纤维增强树脂基复合材料的阻尼机理

    纤维增强复合材料具有比较良好阻尼特性的主要原因是纤维与基体之间存在的相对滑移和基体固有的粘弹性,其影响因素主要有基体特性、纤维体积比、纤维的直径以及铺设角度、铺层顺序以及载荷条件等。纤维增强树脂基复合材料大优点是密度小,强度大,比重只有普通钢材的1/4~1/16,而机械强度却为钢的3~4倍。同时,由于其基本结构是纤维增强热固性聚合物材料,聚合物基体的存在就决定了其阻尼性能会比较优异。因此,国外从六十年代起,以石墨/环氧、Kevlar/环氧等树脂基复合材料为主,从理论上研究了结构聚合物基阻尼复合材料的阻尼机理、阻尼测量以及基体树脂、固化剂、纤维的铺设方式、纤维种类、复合材料结构等对其阻尼性能的影响。但所研制材料阻尼性能很低,损耗因子在0.01~0.02,大的只有0.05左右,远未达到应用要求,对材料的综合性能也没有进行深入研究。国内在纤维增强树脂基复合材料阻尼性能的研究领域研究较少,仅有极个别的研究单位涉及到这个领域,做了少量探索性的研究工作[1]。
    纤维增强树脂基复合材料的阻尼机理
    纤维增强树脂基复合材料的阻尼机理与常规的金属和合金材料完全不同,表现为下面几个方面[6]:
    (1)基体材料固有的粘弹性
    一般来说,复合材料的阻尼主要贡献来自基体,但是,碳纤维和Kevlar纤维相比其他纤维而言,材料本身阻尼较高,因此分析时必须考虑它们的阻尼。
    (2)填料的特性
    填料的本征阻尼对体系阻尼的贡献。
    (3)面相的阻尼
    界面相是指临近填料的表面具有一定厚度的区域,作为填料和基体之间的几何和材料不连续的结果,界面相内存在相当高的剪切应变,这就为耗散能量提供了前提。
    (4)由材料破坏引起的阻尼
    包含两种类型,一是纤维和基体之间的界面存在未完全粘合区域以及分层引起的摩擦阻尼,二是由于基体开裂和纤维断裂的能量耗散引起的阻尼。
    (5)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内存在高应力和应变集中而表现出的非线性阻尼特性。
    (6)热弹性阻尼
    是由复合材料压应力区域到拉应力区域的循环热流动而引起的阻尼。
    (7)层间剪切
    当某结构件发生弯曲振动时,附加在金属表面上的复合材料受到层间剪切作用,因此阻尼材料有较大的应力应变迟滞回线而消耗了振动能量。