基于模態(tài)分析的木橡塑三元復(fù)合材料的振動(dòng)特性

陳 玲, 黃潤(rùn)州, 徐信武, 吳清林

(1.南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210037；2.路易斯安娜州立大學(xué)林產(chǎn)品試驗(yàn)室，美國(guó) 70803)

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基于模態(tài)分析的木橡塑三元復(fù)合材料的振動(dòng)特性

陳 玲1, 黃潤(rùn)州1, 徐信武1, 吳清林2

(1.南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210037；2.路易斯安娜州立大學(xué)林產(chǎn)品試驗(yàn)室，美國(guó) 70803)

采用FFT分析儀對(duì)木橡塑三元復(fù)合材料(WRPC)進(jìn)行“單懸臂梁”振動(dòng)模態(tài)試驗(yàn).運(yùn)用時(shí)域法和包絡(luò)線擬合2種方法獲取材料的對(duì)數(shù)衰減率和阻尼比，研究橡膠及其含量對(duì)復(fù)合材料振動(dòng)特性的影響.結(jié)果發(fā)現(xiàn)：橡膠具有很好的阻尼緩沖作用，材料的阻尼特性隨橡膠含量的提高呈先提高后下降的趨勢(shì).橡膠添加量為10%時(shí)，材料的阻尼性能最佳.

廢舊橡膠; 復(fù)合材料; 模態(tài)分析; 振動(dòng)特性; 阻尼比

橡膠是優(yōu)良的彈性材料，其彈性模量一般為1-9.8 MPa,伸長(zhǎng)變形大(伸長(zhǎng)率≥200%)，并能在很寬的溫度(-50—+150 ℃)范圍內(nèi)保持彈性.以木粉、高密度聚乙烯和廢舊橡膠為原料制備的三元復(fù)合材料中，橡膠相的存在可以改善材料的抗沖擊性、冷脆性、熱軟化性和阻尼緩沖等性能.材料阻尼緩沖性能的提高，使得復(fù)合材料能夠滿足諸多領(lǐng)域的應(yīng)用要求，例如運(yùn)動(dòng)場(chǎng)所的地面鋪設(shè)、儀器設(shè)備的包裝、高速公路的聲屏障及屋面結(jié)構(gòu)、裝飾用材等.全球每年的橡膠消費(fèi)量巨大，大量的廢舊橡膠挑戰(zhàn)著地球有限的承受能力，人們也對(duì)廢舊橡膠的二次利用進(jìn)行了諸多探索[1-3].

通過(guò)振動(dòng)模態(tài)試驗(yàn)測(cè)定結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，分析計(jì)算出系統(tǒng)的固有頻率、模態(tài)阻尼比等.“模態(tài)分析”一般是指以振動(dòng)理論為基礎(chǔ)、以模態(tài)參數(shù)為目標(biāo)的分析方法[4-5].目前，關(guān)于木塑復(fù)合材料的振動(dòng)特性已有一些研究,模態(tài)分析方法在其振動(dòng)特性研究過(guò)程中也得到了一定的應(yīng)用[6-9].本文采用FFT分析儀對(duì)材料進(jìn)行振動(dòng)模態(tài)試驗(yàn)，旨在研究橡膠及其含量對(duì)三元復(fù)合材料振動(dòng)特性(尤其阻尼緩沖性能)的影響，并結(jié)合掃描電鏡圖像分析，闡述三元復(fù)合材料阻尼性能隨橡膠含量變化的原因.

1 材料與方法

1.1 供試材料

橡膠粉：廢舊輪胎粉碎所得，80-150目.木粉：美國(guó)南方松，80-100目.高密度聚乙烯(HDPE)：型號(hào) AD60-007，美國(guó)?？松梨诨び邢薰咎峁?偶聯(lián)劑(MAPE)：型號(hào)G2608，美國(guó)伊士曼化工股份有限公司提供.潤(rùn)滑劑：聚乙烯蠟，型號(hào)H-108，粉狀.

1.2 儀器設(shè)備

SHR-10A型高速混合機(jī)由張家港華明機(jī)械有限公司提供；DHG-9030A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱由上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司提供；HTY-30型異向雙螺桿擠出機(jī)由南京橡塑機(jī)械廠提供.EM80-V型注塑成型機(jī)由震雄塑料有限公司提供.CF-7200A型FFT分析儀由日本小野測(cè)器提供.LC系列沖擊錘由江蘇聯(lián)能電子技術(shù)有限公司提供.CA-YD-107型壓電式加速度傳感器由江蘇聯(lián)能電子技術(shù)有限公司提供.

1.3 試樣制備

WPC、WRPC-5、WRPC-10、WRPC-15四種試樣中各復(fù)合材料的配比見(jiàn)表1.物料高速均混、干燥，逐次投料進(jìn)行混煉、勻化和擠出造粒.螺桿轉(zhuǎn)速40 r·min-1，擠出機(jī)喂料區(qū)溫度設(shè)置為150 ℃，塑化和勻化區(qū)溫度為175 ℃.造粒粒子注塑成型，制成400 mm(長(zhǎng))×40 mm(寬)×6 mm(厚)尺寸的振動(dòng)試驗(yàn)樣條.隨機(jī)留取部分造粒粒子，備用.

表1 復(fù)合材料的配比

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 模態(tài)振動(dòng)試驗(yàn) 將試樣一端剛性?shī)A持固定，懸臂端長(zhǎng)300 mm，加速度傳感器置于距懸臂梁端頭45 mm處，敲擊節(jié)點(diǎn)距懸臂端90 mm.沖擊錘、加速度傳感器分別與分析儀的通道CH1、CH2相連，采用雙通道對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集.

儀器參數(shù)設(shè)置：采樣點(diǎn)1024；內(nèi)部觸發(fā)，觸發(fā)水平5%；選擇低通濾波器的頻率上限，濾波頻率1000 Hz；分別對(duì)激勵(lì)通道(與力錘連接的CH1通道)和響應(yīng)通道(連接加速度傳感器的CH2通道)施加矩形窗和指數(shù)窗，以防止信號(hào)干擾造成能量泄露[10-11].

測(cè)試時(shí)，在沖擊錘上安裝尼龍頂帽進(jìn)行激勵(lì)，每組試樣取6根，每個(gè)節(jié)點(diǎn)敲擊3次，取平均值，獲取復(fù)合材料振動(dòng)的時(shí)域譜圖和頻率響應(yīng)函數(shù)曲線.

在工程實(shí)際中，自由衰減振動(dòng)法是時(shí)域識(shí)別結(jié)構(gòu)模態(tài)阻尼比的最基本方法[12].但在實(shí)際測(cè)量中，對(duì)于有阻尼的衰減振動(dòng)，阻尼比的識(shí)別精度遠(yuǎn)低于固有頻率、振型的識(shí)別精度[13],而且復(fù)合材料結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可能會(huì)存在頻率依賴性，即復(fù)合材料振動(dòng)過(guò)程中的阻尼參數(shù)會(huì)隨著激勵(lì)系統(tǒng)能量大小而發(fā)生變化[14-15].因此，本文在采用時(shí)域法求取材料的阻尼參數(shù)后，又結(jié)合頻響函數(shù)，采用包絡(luò)線法獲得了材料的模態(tài)振動(dòng)參數(shù)，并對(duì)二者進(jìn)行了比較.其中，時(shí)域法的對(duì)數(shù)衰減率δ和阻尼比ξ分別按式(1)、式(2)計(jì)算：

(1)

(2)

式中，A表示振幅；N表示振動(dòng)周期數(shù)；δ表示對(duì)數(shù)衰減率；ξ表示阻尼比.

包絡(luò)線擬合方法按式(3)、(4)進(jìn)行，其中式(3)為實(shí)際振動(dòng)的包絡(luò)線方程，式(4)為采用的擬合曲線方程，根據(jù)擬合結(jié)果中的b值及實(shí)際振動(dòng)的ωi即可求出相應(yīng)的阻尼比ξ.

xep=Ae-ξωit

(3)

x=ae-bt+c

(4)

式中，A表示振幅；ωi表示系統(tǒng)固有頻率；ξ表示阻尼比.

1.4.2 掃描電鏡分析 對(duì)留樣備用的造粒粒子表面進(jìn)行真空噴金處理，在60倍率下用SEM觀察斷面形態(tài).

2 結(jié)果與分析

2.1 橡膠含量對(duì)三元復(fù)合材料頻率響應(yīng)函數(shù)的影響

圖1 WRPC-15復(fù)合材料的頻率響應(yīng)函數(shù)曲線Fig.1 Frequency response function curves of WRPC-15

試樣固有頻率(ωi)/HzWPC124WRPC-5112WRPC-10105WRPC-1599

圖1是橡膠含量為15%的三元復(fù)合材料同一節(jié)點(diǎn)3次敲擊的頻率響應(yīng)函數(shù).從圖1可見(jiàn)，對(duì)于同一節(jié)點(diǎn)，每次敲擊條件下的頻率響應(yīng)函數(shù)呈高度的一致性，均在特定的頻率下產(chǎn)生共振峰，這一頻率即為材料固有頻率ωi.表2列出了不同含量橡膠復(fù)合材料的固有頻率數(shù)值.從表2可看出，隨著橡膠含量的提高，復(fù)合材料的固有頻率降低，表明添加橡膠成分具有阻尼減振的效果.

2.2 復(fù)合材料的時(shí)域譜圖

振動(dòng)模態(tài)試驗(yàn)的時(shí)域譜圖反映了加速度對(duì)輸入力信號(hào)的響應(yīng).圖2為不同橡膠含量復(fù)合材料的加速度響應(yīng)曲線，其衰減速度可以反映材料對(duì)能量的吸收情況，從而判斷材料的阻尼特性.實(shí)際上，阻尼對(duì)材料自由振動(dòng)的影響主要是使振動(dòng)頻率降低、周期增大及振動(dòng)幅值衰減.從圖2可以看出，添加了廢舊橡膠的三元復(fù)合材料體系，其振動(dòng)過(guò)程頻率降低，周期增大，表明添加橡膠成分顯著改善了材料的阻尼緩沖性能.

a.WPC;b.WRPC-5;c.WRPC-10;d.WRPC-15.

從表3可以看出，加入橡膠后，材料的振動(dòng)周期明顯縮短.為了定量反映橡膠及其含量變化對(duì)復(fù)合材料阻尼緩沖性能的影響，根據(jù)復(fù)合材料振動(dòng)的時(shí)域譜圖，利用相鄰5個(gè)周期的振動(dòng)幅值A(chǔ)1、A1+5求對(duì)數(shù)衰減率δ和阻尼比ξ.不同含量橡膠復(fù)合材料的δ值和ξ值列于表4.

表3 復(fù)合材料歷時(shí)1 s的振動(dòng)周期數(shù)

表4 復(fù)合材料的對(duì)數(shù)衰減率和阻尼比值

橡膠的加入使得復(fù)合材料的阻尼比增大，表面材料的阻尼性能得到改善.橡膠添加量為10%時(shí)，材料的阻尼比由未添加時(shí)的0.030增加到0.050，增幅67%，增幅明顯.但隨著橡膠含量的進(jìn)一步提高，材料的阻尼比反而有所降低，這可能是由于三相材料的弱界面性能所致.

2.3 模態(tài)阻尼比的確定

圖3 10%橡膠復(fù)合材料包絡(luò)擬合過(guò)程Fig.3 Envelope fitting processes of the composites with 10% rubber content

試樣b阻尼比(ξ)WPC2.130.017WRPC-52.770.025WRPC-103.770.036WRPC-152.170.022

圖4 2種方法下的阻尼比值對(duì)比Fig.4 Damping ratio by two methods

由于在模態(tài)振動(dòng)試驗(yàn)中，材料固有頻率的識(shí)別精度較高，加之采用時(shí)域法獲取阻尼比時(shí)N的取值有限，可能導(dǎo)致阻尼比值存在偏差.本文對(duì)材料振動(dòng)衰減曲線進(jìn)行包絡(luò)線擬合，由曲線上提取峰值點(diǎn)繪出包絡(luò)線，再對(duì)包絡(luò)線進(jìn)行指數(shù)擬合，擬合方程如式(4).曲線的上下2條包絡(luò)線應(yīng)非常一致，但實(shí)際振動(dòng)過(guò)程可能受到材料自重及傳感器等的影響，2條包絡(luò)線擬合后仍存在一定的差異(圖3).采用包絡(luò)線法求模態(tài)參數(shù)時(shí)取上、下包絡(luò)線的平均值.

擬合系數(shù)R2可達(dá)0.999，表明衰減振動(dòng)的包絡(luò)線與擬合方程x=ae-bt+c吻合.由包絡(luò)擬合獲得的不同含量橡膠復(fù)合材料的阻尼比ξ列于表5.

圖4對(duì)比了采用時(shí)域法和包絡(luò)擬合法獲取的阻尼比值.從圖4可以看出，無(wú)論采用哪種方法，隨著橡膠含量的變化，材料的阻尼比呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì)，只是采用包絡(luò)擬合法獲得的阻尼比值明顯低于時(shí)域法.復(fù)合材料中，橡膠含量由0提高到10%，材料的阻尼比逐漸增大，阻尼性能增強(qiáng)，采用2種方法得到的阻尼比值相比于純的木塑復(fù)合材料的最大增幅分別為67%和112%.當(dāng)橡膠含量增至15%時(shí)，材料的阻尼比下降，其阻尼緩沖性能僅與添加5%橡膠時(shí)的復(fù)合材料相當(dāng).

2.4 復(fù)合材料掃描電鏡分析

復(fù)合材料模態(tài)振動(dòng)試驗(yàn)中，材料的阻尼性能表現(xiàn)為只在一定范圍內(nèi)隨著橡膠含量的提高而增強(qiáng)，橡膠含量達(dá)到一定值時(shí)會(huì)削弱材料的阻尼性能.為此，對(duì)材料的斷面進(jìn)行掃描電鏡分析，研究復(fù)合材料體系中，隨著橡膠的加入其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化.圖5為不同橡膠含量復(fù)合材料在同一倍數(shù)下的掃描電鏡圖.從圖5可以看出，隨著橡膠含量的提高，復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)致密程度降低，當(dāng)橡膠含量增至15%時(shí)，材料的斷面愈發(fā)“松散”.

圖5 復(fù)合材料掃描電鏡圖

高分子材料的阻尼特性主要來(lái)源于材料的內(nèi)耗，在經(jīng)受交變外力作用時(shí)，一部分能量由于材料的內(nèi)耗轉(zhuǎn)化為熱能而被耗散掉，振動(dòng)的幅值隨時(shí)間迅速衰減.這種能量的轉(zhuǎn)換和耗散，即為阻尼作用[16].三元復(fù)合材料的阻尼性能與材料本身的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，一方面，高分子材料內(nèi)部鏈段之間的摩擦對(duì)材料阻尼性能的貢獻(xiàn)；另一方面，三相材料之間的摩擦對(duì)阻尼性能的貢獻(xiàn)[17].因此考察橡膠相的增韌作用時(shí)，除了考慮橡膠的用量還應(yīng)充分考慮三相材料的界面結(jié)合情況.從圖5可以看出，橡膠添加量達(dá)到15%時(shí)，材料的界面致密程度顯著降低，呈現(xiàn)“松散”狀.這就使得三相材料之間的摩擦減弱，從而使得復(fù)合材料的內(nèi)耗降低，表現(xiàn)為阻尼比的下降和阻尼性能的削弱.

3 小結(jié)

(1)相比于傳統(tǒng)木塑復(fù)合材料，三元復(fù)合材料體系中加入橡膠具有很好的阻尼緩沖效果，復(fù)合材料的阻尼比值明顯增大.

(2)三元復(fù)合材料體系中，材料的阻尼性能隨橡膠含量的提高(5%→15%)，呈現(xiàn)先增強(qiáng)后減弱的趨勢(shì).橡膠含量在10%時(shí)，復(fù)合材料的阻尼性能最佳.

(3)復(fù)合材料中材料的內(nèi)耗不僅與各組分材料本身的特性有關(guān)，還與復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系.因此，在考慮采用橡膠相改善復(fù)合材料的阻尼緩沖性能時(shí)，不僅要考慮橡膠含量的影響，還需充分考慮三相界面的結(jié)合情況，以保證復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的致密性.

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(責(zé)任編輯:葉濟(jì)蓉)

Vibration properties of wood/rubber/HDPE composites based on modal analysis technology

CHEN Ling1, HUANG Run-zhou1, XU Xin-wu1, WU Qing-lin2

(1.College of Materials Science and Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing, Jiangsu 210037，China;2.Forest Products Lab, Louisiana State University, USA 70803)

‘Single-beam’ vibration modal tests were conducted using FFT analyzer to explore the effect of rubber and its content on the vibration characteristics of wood/rubber/HDPE composites (WRPC). Time-domain method and envelope fitting method were used to obtain the logarithmic decrement ratio and damping ratio of composites. The results indicated that rubber had good damped cushion effect. The damping characteristics of the materials firstly increased then decreased with the increasing amount of rubber; optimal damping performance of materials was obtained when rubber adding amount was 10%.

waste rubber; composite; modal analysis; vibration property; damping ratio

2014-08-17

2015-04-08

江蘇省教育廳資助項(xiàng)目(13KJA220003).

陳玲(1990-)，女，碩士研究生.研究方向:木橡功能復(fù)合材料的制備及應(yīng)用.Email:chenling_90@163.com.通訊作者徐信武(1975-)，男，教授，碩士生導(dǎo)師.研究方向:木質(zhì)復(fù)合材料的制備與應(yīng)用.Email:xucarpenter@aliyun.com.

TB322

A

1671-5470(2015)04-0430-06

10.13323/j.cnki.j.fafu(nat.sci.).2015.04.017