黏弹性约束阻尼复合材料研究进展*

刘晓东，崔向红，李天智，苏桂明，姜海健，宋美慧，张晓臣，张伟君（黑龙江省科学院高技术研究院，黑龙江哈尔滨150020）



黏弹性约束阻尼复合材料研究进展*

刘晓东，崔向红，李天智，苏桂明，姜海健，宋美慧，张晓臣，张伟君
（黑龙江省科学院高技术研究院，黑龙江哈尔滨150020）

摘要：随着约束阻尼材料的广泛应用，兼具高阻尼、多功能、智能化约束阻尼复合材料也逐渐成为研究的热点。介绍了黏弹性约束阻尼材料结构设计及阻尼材料的制备、阻尼性能的影响因素的研究进展。

关键词：约束阻尼；结构设计；复合材料

约束阻尼概念在上世纪60年代由Kerwin E.M.首先提出，并分析了约束阻尼层的剪切阻尼耗能机制。此后，这种阻尼结构得到不断迅速的发展，从约束阻尼结构设计、测试方法表征扩展到动力学理论及约束阻尼材料的制备等复杂结构的研究，并建立了多因素影响的复杂动力学模型［1］。本文主要从约束阻尼结构设计及材料的制备这两方面介绍其研究进展情况。

1　约束阻尼结构设计

1.1夹层结构复合阻尼材料

夹层结构材料又称“三明治”复合材料，上下基板由高强度、高模量的基板构成，中间夹层材料有蜂窝芯材料，蜂窝夹层结构复合材料作为重要的轻量化材料其用途相当广泛，在国外的铁道车辆上如法国TGV系列、意大利ETR系列高速列车早已应用。随着其不断发展，已广泛用于航空制造业。国内在近几年对蜂窝夹层结构复合材料才开始使用，虽然取得了一定的效果，但对蜂窝夹层材料的特性与应用还需更进一步加强与扩大。常用蜂窝夹层材料有纸蜂窝、铝蜂窝和NOMEX蜂窝。其中NOMEX蜂窝夹层结构复合材料性能优异，主要应用于航空制造业。在国外，这3种夹层结构复合材料在铁道车辆上均有应用。国内除了铝蜂窝，最近NOMEX蜂窝夹层结构复合材料在铁道车辆中得到批量应用。铝蜂窝夹层结构的面板层通常采用金属，如果电绝缘处理不当，则会发生电化学腐蚀。NOMEX蜂窝则是采用芳纶纸浸润酚醛树脂制成，材料不导电，因此，不用担心电化学腐蚀问题。此外，这种NOMEX蜂窝还可耐FST（烟雾毒性）要求［2，3］。

作为中间夹层材料的高损耗因子的泡沫芯夹层结构，如PS泡沫、SAN泡沫、PU泡沫、PUR泡沫、PEI泡沫、PET泡沫、PVC泡沫、PMI泡沫。泡沫夹层结构中，使用低密度夹芯材可以在保证轻刚度的基础上大大减轻重量，并且与NOMEX蜂窝材料相比，泡沫芯材具有易加工，低成本优点。在国外，泡沫复合材料结构已广泛应用于航空航天、船舶制造、火箭运载、风力发电机叶片、列车机车、医用设备配件及体育运动器材等领域。例如：Alcan公司出产的Airex R80泡沫夹层复合材料在民用航空器上得到应用；Airex R63泡沫夹层复合材料结构广泛应用于船体外壳，具有耐海浪冲击特性。Herex公司的Herex C70泡沫夹层结构在船甲板上结构上使用。日本［4］新干线的火车头以及Vestas的风力发电机叶片等都采用这种泡沫夹层结构。国内，泡沫夹层结构在简易房壁板和冷藏设备隔热板应用较多。而在高端领域应用的泡沫芯材料大部分来源于进口，虽然起步较晚，但经过近些年的发展，在国内直升机桨叶及导弹筒体上PU泡沫芯材已得到应用。以聚甲基丙烯酰亚胺（PMI）硬质结构为芯层的夹层结构已经运用于汽车发动机罩［5］。

1.2梯度结构阻尼材料

这种阻尼材料是通过设计多层复合材料各层材料，包括设计不同厚度、不同敷设角度及不同Tg等形式，其排列方式可按照材料的厚度或者是长度方向进行排列，即可制得满足不同需求的梯度结构复合阻尼材料。蒋松霖在2009年采用PU与SEBS材料复合制得了梯度结构阻尼材料，研究结果显示：隔声性能和力学性能都有提高，这是由于多个层间界面相互作用的结果［6］。

1.3消音隔声复合结构阻尼材料

随着结构设计的不断发展，不同复合方式的材料不断出现，最初消音隔声复合结构阻尼材料外层为硬质的石棉或石板板材，然后通过对内层材料的厚度设计，通常选用阻尼橡胶作为内层材料而获得较好的隔声效果［7］。传统的消声复合结构材料覆盖层选用是橡胶材料，主要利用橡胶腔的谐振以及阻抗过渡式结构吸声，但是由于厚度有限只在中高频段的吸声有效，低频段吸声效果不理想。近年来高分子功能压电结构系列材料在换能器等领域的广泛应用，国内外学者将研究转向高分子功能材料来实现结构的减振和吸声。2009年哈尔滨工程大学王玉明采用PVDF压电薄膜与橡胶组成2- 2型压电分层复合结构，重点在PVDF是否外接电路条件下的吸声性能进行了仿真研究［8］。

1.4嵌入式共固化复合材料阻尼结构

嵌入式共固化复合材料阻尼结构（Embedded Co- cured Composite Damping Structure，ECCDS）是近年来提出的一种具有高阻尼减振性能的新结构，这种复合阻尼材料结构是将粘弹性阻尼薄膜进行预先处理按照实际需求设计复合材料层合方式，将其铺入复合材料预浸料中并用共固化工艺处理得到综合性能优良的阻尼减震材料［9］，具有不易脱落、耐疲劳、抗老化等优点。也是近年来国内外学者研究的热点，同时在层间界面结合力以及在ECCD的优化过程中，粘弹性材料的嵌入位置、嵌入量对整体结构稳定性的影响还存在许多问题，还学不断进行深入研究。这种结构的研究主要从阻尼薄膜制作工艺、共固化工艺、分析研究方法等方面进行。梁森［10］等提出了新型多层阻尼薄膜嵌入的共固化复合材料结构，并按照玻璃纤维/环氧（5231/EW180B）预浸料固化工艺曲线制备了多层阻尼薄膜嵌入式中温共固化复合材料试件，使用模态应变能有限元数值模拟法对该结构的动力学性能进行了研究，结果表明：多层阻尼薄膜嵌入的复合材料结构能显著提高整体结构的一阶模态损耗因子。李烜［11］使用丁基橡胶作为黏弹性阻尼材料的主要原料，并使用模压法制备阻尼材料薄膜，再与环氧树脂玻璃布预浸料共固化按得复合材料阻尼结构试件。结果表明：在构件刚度改变不大的情况下嵌入较薄阻尼层会提高试样的阻尼效果，而嵌入较厚阻尼层时，对试件的刚度影响较大，随着阻尼层厚度的增加，构件阻尼的增加量逐渐降低。雒磊［12］研究了嵌入式共固化复合材料穿孔阻尼的制作工艺，结合压片工艺和刷涂工艺，采用层间过渡工艺进行制作，并研究了采用不同工艺、不同厚度阻尼层制得这种复合阻尼材料的阻尼性能、吸湿性能以及吸湿前后层间力学性能。

2　约束阻尼材料的制备

约束阻尼复合材料结构是由约束层和阻尼层材料共同复合组成，阻尼层材料主要为复合材料提供阻尼性能，约束层材料则起到约束阻尼层的拉-压变形的作用，迫使相对柔软的阻尼层材料发生剪切变形从而好散掉更多的振动能量。具有较宽的阻尼温域及较高的阻尼损耗峰值是未来发展的一个方向。约束层由高模量的硬质材料组成，最初选用金属材料，应用较多的为不锈钢和铝合金材料，后来从施工工艺考虑，选用高模量的高分子树脂作为约束层材料。2004年王宝珠［13］主要研究了聚氨酯/环氧树脂构成的约束阻尼结构的阻尼性能。其中阻尼层为一系列摩尔比- NCO/- OH≤1的聚醚型聚氨酯材料，约束层为增强型高模量的环氧树脂涂料，并采用纤维增强使约束层模量增加对阻尼性能有利。研究还发现四针状氧化锌晶须是一种新型的增强材料，不但可以提高约束层的模量，而且可以提高约束层本身的能量损耗，从而大幅度地提高材料的阻尼性能。Jae Heung Yang［14］通过选用聚氨酯弹性体材料（PU）作为阻尼层，环氧树脂（EP）为约束层制备约束阻尼材料，并研究了其阻尼性能，力学以及形变回复性能。结果表明：阻尼层中MDI含量对复合材料的形状恢复有明显影响，其含量增加材料恢复性越好，MDI含量在聚氨酯材料中为30%时，复合材料的相关性能表现最佳。丁新波［15］采用氯化聚乙烯（CPE）作为约束阻尼材料的约束层，在CPE材料中添加功能小分子填料ZKF并调节其含量制得不同阻尼层材料，再复合制备各种多层约束阻尼材料，并对复合材料阻尼性能从理论分析和测试实验数据进行探讨。研究结果表明：约束层与多层阻尼材料的同向铺设得到的复合材料阻尼性能提升较为明显。符刚［16］以氯化丁基橡胶/丁基橡胶/AO- 80/PSY进行四元共混制得不同厚度的阻尼层，约束层选用钢材和铝材制备复合约束阻尼材料，通过动态力学分析测试表征结果。

3　约束阻尼材料性能的影响因素

2010年青岛理工大学马学强［17］研究了不同结构阻尼材料包括不同厚度阻尼层对约束阻尼结构复合材料阻尼性能的影响。研究结果显示：约束阻尼结构层与层之间结合越紧密，则复合损耗因子越高，减振效果越优。对比了无阻尼结构、环氧树脂阻尼结构和粘弹性约束阻尼结构，其中粘弹性约束阻尼结构具有最佳的复合阻尼性能。粘弹性约束阻尼结构在频率范围在3.15～3150Hz内，阻尼减振性能最好。武汉理工大学孟丹［18］研究了环氧树脂作为阻尼层材料采用多乙烯多胺类固化时，约束层材料采用钢板和铝板，厚度固定，增加阻尼材料厚度，损耗因子呈现下降的趋势；当环氧树脂添加纤维增强，并增加阻尼层材料厚度，各阶模态的损耗因子也不断增大。西南交通大学王溔［19］在2011年通过选用聚氨酯（PU）和纯铝分别作为阻尼层和约束层材料。研究结果显示制得复合材料的共振频率与损耗因子随阻尼层厚度而升高。2013年哈尔滨工程大学刘正［20］采用聚氨酯（PU）弹性体和环氧树脂及高硬度的PU分别作为复合材料的阻尼层和约束层，制备不同Tg分布和不同硬度的阻尼层和约束层材料。研究探讨阻尼层材料和约束层材料对复合材料的影响。结果表明：阻尼层和约束层材料的硬度对复合约束阻尼材料的阻尼性能有较为明显影响，选取阻尼层与约束层材料硬度相差较大以及Tg重合度较小的组合，阻尼效果较好。

4　结语

随着粘弹性约束阻尼材料的逐步发展，现已广泛的应用在轨道交通、建筑、机械制造、汽车工业、航空航天等领域。振动和噪声与我们的生活息息相关，减振降噪是人类永恒的课题，约束阻尼复合材料只是其有效方式之一，随着科技的发展，尤其在航空航天领域对复合材料轻量化要求及结构功能一体化需求不断增加，兼具结构设计的灵活性、力学性能良好及减振降噪性能优异的阻尼复合材料越来越受到青睐。虽然目前约束阻尼复合材料的研究开发在国内外关于已经取得很多成果，但在阻尼复合材料制备工艺以及新材料、新的阻尼耗能机制的应用方面实现结构性能和阻尼性能的同步提高仍面临更多的问题和严峻的挑战，还需更深入开发研究。

参考文献

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［2］胡培.航空航天泡沫夹层结构的设计［J］.技术前沿，2012，（18）：101 .

［3］李瑞淳.蜂窝夹层结构复合材料设计及应用研究［J］.铁道机车车辆，2009，29（6）：3- 4.

［4］李涛，陈蔚，成理，等，泡沫夹层结构复合材料的应用与发展［J］.科技创新导报，2009，（14）：3- 4.

［5］吴洪亮，陈文琳，熊飞.三明治复合材料在汽车上的应用［J］. MATERIAL材料，2014，（6）：70- 71.

［6］蒋松霖，李姜，郭少云.交替多层TPU/SEBS复合材料阻尼隔声性能的研究［J］.广州化工，2009，37（5）：69- 71 .

［7］Saravanos D A. Analysis of Passive Damping in Thick Composite Structures［J］.AIAA. 1993，31：1503.

［8］王玉明.高分子功能材料吸声机理研究［D］.哈尔滨工程大学，2009.

［9］张忠胜.嵌入式共固化复合材料阻尼结构工艺及力学性能研究［D］.青岛理工大学，2012.

［10］梁森.多层阻尼薄膜嵌入的共固化复合材料结构动力学性能［J］.复合材料学报，2015，32（5）：1453

［11］李烜.嵌入式共固化复合材料阻尼结构隔声性能实验研究［J］.噪声与振动控制，2010，（5）：92- 94.

［12］雒磊.嵌入式共固化复合材料阻尼结构湿热性能研究［D］.青岛理工大学，2014.

［13］王宝柱，聚氨酯/环氧树脂复合材料的阻尼性能［D］.青岛科技大学，2004.

［14］Jae Heung Yang，Byoung Chul Chun，Yong- Chan Chung，Jae Whan Cho，Bong Gyoo Cho. Vibration control ability of multilayered composite material made of epoxy beem and polyurethane copolymer with shape memory effect［J］. Journal of applied polymer science，2004，94：302- 307P.

［15］丁新波.宽温域高阻尼减振复合材料的制备和研究［D］.东华大学，2008.

［16］符刚.高分子阻尼材料制备及约束阻尼结构的设计［D］.浙江大学，2008.

［17］马学强.粘弹阻尼减振降噪材料的阻尼性能及约束阻尼结构研究［D］.青岛理工大学，2010.

［18］孟丹.约束阻尼复合材料的制备与性能研究［D］.武汉理工大学，2009.

［19］王溔.聚氨酯阻尼材料及其约束阻尼结构［D］.西南交通大学，2011.

［20］刘正.具有约束结构复合阻尼材料的制备及其性能研究［D］.哈尔滨工程大学，2013.

Research progress in viscoelastic constrained damping composites*

LIU Xiao-dong，CUI Xiang-hong，LI Tian-zhi，SU Gui-ming，JIANG Hai-jian，SONG Mei-hui，ZHANG Xiao-chen，ZHANG Wei-jun
（Institute of Advanced Technology，Heilongjiang Academy of Sciences，Harbin 150020，China）

Abstract：With the wide application of constrained damping materials，the high damping，multifunctional and intelligent constrained damping composites gradually become a research hotspot. The research introduces the structure design of viscoelastic constrained damping materials，preparation of damping materials and influence factors of damping performance.

Key words：constrained damping；structure design；composite materials

文献标志码：中文分类号：TQ322.4A

DOI：10.16247/j.cnki.23-1171/tq. 20160637

收稿日期：2016- 04- 15

基金项目：黑龙江省科学院科学研究基金项目（XKJJ1601）

作者简介：刘晓东（1982-），女，哈尔滨人，研究实习员，硕士，从事高分子材料研究。