共固化阻尼复合材料研究进展

文中综述了共固化阻尼复合材料结构近年来的研究成果,包括共固化阻尼复合材料结构的共固化工艺类型、黏弹性阻尼材料的选择范围,并对阻尼薄膜的制作工艺、阻尼薄膜的结构以及处理方式行了概括。此外,对环氧树脂基与双马树脂基共固化阻尼复合材料的实验方法、数值模拟及理论分析做了总结,最后对共固化阻尼复合材料结构存在的不足及未来的发展趋势进行了展望。提出未来应用中需要继续研究解决的问题,以上工作对于深入探索大阻尼高刚度复合材料构件具有一定的参考意义。

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。

嵌入式共固化缝合阻尼复合材料面内力学性能

为了提高复合材料的面内力学性能,提出了正交对称嵌入式共固化缝合阻尼复合材料结构,建立该结构面内等效弹性参数的数值模拟模型,通过热压罐的中温共固化工艺制备出嵌入式共固化缝合阻尼复合材料试件,利用万能试验机的拉伸测试验证本文数值模拟方法的有效性。使用有效的ANSYS有限元模型进一步分析出面内等效弹性参数Ex、Ey、Gxy、νxy随针距、行距和阻尼层厚度的变化规律,为嵌入式共固化缝合阻尼复合材料结构力学性能研究奠定了基础。

阻尼夹芯复合材料加筋板的振动分析与数值模拟

以阻尼夹芯复合材料加筋板为研究对象,依据一阶剪切变形理论(FSDT)和Hamilton原理,推导板和加强筋的应变能、动能表达式,采用变分原理建立控制微分方程,根据相关边界条件和傅里叶级数求解方程。建立了ANSYS阻尼夹芯复合材料加筋板的有限元模型,该模型考虑到阻尼夹芯复合材料加筋板中阻尼材料与纤维预浸料间的结合方式,用模态应变能有限元数值模拟方法研究了结构的动力学性能,并通过对数值模拟结果与理论解的比较,验证了模型的合理性和有效性。探讨了不同的筋条尺寸、不同的筋条数量、不同的筋条分布方式对阻尼夹芯复合材料加筋板动力学性能的影响,得出了阻尼夹芯复合材料加筋板的一阶模态频率和损耗因子随不同参数的变化曲线,其结论为阻尼夹芯复合材料加筋板的优化设计提供参考。

嵌入式共固化复合材料阻尼结构的动力学性能

为大幅度提高嵌入式共固化复合材料阻尼结构的动力学性能,基于有限元的模态应变能法探讨了边界条件对单层连续阻尼结构和多层连续阻尼结构阻尼性能的影响,同时对一短边固支的单层连续阻尼结构模态损耗因子随阻尼层厚度变化的规律进行了研究。结果表明:对比探讨的其它边界约束条件,四边固支的嵌入式共固化阻尼复合材料结构具有较好的力学性能;增加单边固支连续阻尼结构中阻尼层的厚度可促使结构的模态损耗因子增大;当阻尼层较薄时,模态损耗因子随着阻尼层厚度的增加增幅较大,阻尼层厚度较厚时,模态损耗因子对结构阻尼层的变化不再敏感。

硅烷偶联剂及氧化石墨烯二次改性对芳纶纤维界面性能的影响

为改善芳纶纤维(PPTA)与丁腈橡胶(NBR)复合材料之间的界面强度,采用硅烷偶联剂A172和氧化石墨烯(GO)对芳纶纤维表面进行接枝改性处理,并对处理前后的芳纶纤维进行化学结构、表面形貌及H抽出力分析。利用SEM对抽出纤维表面和橡胶基芳纶纤维复合材料截面进行微观结构分析。结果表明:硅烷偶联剂和氧化石墨烯对芳纶纤维进行二次表面改性后,纤维表面含氧基团增加,化学活性提高,处理后表面存在明显的表层附着物,纤维结构未发生明显损伤且表面粗糙度得到明显改善。每个处理阶段后H抽出力均有提高,且氧化石墨烯二次改性后的芳纶纤维H抽出力提高效果最佳,从18.192 MPa提高到48.748 MPa,芳纶纤维与丁腈橡胶的界面结合力得到了显著提升,从而证实了硅烷偶联剂和氧化石墨烯二次改性芳纶纤维的有效性,为橡胶基芳纶纤维复合材料性能的研究提供了参考。

嵌入式共固化缝合阻尼复合材料的力学性能

为了提高复合材料的层间结合性能,满足其三维力学性能可设计性的要求,提出了嵌入式共固化缝合阻尼复合材料结构,开发了嵌入式共固化缝合阻尼复合材料的制作工艺,其中阻尼材料的硫化温度和时间与预浸料内树脂的固化温度和时间相同。采用改进的锁式缝合方法缝合铺层后的预成型体,使用热压罐制备出嵌入式共固化缝合阻尼复合材料试件。对试件进行了层间剪切试验、自由衰减试验、拉伸破坏试验,结果表明:阻尼性能与最大拉伸力随着针距的增大而增大,层间结合性能随针距的增大而变差。其中,在阻尼层厚度为0.1 mm的情况下,改变针距,缝合后材料的相对阻尼比为2.16%~2.92%,拉伸强度为412.9~427.4 MPa,层间结合强度为6.12~7.91 MPa。该研究可为对三向力学性能有要求的复杂受载大阻尼复合材料构件的广泛应用提供参考。

嵌入式共固化穿孔阻尼复合材料的制备与性能

为了提高复合材料的阻尼性能,促进阻尼复合材料的发展,本文探索一种新的嵌入式共固化穿孔阻尼复合材料。在T300碳纤维布上刷涂阻尼胶浆,晾干后制出规则分布的小孔,按真空导入成型工艺制备预成型体,将其放入温度试验箱进行固化,得到嵌入式共固化穿孔阻尼复合材料,并将复合材料按尺寸切割成试件。对试件进行模态试验、自由衰减试验和层间剪切试验。试件板的一阶模态阻尼达到3.65%,固有频率为12.88 Hz;试件梁的一阶模态阻尼达到2.02%,固有频率为34.25 Hz;试件梁的层间剪切力最大值为6488.452 N,剪切强度为5.19 MPa。结果表明这种嵌入式共固化穿孔阻尼复合材料具有较好的阻尼性能与层间力学性能。

共固化阻尼薄膜夹嵌复合材料梁的振动分析

为研究共固化阻尼薄膜夹嵌复合材料固支梁的自由振动特性。将1阶剪切变形理论、变分原理和Hamilton原理相结合,建立了共固化阻尼薄膜复合材料梁自由振动的理论模型,提出使用伽辽金法求解该模型在固支边界条件下的自由振动理论解。通过构建有限元模型、制作阻尼薄膜夹嵌复合材料梁试件与所搭建的试验平台,分别将理论解与模拟结果、试验结果进行对比,验证了理论模型的有效性;最后,进一步探究了阻尼层在复合材料中的分布以及结构几何参数对阻尼薄膜夹嵌复合材料梁动力学性能影响的规律,为阻尼薄膜复合材料梁结构的优化设计提供理论依据。

频率选择性阻尼夹芯吸波复合材料

提出多层吸波预浸料层和吸波阻尼层相互嵌合的频率选择性阻尼夹芯吸波复合材料,通过规律性调节吸波预浸料层和吸波阻尼层的厚度,实现对不同频段电磁波的吸收,运用Matlab对其吸波频率选择性进行了理论分析,吸波预浸料层和吸波阻尼层的具体厚度可以根据电磁吸波频段的具体要求来设计。电磁吸波试验验证了电磁吸波频率的选择性以及理论分析方法的有效性和合理性。模态试验、自由衰减试验获得了模态参数、阻尼损耗因子随吸波预浸料厚度变化的曲线,实验数据表明:随着试件吸波预浸料层厚度的增加,电磁吸收频率发生改变,模态固有频率升高,模态阻尼比增大,阻尼损耗因子增加。

嵌入双层阻尼薄膜共固化复合材料带筋结构的自由振动

为探究嵌入双层阻尼薄膜共固化复合材料带筋结构的振动特性,根据一阶剪切变形理论建立了该结构的动力学解析模型,将复模量理论和复合材料力学理论相结合,推导了其复数形式的控制方程,采用纳维法得到了满足位移边界条件的理论解,将理论解同有限元结果进行对比,验证了该模型的有效性。进一步利用已验证理论模型分析了结构的几何和材料参数对其动力学特性的影响。结果表明:结构固有频率随着筋条高度和宽度的增大而增大;随着筋条高度和宽度的增加,结构损耗因子随之减小;当两阻尼层剪切模量之比较大时,结构的固有频率和损耗因子对其剪切模量之比的变化不再敏感。

共固化缝合阻尼复合材料的动力学性能

为了研究共固化缝合阻尼复合材料(co-cured stitched damping composite,简称CSDC)动力学性能,建立了CSDC方形板的有限元模型,用有限元数值模拟方法研究了CSDC的动力学性能,通过试验与模拟数据的对比验证了模拟方法的有效性。在验证有限元模拟模型基础上,得出结论:随着针距或行距的增大CSDC方形板的1阶模态频率减小,一阶损耗因子增大;阻尼层厚度增加,CSDC方形板的1阶模态频率与模态损耗因子增大;CSDC方形板中的总阻尼层厚度相同,增加结构中的阻尼层数目,可以有效增大结构的模态损耗因子。该结果的实际意义在于可以通过改变共固化缝合阻尼复合材料结构的参数来避免共振现象,为CSDC广泛应用奠定基础。

嵌入式阻尼环筋开口圆柱壳的振动性能分析

本文在应用一阶剪切变形壳理论的基础上,采用共固化工艺的嵌入式阻尼复合材料环筋开口圆柱壳作为研究对象,加强筋作离散元素处理,对此结构的动态特性进行了研究。应用Rayleigh-Ritz能量法和Navier双级数法,推导嵌入式共固化阻尼复合材料环筋开口圆柱壳的应变能和动能表达式,建立其自由振动的控制方程;另外,利用ANSYS建模获得此结构的模拟结果,对两者结果进行了比较,验证了本文方法的有效性。探讨了不同筋条高度及阻尼夹芯层厚度对本文所述环筋开口圆柱壳性能的影响。研究结论对轻质高刚度大阻尼的复合材料结构件的设计及应用有一定的参考价值。

低温共固化高阻尼复合材料

在低温下实现了嵌入式阻尼复合材料的共固化,且共固化层合板具有良好的层间结合性能。通过正交试验研制出一种能够与玻璃纤维/酚醛树脂预浸料在80℃时共固化且力学性能优良的黏弹性材料组分。探索使用强极性的四氢呋喃作为溶剂将黏弹性阻尼材料溶解为阻尼胶浆,然后用刷涂工艺制作带阻尼薄膜的预浸料,最终按照预定的铺层经过共固化工艺制备出嵌入式低温共固化复合材料试件。自由衰减试验及层间剪切试验获得了阻尼性能及剪切性能随阻尼层厚度的变化规律曲线,实验数据表明:随着阻尼层厚度增大,复合材料结构的阻尼系数变大,层间剪切应力逐渐减小。

嵌入式共固化高阻尼电磁吸波复合材料

提出多层吸波预浸料层和吸波阻尼层相互嵌合的结构,研发了一种兼具优良电磁吸波性能、高阻尼性能以及其他优良静力学和动力学性能的嵌入式共固化高阻尼电磁吸波复合材料,探索其制备工艺,推导了这种结构的电磁反射损失的理论表达式,并根据理论计算表达式编写Matlab程序理论分析了该结构的吸波性能。电磁吸波的实验结果,验证了该分析结果的有效性。模态实验、自由衰减实验和层间剪切实验结果给出了模态参数、阻尼性能以及层间剪切性能与阻尼层电磁吸波材料含量的关系。结果表明:随着试件电磁吸波材料含量的提高试件的反射损失变小,电磁吸收频宽增大,模态固有频率降低,模态阻尼比增加,阻尼损耗因子增加,层间剪切应力增强。