阻尼複合材料
學號 20080017 姓名倪鵬袁班級 090201
引言 隨著現代工業的發展, 振動工具和產生強烈振動的大功率機械不斷增多, 各種機械裝置在運轉及工作過程中帶來的振動危害也日益嚴重[1] 。在日常生活中, 這類振動和雜訊會給人們的生活和工作帶來影響, 危害人體的健康, 使人疲倦、耳鳴, 嚴重者甚至喪失工作能力[2] ,如果長期暴露在85db 以上的環境中,就會導致雜訊型耳聾[3, 4] 。在工程中, 振動和雜訊帶來的寬頻帶隨機激振會引起結構的多共振峰響應, 還會直接影響電子器件、儀器和儀表的正常工作, 嚴重時造成災難性後果。
在軍事中, 由於**裝備和飛行器的發展日趨高速化和大功率化, 各種飛行器在飛行過程中受到發動機和高速氣流的激勵, 所產生的振動和諧動響應而產生的結構疲勞是十分嚴重的。並且潛艇和氣墊船受到發動機的激勵, 產生的高分貝雜訊將嚴重影響戰鬥力。因此, 採用高阻尼材料或阻尼結構進行減振降噪成為解決上述問題十分有效的手段之一[4] 。
同時為了減少各種災害所帶來的影響, 對阻尼技術的研究已經成為迫切需要解決的事情。目前, 功能性阻尼材料已經在尖端**裝備、航天飛行器、航海、民用建築、環境保護等方面得到廣泛應用。
1 阻尼材料的發展歷史
第一階段是1784～2023年，在2023年cou1omb[5] 便指出金屬經受迴圈應變時，應力．應變曲線將形成滯後環，並有能量耗散。2023年，weber首次用扭擺的自由衰減測量了材料的阻尼。從2023年開始，聲學家們對有阻尼的振動系統進行研究。
rayleigh於2023年給出了線性、粘性阻尼離散系統和連續介質力學、聲學等系統的微分方程及一些方程的解，在此階段阻尼材料的研究才剛剛起步。
第二階段是1920—2023年，這一時期機器的運轉速度越來越高，振動問題成為高速旋轉機械、飛機及大型工程結構等的主要困擾。振動使得螺旋槳曲軸和水輪機葉片出現疲勞破壞，輪船的艙口產生疲勞裂紋，疲勞破壞使得第一架商務飛機墜毀，美國的tacoma na~ows大橋也由於水流導致的振動而損壞[6] ，從而使得振動控制成為工業生產的主要話題之一，人們開始就這一問題進行工程應用研究。
第三個階段是2023年至今，這一時期，有關阻尼的文獻逐年增加，如2023年有500篇，2023年則超過了2500篇。這一階段，人們開始定量描述阻尼對動態系統的影響，並於上世紀六七十年代發展起了一門涉及材料學、力學、機械學和環境科學等多學科的新技術，即阻尼技術[7] 。
2 阻尼機理
阻尼複合材料主要是通過基體、增強體以及兩者之間的介面摩擦阻尼來吸收振動機械能量,並將機械能轉化為熱能或其他形式的能量而耗散的功能材料。阻尼減振技術利用阻尼材料在變形時把動能變成為其他形式能的原理,降低材料結構的共振振幅和增加材料的疲勞壽命[8] 。因此,基體阻尼、增強體阻尼及介面阻尼構成了阻尼原理的三個主要的微觀機制,其疊加的結果決定了複合材料的巨集觀阻尼行為。
2. 1 基體材料阻尼
阻尼複合材料通常是通過基體的阻尼特性起到減振抗噪的目的。聚合物基體與金屬基體的阻尼特性是完全不同的。聚合物基體在處於剛性的玻璃態時,高分子鏈段的自由運動是受限制的,材料形變主要是由大分子鏈鍵長和鍵角的變化而引起,不能消耗機械能。
當聚合物基體中的分子鏈處於運動狀態時,分子鏈段發生相互運動時產生內摩擦,這需要克服阻力,需要一定的時間,將外部施加的機械能轉化為其他形式的能量[9 ] ,這就是基體材料阻尼的機制。
2. 2 增強體材料阻尼
阻尼複合材料的另一種減振方式是靠複合材料中的增強材料來消耗振動能量的。這些增強材料如纖維能起到增加材料的應變及損耗能量的能力。它能限制分子的運動,增加應力和應變之間的相位滯後;增強材料能限制分子長鏈相互轉換過程中的運動,從而增強能量的轉化,並增強了阻尼作用[10 ]。
2. 3 材料介面阻尼
大多數增強材料與基體樹脂在結構上存在很大差異,在物理和化學性質上不相容,因此兩者結合後,介面會影響複合材料的效能。而增強體與基體的結合面恰恰就是複合材料阻尼機制的**。介面阻尼是複合材料介面在外加應力的作用下發生相對的微滑移現象,從而消耗了從外界來的振動能量。
介面阻尼在複合材料中起到微觀阻尼的作用,從而增大了複合材料的阻尼效能。
3 分類
阻尼材料大致可分為粘彈性阻尼材料、高阻尼合金材料、復合阻尼材料和智慧型阻尼材料，其中復合阻尼材料包括聚合物基阻尼複合材料和金屬基阻尼複合材料，智慧型阻尼材料主要包括壓電阻尼材料和電流變流體阻尼材料。下面主要就復合阻尼材料的研究現狀進行分析。
4 復合阻尼材料的研究現狀
這類材料包括聚合物基阻尼複合材料和金屬基阻尼複合材料。聚合物基阻尼複合材料是用纖維增強具有一定力學強度和較高損耗因子的聚合物而形成的複合材料；金屬基阻尼複合材料包括在金屬基體中新增第二相粒子形成的金屬基複合材料、兩種不同的金屬板疊合在一起或由金屬板和樹脂粘合在一起而形成的復合阻尼金屬板等。
4．1 聚合物基阻尼材料的研究現狀
傳統聚合物阻尼材料的吸振機理基於粘彈阻尼，所以其適用溫度和阻尼效能強烈依賴於聚合物的玻璃化轉變溫度。20世紀90年代，日本東京工業大學住田雅夫教授提出將導電炭黑與壓電陶瓷粒子填充到聚合物基體中，製備導電壓電型阻尼複合材料的設想。由於該類複合材料的吸振機理基於振動機械能一電能一熱能的轉換損耗而非傳統的粘彈阻尼，故不依賴於聚合物基體的玻璃化轉變，這將大大拓展其應用溫度範圍。
因為該類阻尼複合材料理論上可以用任何一種聚合物作為基體，具有傳統聚合物吸振材料無可比擬的優越性，引起了廣大阻尼材料研究者的興趣[11]。
晏雄等[12,13]用具有壓電、介電效應的有機材料替代無機壓電陶瓷，在高分子材料氯化聚乙烯(cpe)中，填充導電的氣相成長超細碳纖維和具有強介電效能的n，n．二環己基-2．苯並噻唑基亞磺酸胺，製備導電壓電型阻尼材料。結果表明，當導電網路形成時，材料的阻尼效果較好，因為這時複合材料內部的能量損耗主要是靠振動機械能一電能一熱能的轉換損耗來實現的。作為優良的阻尼材料，在應用的溫度和頻率範圍內要有較大的阻尼損耗模量和阻尼損耗因子(tan8)的峰面積，而互穿網路結構則對阻尼損耗模量的峰寬增加並不明顯。
研究表明，一般填料能使高聚物的阻尼溫域增加，而復合阻尼材料則可兼顧兩者的優點，因此有望具有更高的阻尼效能[14] 。
4．2 金屬基阻尼材料的研究現狀
在金屬基體中加入增強相製成複合材料能使材料同時具有較好的阻尼效能和較強的力學效能。在製備複合材料中一般選擇顆粒、晶須和纖維作為增強相。與顆粒或晶須相比，連續纖維可較大程度地提高複合材料的阻尼。
目前研究較多的阻尼金屬基複合材料主要是mg基阻尼複合材料和al基阻尼複合材料。r．schallerl[15] 採用定向凝固技術，以mg-2％si(質量分數)合金為原料獲得了mg si／mg複合材料，其力學效能與鑄造鎂合金az63的差不多，但阻尼效能卻是它的100倍，同時高阻尼的基體還能改善金屬基複合材料的抗疲勞效能。jia[16] 在商業純鋁中加入fea1 增強相，成功地製備了al／fem 複合材料，研究表明a1／fea1 複合材料的阻尼效能比al基體的更好[17]。
5 展望
阻尼材料的開發和應用雖已有三四十年的歷史, 但從理論上形成新的學科, 應用上形成新的技術只有10 多年的時間, 特別是ipn 阻尼材料的發展更是相當地年輕。縱觀阻尼材料的發展史和研究現狀, 阻尼材料的發展必須適應新的需要, 從發展角度來看, 復合阻尼材料較普通高聚物阻尼材料先進很多, 但是基於超高速內耗阻尼材料、寬工作溫度區間和寬頻帶範圍高阻尼材料及結構功能一體化高阻尼結構將是今後研究和開發的重點。
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