摘 要

随着航空航天飞行器的高速发展，精密电子仪器的广泛应用，为了提高它们的安全性与稳定性，对传统结构材料的减重与减振提出了巨大的挑战，研发出兼具高力学性能和高阻尼特性的结构材料成为主要的研究热点。相比于传统的金属材料，纤维增强树脂基复合材料不仅有更高的比强度与比刚度，而且其阻尼性能更是金属材料的10~100倍，因此，研制轻质高强并兼具高阻尼减振特性的复合材料结构具有重要的研究价值和广阔的使用前景。

本文首先研究纤维种类对复合材料层合板阻尼性能的影响规律，即使用碳纤和玻纤进行混杂铺层，通过改变玻纤与碳纤的数量及位置，制备了不同铺层比例的层合板。并运用单悬臂梁法检测了层合板的阻尼性能，分析了纤维混杂比例对复合材料层合板阻尼性能的影响规律。其次，设计了共3种轻质夹芯结构，分别为泡沫填充箱型梁、仿生鞘翅、连续波纹板，并分别用碳纤和玻纤蒙皮制作成夹层结构复合材料。使用三点弯曲法与单悬臂梁法分别测试了三种结构的弯曲性能和阻尼性能，并通过落球法测试了结构的抗冲击性能，分析了夹层结构阻尼性能及力学性能的影响因素。

研究结果表明，玻璃纤维的阻尼性能要优于碳纤维，其损耗因子可达碳纤维的2.5倍。随着玻璃纤维的比例增加，层合板的阻尼性能也随之提高，说明复合材料层合板的阻尼性能符合复合材料混杂定律，也说明通过纤维混杂来提高阻尼性能是可行的。通过对比三种夹层结构的性能发现，仿生鞘翅夹层结构阻尼性能最好，明显优于另外两种结构，其损耗因子最高可达0.151，阻尼比有7.568%，连续波纹板与泡沫填充箱型梁结构的阻尼性能则依次减弱。在力学性能方面，仿生鞘翅结构依然是最好的。对于蒙皮材料来说，玻纤蒙皮结构的抗冲击性能要普遍好于碳纤蒙皮结构，但是碳纤蒙皮结构的阻尼性能要好于玻纤蒙皮结构。综合比较各项性能，可以确定制作轻质减振复合材料的最佳结构为仿生鞘翅夹层结构。

关键词：夹层结构，轻质，减振，阻尼性能，复合材料

Abstract：

With the rapid development of Aeronautics and Astronautics and the wide application of precision electronic instruments, in order to improve their safety and comfort, a great challenge has been put forward to the weight reduction and vibration reduction of traditional structural materials. The research and development of structural materials with high mechanical properties and high damping characteristics have become the main research focus. Compared to traditional metal materials, fiber reinforced resin matrix composites not only have higher specific strength and specific stiffness, but also meet the needs of mechanical properties of structural parts, and their damping properties are more than 10~100 times of metal materials. Therefore, the development of lightweight and high-strength composite materials with high damping and damping characteristics has important research value and broad application prospects.

In this paper, the influence of fiber types on the damping properties of composite laminates is studied. That is, carbon fiber and glass fiber are used to make mixed layers. By changing the number and position of glass fiber and carbon fiber, the laminates with different paving ratios are prepared. The damping properties of laminated plates were tested by single cantilever method, and the influence of fiber mixing ratio on damping properties of composite laminates was analyzed. Secondly, 3 kinds of lightweight sandwich structures are designed, which are foam filling box beam, bionic Coleoptera and continuous corrugated plate, and laminated composite materials are made with carbon fiber and glass fiber. The three point bending method and single cantilever beam method were used to test the flexural and damping properties of the three structures respectively. The impact resistance of the structure was tested by the drop ball method, and the factors affecting the damping and mechanical properties of the sandwich structure were analyzed.

The results show that the damping property of glass fiber is better than that of carbon fiber, and its loss factor is 2.5 times of that of carbon fiber. With the increase of the ratio of glass fiber, the damping property of the laminate is also improved. It shows that the damping property of the composite laminates conforms to the hybrid law of composite material, and shows that it is feasible to improve the damping property of the composite laminates. By comparing the performance of three kinds of sandwich structures, the damping property of the bionic Coleoptera sandwich structure is better than that of the other two structures. The maximum loss factor of the sandwich structure is 0.151, the damping ratio is 7.568%, and the damping property of the continuous corrugated plate and the foam filling box beam structure decreases in turn. The bionic Coleoptera structure is still the best in terms of mechanical properties. For the skin material, the impact resistance of the glass fiber skin structure is better than the carbon fiber skin structure, but the damping property of the carbon fiber skin structure is better than that of the glass fiber. By comparing the properties, it can be determined that the best structure of the lightweight damping composite material is the bionic Coleoptera sandwich structure.

Key words:sandwich structure, lightweight, vibration damping, damping properties, composite materials

目 录

第1章 绪论 1

1.1阻尼材料的种类 1

1.1.1粘弹性阻尼材料 1

1.1.2金属类阻尼材料 2

1.1.3智能阻尼材料 2

1.1.4复合阻尼材料 3

1.2 纤维增强聚合物阻尼复合材料 3

1.3夹层结构阻尼复合材料 4

1.4 阻尼性能的表征及测试方法 5

1.4.1材料阻尼的测试—DMA法测试材料阻尼性能 6

1.4.2 结构阻尼的测试—悬臂梁法测试结构阻尼性能 6

1.5 本文的研究目的及内容 6

第2章 复合材料层合板的阻尼性能研究 8

2.1 实验部分 8

2.1.1 实验仪器与原料 8

2.1.2 试验方法 9

2.1.3测试与表征 10

2.2 结果与讨论 10

2.3本章结论 11

第3章 轻质减振复合材料的结构设计及性能研究 12

3.1实验部分 12

3.1.1 实验原料与设备 12

3.1.2 试验方法 13

3.1.2.1泡沫填充箱型梁夹芯的制备 14

3.1.2.2仿生鞘翅结构夹芯的制备 14

3.1.2.3 连续波纹板夹芯的制备 14

3.1.3测试与表征 15

3.1.3.1 阻尼性能的测试 15

3.1.3.2 力学性能的测试 15

3.2 结果与讨论 16

3.2.1不同夹层结构对复合材料阻尼性能和弯曲性能的影响 16

3.2.2不同夹层结构对复合材料抗冲击性能的影响 17

3.3本章结论 18

第4章 结论 19

参考文献 20

致 谢 22

第1章 绪论

近年来，随着航空航天装备的快速发展，精密电子仪器的广泛应用，虽然技术在一直发展，但过程中也不可避免的产生许多问题。机器运转时产生的振动与噪音，不仅会干扰人们的正常生活也会危害人们的身心健康，同时也会降低设备的稳定性与精密性，时间长了以后更会降低设备零件的疲劳寿命和服役时间，带来严重的不良后果。因此，降低机械设备的振动及噪声以改善人机工作环境，延长机械设备使用寿命，提高系统准确性和稳定性成为一个亟待解决的课题。

关于减振降噪人们已经研究出了一些方法，运用阻尼结构来控制机械振动以降低噪声是最有效的方法之一。阻尼则是指在任何振动体系的振动运动中，在受到外界各种作用时又或者是由于系统自身固有的原因，导致系统振动幅度逐渐下降的特性，即系统消耗振动能或声能快慢的物理量。系统的阻尼越大，代表着其能更快地消耗振动能或者声能，系统越容易恢复到受激发前的状态^[1]。各种阻尼技术也都基于这种原理，主要思路就是将输入系统的振动能或声能转化为其他形式的能量消耗掉，以使系统尽快进入受激发前的状态。

目前，人们为了提高系统的阻尼主要从以下三个方向入手：系统阻尼，结构阻尼和材料阻尼。系统阻尼是指利用外部添加的装置来消耗能量，从而提高整个系统的阻尼，也就是在系统中设置专用阻尼器，如汽车上使用的减震弹簧、冲击阻尼器等等；结构阻尼则是通过优化体系的振动结构，使该结构在受到外界作用时能更好的耗散能量，从而提高系统的阻尼性能。材料阻尼则是从根本出发，使用那些原本就具有高阻尼特性的材料去制作零件，便可使得系统拥有良好的减振吸能效果。

对于材料和结构的阻尼的深入研究，开发具有优良阻尼性能的阻尼材料与结构对当前减振降噪的课题具有重要的意义。

1.1阻尼材料的种类

近年来，随着材料学的发展，各种各样的新材料纷纷出现，由于减振降噪的要求越来越高，各种类型的阻尼材料也在不断涌现，目前的阻尼材料主要包括^[2]：粘弹性阻尼材料、金属类阻尼材料、智能阻尼材料以及复合阻尼材料。

1.1.1粘弹性阻尼材料

粘弹性阻尼材料主要是由高分子聚合物组成，当其受到外界应力时^[3]，一部分能量转化为热能耗散掉，一部分能量以势能的形式储存起来，从而有效减轻振动和噪声。这种材料兼具粘弹性液体消耗能量和弹性固体储存能量两种特性，是目前应用较为广泛的阻尼材料。

在粘弹性阻尼材料诞生初期，其主要成分大部分都是单一组分的均聚物，这种均聚物最大的缺点就是它的玻璃化转变温度区间比较窄，使得这种阻尼材料适用范围很有限。为了使得粘弹性阻尼材料能够在更多环境下使用，人们逐渐发明了共聚、共混或互穿网络等方式，来拓宽其玻璃化转变温度区间，使阻尼材料能够适用于更广的温域和频率范围。其中加入无机填料和使用IPN技术的效果最为显著。

1.1.2金属类阻尼材料

在金属类阻尼材料中主要有阻尼合金、金属阻尼基复合材料等等。金属类阻尼材料的阻尼机制主要有以下几种^[4]：

（1）位错型 这类合金内部存在着许多可移动的位错，在合金受到外界振动应力时，这些位错也就随之产生振荡，当能量足够时就使得其与杂质原子相互作用而摆脱杂质原子的束缚，从而消耗合金受到的振动能。纯Mg、阻尼Mg合金及Mg基复合材料都是位错型阻尼机制。

（2）孪晶型 孪晶型阻尼的阻尼机制是在该类材料受到周期应力时，热弹性马氏体发生相变，而与之相关的大量共格孪晶界面会发生重排并产生非弹性形变，使得应力松弛，从而减弱了振动。Mn-Cu、Mn-Ni、Cu-Zn-Al合金都属于孪晶型阻尼的合金。

（3）铁磁型 这类阻尼合金都属于包含有磁畴的铁磁性材料。通常磁畴的取向都是无序的，一旦它处于磁场中，磁畴就会发生不可逆的移动变得有序，当离开磁场后，磁畴却不能自行恢复到未激发的状态，因此就产生了应变并造成滞后效应，从而产生阻尼。铁磁型阻尼合金主要包括Fe-Al系和Fe-Cr系合金等。

（4）超塑性型 有一类特殊合金，在受到周期应力时其内部的晶界和相界面会发生塑性流动，这就使得材料在受到外力时会发生应力松弛，从而削减能量产生阻尼，这类阻尼就被称为超塑性阻尼。Zn-Al合金是最常见的超塑性阻尼合金。

（5）复相型 这类阻尼材料一般存在着两种或两种以上的基体材料，在周期应力的作用下，较硬的基体相会发生弹性变形，较软的基体相则会发生塑性变形从而耗散振动能量。这种阻尼机制的代表合金就是是灰口铸铁。

1.1.3智能阻尼材料

智能材料顾名思义，就是一类具有自行感知、自行判断、自行适应特性的材料，当把这类材料与聚合物复合起来便制得智能阻尼材料，。它不仅有着聚合物本身的高阻尼特性，还继承了智能材料的一些特性，这便使得该类材料有着巨大的阻尼潜力，成为了阻尼材料领域的新研究方向。智能阻尼材料主要有压电阻尼材料、形状记忆合金阻尼材料和电（磁）流变体阻尼材料^[5]。

（1）压电阻尼材料^[6] 这类材料是通过压电粒子和聚合物高分子材料的复合而成，在受到外界作用而产生振动时，其中的压电粒子就能将振动能转化成电能，产生的电能再被导电粒子转化成热能耗散掉，通过这样一个能量不断转化的过程便能大幅耗散振动能，从而使得这类材料具有优良的减振降噪效果。

（2）形状记忆合金阻尼材料 某些合金材料在一次变形后，通过物理手段再次进行处理，其形状又能恢复到初始状态的现象。通过热、光、电、化学或机械等外加刺激形状记忆合金材料，触发其作出响应，便可改变材料的形状、位置、应变、频率、摩擦和动态或静态特征等参数。目前应用最广泛的形状记忆合金阻尼材料主要有和Ti-Ni合金、Mn-Cu系合金等。

（3）电（磁）流变体阻尼材料 磁流变和电流变阻尼材料的阻尼机理类似，当材料受到外界作用力时，由液态转化为固态时储存能量，由固态转化为液态时将储存的能量以热能的形式释放，从而起到阻尼的作用。

1.1.4复合阻尼材料

对于传统的均质材料来说，很难同时兼顾力学性能和阻尼性能，因此人们便想出通过不同材料的复合处理来同时满足一定的力学性能和阻尼性能，目前制备轻质高强且具有高阻尼的复合材料成为主要研究课题。目前，复合阻尼材料主要包括树脂基阻尼复合材料和金属基阻尼复合材料^[7]。

（1）树脂基阻尼复合材料 树脂基阻尼复合材料中由于树脂的存在，所以其阻尼机理与粘弹性阻尼材料的阻尼机理非常类似，也因此拥有着良好的阻尼性能。再加上增强体的存在，树脂基复合材料便能够有效兼顾力学性能和阻尼性能，因此，树脂基复合材料是一种很有发展前景的阻尼材料。目前，纤维增强聚合物阻尼复合材料由于其优异的性能，成为研究和应用最广的阻尼材料之一。

（2）金属基阻尼复合材料 金属本身具有良好的力学性能，但单一金属的阻尼性能较差，所以在其中加入颗粒、纤维等填充物制成复合材料能够有效提高材料的阻尼性能，从而制得既有良好阻尼性能又有良好力学性能的阻尼材料。

1.2 纤维增强聚合物阻尼复合材料

纤维增强聚合物复合材料由纤维和阻尼聚合物复合而成，聚合物本身的阻尼性能就非常优越，再与纤维复合，不仅提高了材料的力学性能，又由于这两种材料的模量不同，在受到同样的载荷作用时这两种材料的形变量便会不同，因此会产生相对应变，增加体系耗能，产生阻尼。

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