材料作为阻尼层，对阻尼复合材料进行了设计，采用不同种类及形式的增强材料及将一系列具有不同玻璃化转变温度和阻尼温度范围的阻尼树脂作为基体得到的梯度阻尼复合材料作为阻尼层；比较各种因素对阻尼复合材料阻尼性能及力学性能的影响。 研究表明，采用环氧树脂粘弹性阻尼材料作为基体，以玻璃纤维布为增强材料，在常温下(25℃)的损耗因子可达到0.450，是普通环氧树脂复合材料损耗因子的12.8倍。 增强纤维的种类对复合材料的损耗因子有影响，采用单向碳纤维布作为增强材料，其复合材料的损耗因子高于玻璃纤维布增强复合材料的损耗因子。增强材料的形式对复合材料的损耗因子也有影响，短切纤维毡比纤维布更有利于提高复合材料的损耗因子。混合铺层方式由于增加了界面，对复合材料的阻尼性能提高有一定帮助。采用单向碳纤维布/短切玻璃纤维毡/单向碳纤维布的铺层方式，得到的阻尼复合材料的损耗因子达到1.03，对应峰值温度为27.8℃；有效阻尼范围为16.7℃。 将具有不同玻璃化转变温度和阻尼温度范围的阻尼树脂作为基体制备的梯度阻尼复合材料，可有效扩展阻尼温度范围。使用预浸渍工艺，在纤维表面由柔性到刚性的方式形成梯度阻尼，可有效扩展体系的阻尼温度范围，其有效阻尼温度范围从26.4-90.8℃，达到了64.4℃，损耗因子最大值为0.707。 将制备的阻尼及力学性能均较好的环氧树脂阻尼复合材料作为阻尼层，还需要将其与结构层有效的结合。在结构阻尼复合材料的成型方式研究上，本文比较了两种工艺，一种是将阻尼层复合材料制备成预浸料，然后采用叠层共固化的方式成型。另一种是将其与结构层的增强材料一起通过真空灌注成型工艺成型。这两种成型工艺均能制备出整体性能好的环氧树脂结构阻尼材料。相比普通环氧树脂基复合材料，叠层共固化环氧树脂结构阻尼复合材料的阻尼比为3.67％，提高了299％，弯曲强度为281MPa，达到了结构材料的强度要求。而通过真空灌注成型方式制得的结构阻尼复合材料的整体性更好，阻尼比可达到3.71％，弯曲强度达到378MPa。 本文根据结构阻尼复合材料的结构特点，通过改变阻尼层的种类、数量、位置来调节结构阻尼复合材料的力学强度及阻尼性能，为结构阻尼复合材料的设计及制备提供了一种有效的手段。
2.期刊论文罗忠.朱锡.梅志远.李永清.LUO Zhong.ZHU Xi.MEI Zhi-yuan.LI Yong-qing夹芯复合材料结构阻尼特
性研究-振动与冲击2008,27(11)
从粘弹性材料的本构关系出发,应用复特征值理论推导了夹芯复合材料结构阻尼的计算方法;同时基于能量损耗原理和阻尼的产生机理,研究了夹芯复合材料结构阻尼计算的模态应变能方法;提出了两种承载/减振夹芯复合材料结构模型,应用动态力学热分析方法测量了芯材的阻尼参数;应用两种阻尼计算理论和有限元数值分析相结合的方法研究了两种夹芯结构模型的损耗因子,并与试验结果进行了比较;分析了夹芯厚度对结构损耗因子的影响.
3.学位论文邵闯纤维增强复合材料板的声疲劳估算方法2005
飞机复合材料壁板结构的声疲劳研究是声疲劳领域内的一项研究课题，也是航空工程领域中所面临的急待解决的问题。 分析对象选取承受随机声激励的特殊正交各向异性层合矩形平板，采用基频响应为主的单自由度模型，以理解整个过程中各种影响参数的物理意义。用简支边界或固支边界来模拟板的边界条件，在每种情况中考虑面内可动和不可动边界条件。不同声载荷条件下的名义均方挠度、名义均方应变/应力、等价线性频率是通过矩形层合板的解析分析得到。所获得的结果可用于高声强噪声环境下的复合材料层合板的声疲劳设计。 设计可应用于振动试验的复合材料元件，获取复合材料结构元件的S～N曲线，讨论不同结构元件的优缺点；设计可应用与声学试验的复合材料板，进行声疲劳特性试验，以确定板在声环境下的响应频率、板结构阻尼、应变响应。 通过纤维复合材料板的解析分析结果、有限元分析结果、特性试验结果的对比、分析、比较，探讨出一般情况下的复合材料结构的声疲劳特性，给出复合材料壁板结构的声疲劳基本估算方法。
4.期刊论文郭万涛.林新志ZF结构阻尼复合材料研究-舰船科学技术2002,24(6)
介绍了一种阻尼性能良好、强度高、耐水性好、耐海水冲刷的结构阻尼复合材料,可用来制造舰船的一些典型的振动构件,抑制其振动和辐射噪声. 5.会议论文陈国平.朱德懋复合材料阻尼性能的分析1987
碳纤维增强复合材料(CFRP)斜拉索具有轻质、高强、耐腐蚀、耐疲劳等优良性能，作为新材料在大跨度斜拉桥上的应用具有诱人的前景。因CFRP拉索的质量、弹模、阻尼等与钢索有别，对其振动特性及模态阻尼特性的研究是这种新材料被大量应用前必须解决的基础性工作之一。作为结构阻尼特性计算的常用方法，基于非比例黏性阻尼理论的复数特征值法在桥梁结构的抗震、抗风等动力分析中具有广泛的应用，但对于不同受力条件下的不同结构形式，这种方法的适用性还需要进行讨论。相对较晚提出的应变能比例阻尼方法从能量角度得到结构的模态阻尼比，在结构阻尼特性的识别中具有一定的合理性。本文以跨度600m～1400m的大跨度斜拉桥为对象，采用复数特征值方法和应变能比例阻尼方法对CFRP斜拉索和CFRP拉索斜拉桥的模态阻尼特性进行计算比较。 首先，通过与钢索的对比研究，分析了大跨度CFRP斜拉索的模态阻尼特性，将钢索计算结果与Tatara大桥阻尼实测值进行对比
，讨论了两种阻尼计算方法的差异性和适用性。 其次，对CFRP斜拉索自振状态及横向静风作用下的空气阻尼特性进行了计算分析，通过与钢索计算结杲的对比，讨论了拉索振幅及风速对CFRP斜拉索阻尼特性的影响。 再次，用复数特征值方法对设置黏性阻尼器的CFRP斜拉索的模态阻尼进行了计算，并对复数特征值方法在大跨度拉索非比例黏性阻尼计算中的适用性进行了评价。 另外，通过与钢索斜拉桥的对比，研究了CFRP拉索斜拉桥各子结构(主梁、塔、索、支座等)的非比例黏性阻尼和应变能比例阻尼的分布规律，并将钢索斜拉桥的计算结果与斜拉桥实测阻尼分布规律进行比较，讨论和评价了两种阻尼计算方法在大跨度斜拉桥模态阻尼评估中的适用性。 最后，对大跨度CFRP拉索斜拉桥的车桥耦合振动进行了计算，通过与钢索斜拉桥的对比研究，评价了拉索材料变化对斜拉桥振动响应的影响。 研究表明，CFRP拉索的自振频率高于钢索，受空气力阻尼的影响比较大，拉索的空气阻尼效果随振幅的增大及风速的提高而增大；黏性阻尼器对CFRP拉索的减振效果优于钢索；CFRP拉索斜拉桥的主要振型及模态阻尼分布规律与钢索斜拉桥类似；相对于钢索斜拉桥，CFRP拉索斜拉桥在车辆荷载作用下的主梁挠曲变形有所增加；基于黏性阻尼理论的复数特征值方法不适合于斜拉桥模态阻尼的评估，相比之下，按应变能比例阻尼方法得到的模态阻尼与实测结果比较符合。
7.期刊论文孟光.鲁宏权.任兴民.Meng Guang.Lu Hongquan.Ren Xingming电流变液夹层板结构动态特性及振动控
制的实验研究-航空学报1998,19(4)
采用表板为玻璃纤维板的电流变液夹层板进行动态特性试验,分析和研究了含电流变液结构在外加不同电场时电流变液对结构特性的影响以及结构动态反应的变化.试验表明:在电场强度增加的情况下,电流变液夹层板能有效增大结构阻尼,增加固有频率,并较好地抑制结构共振峰,控制结构的动力响应幅值.
8.学位论文陈勇压电自适应结构振动控制技术研究1998
该文从理论分析和工程应用出发,着重研究了具有振动主动控制功能的压电自适应结构的匹配设计、优化布局和分布式控制方法,并进行了自适应桨叶振动控制的初步探索.首先分析了自适应结构中压电传感器的等效电路,讨论了压电传感器的灵敏度与尺寸、预载、温度、湿度等因素的关系以及传感器的响应特性;第二、建立了表面粘贴型压电驱动结构的力学模型,得出了应力应变的分布规律;并对压电驱动器、粘结层及弹性结构之间的匹配关系进行了分析,得出了不同参数对压电自适应结构驱动效率的影响规律;第三、从Fisher信息矩阵的一般形式出发,采用D-优化设计准则建立了自适应结构中对位压电传感/驱动器优化布置方案的数学模型;利用柔性结构微小结构阻尼条件对D-优化设计准则进行了近似和简化,推导了传感器位置设计与外部控制力的分离原理;并采用实验对优化设计结果进行验证.第四、系统地分析了模态控制、正位反馈控制和基于自适应滤波的振动前馈控制方法,设计了基于自适应滤波的振动前馈控制器,创造性地应用于大型复合材料薄壁圆筒的动力响应控制;第五、应用压电自适应结构的研究成果,对自适应桨叶的一些基础问题进行了探索.讨论了自适应桨叶动力源选择问题和可行驱动结构方案,并针对自适应桨叶中多路信号测试问题,提出了线圈耦合传输的设想.
9.期刊论文任勇生.刘立厚纤维增强复合材料结构阻尼研究进展-力学与实践2004,26(1)
随着纤维增强复合材料不久将逐步取代传统的金属材料,广泛用于新型民用超音速飞机、水下核潜艇、高速列车等尖端科学技术领域,对这一先进材料的有效阻尼性能进行分析、预报和优化设计,从而实现结构振动、冲击、噪声和疲劳破坏的有效控制,必将显示出极为重要的工程实际意义,日益受到从事复合材料研究和开发的科技工作者的关注和重视.对纤维增强复合材料阻尼研究的进展情况进行综述,介绍从宏观力学和细观力学两个角度进行阻尼分析和预报的一些具有代表性的模型与方法,讨论了纤维/基体界面、层合结构横向剪切效应、层间应力的影响问题,阻尼性能增强的途径和最优化设计问题,并对该领域研究工作进行了展望.
10.期刊论文侯永振纤维增强复合材料的阻尼研究-橡塑资源利用2007(6)
本文评述了关于纤维增强复合材料和结构阻尼的研究现状,特别是聚合物基复合材料和结构阻尼的研究现状,首先叙述了复合材料的阻尼机理和适宜的阻尼分析方法学,而后提出了关于阻尼的研究包括宏观力学、微观力学、粘弹性研究方法、复合材料中的界面阻尼模型、阻尼与破坏模型,某些重要工作涉及到已经改进了的厚的层压制品结构阻尼模型,对层压制品阻尼的改进以及纤维增强复合材料/结构阻尼的优化进行了评价.
本文链接：https://www.doczj.com/doc/dc913187.html,/Periodical_clgc2007z1057.aspx
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