嵌入式共固化耐高温阻尼复合材料结构的模态分析试验研究

张 乾，梁 森，韦利明

(1.青岛理工大学机械工程学院，山东青岛 266033;2.中国工程物理研究院，四川绵阳 621900)

随着科技进步，人类探索领域呈现出向着越来越苛刻的极端环境情况发展，比如航空、航天等领域，而这些领域对于结构重量、体积、环境温度等有着更严格的要求，因此对高比强度和比刚度复合材料的使用环境提出了新的挑战［1-2］。另外，精密装置对于振动也有着极其严格的限制，过大的振动会导致精度降低，影响器械准确运行。嵌入式共固化复合材料通过事先将高阻尼薄膜预置在纤维复合材料预浸料中，可以得到单一材料难以获得的阻尼特性［3-6］。而对于航空、航天来说，其使用的部分构件要在高温环境下工作，所以研制新型嵌入式共固化耐高温阻尼复合材料就显得尤为重要。相比之前的研究成果，这种新的嵌入式共固化阻尼复合材料具有更好的耐高温性能。目前，国内外对于耐温的阻尼材料研究不多，对于能够耐温的阻尼复合材料的研究更是少之又少。本文通过正交试验，综合考虑氟橡胶的硫化特性和T700/QY260 的固化工艺，提出一种能够耐高温氟橡胶的粘弹性阻尼材料组分，其难度在于这个组分的材料其硫化温度与硫化时间要与复合材料树脂的固化温度和时间一致，并且能与树脂部分的官能团发生聚合反应。然后使用刷涂工艺制作阻尼薄膜，并与双马树脂的复合材料预浸料一起铺设后，按特定固化曲线完成共固化，制成嵌入式共固化耐高温阻尼复合材料试件，并使用模态分析技术对其模态参数进行了识别，为嵌入式共固化耐高温阻尼复合材料的应用研究奠定基础。

1 试件制作

1.1 阻尼材料的组分

研究能够耐高温的嵌入式共固化阻尼复合材料首先要确定耐高温预浸料为双马树脂基碳纤维T700/QY260，其固化曲线如图1 所示。之后的关键在于确定与现有固化曲线相符合并且有很好耐温性的阻尼材料组分。对于橡胶这类阻尼材料，其耐温性有限，阻尼材料的耐热性取决于其分子中弱键的解离能、分子链结构及交联键的类型，分子链中键的解离能由大到小分别为Si -O，C -F，C -H，C -C，C -Cl和C-H(α -H);因此，硅橡胶和氟橡胶有较好的耐热性。实验得到硅橡胶的耐温性好，但其拉伸强度相对较小。本文选用氟橡胶组分配方，配方组分及质量份数如表1 所示，得到的硫化曲线如图2 所示，可以发现，该氟橡胶的配方有较大的扭矩S'，即有更好的交联特性。该氟橡胶中的主要化学键是C-F 键，并且将分子链上的少量C -C、C -H 键包裹，因此有更好的耐温性能［7-8］。其在高温180℃左右交联才会显著加快，并且交联后在这个温度下很长一段时间内不但不会发生硫化返原现象，还会因为高温的作用使氟橡胶内部充分交联并排出杂质，从而使各项性能得到提升。另外，氟橡胶在共固化过程中能够与复合材料预浸料中的双马树脂通过助交联剂TAIC 发生交联，反应式如图3，形成互穿网络结构(IPN)，使嵌入式共固化耐高温阻尼复合材料有很好的层间结合性能。图4 为选用配方的DMA 曲线，由图4 可见其在室温下具有很好的阻尼性能，并能在高温下仍能保持一定的阻尼性能。

图1 固化工艺曲线

表1 氟橡胶阻尼材料组分

图2 氟橡胶的硫化曲线

图3 氟橡胶通过TAIC 与双马树脂交联

1.2 试件制作

目前，阻尼薄膜的制作方法主要有模压法、层间过渡法及薄膜开洞法;而嵌入式共固化阻尼复合材料为提高层间结合性能，本文提出其阻尼薄膜制作新方法——刷涂法，将阻尼材料氟橡胶与溶剂四氢呋喃按照质量比1:3.5 配制成一定浓度的胶浆，然后将其刷涂在复合材料预浸料的表面，因为胶浆浓度一定，所以每次刷涂厚度基本一致，均保持在0.025 mm 左右，通过控制刷涂的层数来控制阻尼层厚度，最终制成阻尼薄膜层;在其上下再各铺设8 层相同复合材料预浸料，最后放入热压罐中，按照如图1 所示固化工艺曲线热压成型，取出后即得到所需嵌入式共固化耐高温阻尼复合材料板。

图4 氟橡胶DMA 曲线

1.3 试件切割与网格划分

为研究嵌入式共固化耐高温阻尼复合材料的阻尼性能，本文使用高压水切割将复合材料板裁剪成长宽为300 mm×200 mm 的矩形试件。在本实验中，在长度方向夹紧42 mm，试件从3 个自由边向内10 mm 均匀划分成9 ×7 的网格，测点间距在长度方向为31 mm，宽度方向为30 mm，如图5 所示。对各试件进行编号，对应的参数见表2。

图5 嵌入式共固化耐高温阻尼复合材料试件

表2 试件参数mm

2 模态实验及分析

本文采用模态分析试验来研究嵌入式共固化耐高温阻尼复合材料的阻尼性能。

2.1 实验仪器

模态实验仪器全部使用Brüel ＆ Kjær 公司的模态测试设备，软件使用Brüel ＆ Kjær 的Labshop;硬件方面，PULSE型号为3560B，加速度传感器为4524 -B -004，力锤型号为8206 -002。试验仪器的连接及试件装夹如图6。

图6 仪器的连接及试件装夹

2.2 实验方法

这里采用一端固支、单点激励多点响应的测试方法，即将嵌入式共固化耐高温阻尼复合材料试件长度方向上的一端用夹具固定，力锤敲击试件上一个固定点，按照事先画好的网格点不断移动传感器的位置，由加速度传感器采集试件不同位置的加速度信号，通过模态分析系统就可以得到试件的模态阻尼和模态频率。在本实验中，第一排的7 个测点为固定点不需要测量，所以共有56 个测试点，第53 点为固定激励点，具体见图5 和图6，测试数据为加速度计采集的3 次测量的平均值。

2.3 实验结果及分析

嵌入式耐高温共固化阻尼复合材料板的模态测试结果如表3 所示，本文主要研究该结构的模态阻尼和模态频率情况，故只取其前三阶的模态参数。根据测试数据绘制各阶模态阻尼和模态频率随阻尼层厚度的变化关系图，如图7、图8、图9 所示。通过表3、图7、图8 和图9 知:该嵌入式共固化耐高温阻尼复合材料有很好的阻尼性能，模态阻尼最高达到4.5%。对于一阶模态，与无阻尼的试件相比，加入0.05 mm阻尼层后，模态阻尼提高了108.5%，阻尼层从0.05 mm 增加到0.5 mm，模态阻尼提高了43.8%，厚度从0.3 mm 到0.5 mm 仅提高了7.6%，说明加入阻尼材料可以明显提高试件结构阻尼，但是阻尼层厚度达到一定厚度之后阻尼层厚度的影响已经减小;而模态频率随阻尼薄膜厚度从0.4 mm 增到0.5 mm 时分别有6.1%和6.3%的明显降低。对于二阶模态，嵌入式共固化耐高温阻尼复合材料板，阻尼层厚度从0.05 mm 增大到0.5 mm，模态阻尼降低了39.1%，频率提高了5.9%。对于三阶模态，从0.05 mm 增大到0.5 mm，模态阻尼提高了95.9%，模态频率则降低了28.4%。对这前三阶模态，随阻尼层厚度增大，模态阻尼和模态频率的呈现相反趋势变化，且模态阻尼受阻尼层厚度的影响逐渐降低，最终都趋于稳定。出现上述结果，原因在于构件的结构刚度与模态频率的平方根成正比，加入阻尼层的嵌入式共固化耐高温阻尼复合材料有很好的阻尼性能，但是阻尼材料为刚度较低的高分子材料，所以会使构件的整体刚度降低，导致模态频率降低。

表3 模态测试结果

图7 一阶模态参数变化

图8 二阶模态参数变化

图9 三阶模态参数变化

3 结论

本文通过综合考虑氟橡胶的硫化特性和T700/QY260的固化工艺，提出一种能够耐高温氟橡胶的粘弹性阻尼材料组分，将其溶解在四氢呋喃的溶剂中，然后使用刷涂工艺把阻尼胶料溶液刷涂在复合材料预浸料(T700/QY260)中，制成带阻尼层的复合材料预浸料，使用热压罐按照T700/QY260 的固化工艺曲线将铺设好的带阻尼层复合材料预浸料制成嵌入式共固化耐高温阻尼复合材料试件。通过模态分析试验得出该嵌入式共固化耐高温阻尼复合材料的前3阶次的模态频率、模态阻尼随粘弹性薄膜厚度的变化规律:

1)该嵌入式共固化耐高温阻尼复合材料具有很高的阻尼损耗因子;对于一、三阶模态参数来说，随阻尼层厚度的增加，其模态频率减小，模态阻尼增大;但当阻尼层厚度增加到一定值后(如0.3 mm 以上)，其厚度对模态参数的影响便不再敏感。

2)对嵌入式共固化耐高温阻尼复合材料的二阶模态，随阻尼层厚度的增加，模态频率增大，模态阻尼减小，但当阻尼层厚度增加到一定值后，其厚度对模态参数的影响也便不再敏感。

3)对于同一阶次的模态参数，模态阻尼和频率随阻尼层厚度增加总是有相反的变化趋势。

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