聚合物基复合材料阻尼研究进展

王 丽，任 昆，丁新静

(哈尔滨玻璃钢研究院，哈尔滨 150036)



聚合物基复合材料阻尼研究进展

王 丽，任 昆，丁新静

(哈尔滨玻璃钢研究院，哈尔滨 150036)

本文介绍了树脂基复合材料的阻尼机理、提高阻尼因子的基本方法以及阻尼的分析性预测方法。同时分析了聚合物基复合材料结构/阻尼一体化技术特点并重点论述了该技术的研究发展现状。

聚合物基复合材料；阻尼性能；结构阻尼一体化

1　引 言

阻尼材料是近几十年发展起来的一种新型减振降噪材料。由于其应用广泛，深受国内外研究人员重视。欧美、日本等发达国家对军民两用复合材料阻尼技术进行了大量的理论与实践研究。

所谓阻尼材料是一种能吸收振动机械能，并将之转化为热能而耗散的功能材料，阻尼减振降噪技术利用阻尼材料在变形时把动能变成为热能的原理，降低结构的共振振幅，增加疲劳寿命和降低结构噪音[1]。各类阻尼材料已广泛应用于航空航天、舰船、机械工业、交通运输等诸多领域。由于聚合物基复合材料具有良好的比刚度、比强度和阻尼特性，且密度低，因此逐渐成为阻尼材料研究领域的热点。

近年来，随着纤维增强树脂基复合材料的推广应用，一体化阻尼技术受到越来越广泛的关注，在大型复合材料构件中得到广泛的应用。结构/阻尼一体化复合材料是将高阻尼材料添加到结构内部形成一种新型复合材料结构，其结构具有较高的刚度和强度，同时具有更佳的结构阻尼、承重和减振效用。

2　纤维增强聚合物基复合材料阻尼机理

纤维增强聚合物基复合材料与金属材料有着不同的阻尼机理，主要体现在以下5方面[2]：

2.1基体和增强纤维固有粘弹性

一般来讲，复合材料阻尼的主要归因于基体材料，当聚合物基体中的分子链处于运动状态时，分子链段产生内摩擦，这需要在一定时间内克服阻力，将外部施加的机械能转化为其他形式的能量。在分析纤维增强复合材料阻尼时，纤维的阻尼影响也较大。

2.2界面相的阻尼

界面是复合材料在热、化学及力学环境下形成的微结构，它包括界面层本身的特性、界面粘结方式及其粘结强度大小等。界面是纤维与基体之间应力传递的介质，其结构和性能将直接影响复合材料的物理性能、化学性能、力学性能极其破坏行为。

界面相具有与纤维和基体不同的性质。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，产生剪切应力，从而消耗了来自外界的振动能量。界面阻尼在复合材料中发挥微观阻尼作用，从而改善了复合材料的阻尼性能。

2.3材料破坏引起的阻尼

一是纤维和基体之间的界面未粘合区域和分层产生的摩擦阻尼，二是基体开裂和纤维断裂的能量耗散引起的阻尼。

2.4粘塑性阻尼

在大振幅，高应力情形下。特别是热塑性复合材料，由于纤维之间的局部区域存在高应力和应变集中而表现出的非线性阻尼。

2.5热弹性阻尼

这种阻尼是由复合材料中压应力区对拉应力区的循环热流产生的，热塑性复合材料表现出较大的升温幅度。其值是关于施加的载荷、频率和样品厚度以及应力循环次数的函数。

3　提高聚合物基复合材料阻尼因子的方法

基于以上所述的阻尼机理，可以通过多种方法和途径提高和改善纤维增强复合材料的阻尼性能。综合各种国内外文献，总结方法如下：

(1)提高复合材料组分的阻尼性能，如采用具有高阻尼性能的树脂基体和增强纤维[3]。

(2) 在结构表面进行阻尼处理，将黏弹性阻尼材料粘贴于结构表面，即自由阻尼；也可在上面再覆盖一层约束层，即约束阻尼[4]。

(3)采用2种以上的纤维混杂铺层，制备混杂复合材料[5]。

(4)采用压敏材料提高阻尼特性，压敏材料可以克服高分子粘弹性阻尼对温度和频率的依赖性，使结构/阻尼一体化复合材料能在较宽的温度和频率范围内都具有高阻尼特性[6]。

(5)共固化阻尼层，在复合材料内部增加黏弹性阻尼层，这是现阶段提高结构阻尼性能的一种非常有效途径[7]。

4　阻尼的分析性预测

许多关于微观力学层次、宏观力学层次以及在结构层面的阻尼预测的分析模型都是建立在线性粘弹性假设的基础上的，基本上是利用材料力学和弹性力学来解释弹性模量，而现阶段阻尼主要利用对应性原理和应变能法两种不同的原理/方法进行预测分析[8]。

4.1对应性原理

对应性原理与有效模量的解释联系起来共同形成纤维增强复合材料阻尼的基础。对应性原理就是分别用相对应的动态应力和应变代替静态应力和应变，以及用复数模量或复数柔量分别代替弹性模量或柔量，可使线性弹性静态力学分析转变成为动态线性粘弹性分析，这种方法已应用于微观力学模型，以预测校准的非连续纤维或连续纤维增强复合材料的阻尼性能。对应性原理也用来与经典层压制品理论(CLT)相联系，以确定多层复合材料的损耗因子。损耗因子表达为虚拉伸刚度对实拉伸刚度的比率。

4.2应变能法

应变能法将材料与结构的总阻尼与每一单元的阻尼以及储存在该单元中的总应变能分数结合起来。将这些方法应用于复合材料时，就可以把复合材料看成一种系统，系统中每个单元的性质依对其进行微观力学或宏观力学分析而定。在微观力学分析中，单元包括增强纤维、树脂基体以及纤维和树脂基体间的界面、空隙含量。 另一方面，对于宏观力学分析来说，单个薄层就是综合考虑了给定的层压制品的整体损耗因子的应变和耗能单元。作为优化技术的有限元法与一些其它的数值方法，正被应用于复合材料的阻尼分析和复合材料结构的阻尼优化。

5　复合材料结构/阻尼一体化技术的研究进展

5.1复合材料结构/阻尼一体化技术的特点

阻尼减振技术是通过某种方式将高阻尼材料添加到结构中，增大结构的模态阻尼比，有效抑制共振区附近动态响应。一般按照阻尼材料添加方式的不同，可以将阻尼减振技术分为附加阻尼减振技术和阻尼/结构一体化技术。附加阻尼减振技术是在结构表面应变较大处粘贴高阻尼附加层，阻尼层上再粘接约束层，其显著特点是对结构的模态频率和振型影响较小，特别适合结构的事后修改，主要用于梁、板和薄壳结构的弯曲振动减振。

与附加阻尼层技术相比，一体化阻尼技术的特点为：

(1)附加阻尼一般应用于结构的修改，即结构产品制造过程已经完成，出现振动问题，在不对结构重新设计的情况下，通过结构表面粘贴附加约束阻尼达到减振降噪目的，而一体化阻尼技术是在产品制造前，通过阻尼设计，将高阻尼材料添加到结构内部，增加结构阻尼，达到减振降噪目的。

(2)由于附加阻尼是附加在结构基体的表面，该处模态应变能较小，而一体化阻尼处在结构内部，应变能比较大，因此，一体化阻尼比附加阻尼的减振效率更高。

(3)减振原理和约束阻尼层完全一致。

5.2结构/阻尼一体化技术国内外研究进展

国外从60年代起，以石墨/环氧、Kevlar/环氧等聚合物基复合材料为主，从理论上研究了复合材料的阻尼机理、阻尼测量以及基体树脂、固化剂、纤维的铺放方式、纤维种类、复合材料结构等对阻尼性能的影响，但所研制材料阻尼性能较低，损耗因子在0．01～0．02，未能达到应用要求[9]。

20世纪90年代以来，国外一些研究者采用共固化黏弹性阻尼材料的方法显著提高了复合材料结构的阻尼。所谓共固化是指复合材料固化前将黏弹性材料嵌入复合材料层间与复合材料同时固化。该嵌入材料须经历复合材料固化所需压力和温度。因此，复合材料内部的黏弹性材料在共固化过程中可能出现诸多问题，如阻尼材料在固化过程中可能老化降解，造成复合材料分层；阻尼材料可能产生蠕变或被挤压到复合材料外部。结果表明，引入黏弹性共固化阻尼层是提高复合材料结构阻尼的有效途径，在实际应用中也容易实现，可在保证复合材料结构具有足够的强度和刚度的前提下，大幅提高复合材料结构的阻尼性能，且不易出现剥离分层现象。

BARRETT D J[10]研究表明，尽管共固化可明显提高结构阻尼，但在共固化时，黏弹性阻尼材料的阻尼性能明显下降，其原因主要是因为阻尼材料与环氧树脂基体的相互作用所致。采用预混合低树脂含量试样的阻尼性能较好。如果固化前在阻尼材料和环氧树脂之间置入聚酰亚胺膜，以阻止阻尼材料和环氧树脂的相互作用，其阻尼性能明显提高。加入聚酰亚胺隔膜的Avery Demmison FastTapel125丙烯酸阻尼胶膜的试样的有效阻尼因子提高了15.7%～92.3%，加入聚酰亚胺膜的3M ISD112丙烯酸阻尼胶膜的试样的有效阻尼因子则至少提高168%。性能与先固化、再粘接的结果接近。复合材料固化温度对阻尼材料的影响不大。

M．J．Robinson[11]等人提出了黏弹阻尼层经过打孔后再共固化的改性方法。阻尼层经少量打孔后，基体树脂可通过打孔与玻璃纤维结合，每一个穿孔处构成一个交联点，而交联点的刚度较大。可通过改变交联点的大小和数量控制阻尼层的变形，进而控制整个复合材料的阻尼性能和弹性模量，使复合材料阻尼性能和力学强度达到理想的平衡点。

在国内，这方面的研究已有一些文献报道，主要集中于一些基础理论和分析研究。张少辉等应用基于有限元的模态应变能法，采用国外文献中复合材料黏弹阻尼梁结构及其数据，研究了共固化复合材料结构的阻尼因子；同时考虑了黏弹性阻尼材料的频率依赖性和复合材料本身对振动能量的损耗，提出了该类结构有限元模型，并进行了验证。通过简支梁模型，考察了复合材料本身的阻尼因素、柔性层的引入及其位置对复合材料黏弹阻尼结构阻尼因子的影响。结果表明：纤维增强复合材料本身的阻尼因素对结构阻尼因子的影响与铺层结构和模态有关；在保证结构刚度前提下，在邻近阻尼层的位置增加一定数目柔性层可提高结构阻尼；将黏弹阻尼层离散分布于偏离结构厚度中心适当距离的位置，有利于结构阻尼的改善。

潘利剑等[12-13]基于模态叠加法和模态应变能法，导出任意简谐激励下黏弹阻尼结构阻尼因子的计算方法，并用于分析共固化复合材料黏弹阻尼结构简谐激励下阻尼因子，该分析结果与DMA实测结果基本一致。他们研究了实验温度对0.3ram丁腈橡胶膜和T700碳纤维增强TT85环氧树脂基共固化复合材料单向板阻尼性能的影响。结果表明：当温度介于阻尼层玻璃态区和高弹态区时，共固化复合材料阻尼因子较小，且随温度变化不大；当温度处于阻尼层黏流态区时，共固化复合材料阻尼因子迅速增加到最大值后再减小，最大阻尼因子约为未插入黏弹阻尼层复合材料的13倍；共固化过程中阻尼层阻尼因子减小，共固化复合材料的阻尼性能降低；在阻尼层的黏流态区，其阻尼因子明显小于预报结果；界面阻尼的影响提高了共固化复合材料的阻尼性能，在阻尼层的玻璃态区，其阻尼因子大于预报结果。

台湾大学Liao[14]等研究了中间层铺设了聚乙烯/丙烯酸酯的单向碳纤维/环氧树脂杆件的阻尼性能，结果表明结构的宏观阻尼显著增加，外层复合材料刚度的影响作用也很明显。

Wang[15]等分析了中间夹黏弹性层的三层复合材料的对称及非对称圆盘的振动和阻尼特性，讨论了材料性能、半径/厚度比、面板及芯层厚度等的影响。除非选取适宜的面板和芯层的模量和厚度，厚的黏弹性芯层不一定可使复合材料圆盘有较好的阻尼性能。

余启勇等[16-17]采用3M公司的阻尼材料ISD112、高强玻璃纤维布和环氧树脂，使用共固化工艺制备了复合材料，在0～500 Hz范围内材料的阻尼因子≥0．03， 抗弯强度接近550 MPa，弯曲模量20 GPa。采用航天材料及工艺研究所的厚度0．15 mm的新型丁腈橡胶阻尼材料，制备了穿孔阻尼层/基体树脂/玻璃布共固化复合材料.研究结果表明，阻尼胶膜穿孔面积比在8% 以内时，复合材料阻尼性能和静态力学性能都有较大变化；阻尼层穿孔面积比在12%～30% 之间变化时，有一定的阻尼效果，阻尼层面积比小于70% 时，复合材料的损耗因子略有提高，静力学性能与未加阻尼层的复合材料相当。

杨加明[18]等分析了复合材料夹杂双层黏弹性阻尼材料的对称夹层板的线性弯曲，用Ritz法研究各应力分量的应变能，计算分析了复合材料层的应变能以及复合结构的损耗因子。结果表明，复合材料层中的面内应变能发挥主要作用，黏弹性层中的z 方向的切应力应变能较大，芯层的应变能很小。杨加明等[19]以该类材料结构的损耗因子最大化为优化目标，用改进遗传算法对其阻尼性能进行优化设计的效果明显，多变量优化设计结果优于单变量优化设计，优化后结构的损耗因子明显增大。

6　结 语

阻尼作为复合材料及其结构的重要力学性能，在振动、冲击、噪音控制中发挥着十分重要的作用，在复合材料功能设计中占有重要地位。虽然目前复合材料阻尼性能理论研究不断深入，但是在实际工程中的有效应用仍需要大力地进一步研究实践。

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Research progress on Damping Technology for Polymer Composites

WANG Li，REN Kun，DING Xinjing

(Harbin FRP Institute, Harbin 150036)

Damping mechanism, methods to improve damping factors and analytic prediction of polymer composites were firstly introduced in the paper. Meanwhile，the features for the Structure/Damping Technology for Polymer Composite Materials were analyzed and finally their research and development status were discussed.

polymer composites；damping property；structure/damping technology

2015-08-07)

王丽(1969-)，女，硕士研究生，高级工程师，研究方向：复合材料应用。E-mail：hrbfrpwl@163.com.