摘 要

纤维增强树脂基夹层复合材料的阻尼结构既具有粘弹性材料阻尼性能好的特性，又具有纤维增强树脂基复合材料优良的力学性能，对于工程中减振降噪，提升机械设备的精准性和使用寿命，改善人机环境乃至生产生活环境都具有很重要的意义。夹层复合材料阻尼结构由于其优良的减振降噪能力在工程中发挥了相当大的作用。

本文研究了夹层复合材料阻尼结构阻尼性能的一些影响因素，并在此基础上提出了设计和优化建议。

从树脂基体和增强体两方面入手，在树脂基体方面，先使用不同种类固化剂固化相同树脂，研究了其对树脂体系阻尼性能的影响，结果表明在固化剂体系中，提高具有较多柔性基团和较长链长的固化剂含量会使固化产物的阻尼性能提高；然后研究了CDY-128与CER-170的不同配比对树脂体系阻尼的影响，发现在CYD-128:CER-170=8：2时，树脂体系的阻尼性能最佳，且体系的有效阻尼温域处于室温附近。

在增强体方面，首先以三维织物为增强体制备了中空夹层结构，然后将阻尼树脂填充到中空结构中固化形成芯材，再用INV阻尼计法测试夹层复合材料阻尼结构的损耗因子和阻尼比，并测试结构的弯曲性能和冲击韧性。测试结果显示经阻尼树脂填充的三维织物夹层结构阻尼性能随阻尼树脂的阻尼性能变化而变化，而且弯曲性能和冲击韧性均有很大提高。

关键词：三维间隔连体织物，复合材料，阻尼结构，环氧树脂体系，阻尼性能

Abstract

Fiber reinforced resin matrix laminated composite damping structure not only has the characteristics of the damping properties of viscoelastic material are good, and has a fiber reinforced resin matrix composite has good mechanical properties, for engineering in reducing vibration and noise, enhance precision machinery and equipment and service life, to improve the human environment and the production and living environment has very important significance. Due to its excellent vibration and noise reduction ability, the sandwich composite material has played a considerable role in the engineering.

In this paper, some influence factors of damping capacity of sandwich composite materials are studied, and the design and optimization suggestions are put forward.

Starting with the resin matrix and the strengthening body, in the aspect of resin matrix, the first use of different kinds of curing agents for the same resin, the influence on the damping properties of the resin system was studied. The results showed that in the curing agent system, improve with more flexible groups and longer chain length of curing agent content would result in the increase of the damping properties of the cured product, and then study the influence of different ratios of CDY-128 CER-170 for resin system damping, found in the CYD-128:CER-170=8:2, resin system damping performance best, and system the effective damping temperature range at near room temperature.

In strengthening the body, first of all on the three dimensional fabrics in order to enhance the system by the hollow sandwich structure, then damping resin to fill the hollow structure in curing forming a core material, then the inv damping meter testing method for laminated composite damping structures and loss factor of damping ratio, and to test the structural bending property and impact toughness. The test results show that the damping capacity of the sandwich structure of the three dimensional fabric filled with damping resin varies with the damping capacity of the damping resin, and the bending performance and impact toughness are greatly improved.

Keywords: 3D spacer fabric, composite, damping structure, epoxy resin system, damping property

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 1

1.1.3阻尼复合材料 2

1.2 纤维增强聚合物阻尼复合材料 2

1.3夹层结构阻尼复合材料 3

1.4 阻尼性能的表征及测试方法 4

1.4.1材料阻尼的测试—DMA法测试材料阻尼性能 4

1.4.2 结构阻尼的测试—DASP智能数据采集分析系统 4

第2章 阻尼树脂阻尼性能的研究 6

2.1 实验过程 6

2.1.1 实验仪器与原料 6

2.1.2 实验方法 7

2.1.3 阻尼测试与表征 8

2.2 结果与讨论 8

2.2.1固化剂种类和含量对阻尼树脂体系阻尼性能的影响 9

2.2.2刚性环氧CYD-128与脂环族环氧CER-170配比的影响 9

2.3本章结论 11

第3章 三维间隔连体织物夹层复合材料阻尼结构及其基本阻尼性能和力学特性 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

3.1.3测试与表征 14

3.2 结果与讨论 14

3.2.1三维织物对夹层复合材料阻尼结构性能影响 14

3.2.2 阻尼树脂种类的影响 15

3.3 本章结论 18

第4章 结论 19

第1章 绪论

随着工业的发展，机械设备的振动及其产生的噪声已经成为环境污染的主要来源之一。这种振动和噪声不仅使工作、生活环境变得恶劣，对机械设备操作人员身心健康产生危害，同时也会使设备内电子元件失灵甚至失效，严重影响了机械设备运行的稳定性和准确性，最终可能造成严重的不良后果，因此，降低机械设备的振动及噪声以改善人机工作环境，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。阻尼是系统消耗振动能或声能快慢的物理量。系统的阻尼越大，其消耗振动能或声能的能力越强，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，以此来减弱振动能量。

现有的阻尼技术主要有材料阻尼、结构阻尼和系统阻尼。系统阻尼是在系统中安装专用的阻尼器（阻尼器是安装在结构系统上用来耗减运动能量的装置），如减震弹簧、冲击阻尼器等；结构阻尼是在体系的振动结构上附加阻尼结构以减轻振动从而达到提升系统阻尼性能的目的。材料阻尼则是依靠材料本身所具有的高阻尼特性达到减振降噪的目的，它与材料内部的微观或宏观结构有关。

优化现有的阻尼技术，设计并制备力学性能和阻尼性能优越并且适用于机械设备使用温度范围的阻尼结构是一项相当重要的课题。

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，能适用于各种不同环境中阻尼材料也相继产生，目前的阻尼材料主要有以下几种：

1.1.1粘弹性阻尼材料

粘弹性阻尼材料具有相当高的阻尼性能，其阻尼机理是由于其同时具有某些弹性固体能够储存能量和某些粘性液体能够耗散能量的特性，故其在受到交变应力作用时，可以储存部分能量然后耗散掉另一部分的能量。这种能量的损耗表现为阻尼^[2]。

早期的粘弹性阻尼材料组分单一，其阻尼性能基本不具备可设计性，因此应用不广；后来又相继发展了许多材料改进方式，这些改进方式大大加强了粘弹性阻尼材料阻尼性能的可设计性使其应用范围大大拓宽了。

1.1.2金属类阻尼材料

金属阻尼材料按其阻尼机理的不同可细分为以下几类：

（1）位错型 位错类合金中存在许多可动位错，这些位错在交变应力的作用下产生振荡，并与杂质原子相互作用而脱离杂质原子的束缚，从而消耗能量。纯Mg、阻尼Mg合金及阻尼Mg基复合材料的阻尼机制都是位错型。

（2）孪晶型 孪晶型阻尼的阻尼机制是热弹性马氏体在受到交变应力时，孪晶界面发生重排并产生非弹性形变，使得应力松弛而产生阻尼。孪晶型阻尼的合金主要有Mn-Cu、Mn-Ni合金等。

（3）铁磁型 铁磁型阻尼合金属于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而变得有序；当离开磁场后，磁畴不能回到未激发的状态而产生了应变，造成滞后效应产生阻尼。Fe-Al系和Fe-Cr系合金都属于铁磁型阻尼合金。

（4）超塑性型 一些合金的晶界和相界面在交变应力的作用下会发生塑性流动，从而引起应力松弛产生阻尼，被称为超塑性阻尼。Zn-Al合金是最常见的超塑性阻尼合金^[3]。

1.1.3阻尼复合材料

传统的单一材料不能同时兼顾阻尼性能和力学性能，通过对材料的复合处理，制备既具有较高强度同时又有较好阻尼性能的阻尼复合材料是当前研究的中点^[4]。阻尼复合材料可以分为以下两类：

（1）金属基阻尼复合材料 制备金属及阻尼复合材料的方法有在金属基体中添加别的粒子、将金属板进行粘合、将金属板与树脂复合处理等。金属基复合材料的阻尼性能主要来自三个方面：金属板、添加物以及金属板和添加物之间界面的相对滑动^[5]。

（2）聚合物基阻尼复合材料 聚合物基阻尼复合材料由于其阻尼性能的主要来源是聚合物基体，而基体多为高阻尼性能的粘弹性材料，因此其阻尼性能和阻尼机理与所使用的粘弹性材料的有很大关联。纤维增强聚合物阻尼复合材料是聚合物基阻尼复合材料的一类，由于其各种优异的性能，目前正成为研究和应用最广的阻尼材料之一。

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，因为纤维和阻尼聚合物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不同，故会产生相对应变，增加体系耗能，产生阻尼。纤维增强聚合物复合材料之所以具有比较优异的阻尼性能是由其纤维增强热固性聚合物复合材料的基本结构来决定的。

纤维增强聚合物阻尼复合材料主要有来自以下几个方面的阻尼机理：

1. 基体材料的粘弹性 由于基体对复合材料的性能起了主导作用，复合材料的阻尼性能主要也是来源于此。
2. 界面相的阻尼 体系能量耗散的前提就是基体与增强体界面存在的剪切应变。
3. 层间剪切 在受到应力作用时，复合材料由于层与层的模量不同，其发生的应变也不同，于是就会在层与层之间发生剪切，产生应力应变迟滞回线，造成阻尼。
4. 热弹性阻尼 在复合材料中存在从压应力区域到拉应力区域的循环热流^[6]，这种热流导致热弹性材料升温幅度很大，并产生了阻尼。

纤维增强树脂基阻尼复合材料是近年来发展起来的一种减振降噪材料，由于其特殊用途，所以发展很快。Fujimoto^[7]等研究了由单向碳纤维制成的“三明治”结构，发现其阻尼性能比一般碳纤维复合材料高很多。Trego^[8]等提出了一种高阻尼性能的结构设计，是在构造上采用非对称纤维增强夹层结构，其芯材为高阻尼的粘弹性层。范永忠^[9]等的研究表明碳纤维和玻璃纤维混杂铺层制备的复合材料其阻尼性能比单一纤维的高。Liao^[10]等研究了树脂含量对玻璃纤维复合材料阻尼性能的影响，结果发现体系胶含量在50%时阻尼性能最佳。