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阻尼功能復(fù)合材料
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| 發(fā)布時(shí)間：
2022/12/16 |
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械設(shè)備越來(lái)越趨于高效、高速和自動(dòng)化，各種機(jī)械設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)及工作過(guò)程中，都會(huì)產(chǎn)生不同程度的振動(dòng)和噪聲。振動(dòng)和噪聲限制機(jī)械設(shè)備性能的提高，嚴(yán)重破壞機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，降低零件的使用壽命，并污染環(huán)境，危害人們的身心健康。因此，對(duì)振動(dòng)、噪聲以及沖擊的控制也日趨重要，減振降噪技術(shù)及其阻尼功能材料也應(yīng)運(yùn)而生。
阻尼功能材料自產(chǎn)生以后，其發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)重要的時(shí)期：
第一階段(1784-1920年)：1784年Coulomb便指出金屬經(jīng)受循環(huán)應(yīng)變時(shí)，應(yīng)力一應(yīng)變曲線將形成滯后環(huán)，并有能量耗散。1837年，Weber首次用扭擺的自由衰減測(cè)量了材料的阻尼。1850年以后，聲學(xué)家們開始對(duì)有阻尼的振動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行研究。Rayleigh于1878年給出了線性、黏性阻尼離散系統(tǒng)和連續(xù)介質(zhì)力學(xué)、聲學(xué)等系統(tǒng)的微分方程及一些方程的解，在此階段阻尼材料的研究才剛剛起步。
第二階段(1920-1940年)：在這一時(shí)期，隨著機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)速度越來(lái)越高，振動(dòng)問(wèn)題成為困擾高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械、飛機(jī)及大型工程結(jié)構(gòu)等的主要問(wèn)題。振動(dòng)使得螺旋槳曲軸和水輪機(jī)葉片出現(xiàn)疲勞破壞，輪船的艙口產(chǎn)生疲勞裂紋。疲勞破壞使得第一架商務(wù)飛機(jī)墜毀，美國(guó)的Tacoma Narrows大橋也由于水流導(dǎo)致的振動(dòng)而損壞，這些問(wèn)題使得振動(dòng)控制成為工業(yè)生產(chǎn)的主要關(guān)注點(diǎn)之一，人們開始就這些問(wèn)題進(jìn)行工程應(yīng)用研究。
第三個(gè)階段(1940年至今)：在此時(shí)期，有關(guān)阻尼的文獻(xiàn)逐年增加，如1945年有500篇，1965年則超過(guò)了2500篇。這一階段，人們開始定量描述阻尼對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的影響，并于20世紀(jì)60-70年代發(fā)晨起了涉及材料學(xué)、力學(xué)、機(jī)械學(xué)和環(huán)境科學(xué)等多學(xué)科的阻尼技術(shù)。
阻尼材料隨著對(duì)振動(dòng)、噪聲以及沖擊的控制而產(chǎn)生，但是傳統(tǒng)的單一材料并不滿足實(shí)際需求。金屬材料雖然具有優(yōu)異的強(qiáng)度和剛度，但減振降噪能力很差；高分子材料雖然減振能力出色，但強(qiáng)度和剮度較差，難以作為結(jié)構(gòu)材料使用。因此，通過(guò)材料的復(fù)合化，制備強(qiáng)度、剛度和阻尼性能俱佳的阻尼復(fù)合材料成為解決減振降噪問(wèn)題的重要手段。
阻尼復(fù)合材料是一種把振動(dòng)能吸收并轉(zhuǎn)化成其他形式的能量而消耗，從而減小機(jī)械振動(dòng)和降低噪聲的功能復(fù)合材料，可大幅度提高阻尼值。其原理在于：復(fù)合材料是由兩種或多種材料所組成，而不同材料的模量也不同，承受相同的應(yīng)力時(shí)會(huì)有不等的應(yīng)變，形成不同材料之間的相對(duì)應(yīng)變，因而會(huì)有附加的耗能。
阻尼復(fù)合材料有很多種類，按其基體不同主要可分為樹脂基阻尼復(fù)合材料、金屬基阻尼復(fù)合材料和金屬一樹脂基復(fù)合阻尼材料，按其阻尼耗能機(jī)制可分為熱損耗型阻尼復(fù)合材料、磁損耗型阻尼復(fù)合材料和電損耗型阻尼復(fù)合材料。樹脂基阻尼復(fù)合材料是在橡膠、塑料等基體中加入各種適當(dāng)?shù)奶盍?顆粒、纖維)復(fù)合成型，在受到振動(dòng)時(shí)，由于高聚物基體與填料之間的界面上發(fā)生摩擦以及高聚物基體內(nèi)的分子內(nèi)摩擦，耗散了振動(dòng)能達(dá)到阻尼的目的。金屬基阻尼復(fù)合材料系在鋼板或鋁板間夾有很薄的黏彈性高聚物，這樣的復(fù)合材料強(qiáng)度由金屬夾板保證，而阻尼性能則由黏彈性高聚物的高內(nèi)耗和金屬夾板的約束性來(lái)提供，因此即使在較高的溫度下也能保證良好的阻尼減振作用。
(1)阻尼原理
阻尼復(fù)合材料的原理基本相似，多是利用基體和填充體本身的阻尼特性以及界面摩擦阻尼進(jìn)行減振降噪。因此，基體材料阻尼、增強(qiáng)體材料阻尼以及材料界面阻尼構(gòu)成了阻尼原理的三個(gè)主要微觀機(jī)制，復(fù)合材料的宏觀阻尼行為是其疊加的結(jié)果。
?、倩w材料阻尼。阻尼復(fù)合材料通常是通過(guò)基體的阻尼特性達(dá)到減振抗噪的目的，聚合物基體與金屬基體的阻尼特性是完全不同的。聚合物基體在處于剛性的玻璃態(tài)時(shí)，高分子鏈段的自由運(yùn)動(dòng)受限，材料形變主要是曲大分子鏈鍵長(zhǎng)和鍵角的變化而引起，不能消耗機(jī)械能。當(dāng)聚合物基體中的分子鏈處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，分子鏈段發(fā)生相互運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生內(nèi)摩擦，這需要克服阻力，進(jìn)而需要一定的時(shí)間將外部施加的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量，這就是基體材料阻尼的機(jī)制。金屬基體的阻尼機(jī)制又可分為三類：
a．鐵磁性型，這類金屬減振能力是靠磁疇壁的不可逆移動(dòng)，導(dǎo)致磁一機(jī)械滯后而消耗振動(dòng)能量，從而達(dá)到減振目的；
b．位錯(cuò)型，這一類基體的典型材料是鎂及其合金，其振動(dòng)時(shí)引起位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)消耗振動(dòng)能量，達(dá)到減振目的；
c．孿晶型，這類金屬的最大組織特點(diǎn)是馬氏體亞結(jié)構(gòu)由孿晶構(gòu)成，減振能力是依靠熱彈性馬氏體孿晶亞結(jié)構(gòu)的移動(dòng)所引起的能量損耗。
?、谠鰪?qiáng)體材料阻尼。阻尼復(fù)合材料的另一種減振方式是靠復(fù)合材料中的增強(qiáng)材料來(lái)消耗振動(dòng)能量的。這些增強(qiáng)材料如纖維能起到增加材料的應(yīng)變及損耗能量的能力，它能限制分子的運(yùn)動(dòng)，增加應(yīng)力和應(yīng)變之間的相位滯后。增強(qiáng)材料能限制分子長(zhǎng)鏈相互轉(zhuǎn)換過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)，從而增強(qiáng)能量的轉(zhuǎn)化，并增強(qiáng)了阻尼作用[s川。
?、鄄牧辖缑孀枘?。大多數(shù)增強(qiáng)材料與基體樹脂在結(jié)構(gòu)上存在很大差異，在物理和化學(xué)性質(zhì)上不相容，因此兩者結(jié)合后，界面會(huì)影響復(fù)合材料的性能，而增強(qiáng)體與基體的結(jié)合面恰恰就是復(fù)合材料阻尼機(jī)制的來(lái)源。界面阻尼是復(fù)合材料界面在外加應(yīng)力的作用下發(fā)生相對(duì)的微滑移現(xiàn)象，從而消耗了從外界來(lái)的振動(dòng)能量。界面阻尼在復(fù)合材料中起到微觀阻尼的作用，從而增大了復(fù)合材料的阻尼性能。
(2)阻尼性能參數(shù)
復(fù)合材料的阻尼特性常通過(guò)對(duì)數(shù)衰減率艿與阻尼因子叩兩種方式來(lái)描述。對(duì)數(shù)衰減率艿定義為振幅衰減時(shí)兩相鄰振幅之比的自然對(duì)數(shù)；阻尼因子'7(也稱損耗因子)定義為單位弧度的阻尼能量損失與峰值勢(shì)能之比，通常用下式表示：
式中，D為材料振動(dòng)一周所損耗的振動(dòng)能；W為材料振動(dòng)一周所儲(chǔ)存的最大應(yīng)變能；EⅣ為損耗模量；E 7為儲(chǔ)能模量。
各種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
材料種類 | 阻尼因子 | 材料種類 | 阻尼因子 | 金屬 混凝土，磚 | 10-4～10-3 10-3～10-1 | 木材類 高聚物材料 | O.Ol～O.2 O.001～10.O |
炭纖維增強(qiáng)樹脂基和炭基復(fù)合材料具有比強(qiáng)度和比剛度高、密度低、耐磨性和耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，可制備航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、渦輪盤以及其他高速轉(zhuǎn)動(dòng)的部件等，在航空航天、建筑、交通、機(jī)械和化工等領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。在這些應(yīng)用中由于存在旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的不平衡、傳動(dòng)系統(tǒng)的缺陷或誤差、工作載荷的波動(dòng)或外界環(huán)境的激勵(lì)等因素而引起結(jié)構(gòu)部件的振動(dòng)，當(dāng)振動(dòng)頻率達(dá)到材料的固有頻率時(shí)會(huì)對(duì)復(fù)合材料產(chǎn)生共振損傷，所以纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的固有頻率和阻尼特性日益受到從事復(fù)合材料研究工作者的重視。
由于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有明顯的各向異性，其固有頻率和阻尼特性的分析難度和復(fù)雜程度大大增加。炭纖維增強(qiáng)樹脂基和炭基復(fù)合材料固有頻率和阻尼特性主要受其組織結(jié)構(gòu)、工作環(huán)境等因素影響。
(1)復(fù)合材料固有頻率的影響因素
纖維增強(qiáng)復(fù)合材料由纖維和基體贗部分構(gòu)成，其運(yùn)動(dòng)相互作用方式以及影響因素十分復(fù)雜，主要有以下幾方面：
炭纖維復(fù)合材料锏
?、倮w維結(jié)構(gòu)的影響。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，其結(jié)構(gòu)的動(dòng)特性、動(dòng)響應(yīng)特性均與復(fù)合材料的鋪層方向、鋪層比和鋪層順序等鋪層參數(shù)密切相關(guān)。
②基體的影響。基體作為纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的重要組成部分，對(duì)復(fù)合材料的振動(dòng)性能有著不可忽略的影響。以c/c復(fù)合材料為例，熱解炭包括粗糙層(RL)、光滑層(SL)和各向同性層(ISO)，幾種熱解炭組織中，SL和RL組織主要是層面結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的有序性相對(duì)較高，但其結(jié)構(gòu)特性如密度、規(guī)整度和各向異性等有著很大的差異。ISo的結(jié)構(gòu)有序性較低，一般表現(xiàn)為球狀粒子的無(wú)規(guī)則堆積形式，密度較以上兩組織都低。由于lS0組織在炭基體中一般很少出現(xiàn)，所以對(duì)單一含有 RL和SL的c/c復(fù)合材料進(jìn)行了研究。研究表明，SL基體的c/c復(fù)合材料一階固有頻率高于RL基體的C/C復(fù)合材料。主要原因是RL熱解炭組織內(nèi)裂紋含量大于SL熱解炭組織，使RL基體的強(qiáng)度低于SL基體的強(qiáng)度，從而使復(fù)合材料的彈性模量降低，固有頻率降低。
③溫度的影響。一些纖維增強(qiáng)復(fù)合材料需要在熱環(huán)境下工作，此時(shí)其振動(dòng)特性將發(fā)生變化，尤其是復(fù)合材料壁板結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性在熱環(huán)境下會(huì)受到顯著的影響。研究發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，材料的固有頻率通常降低，如圖9所示。
圖9 炭纖維增強(qiáng)復(fù)合材料溫度與頻率的關(guān)系
①損傷的影響。有學(xué)者通過(guò)對(duì)含橢圓分層層合板的固有頻率、阻尼和聲激勵(lì)響應(yīng)的計(jì)算結(jié)果分析得出，當(dāng)出現(xiàn)分層，尤其是分層靠近表面時(shí)，分層區(qū)明顯對(duì)局部模態(tài)有影響，使得共振峰值密集，模態(tài)密度增加。分層損傷主要降低了層合板結(jié)構(gòu)的剛度，進(jìn)而使結(jié)構(gòu)振動(dòng)固有頻率降低。分層區(qū)域小于30％時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)的固有頻率幾乎沒有影響，但隨振動(dòng)模態(tài)的增加，臨界區(qū)域逐漸減小，當(dāng)分層區(qū)域增大時(shí)，其振動(dòng)頻率減小量比開孔要小。當(dāng)復(fù)合材料層合板存在開孔時(shí)，振動(dòng)頻率大多也有所減小。隨著孔徑的增大，其頻率減小也越多，孔的位置改變時(shí)，各階固有頻率的改變不同。但可以估計(jì)，孔在振動(dòng)模態(tài)最大位移處頻率減小較多，而在振動(dòng)的節(jié)點(diǎn)處頻率改變很少。
(2)復(fù)合材料內(nèi)部阻尼耗損的影響因素
纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有比較良好的阻尼特性，主要原因是纖維與基體之間存在相對(duì)滑移和基體固有的黏彈性，其影響因素主要有以下幾方面：
?、倮w維取向的影響。Dams和Bacon準(zhǔn)則認(rèn)為，單向復(fù)合材料單層材料的能量耗散應(yīng)當(dāng)?shù)扔谟煽v向應(yīng)力、橫向應(yīng)力和剪應(yīng)力引起的能量耗散的總和。上述模型被用于預(yù)報(bào)單向偏軸、角交鋪層、正交鋪層及其一般鋪層的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)阻尼性能。通過(guò)著重分析應(yīng)力大小的變化對(duì)損耗因子的影響，針對(duì)各向異性纖維梁的阻尼性能預(yù)報(bào)結(jié)果表明，當(dāng)纖維取向穢為0度～15度時(shí)，損耗因子不依賴應(yīng)力的變化，復(fù)合材料表現(xiàn)為線彈性特性；纖維取向p為30度～90度時(shí)，損耗因子主要受纖維/樹脂基的相互作用支配，隨著應(yīng)力水平的增加出現(xiàn)非線性效應(yīng)。
利用三維有限元/應(yīng)變能理論可得到復(fù)合材料梁的阻尼預(yù)報(bào)結(jié)果，其進(jìn)一步說(shuō)明，層間應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)阻尼的影響效果在一定的纖維取向范圍內(nèi)表現(xiàn)最為明顯。通過(guò)對(duì)復(fù)合材料層壓板的層數(shù)和角度的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，來(lái)改變復(fù)合材料的阻尼容量驢，如表12所示。C/C復(fù)合材料的內(nèi)耗主要表現(xiàn)在預(yù)制體編織的維數(shù)上。一維c/C復(fù)合材料由于孔隙基本上都是沿纖維方向取向的，規(guī)整性較強(qiáng)，數(shù)量也相對(duì)較少，所以內(nèi)耗最低，而二維、三維C/C復(fù)合材料中由于纖維的織構(gòu)比較復(fù)雜，因此所形成的孔隙數(shù)量較多，孔隙結(jié)構(gòu)、取向也較復(fù)雜，導(dǎo)致內(nèi)耗較高。
表12鋪層優(yōu)化對(duì)阻尼容量的影響
狀態(tài) | 阻尼容量/％ | l階 | 2階 | 3階 | 4階 | 初始鋪層 最大頻率優(yōu)化 最小頻率優(yōu)化 無(wú)外層約束最大頻率優(yōu)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 |
同時(shí)，隨著增強(qiáng)粒子體積分?jǐn)?shù)的增大，界面內(nèi)耗也增大。界面內(nèi)耗正比于界面的密度，而界面密度又直接取決于纖維體積分?jǐn)?shù)，纖維體積分?jǐn)?shù)越大，單位體積內(nèi)存在的界面越多，界面內(nèi)耗也就越大。對(duì)以纖維作為增強(qiáng)體的C/C復(fù)合材料而言，雖不能完全套用上式，但與纖維體積分?jǐn)?shù)對(duì)界面內(nèi)耗的影響規(guī)律基本相類似，即隨纖維體積分?jǐn)?shù)的增大，界面內(nèi)耗增大，材料的總內(nèi)耗也隨之增大。
?、刍w結(jié)構(gòu)的影響?；w作為纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的重要組成部分，對(duì)復(fù)合材料的阻尼性能影響不可忽略。部分理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用高阻尼樹脂基可以得到具有高的縱向模量和損耗因子的單向纖維單層材料。對(duì)于c/c復(fù)合材料，基體炭的組織結(jié)構(gòu)RL、SL、ISO存在顯著差異，其中SL和RL組織主要是層面結(jié)構(gòu)，有序性相對(duì)較高。而ISO炭的結(jié)構(gòu)有序性較低，一般表現(xiàn)為球狀粒子的無(wú)規(guī)則堆集形式。層狀石墨結(jié)構(gòu)中炭層面在外部載荷作用下更容易滑移，產(chǎn)生較大的塑性變形，層狀石墨粒子比球狀石墨粒子更容易產(chǎn)生較大的內(nèi)耗。所以不同組織類型的熱解炭基體對(duì)c/c復(fù)合材料的內(nèi)耗貢獻(xiàn)不同，其相對(duì)關(guān)系為SL大于RL大于ISO。
纖維體積含量鏟M圖10纖維體積含量與阻尼率的關(guān)系
?、苊芏鹊挠绊?。密度對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料內(nèi)耗的影響在c/c復(fù)合材料領(lǐng)域方面研究較多。c/c復(fù)合材料隨致密化的進(jìn)行，熱解炭不斷填充到炭纖維預(yù)制體內(nèi)部孔隙之中，材料密度隨之提高，內(nèi)耗逐漸減小。這主要由于低密度c/c復(fù)合材料中存在著大量的孔隙，材料的整體結(jié)構(gòu)較為疏松，在循環(huán)應(yīng)力下可以為塑性變形提供足夠的空間，從而更容易發(fā)生彈性滑移，產(chǎn)生較大的內(nèi)耗。當(dāng)材料密度升高后，基體內(nèi)的孔隙減少，材料的不均勻性和不連續(xù)性得以改善，基體可以較好地發(fā)揮其承載和傳遞載荷的作用，從一定程度上抑制內(nèi)耗的產(chǎn)生。這一規(guī)律與一般的炭素材料不相符，這可能因?yàn)樘克夭牧系膬?nèi)耗主要是由晶體缺陷移動(dòng)引起的，材料密度越大，缺陷的密度也越大，所產(chǎn)生的內(nèi)耗越大，但因?yàn)檫@一效應(yīng)被c/c復(fù)合材料孔隙的內(nèi)耗效應(yīng)所掩蓋而難以表現(xiàn)出來(lái)。
?、堇w維/基體界面的影響。纖維/基體界面條件對(duì)復(fù)合材料的宏觀阻尼性能有著重要的作用，研究界面影響問(wèn)題非常必要。界面通常因?yàn)閹缀魏筒牧闲阅苌系牟贿B續(xù)，呈現(xiàn)出復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)。復(fù)合材料阻尼的變化與界面條件(包括理想黏合或局部脫黏)的變化關(guān)系密切。因此，一些學(xué)者試圖將界面的黏合狀況進(jìn)行量化，對(duì) c/c復(fù)合材料進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)界面的內(nèi)耗效應(yīng)主要由纖維/基體間熱膨脹系數(shù)不匹配或纖維/基體間的不良結(jié)合造成。在循環(huán)應(yīng)力載荷下，如果界面粘接不良或發(fā)生脫黏，熱解炭基體與纖維會(huì)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)(如圖11所示)，對(duì)振動(dòng)起阻尼作用，在界面處易產(chǎn)生能量耗散，導(dǎo)致材料內(nèi)耗的升高。
圖11 纖維與基體相對(duì)滑動(dòng)不意圖
二、發(fā)展趨勢(shì)
阻尼復(fù)合材料材料發(fā)展的主要技術(shù)方向如下：
?、賹挏貙掝l系列高性能阻尼材料。主要用于中型航母、大潛深潛艇等的各類機(jī)械的基座、浮筏、管路、鋪板、齒輪箱體、設(shè)備殼體等部位，要求材料的阻尼性能優(yōu)于現(xiàn)有材料，并且工藝性能良好，阻尼材料的工作溫度范圍為-10-300℃，工作頻率為1～10kHz；
?、诙喙δ茏枘岵牧稀Ｈ缱枘岣魺岵牧嫌糜诳照{(diào)管路等，阻尼電磁屏蔽材料用于電子儀器密集的艙室；
?、劢Y(jié)構(gòu)/阻尼功能一體化復(fù)合材料。用于潛艇、水面艦船的基座、推進(jìn)軸、設(shè)備殼體、筏架等，起到減振和減重的雙重作用；
?、茏枘岵牧虾退暡牧闲阅軠y(cè)試評(píng)估技術(shù)及性能預(yù)測(cè)技術(shù)。國(guó)外智能阻尼材料尤其是壓電阻尼材料已經(jīng)開始應(yīng)用，電磁流變阻尼材料在艦船減振降噪工程上得到應(yīng)用。 |
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