结构阻尼混杂复合材料研究进展

纤维增强树脂基复合材料因其比强度比模量高、阻尼减振性能优异等优点已成为航空航天领域重要的结构材料。混杂化是实现复合材料结构承载与阻尼性能一体化的有效途径。本文以近十年结构阻尼混杂复合材料研究为基础,从微纳颗粒混杂、层内编织混杂、层间铺层混杂和插层结构混杂四个方面对结构阻尼混杂复合材料的阻尼减振性能进行了详细分析。指出了结构阻尼混杂复合材料在阻尼减振领域应用存在的问题并给出了建议。     

三维混杂碳纤维/芳纶纤维增强尼龙复合材料力学性能研究

制备了三维混杂碳纤维／芳纶纤维增强尼龙复合材料(HY／PA)并对其力学性能进行了测试。研究表明：由于芳纶纤维的加入，使碳纤维增强尼龙复合材料(CF／PA)的抗冲击性能有了显著提高，HY／PA的抗冲击强度随芳纶纤维体积分数的增大而有所提高；另外，HY／PA在改善CF／PA的横向剪切强度的同时，也改善了芳纶纤维增强尼龙复合材料(KF／PA)的纵向剪切强度；同时，混杂效应对HY／PA的弯曲性能的影响最为显著，HY／PA的弯曲强度、弯曲模量均高于任一种单一纤维复合材料。     

热压压力对B/Al复合材料组织结构及力学性能的影响

使用表面覆有B4C涂层的硼纤维，采用大气等离子喷涂法制备连续硼纤维增强铝基复合材料预制片，结合真空热压扩散焊制备了纤维均匀分布的B／Al复合材料。探讨在接近铝基体熔点温度的条件下热压压力对复合材料力学性能与B／Al界面结合的影响，分析了B／Al界面结合状态与断口形貌及力学性能之间的关系。研究表明：热压压力对制备的B／Al复合材料的纤维体积分数、B纤维与Al基体的界面结合状态和拉伸强度有显著的影响；纤维表面的B4c涂层有效地防止了B纤维与Al基体间的界面反应，在温度6500C、压力10MPa的条件下，制备的纤维体积分数为42％的B／Al复合材料拉伸强度达到968MPa，达到了纤维理想强度的77％。     

低温用碳/ 环氧复合材料性能

针对复合材料在液氮温度下的应用需求,采用RTM工艺制备了几种碳/环氧复合材料,评价了这几种复合材料在80℃、室温和-196℃下的弯曲、压缩、层剪、冲击性能和室温下的GⅠC、GⅡC。结果显示:随着测试温度的降低,复合材料的弯曲强度、压缩强度、冲击强度明显提高;而低温对复合材料模量的影响较小。树脂基体的韧性对复合材料的强度、模量等性能影响不大,而碳纤维种类对复合材料的强度和模量影响较大。树脂基体韧性和碳纤维种类均不改变复合材料力学性能随测试温度变化的趋势。树脂基体韧性和碳纤维种类均会影响复合材料的层间断裂韧性,其中高韧性树脂基体可更加明显地提高复合材料的层间断裂韧性;M40级经编织物/R608-2复合材料GⅠC高达868 J/m2、GⅡC高达2 750 J/m2,但采用高韧性基体的复合材料Tg会有所降低。     

M40-T300／BADCy混杂复合材料的研究

利用单向铺层模压工艺制备了M40-T300/BADCy单向层内和层间混杂复合材料,研究了混杂方式、混杂比及铺层顺序对混杂复合材料的拉伸性能、弯曲性能及层间剪切性能的影响规律.结果发现,层内混杂复合材料的性能介于两种单一复合材料之间,T300纤维含量越高,强度越大,M40纤维含量越高,则模量越大.以T300纤维为芯层,M40纤维为外层的层间混杂复合材料([(M40)1/(T300)3]s)具有与M40/BADCy复合材料相近的弯曲模量及与T300/BADCy复合材料相近的层间剪切强度,适合作为航天飞行器结构材料使用.     

胶含量对CF/BF复合材料性能的影响

制备了碳纤维/玄武岩纤维(CF/BF)增强酚醛树脂复合材料,研究了复合材料层合板不同胶含量对其层间剪切强度、热传导和耐烧蚀性能的影响。结果表明:CF/BF复合材料,在胶的体积分数为35%时,复合材料经纬向层间剪切强度达到最大值21和20 MPa;在胶的体积分数为39.5%处,热导率和线烧蚀率出现最低值0.366 W/(m.K)和87μm/s。CF/BF混杂纤维复合材料性能符合混杂纤维复合材料性能混杂效应规律。     

预氧丝网胎体积分数对针刺C/ C 复合材料力学性能的影响

以预氧丝网胎体积分数为35%、40%和45%针刺织物为坯体,经数次沥青浸渍/炭化、高温石墨化处理后制备C/C复合材料,测定并分析这三种材料的拉伸、压缩、弯曲和剪切强度;采用扫描电子显微镜对其断口形貌进行观察,研究预氧丝网胎体积分数对C/C复合材料力学性能的影响。结果表明:材料的z向力学性能(除了压缩强度)随着预氧丝网胎体积分数的增加呈单调递增关系,材料的xy向力学性能受预氧丝网胎体积分数影响较小。扫描电镜观察显示:材料z向强度主要与针刺形成的轴向纤维束多少、分布等有关。     

正交复合材料压缩性能的研究

本文主要研究了正交玻璃纤维、碳纤维和碳/玻混杂纤维复合材料薄板的压缩性能。结果表明,铺层顺序对正交复合材料薄板的压缩强度有较大的影响,铺层顺序相同时,正交碳纤维复合材料的压缩强度和模量均高于所对应的玻璃纤维复合材料。具有0°向碳纤维铺层的正交混杂复合材料,其压缩模量具有负的混杂效应。     

原位聚合法制备三维编织纤维增强尼龙复合材料

选择液态原位聚合法成功地制备出性能较好的三维编织碳纤维增强尼龙6复合材料(C3D／PA6)及三维编织芳纶纤维增强尼龙6复合材料(K3D／PA6)；并对两种复合材料的力学性能进行了比较。研究发现，C3D／PA6的弯曲强度和弯曲模量均高于K3D／PA6，而K3D／PA6则比C3D／PA6具有更高的抗冲击强度和剪切强度。     

G/K织物混杂增强复合材料层合板冲击损伤特性研究

采用空气炮实验装置、渗透剂增强的X射线照相法和高强光背射法对中心受到横向冲击的G／K织物混杂增强复合材料层合板的冲击损伤情况进行研究，讨论了G、K织物交替铺层时层合板的应力特征与损伤状况，分析了面、背板与芯板材质变化时层合板的应力与冲击损伤的关系、铺层角变化时层合板的损伤特征。结论强调指出，为提高复合材料层合板的抗弹能力，应采用混杂铺层、铺层角的错配方式，并避免将Kevlar作为背板使用。     

混杂纤维复合材料吸湿行为研究

 本文采用80℃水浸的方法,研究了不同类型混杂复合材料层压板的吸湿行为,找到描述混杂复合材料吸湿规律方程。同时,从理论上对混杂复合材料的平衡吸湿量及湿扩散系数进行了分析,建立了数学表达式,理论与实验较好吻合。     

Damping of Ni-Mn-Ga epoxy resin composites

By combining the advantages of effcient damping and high mechanical properties,Ni-Mn-Ga particle composites have a very good prospect for applications in damping structure design.In this paper,a ferromagnetic shape memory alloy Ni-Mn-Ga composite is prepared.Ni-Mn-Ga particle/bisphenol-A epoxy composite cantilever beam vibration tests under a magnetic feld and without the magnetic feld are conducted to analyze the structural damping ratios n.Meanwhile,the damping characteristics of the Ni-Mn-Ga composite are studied through the axial loading-unloading method and the acoustic emission signals method.The damping coeffcient of the composite for different Ni-Mn-Ga volume fractions is obtained.The interface properties of the composite are discussed by micro examination and axial loading.The relationships between the damping of the composite and that of the component materials are discussed.The specifc damping capacity（SDC）and acoustic emission counts diagram of different specimens with different Ni-Mn-Ga volume fractions are analyzed.     

约束阻尼型镗杆的优化及减振性能

孔加工过程中镗杆的切削颤振影响着表面加工质量和加工精度,约束阻尼型镗杆可有效抑制这种切削振动,但其作用机理未被完全研究清楚,导致其抑制振动的效果一般。对约束阻尼型镗杆的结构优化、材料优选及减振性能进行了理论和实验研究。首先,根据Kelvin-Voigt粘弹性力学模型理论建立了镗杆的动力学模型,研究证实增大镗杆的静刚度和结构损耗因子能提高其减振性能从而提高孔加工质量;其次,基于建立的约束阻尼型镗杆静刚度和结构损耗因子理论公式,对其进行结构优化、材料优选。结果显示:存在一个最佳尺寸范围可减小镗杆在主要工作频域段上的振动,同时所选用的阻尼层应具有较小的弹性模量和较大的材料损耗因子,约束层材料应具有较大的弹性模量;最后,设计制造4种不同材料的约束阻尼型镗杆,通过模态实验获得静刚度、结构损耗因子,并与理论计算结果进行对比分析,同时研究切削过程中约束阻尼型镗杆的材料及切削参数对减振性能的影响。结果显示:约束阻尼型镗杆能有效减小径向振动以提高加工质量,不同材料的约束阻尼型镗杆在切削过程中径向振动差别较大,优化后的钢-PMMA-硬质合金镗杆在不同切深及转速下的径向振动加速度较小且更加稳定。     

单一及混杂的多向复合材料热膨胀系数的研究及零膨胀的设计

对多向复合材料(包括单一及混杂纤维复合材料)在室温至150℃温度范围内的热膨胀性能进行研究,推导了热膨胀系数(CTE)的理论计算公式,对零膨胀的多向复合材料的铺层设计进行了探讨,并对部分零膨胀复合材料铺层结构进行了预测,其结果与实验值基本吻合。     

考虑阻尼性能的复合结构多尺度拓扑优化设计

最优阻尼复合结构应该是阻尼材料自身的材料性能和阻尼材料在板壳结构上的分布形态均是最优的。针对板壳阻尼复合结构的多尺度设计问题,建立了基于非比例阻尼模型的复合结构多尺度拓扑优化方法,实现了阻尼材料在宏微观两尺度上的协同设计,同时获得最优的阻尼材料宏观分布形态和微观构型。以结构模态阻尼比为目标,分别研究了复合结构的单目标和多目标多尺度设计问题。结果表明,在单目标设计中,当最大化结构的某一阶模态阻尼比时,优化后结构的该阶模态阻尼比最大,同时结构在该阶处的频率响应最小;在多目标设计中,以结构前3阶模态阻尼比之和为目标,虽然在每一阶处的性能劣于单目标设计结果,但是结构前3阶模态阻尼比的总体性能更优。同时,从微结构的构型可得,最优的微结构构型中低刚度高阻尼材料的分布相互连接,其损失模量（微结构复弹性矩阵的虚部）和阻尼因子（微结构复弹性矩阵的虚部与实部之比）都相对较高,且呈现负泊松比现象。优化后复合结构的动力学性能显著提高。     

层间混杂层合板弹道冲击损伤对比研究

降低树脂基碳纤维层合板的弹道冲击损伤范围对降低飞行器的易损性有重要意义。分别对表面铺覆玻璃纤维和芳纶纤维构成层间混杂的复合材料层合板进行气炮冲击试验,运用超声无损检测方法测量层合板的弹道冲击损伤范围,并进行对比研究。结果表明:与非混杂层合板相比,给碳纤维层合板表面铺覆玻璃纤维或芳纶纤维均可减小弹道冲击穿透性损伤的范围,混杂玻璃纤维效果更好,但混杂界面均容易发生大范围分层损伤,应避免将玻璃纤维等韧性铺层铺覆在冲击背面。     

混杂纤维复合材料层板的抗弹冲击性能

为了考察混杂纤维复合材料层板的抗弹冲击性能,采用碳纤维织物或玻璃纤维织物与芳纶纤维织物复合材料层共固化的方式,利用热压罐成型工艺制备了几种具有不同面密度及铺层结构的混杂纤维复合材料层板,并进行抗弹冲击性能测试、表观形貌观察和无损检测分析。结果表明:纯芳纶纤维及混杂纤维复合材料层板的钢弹冲击破坏模式相同,均为表层剪切破坏,中间层分层破坏,背层拉伸断裂破坏;层间混杂顺序对复合材料层板的分层缺陷面积有较大影响,当碳纤维层作为背层时,层板的分层缺陷面积为12 863. 6 mm2小于玻璃纤维层作为背层时(17 400. 5 mm2);当芳纶层作为背板时,混杂纤维复合材料层板冲击后分层缺陷面积与纯芳纶的相当(14 151. 0～14 927. 0 mm2)。混杂纤维复合材料对层板的抗弹冲击性能有较大影响,混杂后复合材料的弹道极限速度(v50)均有一定程度的提高,其中玻璃纤维/芳纶复合材料的v50从纯芳纶复合材料层板的193. 08提高至204. 33 m/s。将碳纤维层或玻璃纤维层作为着弹面层的混杂纤维复合材料层板具有更优异的抗弹冲击性能,其贯穿比吸能(BPI)均优于纯芳纶复合材料层板。     

碳纤维增强复合材料结构阻尼性能研究

碳纤维增强复合材料的阻尼性能对所应用结构的动态承载能力、可靠性和安全性有重要影响。复合材料阻尼机理复杂,很难采用理论方法研究。本文基于瞬态激励法原理,设计了悬臂梁振动试验,利用有理分式多项式法提取试样的模态频率和模态损耗因子。分别对603和603A两种树脂基体,各三种T300纤维铺层方向的复合材料试样进行了振动测试,获得了材料1 kHz以内的动刚度和阻尼特性。结果表明,基体材料组分和纤维铺层方向对碳纤维增强复合材料的结构刚度和阻尼性能有重要影响;603A基体的碳纤维增强复合材料具有较603基体材料更好的损耗因子。铺层方向对结构阻尼的影响主要是通过对结构刚度的影响而体现出来的,不同纤维铺层方向的复合材料试样刚度差别很大。     

复合材料层合板的振动模态试验研究

采用逐点激励单点测试（SISO）的方法,在自由状态和一端固支状态下对无损伤和含开孔损伤的复合材料层合板进行了模态试验和模态识别.根据测量得到的试验件的频率、阻尼和振型等模态参数,分析了层合板在不同边界条件下开孔损伤位置和开孔损伤大小对层合板的振动特性的影响.结果表明：复合材料层合板具有优越的阻尼特性;试验获得的振动特性与相关文献中的结果一致;开孔损伤位置和开孔损伤大小对层合板的振动特性有明显影响.