阻尼功能复合材料课件

阻尼功能复合材料阻尼功能复合材料减震降噪的最佳材料阻尼功能复合材料•8.1阻尼功能复合材料概述随着现代科学技术的发展，对振动、冲击、噪声的控制日趋需要。因此，减震降噪技术及其相关材料收到了普遍重视。按照不同原理，减震控制分为被动控制和主动控制，被动控制包括材料和结构的阻尼，通过将振动能量衰减或转化成热能、机械能等达到减震降噪的目的；主动控制一般由传感器和驱动器与一个反馈回路构成，既能感知环境变化又能通过反馈电路做出响应，减少或者消除受振动结构的应力，达到抑震目的。具有阻尼作用的被动控制大概有以下几种：1、粘贴或涂覆材料2、用减震合金或复合材料制造结构体3、附加机械减震器4、改变结构体刚性。其中阻尼减震是比较简单、有效的方法，应用很广泛。（一）操作方法1.复合材料的阻尼性能2.阻尼功能复合材料的应用实例3.阻尼功能复合材料的发展前景与研究方向阻尼功能复合材料的发展阻尼功能复合材料8.2复合材料的阻尼性能当材料受到力的振动波作用时将消耗弹性能量，阻尼性能用来描述材料消耗的能量。材料阻尼性能的优劣可用比阻尼系数，损耗角正切对数衰减比和品质因数的倒数（Q-1）来评价。不同的材料阻尼性能各异，对于金属或合金材料，阻尼机理可以分为缺陷阻尼，热弹性阻尼，磁阻尼和黏性阻尼。后三种阻尼是由外部环境引起的。缺陷阻尼包括点缺陷阻尼，位错阻尼，晶界阻尼和界面阻尼。无机非金属材料中，除石墨是由于内部特殊的晶体结构而表现为高阻尼外，一般均呈现高强，高刚，低阻尼的特性。阻尼功能复合材料复合材料具有单一材料所没有的综合特性，如高比强度，高比刚度等。在工程应用中若要获得优良阻尼效果，材料阻尼层不但要有高损耗因子，还要有高弹性模量。模量越大，阻尼效果越好。然而随着材料阻尼的增加，其刚度总会下降。所以要求高刚度，高阻尼的综合性能，复合材料是最佳选择。阻尼功能复合材料主要有聚合物基和金属基阻尼复合材料。阻尼功能复合材料8.2.1金属基复合材料•金属基复合材料（MMC）具有强度和刚度高的特性，是发展高强度，高刚度，高阻尼而密度较小的结构与阻尼功能一体化新型材料的理想选择。•事实上，多数的金属基复合材料都具有比基体合金材料稍好的阻尼性能。原因可归结为第二相的加入增加了基体中的位错密度和晶体缺陷，第二相本身有更好的阻尼性能，以及两相结合界面吸收振动能量等。但是金属基复合材料的阻尼性能仍处于较低的水平，室温时大多处在比阻尼系数小于1%的低阻尼范围，远不能适应尖端领域的应用要求。阻尼功能复合材料提高或改善金属基复合材料的阻尼性能可以采用以下方法1.用高阻尼基体金属选择阻尼性能好的金属作为制备金属基复合材料的集体，如An-Al，Mg-Zr等，将它们与常用的增强剂（碳纤维，石墨纤维等）复合，此类复合材料中，阻尼性能由基体金属提供，以Zn-Al合金为基体，以石墨纤维，碳纤维，颗粒和晶须等为增强物的金属基复合材料，由于Zn-Al合金的阻尼产生于两相的塑形流动，增强物的加入不会改变这种情况，所以此类复合材料的阻尼性能提高和力学性能都达到较高的水平。阻尼功能复合材料2.用高阻尼增强物因为纤维的弹性模量通常远大于基体和复合材料的弹性模量应变能主要集中在纤维上，所以纤维对复合材料阻尼性能的贡献是主要的，采用石墨颗粒作为高阻尼增强物的作用，是与铸铁中石墨片变形洗手振动能量的作用一样，把片状石墨加到Al或其他金属基体形成的金属基复合材料中可大大提高阻尼性能。例如用SiC颗粒和石墨颗粒混杂的方法可以制备刚度和阻尼俱佳的复合材料。此类混杂复合材料的阻尼由石墨颗粒贡献，刚度主要由SiC颗粒贡献。3.设计高阻尼界面层金属基复合材料的阻尼性能与其实际界面层的性能有关。根据界面层阻尼理论，一定厚度的强结合界面层本身的阻尼性能对复合材料的阻尼有极大的影响;而弱结合界面层，其内发生的微滑移对复合材料的阻尼做出更多贡献。另外，金属基复合材料的阻尼性能也受频率和温度的影响。阻尼功能复合材料近年来，泡沫金属的阻尼性能引起了人们的注意。泡沫金属的阻尼性能虽不如黏弹性材料，但却明显高于阻尼合金，不过它的力学性能远不如后者；损耗因子越高，泡沫金属的力学性能越差，可以说，泡沫金属是以牺牲力学性能来换取高的阻尼细嫩。阻尼功能复合材料8.2.2聚合物基阻尼功能复合材料的阻尼性能阻尼功能复合材料图8-1（a）示出两种聚合物基复合材料，即尼龙纤维增强氯丁橡胶(CR)和聚酯纤维（PET）增强氯丁橡胶复合材料内耗（tanδ）与温度的关系，图8-1（b）示出原材料的tanδ与温度的关系。复合材料的阻尼行动为（内耗）系由基体的贡献和相间界面的贡献构成。一般情况下增强体贡献很小，可以忽略。阻尼功能复合材料对于高聚物，阻尼行为与振动频率，温度密切相关阻尼功能复合材料•如果聚合物基体交联密度降低或添加适当的填料，会减少分子链段运动的阻力。当材料受到外力作用时，会有更多的分子参与构型转化，使链段内摩擦运动自由度增大，也加剧了聚合物分子与填料间的相互作用。这两种运动的作用提高了材料的力学损耗，阻尼增大。•要取得良好的阻尼效果，必须研制出在所需温度，频率范围内具有宽温域，宽频带，高内耗阻尼的材料。一般聚合物材料内耗峰的温度范围很狭窄，不能作高要求的工程阻尼材料，必须采取多种途径来拓宽材料阻尼温度，提高损耗因子值。采用纤维或例子增强的复合材料是一种有效的方法、阻尼功能复合材料•8.2.3金属与聚合物叠层阻尼功能复合材料根据阻尼消振动原理，具有夹芯阻尼层结构的阻尼性能优于单一材料结构的阻尼性能，在VIRALL叠层板中，环氧树脂有很高的振动衰减损耗因子，对维尼纶纤维/环氧树脂层（VFRE）的阻尼贡献较大。同时因维尼纶本身的黏弹性，使VFRE层具有较高的阻尼性能。另外，铝合金板与VFRE层复合，使VIRALL层板的振动能向热能的转换途径增多，如VFRE层的黏弹性行为，纤维与树脂的界面内摩擦，VFRE层与Al层的界面作用，材料的非均匀性引起的应力变化等等。阻尼功能复合材料8.2.4聚合物基阻尼功能复合材料的阻尼机理复合材料的阻尼机理与常规的金属和合金材料的完全不同，纤维增强复合材料不同的阻尼机理有以下几个方面。1.基体和香味材料的固有黏弹性一般来讲，复合材料阻尼的主要贡献来自于基体，但是，碳纤维和Kevlar纤维相比其他纤维而言，材料本身阻尼较高，因此分析时必须考虑它们的阻尼。2.界面相的阻尼界面相是指邻近纤维表面，具有一定厚度的区域，它具有与纤维和基体不同的性质。作为纤维和基体之间的几何和材料不连续的结果，界面相内存在有相当高的剪切应变，这就为耗散能量提供了前提。阻尼功能复合材料由于材料破坏引起的阻尼主要包含两个擂响：一是纤维和基体之间的界面存在未黏合区域以及分层而引起的摩擦阻尼；二是由于基体开裂和纤维断裂的能量耗散引起的阻尼。黏塑形阻尼在大振幅/高应力情况下，特别是热塑性复合材料，由于在纤维之间的局部区域内存在高应力和应变集中而表现出非线性的阻尼特性。热弹性阻尼这是由于从复合材料压应力区域到拉应力区域的循环热流动而引起的。在上述集中阻尼机理中，一般认为第一种机理为主要机理，大多数阻尼研究都集中于此。阻尼功能复合材料8.2.5提高复合材料阻尼性能的措施提高复合材料阻尼较为常规的方法是在结构表面作阻尼处理，这种方法用黏弹性阻尼材料粘贴在结构的表面，上面再覆盖一层约束层。当结构振动时，能量将由黏弹性层的剪切运动所消耗，从而提高了结构的阻尼，但是表面阻尼处理方法增加了约束层的质量。最近研究表明，共固化阻尼层的使用是提高复合材料结构的一种有效途径。阻尼功能复合材料要增加复合材料结构的阻尼，高阻尼材料的较大剪切应变都是必要的，仅有两者中任何一个都是不够的，因为纤维和基体弹性刚度的不匹配，纤维/基体界面中存在较大的剪切应变，所以在该剪应变区域中加入高阻尼材料也是增加复合材料的阻尼。如果纤维体积分数保持不变，只增加涂层的体积分数，复合材料的阻尼随之增加，这是从微观角度提高复合材料的一种有效方法。阻尼功能复合材料纤维增强复合材料的阻尼具有各向异性和高度可调整性，并依赖于微观结构的排列，把改善并调整阻尼，提高机械性能，减轻质量的结束综合起来进行优化研究将使复合材料结构具有良好的动态性能，在这方面有必要作进一步研究。阻尼功能复合材料8.3阻尼功能复合材料的应用实例以聚合物为基体的纤维增强复合材料具有一定的黏弹性力学性能。此外由于基体材料和纤维界面上存在着微裂纹和局部脱黏现象，纤维和基体之间有微小的局部相对运动，同时存在着摩擦力。由于黏弹性和界面摩擦力的作用，一部分动能会转化成热能耗散掉，这使纤维增强聚合物复合材料具有良好的阻尼特性，可以用来制造运动阻尼零部件。结构的自振频率除了与结构本身的形状有关外，还与结构材料的比模量的平方根成正比。纤维/聚合物复合材料具有高的比模量，因此具有高的自振频率，通常可以避开工作频率，防止共振现象的翻身。这使得采用纤维/聚合物复合材料制造承受动载荷的结构具有更大的优越性。阻尼功能复合材料阻尼功能复合材料•在两层钢板之间夹有高聚物阻尼材料制得的层压复合钢板，包括对称型和非对称型两种阻尼功能复合材料阻尼功能复合材料这种复合钢板具有很好的减震降噪性能，可用于制造汽车发动机油底壳，发动机盖，齿轮盖，曲轴箱壳，摇臂套，泵托架等零件，也可以用于制造电机外壳，变压器壳，扬声器框架，机械设备和仪器外壳等另加，充分发挥其减震降噪的功能能够。在建材领域，则用钢板被用来制造体育馆的地板和屋顶，可以明显减弱雨点打击产生的噪声。也可用于制造普通楼房的门，车库卷帘门及外楼梯等。在家电领域可用于制造洗衣机，空调等，以达到减震降噪的目的。阻尼功能复合材料8.4阻尼功能复合材料的发展前景与研究方向单阻尼减震器阻尼功能复合材料灵敏度极高，阻尼极佳阻尼功能复合材料智能观察的图片阻尼功能复合材料•飞机炮梁铝基阻尼材料•航空航天领域。由于复合材料热稳定性好，比强度、比刚度高，可用于制造飞机机翼和前机身、卫星天线及其支撑结构、太阳能电池翼和外壳、大型运载火箭的壳体、发动机壳体、航天飞机结构件等。•汽车上的阻尼功能复合材料零部件•汽车工业。由于复合材料具有特殊的振动阻尼特性，可减振和降低噪声、抗疲劳性能好，损伤后易修理，便于整体成形，故可用于制造汽车车身、受力构件、传动轴、发动机架及其内部构件•碳纤维阻尼功能复合材料内胎的自行车阻尼功能复合材料碳纤维自行车阻尼功能复合材料飞机机翼阻尼功能复合材料•化工、纺织和机械制造领域。有良好耐蚀性的碳纤维与树脂基体复合而成的材料，可用于制造化工设备、纺织机、造纸机、复印机、高速机床、精密仪器等。•碳纤维阻尼材料的支架•碳纤维复合材料具有优异的力学性能和不吸收X射线特性，可用于制造医用X光机和矫形支架等。碳纤维复合材料还具有生物组织相容性和血液相容性，生物环境下稳定性好，也用作生物医学材料。•此外，复合材料还用于制造体育运动器件和用作建筑材料等。阻尼功能复合材料