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阻尼功能复合材料
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| 发布时间：
2022/12/16 |
随着现代科学技术的发展，机械设备越来越趋于高效、高速和自动化，各种机械设备在运转及工作过程中，都会产生不同程度的振动和噪声。振动和噪声限制机械设备性能的提高，严重破坏机械设备运行的稳定性和可靠性，降低零件的使用寿命，并污染环境，危害人们的身心健康。因此，对振动、噪声以及冲击的控制也日趋重要，减振降噪技术及其阻尼功能材料也应运而生。
阻尼功能材料自产生以后，其发展经历了三个重要的时期：
第一阶段(1784-1920年)：1784年Coulomb便指出金属经受循环应变时，应力一应变曲线将形成滞后环，并有能量耗散。1837年，Weber首次用扭摆的自由衰减测量了材料的阻尼。1850年以后，声学家们开始对有阻尼的振动系统进行研究。Rayleigh于1878年给出了线性、黏性阻尼离散系统和连续介质力学、声学等系统的微分方程及一些方程的解，在此阶段阻尼材料的研究才刚刚起步。
第二阶段(1920-1940年)：在这一时期，随着机器的运转速度越来越高，振动问题成为困扰高速旋转机械、飞机及大型工程结构等的主要问题。振动使得螺旋桨曲轴和水轮机叶片出现疲劳破坏，轮船的舱口产生疲劳裂纹。疲劳破坏使得第一架商务飞机坠毁，美国的Tacoma Narrows大桥也由于水流导致的振动而损坏，这些问题使得振动控制成为工业生产的主要关注点之一，人们开始就这些问题进行工程应用研究。
第三个阶段(1940年至今)：在此时期，有关阻尼的文献逐年增加，如1945年有500篇，1965年则超过了2500篇。这一阶段，人们开始定量描述阻尼对动态系统的影响，并于20世纪60-70年代发晨起了涉及材料学、力学、机械学和环境科学等多学科的阻尼技术。
阻尼材料随着对振动、噪声以及冲击的控制而产生，但是传统的单一材料并不满足实际需求。金属材料虽然具有优异的强度和刚度，但减振降噪能力很差；高分子材料虽然减振能力出色，但强度和剐度较差，难以作为结构材料使用。因此，通过材料的复合化，制备强度、刚度和阻尼性能俱佳的阻尼复合材料成为解决减振降噪问题的重要手段。
阻尼复合材料是一种把振动能吸收并转化成其他形式的能量而消耗，从而减小机械振动和降低噪声的功能复合材料，可大幅度提高阻尼值。其原理在于：复合材料是由两种或多种材料所组成，而不同材料的模量也不同，承受相同的应力时会有不等的应变，形成不同材料之间的相对应变，因而会有附加的耗能。
阻尼复合材料有很多种类，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一树脂基复合阻尼材料，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料。树脂基阻尼复合材料是在橡胶、塑料等基体中加入各种适当的填料(颗粒、纤维)复合成型，在受到振动时，由于高聚物基体与填料之间的界面上发生摩擦以及高聚物基体内的分子内摩擦，耗散了振动能达到阻尼的目的。金属基阻尼复合材料系在钢板或铝板间夹有很薄的黏弹性高聚物，这样的复合材料强度由金属夹板保证，而阻尼性能则由黏弹性高聚物的高内耗和金属夹板的约束性来提供，因此即使在较高的温度下也能保证良好的阻尼减振作用。
(1)阻尼原理
阻尼复合材料的原理基本相似，多是利用基体和填充体本身的阻尼特性以及界面摩擦阻尼进行减振降噪。因此，基体材料阻尼、增强体材料阻尼以及材料界面阻尼构成了阻尼原理的三个主要微观机制，复合材料的宏观阻尼行为是其叠加的结果。
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达到减振抗噪的目的，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受限，材料形变主要是曲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，进而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，这就是基体材料阻尼的机制。金属基体的阻尼机制又可分为三类：
a．铁磁性型，这类金属减振能力是靠磁畴壁的不可逆移动，导致磁一机械滞后而消耗振动能量，从而达到减振目的；
b．位错型，这一类基体的典型材料是镁及其合金，其振动时引起位错运动消耗振动能量，达到减振目的；
c．孪晶型，这类金属的最大组织特点是马氏体亚结构由孪晶构成，减振能力是依靠热弹性马氏体孪晶亚结构的移动所引起的能量损耗。
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[s川。
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。
(2)阻尼性能参数
复合材料的阻尼特性常通过对数衰减率艿与阻尼因子叩两种方式来描述。对数衰减率艿定义为振幅衰减时两相邻振幅之比的自然对数；阻尼因子'7(也称损耗因子)定义为单位弧度的阻尼能量损失与峰值势能之比，通常用下式表示：
式中，D为材料振动一周所损耗的振动能；W为材料振动一周所储存的最大应变能；EⅣ为损耗模量；E 7为储能模量。
各种常用材料的阻尼因子值如表11所示。
表11 常用材料的阻尼因子值
材料种类 | 阻尼因子 | 材料种类 | 阻尼因子 | 金属 混凝土，砖 | 10-4～10-3 10-3～10-1 | 木材类 高聚物材料 | O.Ol～O.2 O.001～10.O |
炭纤维增强树脂基和炭基复合材料具有比强度和比刚度高、密度低、耐磨性和耐腐蚀性好等优点，可制备航空发动机叶片、涡轮盘以及其他高速转动的部件等，在航空航天、建筑、交通、机械和化工等领域得到越来越广泛的应用。在这些应用中由于存在旋转质量的不平衡、传动系统的缺陷或误差、工作载荷的波动或外界环境的激励等因素而引起结构部件的振动，当振动频率达到材料的固有频率时会对复合材料产生共振损伤，所以纤维增强复合材料的固有频率和阻尼特性日益受到从事复合材料研究工作者的重视。
由于纤维增强复合材料具有明显的各向异性，其固有频率和阻尼特性的分析难度和复杂程度大大增加。炭纤维增强树脂基和炭基复合材料固有频率和阻尼特性主要受其组织结构、工作环境等因素影响。
(1)复合材料固有频率的影响因素
纤维增强复合材料由纤维和基体赝部分构成，其运动相互作用方式以及影响因素十分复杂，主要有以下几方面：
炭纤维复合材料锏
①纤维结构的影响。纤维增强复合材料，其结构的动特性、动响应特性均与复合材料的铺层方向、铺层比和铺层顺序等铺层参数密切相关。
②基体的影响。基体作为纤维增强复合材料的重要组成部分，对复合材料的振动性能有着不可忽略的影响。以c/c复合材料为例，热解炭包括粗糙层(RL)、光滑层(SL)和各向同性层(ISO)，几种热解炭组织中，SL和RL组织主要是层面结构，结构的有序性相对较高，但其结构特性如密度、规整度和各向异性等有着很大的差异。ISo的结构有序性较低，一般表现为球状粒子的无规则堆积形式，密度较以上两组织都低。由于lS0组织在炭基体中一般很少出现，所以对单一含有 RL和SL的c/c复合材料进行了研究。研究表明，SL基体的c/c复合材料一阶固有频率高于RL基体的C/C复合材料。主要原因是RL热解炭组织内裂纹含量大于SL热解炭组织，使RL基体的强度低于SL基体的强度，从而使复合材料的弹性模量降低，固有频率降低。
③温度的影响。一些纤维增强复合材料需要在热环境下工作，此时其振动特性将发生变化，尤其是复合材料壁板结构的固有振动特性在热环境下会受到显著的影响。研究发现，随着温度的升高，材料的固有频率通常降低，如图9所示。
图9 炭纤维增强复合材料温度与频率的关系
①损伤的影响。有学者通过对含椭圆分层层合板的固有频率、阻尼和声激励响应的计算结果分析得出，当出现分层，尤其是分层靠近表面时，分层区明显对局部模态有影响，使得共振峰值密集，模态密度增加。分层损伤主要降低了层合板结构的刚度，进而使结构振动固有频率降低。分层区域小于30％时，对结构的固有频率几乎没有影响，但随振动模态的增加，临界区域逐渐减小，当分层区域增大时，其振动频率减小量比开孔要小。当复合材料层合板存在开孔时，振动频率大多也有所减小。随着孔径的增大，其频率减小也越多，孔的位置改变时，各阶固有频率的改变不同。但可以估计，孔在振动模态最大位移处频率减小较多，而在振动的节点处频率改变很少。
(2)复合材料内部阻尼耗损的影响因素
纤维增强复合材料具有比较良好的阻尼特性，主要原因是纤维与基体之间存在相对滑移和基体固有的黏弹性，其影响因素主要有以下几方面：
①纤维取向的影响。Dams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由纵向应力、横向应力和剪应力引起的能量耗散的总和。上述模型被用于预报单向偏轴、角交铺层、正交铺层及其一般铺层的复合材料结构阻尼性能。通过着重分析应力大小的变化对损耗因子的影响，针对各向异性纤维梁的阻尼性能预报结果表明，当纤维取向秽为0度～15度时，损耗因子不依赖应力的变化，复合材料表现为线弹性特性；纤维取向p为30度～90度时，损耗因子主要受纤维/树脂基的相互作用支配，随着应力水平的增加出现非线性效应。
利用三维有限元/应变能理论可得到复合材料梁的阻尼预报结果，其进一步说明，层间应力对结构阻尼的影响效果在一定的纤维取向范围内表现最为明显。通过对复合材料层压板的层数和角度的设计和优化，来改变复合材料的阻尼容量驴，如表12所示。C/C复合材料的内耗主要表现在预制体编织的维数上。一维c/C复合材料由于孔隙基本上都是沿纤维方向取向的，规整性较强，数量也相对较少，所以内耗最低，而二维、三维C/C复合材料中由于纤维的织构比较复杂，因此所形成的孔隙数量较多，孔隙结构、取向也较复杂，导致内耗较高。
表12铺层优化对阻尼容量的影响
状态 | 阻尼容量/％ | l阶 | 2阶 | 3阶 | 4阶 | 初始铺层 最大频率优化 最小频率优化 无外层约束最大频率优化 | 3.58 3.52 3.84 2.85 | 3.12 4.10 2.98 3.66 | 2.28 1.98 2.99 2.15 | 2.84 3.45 3.01 2.84 |
同时，随着增强粒子体积分数的增大，界面内耗也增大。界面内耗正比于界面的密度，而界面密度又直接取决于纤维体积分数，纤维体积分数越大，单位体积内存在的界面越多，界面内耗也就越大。对以纤维作为增强体的C/C复合材料而言，虽不能完全套用上式，但与纤维体积分数对界面内耗的影响规律基本相类似，即随纤维体积分数的增大，界面内耗增大，材料的总内耗也随之增大。
③基体结构的影响。基体作为纤维增强复合材料的重要组成部分，对复合材料的阻尼性能影响不可忽略。部分理论和实验结果表明，利用高阻尼树脂基可以得到具有高的纵向模量和损耗因子的单向纤维单层材料。对于c/c复合材料，基体炭的组织结构RL、SL、ISO存在显著差异，其中SL和RL组织主要是层面结构，有序性相对较高。而ISO炭的结构有序性较低，一般表现为球状粒子的无规则堆集形式。层状石墨结构中炭层面在外部载荷作用下更容易滑移，产生较大的塑性变形，层状石墨粒子比球状石墨粒子更容易产生较大的内耗。所以不同组织类型的热解炭基体对c/c复合材料的内耗贡献不同，其相对关系为SL大于RL大于ISO。
纤维体积含量铲M图10纤维体积含量与阻尼率的关系
④密度的影响。密度对纤维增强复合材料内耗的影响在c/c复合材料领域方面研究较多。c/c复合材料随致密化的进行，热解炭不断填充到炭纤维预制体内部孔隙之中，材料密度随之提高，内耗逐渐减小。这主要由于低密度c/c复合材料中存在着大量的孔隙，材料的整体结构较为疏松，在循环应力下可以为塑性变形提供足够的空间，从而更容易发生弹性滑移，产生较大的内耗。当材料密度升高后，基体内的孔隙减少，材料的不均匀性和不连续性得以改善，基体可以较好地发挥其承载和传递载荷的作用，从一定程度上抑制内耗的产生。这一规律与一般的炭素材料不相符，这可能因为炭素材料的内耗主要是由晶体缺陷移动引起的，材料密度越大，缺陷的密度也越大，所产生的内耗越大，但因为这一效应被c/c复合材料孔隙的内耗效应所掩盖而难以表现出来。
⑤纤维/基体界面的影响。纤维/基体界面条件对复合材料的宏观阻尼性能有着重要的作用，研究界面影响问题非常必要。界面通常因为几何和材料性能上的不连续，呈现出复杂的应力状态。复合材料阻尼的变化与界面条件(包括理想黏合或局部脱黏)的变化关系密切。因此，一些学者试图将界面的黏合状况进行量化，对 c/c复合材料进行研究时发现界面的内耗效应主要由纤维/基体间热膨胀系数不匹配或纤维/基体间的不良结合造成。在循环应力载荷下，如果界面粘接不良或发生脱黏，热解炭基体与纤维会发生相对滑动(如图11所示)，对振动起阻尼作用，在界面处易产生能量耗散，导致材料内耗的升高。
图11 纤维与基体相对滑动不意图
二、发展趋势
阻尼复合材料材料发展的主要技术方向如下：
①宽温宽频系列高性能阻尼材料。主要用于中型航母、大潜深潜艇等的各类机械的基座、浮筏、管路、铺板、齿轮箱体、设备壳体等部位，要求材料的阻尼性能优于现有材料，并且工艺性能良好，阻尼材料的工作温度范围为-10-300℃，工作频率为1～10kHz；
②多功能阻尼材料。如阻尼隔热材料用于空调管路等，阻尼电磁屏蔽材料用于电子仪器密集的舱室；
③结构/阻尼功能一体化复合材料。用于潜艇、水面舰船的基座、推进轴、设备壳体、筏架等，起到减振和减重的双重作用；
④阻尼材料和水声材料性能测试评估技术及性能预测技术。国外智能阻尼材料尤其是压电阻尼材料已经开始应用，电磁流变阻尼材料在舰船减振降噪工程上得到应用。 |
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