国内外纤维增强树脂基复合材料的阻尼性能的研究现状

    阻尼材料是近几十年来发展起来的一种新型减振降噪材料。由于其特殊用途,深受国内外重视。欧美、日本等对于阻尼复合材料和结构阻尼大多偏于理论研究,实际上这两类材料在军事领域的开发和研究十分重要,因此工程应用多数仍处于保密状态。而我国由于起步较晚,虽然很多科研单位和企业的研发工作已取得了较大进展,但多数产品都只用于民用产业,其中结构阻尼在军事和航空航天产业中较少应用。由此可见,与欧美等相比,我国在阻尼材料领域的研究和发展方面还存在较大差距,多数研究工作还有待进一步深入开展[3]。
    纤维增强树脂基复合材料的阻尼性能主要是由聚合物基体的粘弹性、增强材料与基体间的相互作用贡献的。近年来关于高强度、高模量、高阻尼性能的碳纤增强(CFRP)复合体系的研究时有报道。Fu-jimoto[7]等在研究CFRP/阻尼材料薄板结构时发现,由单向碳纤维、环氧树脂、聚乙烯组成的“三明治(Sandwich)”结构,其内耗值比传统的CFRP高5~50倍,并且其值可以根据需要进行设计。Hajime[8]等将碳纤维填充到环氧树脂体系基体中,复合材料不仅具有很高的硬度,而且阻尼效果明显增大,阻尼性能和力学性能不仅取决于弹性体的粘弹性,还与碳纤维的层合排列方式有关。对于石墨/聚合物基复合材料,石墨铺层方式对聚合物基复合材料阻尼性能的影响较大,90°铺层复合体系的阻尼性能好于0°铺层,且不受横向剪切应力的影响[3]。Finegan等[9]通过系统分析方法研究了经过特殊处理后的纤维填充高聚物网络体系的阻尼性能,发现在纤维表面涂覆高耗能的涂料可提高材料的阻尼性能,并通过有限元分析研究了频率、温度、涂层厚度对材料阻尼性能的影响。Trego[10]等提出一个复合材料阻尼增强的方案,在构造上采用了非对称纤维增强复合材料夹层结构,芯子为具有高阻尼性能的粘弹性层。该设计的关键是在结构长度方向的不同区段内有不同的纤维取向角,通过应力耦合效应,产生高的剪切应力,大限度地激活和利用整个阻尼材料能量耗散的潜在性能。
    范永忠等[11]研究了纤维的混杂方式对环氧玻璃化转变温度和阻尼性能的影响。结果表明,经GF/CF混杂后,复合材料的阻尼性能符合混杂定律,阻尼因子介于GF复合材料与CF复合材料之间,并且都比基体的阻尼因子大。玻璃纤维和碳纤维对复合材料阻尼性能的贡献是截然不同的。玻璃纤维的引入增加了复合材料的阻尼性能,而碳纤维正好相反。从材料设计的角度来说,混杂纤维种类、方式、含量的选择与设计对兼顾复合材料的力学性能和阻尼性能起决定性作用[12]。台湾中山大学的Liao等[13]研究了中面内交叠有聚乙烯-丙烯酸(PEEA)的单向碳/环氧及其对称角交铺设碳/环氧层板的阻尼性能。结果表明,结构宏观阻尼有显著的增加,且外层复合材料刚度的影响作用也很明显。