粘彈阻尼層共固化復(fù)合材料的性能研究與優(yōu)化設(shè)計.pdf

1、近十幾年的相關(guān)研究結(jié)果表明，共固化粘彈性阻尼層的使用是提高復(fù)合材料結(jié)構(gòu)阻尼性能的一種有效途徑。它是一種全新的阻尼處理方法，在成型復(fù)合材料的工藝過程中，直接將粘彈性阻尼材料作為特定的鋪層嵌入到復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中去，并與復(fù)合材料共固化成型，在保證強度和剛度的前提下達到大幅度提高復(fù)合材料結(jié)構(gòu)阻尼的目的，而且不易出現(xiàn)剝離現(xiàn)象。1996年，美國加利福尼亞大學(xué)與NASA合作已成功的將這一結(jié)構(gòu)應(yīng)用于渦流推進器的葉片上。國內(nèi)對這一新型共固化復(fù)合材料亦給予了

2、極大的關(guān)注，對其在衛(wèi)星結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用正在進行預(yù)研。
　　由于溫度和頻率是粘彈性阻尼材料的阻尼與力學(xué)性能兩個重要影響因素，所以當將粘彈性阻尼材料作為特殊的鋪層插入到復(fù)合材料結(jié)構(gòu)當中，勢必導(dǎo)致工作環(huán)境溫度和振動載荷頻率對共固化復(fù)合材料的阻尼與力學(xué)性能產(chǎn)生較大影響。
　　目前，對于粘彈阻尼層共固化復(fù)合材料阻尼性能的預(yù)報大都采用模態(tài)應(yīng)變能法(MSE)，然而這一方法預(yù)報的損耗因子為結(jié)構(gòu)以各階固有頻率自由振動的阻尼性能。由于實際結(jié)構(gòu)在簡諧

3、激勵下的穩(wěn)定響應(yīng)頻率為激振頻率，而不是結(jié)構(gòu)的固有頻率。因此，采用模態(tài)應(yīng)變能法預(yù)報出的各階模態(tài)損耗因子，難以準確描述結(jié)構(gòu)在實際工作中的阻尼性能。本文基于分析結(jié)構(gòu)阻尼的模態(tài)應(yīng)變能法(MSE)與分析結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)的模態(tài)疊加法，建立了粘彈阻尼結(jié)構(gòu)在實際振動頻率下的損耗因子預(yù)報方法，并對載荷頻率為1Hz不同溫度下粘彈阻尼層共固化復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損耗因子進行預(yù)報，預(yù)報結(jié)果與實驗結(jié)果基本吻合，從而驗證了這一方法的有效性。
　　現(xiàn)有關(guān)于粘彈阻尼層共固

4、化復(fù)合材料的研究，主要集中于靜態(tài)力學(xué)性能的分析，難以考察溫度和載荷頻率對其力學(xué)性能的影響。而動態(tài)力學(xué)特性能描述接近實際使用條件下材料的力學(xué)特性。研究動態(tài)力學(xué)，可提供設(shè)計參數(shù)，使復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計更為先進、合理、安全和經(jīng)濟。本文即采用動態(tài)力學(xué)熱分析(DMTA)技術(shù)研究了粘彈性阻尼層共固化復(fù)合材料的動態(tài)力學(xué)性能規(guī)律并與纖維增強樹脂基復(fù)合材料進行了比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，粘彈性阻尼層的插入使得復(fù)合材料的動態(tài)力學(xué)性能發(fā)生顯著變化，其動態(tài)力學(xué)性能溫度譜與粘

5、彈性材料相似，且在粘彈性阻尼材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（ gT）附近亦出現(xiàn)阻尼峰值，且在所測試的溫度范圍內(nèi)是纖維增強樹脂基復(fù)合材料的2.5～13倍左右。
　　將粘彈性阻尼材料作為特殊的鋪層插入到復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中并與復(fù)合材料共固化成型，粘彈性阻尼材料同樣經(jīng)歷復(fù)合材料的固化周期。在這一過程中，復(fù)合材料固化溫度和壓力以及樹脂的滲透，將導(dǎo)致粘彈性阻尼材料性能的變化，并最終導(dǎo)致整個共固化復(fù)合材料性能的變化。目前，國內(nèi)外對于這一方面的研究相對很少。本

6、論文利用掃描電子顯微鏡結(jié)合冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡證實了共固化對阻尼材料的影響，并采用采用動態(tài)力學(xué)熱分析(DMTA)技術(shù)研究了復(fù)合材料共固化對粘彈性阻尼材料動態(tài)力學(xué)性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料共固化使粘彈性阻尼材料的阻尼性能整體下降，而剛度整體增大，其主要原因為共固化過程中樹脂的滲透，而固化溫度和壓力對粘彈性阻尼層的阻尼性能影響相對很小。
　　已有研究結(jié)果表明，雖然共固化粘彈性阻尼層的插入基本不影響復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的拉伸剛度與強度，但

7、是對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的彎曲剛度和強度以及層間剪切強度影響較大，在很多應(yīng)用領(lǐng)域無法滿足結(jié)構(gòu)整體設(shè)計的要求。已有相關(guān)研究人員雖然提出了對阻尼層進行穿孔，可使得樹脂在穿孔處保持膠聯(lián)，這樣提高了共固化復(fù)合材料的彎曲剛度，但是卻減小了阻尼性能。彎曲剛度和阻尼性能之間的矛盾，使得阻尼層穿孔面積的大小難以確定。本論文研究了粘彈性阻尼層穿孔面積率對粘彈阻尼層共固化復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的阻尼與彎曲剛度的不同影響。采用統(tǒng)一目標函數(shù)法，以粘彈阻尼層共固化復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損