黏彈性約束阻尼復(fù)合材料研究進展*

劉曉東，崔向紅，李天智，蘇桂明，姜海健，宋美慧，張曉臣，張偉君（黑龍江省科學(xué)院高技術(shù)研究院，黑龍江哈爾濱150020）

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黏彈性約束阻尼復(fù)合材料研究進展*

劉曉東，崔向紅，李天智，蘇桂明，姜海健，宋美慧，張曉臣，張偉君
（黑龍江省科學(xué)院高技術(shù)研究院，黑龍江哈爾濱150020）

摘要：隨著約束阻尼材料的廣泛應(yīng)用，兼具高阻尼、多功能、智能化約束阻尼復(fù)合材料也逐漸成為研究的熱點。介紹了黏彈性約束阻尼材料結(jié)構(gòu)設(shè)計及阻尼材料的制備、阻尼性能的影響因素的研究進展。

關(guān)鍵詞：約束阻尼；結(jié)構(gòu)設(shè)計；復(fù)合材料

約束阻尼概念在上世紀(jì)60年代由Kerwin E.M.首先提出，并分析了約束阻尼層的剪切阻尼耗能機制。此后，這種阻尼結(jié)構(gòu)得到不斷迅速的發(fā)展，從約束阻尼結(jié)構(gòu)設(shè)計、測試方法表征擴展到動力學(xué)理論及約束阻尼材料的制備等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的研究，并建立了多因素影響的復(fù)雜動力學(xué)模型［1］。本文主要從約束阻尼結(jié)構(gòu)設(shè)計及材料的制備這兩方面介紹其研究進展情況。

1　約束阻尼結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合阻尼材料

夾層結(jié)構(gòu)材料又稱“三明治”復(fù)合材料，上下基板由高強度、高模量的基板構(gòu)成，中間夾層材料有蜂窩芯材料，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料作為重要的輕量化材料其用途相當(dāng)廣泛，在國外的鐵道車輛上如法國TGV系列、意大利ETR系列高速列車早已應(yīng)用。隨著其不斷發(fā)展，已廣泛用于航空制造業(yè)。國內(nèi)在近幾年對蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料才開始使用，雖然取得了一定的效果，但對蜂窩夾層材料的特性與應(yīng)用還需更進一步加強與擴大。常用蜂窩夾層材料有紙蜂窩、鋁蜂窩和NOMEX蜂窩。其中NOMEX蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料性能優(yōu)異，主要應(yīng)用于航空制造業(yè)。在國外，這3種夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在鐵道車輛上均有應(yīng)用。國內(nèi)除了鋁蜂窩，最近NOMEX蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在鐵道車輛中得到批量應(yīng)用。鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的面板層通常采用金屬，如果電絕緣處理不當(dāng)，則會發(fā)生電化學(xué)腐蝕。NOMEX蜂窩則是采用芳綸紙浸潤酚醛樹脂制成，材料不導(dǎo)電，因此，不用擔(dān)心電化學(xué)腐蝕問題。此外，這種NOMEX蜂窩還可耐FST（煙霧毒性）要求［2，3］。

作為中間夾層材料的高損耗因子的泡沫芯夾層結(jié)構(gòu)，如PS泡沫、SAN泡沫、PU泡沫、PUR泡沫、PEI泡沫、PET泡沫、PVC泡沫、PMI泡沫。泡沫夾層結(jié)構(gòu)中，使用低密度夾芯材可以在保證輕剛度的基礎(chǔ)上大大減輕重量，并且與NOMEX蜂窩材料相比，泡沫芯材具有易加工，低成本優(yōu)點。在國外，泡沫復(fù)合材料結(jié)構(gòu)已廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶制造、火箭運載、風(fēng)力發(fā)電機葉片、列車機車、醫(yī)用設(shè)備配件及體育運動器材等領(lǐng)域。例如：Alcan公司出產(chǎn)的Airex R80泡沫夾層復(fù)合材料在民用航空器上得到應(yīng)用；Airex R63泡沫夾層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于船體外殼，具有耐海浪沖擊特性。Herex公司的Herex C70泡沫夾層結(jié)構(gòu)在船甲板上結(jié)構(gòu)上使用。日本［4］新干線的火車頭以及Vestas的風(fēng)力發(fā)電機葉片等都采用這種泡沫夾層結(jié)構(gòu)。國內(nèi)，泡沫夾層結(jié)構(gòu)在簡易房壁板和冷藏設(shè)備隔熱板應(yīng)用較多。而在高端領(lǐng)域應(yīng)用的泡沫芯材料大部分來源于進口，雖然起步較晚，但經(jīng)過近些年的發(fā)展，在國內(nèi)直升機槳葉及導(dǎo)彈筒體上PU泡沫芯材已得到應(yīng)用。以聚甲基丙烯酰亞胺（PMI）硬質(zhì)結(jié)構(gòu)為芯層的夾層結(jié)構(gòu)已經(jīng)運用于汽車發(fā)動機罩［5］。

1.2梯度結(jié)構(gòu)阻尼材料

這種阻尼材料是通過設(shè)計多層復(fù)合材料各層材料，包括設(shè)計不同厚度、不同敷設(shè)角度及不同Tg等形式，其排列方式可按照材料的厚度或者是長度方向進行排列，即可制得滿足不同需求的梯度結(jié)構(gòu)復(fù)合阻尼材料。蔣松霖在2009年采用PU與SEBS材料復(fù)合制得了梯度結(jié)構(gòu)阻尼材料，研究結(jié)果顯示：隔聲性能和力學(xué)性能都有提高，這是由于多個層間界面相互作用的結(jié)果［6］。

1.3消音隔聲復(fù)合結(jié)構(gòu)阻尼材料

隨著結(jié)構(gòu)設(shè)計的不斷發(fā)展，不同復(fù)合方式的材料不斷出現(xiàn)，最初消音隔聲復(fù)合結(jié)構(gòu)阻尼材料外層為硬質(zhì)的石棉或石板板材，然后通過對內(nèi)層材料的厚度設(shè)計，通常選用阻尼橡膠作為內(nèi)層材料而獲得較好的隔聲效果［7］。傳統(tǒng)的消聲復(fù)合結(jié)構(gòu)材料覆蓋層選用是橡膠材料，主要利用橡膠腔的諧振以及阻抗過渡式結(jié)構(gòu)吸聲，但是由于厚度有限只在中高頻段的吸聲有效，低頻段吸聲效果不理想。近年來高分子功能壓電結(jié)構(gòu)系列材料在換能器等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，國內(nèi)外學(xué)者將研究轉(zhuǎn)向高分子功能材料來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的減振和吸聲。2009年哈爾濱工程大學(xué)王玉明采用PVDF壓電薄膜與橡膠組成2- 2型壓電分層復(fù)合結(jié)構(gòu)，重點在PVDF是否外接電路條件下的吸聲性能進行了仿真研究［8］。

1.4嵌入式共固化復(fù)合材料阻尼結(jié)構(gòu)

嵌入式共固化復(fù)合材料阻尼結(jié)構(gòu)（Embedded Co- cured Composite Damping Structure，ECCDS）是近年來提出的一種具有高阻尼減振性能的新結(jié)構(gòu)，這種復(fù)合阻尼材料結(jié)構(gòu)是將粘彈性阻尼薄膜進行預(yù)先處理按照實際需求設(shè)計復(fù)合材料層合方式，將其鋪入復(fù)合材料預(yù)浸料中并用共固化工藝處理得到綜合性能優(yōu)良的阻尼減震材料［9］，具有不易脫落、耐疲勞、抗老化等優(yōu)點。也是近年來國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點，同時在層間界面結(jié)合力以及在ECCD的優(yōu)化過程中，粘彈性材料的嵌入位置、嵌入量對整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響還存在許多問題，還學(xué)不斷進行深入研究。這種結(jié)構(gòu)的研究主要從阻尼薄膜制作工藝、共固化工藝、分析研究方法等方面進行。梁森［10］等提出了新型多層阻尼薄膜嵌入的共固化復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，并按照玻璃纖維/環(huán)氧（5231/EW180B）預(yù)浸料固化工藝曲線制備了多層阻尼薄膜嵌入式中溫共固化復(fù)合材料試件，使用模態(tài)應(yīng)變能有限元數(shù)值模擬法對該結(jié)構(gòu)的動力學(xué)性能進行了研究，結(jié)果表明：多層阻尼薄膜嵌入的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)能顯著提高整體結(jié)構(gòu)的一階模態(tài)損耗因子。李烜［11］使用丁基橡膠作為黏彈性阻尼材料的主要原料，并使用模壓法制備阻尼材料薄膜，再與環(huán)氧樹脂玻璃布預(yù)浸料共固化按得復(fù)合材料阻尼結(jié)構(gòu)試件。結(jié)果表明：在構(gòu)件剛度改變不大的情況下嵌入較薄阻尼層會提高試樣的阻尼效果，而嵌入較厚阻尼層時，對試件的剛度影響較大，隨著阻尼層厚度的增加，構(gòu)件阻尼的增加量逐漸降低。雒磊［12］研究了嵌入式共固化復(fù)合材料穿孔阻尼的制作工藝，結(jié)合壓片工藝和刷涂工藝，采用層間過渡工藝進行制作，并研究了采用不同工藝、不同厚度阻尼層制得這種復(fù)合阻尼材料的阻尼性能、吸濕性能以及吸濕前后層間力學(xué)性能。

2　約束阻尼材料的制備

約束阻尼復(fù)合材料結(jié)構(gòu)是由約束層和阻尼層材料共同復(fù)合組成，阻尼層材料主要為復(fù)合材料提供阻尼性能，約束層材料則起到約束阻尼層的拉-壓變形的作用，迫使相對柔軟的阻尼層材料發(fā)生剪切變形從而好散掉更多的振動能量。具有較寬的阻尼溫域及較高的阻尼損耗峰值是未來發(fā)展的一個方向。約束層由高模量的硬質(zhì)材料組成，最初選用金屬材料，應(yīng)用較多的為不銹鋼和鋁合金材料，后來從施工工藝考慮，選用高模量的高分子樹脂作為約束層材料。2004年王寶珠［13］主要研究了聚氨酯/環(huán)氧樹脂構(gòu)成的約束阻尼結(jié)構(gòu)的阻尼性能。其中阻尼層為一系列摩爾比- NCO/- OH≤1的聚醚型聚氨酯材料，約束層為增強型高模量的環(huán)氧樹脂涂料，并采用纖維增強使約束層模量增加對阻尼性能有利。研究還發(fā)現(xiàn)四針狀氧化鋅晶須是一種新型的增強材料，不但可以提高約束層的模量，而且可以提高約束層本身的能量損耗，從而大幅度地提高材料的阻尼性能。Jae Heung Yang［14］通過選用聚氨酯彈性體材料（PU）作為阻尼層，環(huán)氧樹脂（EP）為約束層制備約束阻尼材料，并研究了其阻尼性能，力學(xué)以及形變回復(fù)性能。結(jié)果表明：阻尼層中MDI含量對復(fù)合材料的形狀恢復(fù)有明顯影響，其含量增加材料恢復(fù)性越好，MDI含量在聚氨酯材料中為30%時，復(fù)合材料的相關(guān)性能表現(xiàn)最佳。丁新波［15］采用氯化聚乙烯（CPE）作為約束阻尼材料的約束層，在CPE材料中添加功能小分子填料ZKF并調(diào)節(jié)其含量制得不同阻尼層材料，再復(fù)合制備各種多層約束阻尼材料，并對復(fù)合材料阻尼性能從理論分析和測試實驗數(shù)據(jù)進行探討。研究結(jié)果表明：約束層與多層阻尼材料的同向鋪設(shè)得到的復(fù)合材料阻尼性能提升較為明顯。符剛［16］以氯化丁基橡膠/丁基橡膠/AO- 80/PSY進行四元共混制得不同厚度的阻尼層，約束層選用鋼材和鋁材制備復(fù)合約束阻尼材料，通過動態(tài)力學(xué)分析測試表征結(jié)果。

3　約束阻尼材料性能的影響因素

2010年青島理工大學(xué)馬學(xué)強［17］研究了不同結(jié)構(gòu)阻尼材料包括不同厚度阻尼層對約束阻尼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料阻尼性能的影響。研究結(jié)果顯示：約束阻尼結(jié)構(gòu)層與層之間結(jié)合越緊密，則復(fù)合損耗因子越高，減振效果越優(yōu)。對比了無阻尼結(jié)構(gòu)、環(huán)氧樹脂阻尼結(jié)構(gòu)和粘彈性約束阻尼結(jié)構(gòu)，其中粘彈性約束阻尼結(jié)構(gòu)具有最佳的復(fù)合阻尼性能。粘彈性約束阻尼結(jié)構(gòu)在頻率范圍在3.15～3150Hz內(nèi)，阻尼減振性能最好。武漢理工大學(xué)孟丹［18］研究了環(huán)氧樹脂作為阻尼層材料采用多乙烯多胺類固化時，約束層材料采用鋼板和鋁板，厚度固定，增加阻尼材料厚度，損耗因子呈現(xiàn)下降的趨勢；當(dāng)環(huán)氧樹脂添加纖維增強，并增加阻尼層材料厚度，各階模態(tài)的損耗因子也不斷增大。西南交通大學(xué)王溔［19］在2011年通過選用聚氨酯（PU）和純鋁分別作為阻尼層和約束層材料。研究結(jié)果顯示制得復(fù)合材料的共振頻率與損耗因子隨阻尼層厚度而升高。2013年哈爾濱工程大學(xué)劉正［20］采用聚氨酯（PU）彈性體和環(huán)氧樹脂及高硬度的PU分別作為復(fù)合材料的阻尼層和約束層，制備不同Tg分布和不同硬度的阻尼層和約束層材料。研究探討阻尼層材料和約束層材料對復(fù)合材料的影響。結(jié)果表明：阻尼層和約束層材料的硬度對復(fù)合約束阻尼材料的阻尼性能有較為明顯影響，選取阻尼層與約束層材料硬度相差較大以及Tg重合度較小的組合，阻尼效果較好。

4　結(jié)語

隨著粘彈性約束阻尼材料的逐步發(fā)展，現(xiàn)已廣泛的應(yīng)用在軌道交通、建筑、機械制造、汽車工業(yè)、航空航天等領(lǐng)域。振動和噪聲與我們的生活息息相關(guān)，減振降噪是人類永恒的課題，約束阻尼復(fù)合材料只是其有效方式之一，隨著科技的發(fā)展，尤其在航空航天領(lǐng)域?qū)?fù)合材料輕量化要求及結(jié)構(gòu)功能一體化需求不斷增加，兼具結(jié)構(gòu)設(shè)計的靈活性、力學(xué)性能良好及減振降噪性能優(yōu)異的阻尼復(fù)合材料越來越受到青睞。雖然目前約束阻尼復(fù)合材料的研究開發(fā)在國內(nèi)外關(guān)于已經(jīng)取得很多成果，但在阻尼復(fù)合材料制備工藝以及新材料、新的阻尼耗能機制的應(yīng)用方面實現(xiàn)結(jié)構(gòu)性能和阻尼性能的同步提高仍面臨更多的問題和嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，還需更深入開發(fā)研究。

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Research progress in viscoelastic constrained damping composites*

LIU Xiao-dong，CUI Xiang-hong，LI Tian-zhi，SU Gui-ming，JIANG Hai-jian，SONG Mei-hui，ZHANG Xiao-chen，ZHANG Wei-jun
（Institute of Advanced Technology，Heilongjiang Academy of Sciences，Harbin 150020，China）

Abstract：With the wide application of constrained damping materials，the high damping，multifunctional and intelligent constrained damping composites gradually become a research hotspot. The research introduces the structure design of viscoelastic constrained damping materials，preparation of damping materials and influence factors of damping performance.

Key words：constrained damping；structure design；composite materials

文獻標(biāo)志碼：中文分類號：TQ322.4A

DOI：10.16247/j.cnki.23-1171/tq. 20160637

收稿日期：2016- 04- 15

基金項目：黑龍江省科學(xué)院科學(xué)研究基金項目（XKJJ1601）

作者簡介：劉曉東（1982-），女，哈爾濱人，研究實習(xí)員，碩士，從事高分子材料研究。