粘彈阻尼層共固化復合材料的性能研究與優(yōu)化設計.pdf

1、近十幾年的相關研究結果表明，共固化粘彈性阻尼層的使用是提高復合材料結構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合材料結構中去，并與復合材料共固化成型，在保證強度和剛度的前提下達到大幅度提高復合材料結構阻尼的目的，而且不易出現(xiàn)剝離現(xiàn)象。1996年，美國加利福尼亞大學與NASA合作已成功的將這一結構應用于渦流推進器的葉片上。國內對這一新型共固化復合材料亦給予了

2、極大的關注，對其在衛(wèi)星結構上的應用正在進行預研。
　　由于溫度和頻率是粘彈性阻尼材料的阻尼與力學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合材料結構當中，勢必導致工作環(huán)境溫度和振動載荷頻率對共固化復合材料的阻尼與力學性能產生較大影響。
　　目前，對于粘彈阻尼層共固化復合材料阻尼性能的預報大都采用模態(tài)應變能法(MSE)，然而這一方法預報的損耗因子為結構以各階固有頻率自由振動的阻尼性能。由于實際結構在簡諧

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

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

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是纖維增強樹脂基復合材料的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合材料結構中并與復合材料共固化成型，粘彈性阻尼材料同樣經(jīng)歷復合材料的固化周期。在這一過程中，復合材料固化溫度和壓力以及樹脂的滲透，將導致粘彈性阻尼材料性能的變化，并最終導致整個共固化復合材料性能的變化。目前，國內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)力學熱分析(DMTA)技術研究了復合材料共固化對粘彈性阻尼材料動態(tài)力學性能的影響。結果發(fā)現(xiàn)，復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。
　　已有研究結果表明，雖然共固化粘彈性阻尼層的插入基本不影響復合材料結構的拉伸剛度與強度，但

7、是對復合材料結構的彎曲剛度和強度以及層間剪切強度影響較大，在很多應用領域無法滿足結構整體設計的要求。已有相關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合材料結構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合材料結構的損