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阻尼复合材料研究进展第11页

阻尼复合材料研究进展

摘要：

阻尼材料是近几十年来发展起来的一种新型减振降噪材料。

由于其特殊用途，深受国内外关注，而兼具高阻尼和静态力学性能的结构阻尼复合材料则具有十分广阔的应用前景，目前国内外对结构阻尼复合材料的研究和开发十分重视。

本文简要阐述了阻尼复合材料的阻尼机理以及国内外的发展史，分别介绍了树脂基阻尼复合材料、金属基阻尼复合材料、橡胶阻尼复合材料、树脂—金属基阻尼复合材料、压电导电新型阻尼复合材料,以及几种阻尼复合材料的研究发展状况。

关键词：

树脂基、金属基、橡胶基、压电、阻尼复合材料

Abstract:

Dampingmaterialisanewmaterialforreducinglibrationsandnoisesdevelopedinrecentyears.ManypeopleinandoutofChinabegintointerestedinthiskindofmaterialforitsspecialuse.Thestructuraldampingcompositesthathavenotonlyhighdampingbutalsohighstrengthandmoduluswillholdanextensiveapplicationfuture.Atpresentmanycountrieshaveputemphasisonthestudyandexploitationofstructuraldampingcomposites.Thispapersummarizesthechiefprincipleofdampingcompositematerialsanditsdevelopmenthistoryaroundworld.Itintroducesakindofdampingcompositematerialssuchasresinbaseddampingcompositematerial、metalbaseddampingcompositematerial、rubberbaseddampingcompositematerial、resin-metalbaseddampingcompositematerialandpiezoelectricandconductiveadvanceddampingcompositematerial.Thepapershowsthedevelopmentofseveraldampingcompositematerial.

Keywords:

Resinmatrix;Metalmatrix;Rubbermatix ;Piezoelectic;Damping Compositematerial

1．引言

随着航空航天领域的巨大发展，科学技术的不断进步，人们对材料的要求越来越高，不仅要求材料满足力学性能要求，而且还要其具有特殊的功能，阻尼复合材料正是这种具有发展前途的功能复合材料。

阻尼复合材料是一种能吸收振动机械能，并将其转化为其他形式的能量（如热能、电能、磁能、声能等）功能复合材料。

各类阻尼复合材料已广泛应用于导弹、卫星、飞机、舰船、汽车工业等许多领域。

阻尼复合材料的种类多种多样，按其基体不同主要可分为树脂基阻尼复合材料、金属基阻尼复合材料和金属—树脂复合阻尼材料；按其阻尼耗能机制可分为热损耗型阻尼复合材料、磁损耗型阻尼复合材料和电损耗型阻尼复合材[1]。

早在上世纪80年代美国海军就成功地将碳纤维增强环氧推进轴用于YP-654级巡逻艇并进行了海试。

90年代初成功地将5000轴马力，外径0.68m、长10m的复合材料推进轴在军用运输船上进行海试,90年代末又成功地将复合材料推进轴应用到“孟菲斯”号潜艇进行海试，效果良好。

从美国海军对复合材料推进轴的研制推广应用过程来看，美国海军已完成安静型潜艇用低噪声高阻尼复合材料推进轴的材料研制、成型工艺研究、配套技术以及海试验证，且已进入实用阶段。

从效果看，采用低噪声高阻尼复合材料推进轴技术已成为安静型潜艇控制声目标强度的最为有效的措施之一。

国外，结构阻尼复合材料基座在舰船设备上已有应用，俄罗斯潜艇的设备基座所采用的阻尼复合材料的结构损耗因子为0.025-0.1,连接部位有金属加强筋。

另外，国外潜艇的减振浮筏的筏架也有部分采用结构阻尼复合材料制作，表现出优异的阻尼隔振效果[2]。

2．阻尼机理

阻尼复合材料主要是通过基体、增强体以及两者之间的界面摩擦阻尼来吸收振动机械能量，并将机械能转化为热能或其他形式的能量而耗散的功能材料。

阻尼减振技术利用阻尼材料在变形时把动能变成为其他形式能的原理，降低材料结构的共振振幅和增加材料的疲劳寿命。

因此，基体阻尼、增强体阻尼及界面阻尼构成了阻尼原理的三个主要的微观机制，其叠加的结果决定了复合材料的宏观阻尼行为。

2.1基体材料阻尼

阻尼复合材料通常是通过基体的阻尼特性起到减振抗噪的目的。

聚合物基体与金属基体的阻尼特性是完全不同的。

聚合物基体在处于刚性的玻璃态时，高分子链段的自由运动是受限制的，材料形变主要是由大分子链键长和键角的变化而引起，不能消耗机械能。

当聚合物基体中的分子链处于运动状态时，分子链段发生相互运动时产生内摩擦，这需要克服阻力，需要一定的时间，将外部施加的机械能转化为其他形式的能量[3]，这就是基体材料阻尼的机制。

2.2增强体材料阻尼

阻尼复合材料的另一种减振方式是靠复合材料中的增强材料来消耗振动能量的。

这些增强材料如纤维能起到增加材料的应变及损耗能量的能力。

它能限制分子的运动，增加应力和应变之间的相位滞后；增强材料能限制分子长链相互转换过程中的运动，从而增强能量的转化，并增强了阻尼作用[4]。

2.3材料界面阻尼

大多数增强材料与基体树脂在结构上存在很大差异，在物理和化学性质上不相容，因此两者结合后，界面会影响复合材料的性能。

而增强体与基体的结合面恰恰就是复合材料阻尼机制的来源。

界面阻尼是复合材料界面在外加应力的作用下发生相对的微滑移现象，从而消耗了从外界来的振动能量。

界面阻尼在复合材料中起到微观阻尼的作用，从而增大了复合材料的阻尼性能。

3．阻尼复合材料发展状况

3．1树脂基阻尼复合材料

国外很早就开始从事树脂基阻尼复合材料的研究，在理论上分析了复合材料的阻尼机理、阻尼测量以及基体树脂、固化剂、纤维的铺设方式、纤维种类、复合材料结构等对阻尼性能的影响。

树脂基阻尼复合材料具有粘性液体在流动状态下损耗能量，以及弹性固体材料贮存能量的特性，因此，聚合物是人们比较认可的阻尼材料。

当高分子材料处于刚性的玻璃态时，大分子链段的运动是基本冻结的，形变主要是由大分子中的键长和键角的变化而引起的，弹性模量高，不能耗散机械能，只能将机械能作为位能贮存起来。

当其处于粘流态时,链段的运动是协同运动，只能消耗能量而不能存储机械能。

介于这两者之间的是玻璃化转变区,当聚合物在玻璃化转变温度附近时，聚合物链段由完全冻结状态转变为运动状态，分子链段之间发生相互运动产生内摩擦，将外场作用的机械能部分地转变成热能或其他形式的能而散逸，从而达到减振降噪的目的。

随着环氧树脂阻尼材料应用的日益广泛和对阻尼材料性能要求的逐渐提高，研制高阻尼性能环氧树脂基体及其复合材料成为研究热点。

互穿聚合物网络（IPN）技术、阻尼性能、高分子链段结构的评价能够在分子水平上指导新型环氧树脂的设计和开发；纳米技术、压电效应、材料制备新技术等与阻尼材料的研究相结合，能够为阻尼材料提供广阔的发展前景。

而在树脂基阻尼复合材料发展当中,纤维增强环氧树脂阻尼复合材料无疑是研究和应用最广、最成功的阻尼材料之一。

李明俊等[5]将M-3501环氧树脂基碳纤维预浸料（厚度为0.125mm）与T54/T60型改性环氧树脂制成试样，并与不同厚度的阻尼层材料（ZN28）进行复合。

用压敏胶和T54/T60型改性环氧树脂作胶粘剂,借助动态机械分析仪（DMAQ800），考查了2种粘接层材料和不同粘接层厚度对各向异性交替层合阻尼结构内耗特性的影响。

认为在低于阻尼层材料Tg附近，用压敏胶作粘接层材料，其结构内耗的温度特性优于用环氧树脂；结构内耗的频率特性与粘接层材料及其厚度密切相关，胶层越薄，结构内耗的温度特性越好。

但作者并没有对此结果给出详细的解释。

本文认为这可能是因为粘接层较厚时，界面粘合层也较厚，使得树脂大分子的运动性更差，体系的阻尼性能下降。

任润桃等[6]研究了聚酰胺等大分子胺类固化剂和增韧剂对环氧基复合材料阻尼性能的影响。

得出的结论是适当增加固化剂和增韧剂的用量能提高复合材料的阻尼性能。

现在树脂基阻尼复合材料增韧常用的方法是在环氧树脂体系中加入端羧基丁腈橡胶和某种溶剂作为阻尼改性剂以提高基体材料的阻尼性能。

而且，现在国内外研究最多的是在树脂基复合材料中加入各种晶须来改善阻尼性能。

3．2金属基阻尼复合材料

金属基复合材料（MMC），具有通常单一材料所没有的综合特性，如：

高比强度、高比刚度、低热膨胀系数等，已成为各国十分重视的一类新型结构材料，在宇航、航空、汽车和尖端武器系统中展现出重要的应用价值。

随着金属基复合材料研究的发展以及应用领域的拓展，高阻尼的要求已逐渐变得越来越重要了，如：

导弹、卫星的仪器仪表和重要结构部件有极其严格的抗振要求；航天器的太阳能天线板等大型柔性结构的保持稳定；机器人臂杆的低密度、高刚度、高阻尼要求等等。

因此，研究金属基复合材料的阻尼特性显得十分必要，发展具有优异的力学性能和阻尼性能的新型金属基复合材料是人们迫求的目标。

大量研究表明，MMC的阻尼性能是由材料的化学成份、材料的组织结构和材料的加工工艺过程决定的，同时也受到材料在使用状态下的应变振幅、环境温度和振动源的振动频率等因素的影响。

Zhang.J、PerezR.J[8]等人总结了多种MMC的阻尼性能的试验结果，表明金属基复合材料随着增强相含量的增加，其弹性模量增大且阻尼性能提高。

金属基复合材料最富有吸引力的特征之一是具有通过控制界面属性引入阻尼源的潜力，弱结合界面和强结合界面对复合材料的阻尼性能有不同的影响。

由于当作用在界面上的剪切应力的值大到足以克服摩擦阻力时，界面滑移便可发生，因此，弱结台界面能通过界面滑动摩擦机制对阻尼作出贡献，具有弱结合界面的金属基复合材料的阻尼性能应优于强界面结合的金属基复合材料。

但不幸的是，界面滑移在阻尼性能上的收益将伴随复合材料在刚度和强度上的损失。

Rolatgi等[7]采用搅拌铸造法制备了石墨颗粒增强和SiC颗粒增强铝基合材料，并研究了影响其阻尼性能的因素。

结果发现，在这些材料中，较大的晶粒尺寸、弱结合的晶界、软的层片状结构的弥散相均有利于改善材料的阻尼性能。

LaverniaPerez和Zhang等[8]采用喷射共沉积法制备了6061Al合金以及6O61Al/SiC和6O61Al/Gr等复合材料，并利用动态力学热分析仪（DMTA）测试了这些合金的阻尼性能随温度和频率的变化规律。

结果表明，同基体合金6061Al相比这些复合材料均具有较好的阻尼性能，其中6061Al/Gr的阻尼性能最佳，且随Gr体积分数的增大，其阻尼性能进一步改善。

但6061Al/Gr的弹性模量比6061Al/SiC的差，且随温度升高，其弹性模量进一步变差；而添加SiC和Gr制备的6061Al/SiC/Gr则同时具有较高的阻尼性能与弹性模量。

3．3橡胶基阻尼复合材料

橡胶阻尼材料是基于橡胶的粘弹性，即在玻璃化转变区域内，由分子链运动产生的内摩擦，将外场作用的机械能或声能部分地转变为热能散逸，而具有减振降噪作用的功能材料。

随着阻尼材料在军事领域和民用产品上的广泛应用，橡胶阻尼材料及其阻尼性能的研究越来越受到人们的重视[9-10]。

橡胶阻尼材料通常以其玻璃化转变区为功能区。

我们知道，橡胶的玻璃化转变区大部分是室温以下的低温区，它往往很窄（玻璃化转变温度范围在20℃左右），而在工程中往往需要阻尼橡胶在宽温宽频范围内具有较高的阻尼功能，如飞机、火箭要求有效阻尼区的温域更宽，橡胶的高阻尼性不能得到充分的发挥，在工程领域中的应用存在着很大的局限性。

为了满足实际使用要求，需要采用共混、互穿网络（IPN）等技术来提高橡胶的阻尼性能。

这些技术在一定程度上扩宽了橡胶的有效阻尼温度范围，却使阻尼值有很大的下降[11-13]。

吴驰飞等[14]提出了一种设计高性能阻尼材料的新思路。

在具有极性侧基的高分子中添加大量的极性有机小分子，通过调节成型工艺参数，形成一种均匀分散的分子复合体。

由于高分子与小分子间存在的相互作用，该复合体表现出高阻尼特性。

对氯化聚乙烯（CPE）和受阻酚AO-80有机混杂体系的研究发现在有机小分子与聚合物（如氯化聚乙烯）分子链间形成了氢键，这就在动态作用下增加了分子间的摩擦力，同时由于分子间氢键的断裂会吸收大量的能量，从而提高了材料的阻尼性能。

张玉清等[15]采用多层共挤技术制备了具有交替层状结构的氯化丁基橡胶（CIIR）/三元乙丙橡胶（EPDM）复合材料，并与常规共混法CIIR/EPDM复合材料的阻尼性能进行了比较。

结果表明，交替层状复合材料具有双连续相结构；与共混复合材料相比，交替层状结构复合材料的损耗因子和有效阻尼范围增大，且随着其层数的增加，损耗因子和有效阻尼范围、储能模量和损耗模量均增大；室温下层数较多的CIIR/EPDM复合材料在100～110Hz的阻尼性能更优异。

3．4树脂-金属基阻尼复合材料

树脂—金属基阻尼复合材料在消耗能量机制上与树脂基复合材料和金属基复合材料有所不同。

它是利用不同材料之间所组成的宏观构造产生能耗,而树脂基、金属基复合材料则是利用材料本身微观构造中潜在的耗能机制产生阻尼[16]。

可分为层压复合钢板和泡沫树脂）金属基阻尼复合材料两种。

后者的阻尼损耗与金属和聚合物的特征有关。

该复合材料是由三维网状金属骨架与孔隙中的树脂组成，结构不均匀,而且两者的性能相差极大[17]。

当应力作用于这个结构中时，金属骨架和树脂的应变量不同，从而在界面上产生内摩擦而使机械能转化为热能。

同时，在加载过程树脂与金属之间产生应变驰豫，从而产生了阻尼作用。

3．5压电导电新型阻尼复合材料

传统的阻尼减振技术利用材料原子、分子和分子链间的振动滞后效应和蠕变效应，产生相对位移与摩擦，将振动的机械能变为热能耗散出去。

转变为热能的效率越高，阻尼减振效果越好。

为了产生足够大的位移和摩擦，原子、分子、分子链需有足够大的振动幅度；然而，保持较大的振动幅度，则说明材料没能达到减振的预期目的。

这是传统阻尼减振法难以逾越的极限。

为了超越这个极限，提高材料的减振性能，近年来，一些研究人员根据新的减振机理，开始研制新的减振材料，如利用一些材料的压电效应先将振动机械能转换为电能，然后在一定的导电网络下通过焦耳热的形式将电能耗散掉以达到减振效果的压电阻尼复合材料。

与国外相比，国内关于压电复合阻尼材料的研究较少，且起步较晚。

压电阻尼复合材料的阻尼原理是：

当声波或振动能等传递到压电材料时，由于压电效应而转化为电能，在材料内部产生交流电压，而当材料内部电阻太大（相当于断路）或电阻太小（相当于短路）时，产生的电能未消失，会再次转化为振动能。

反复这种过程，振动衰减会持续一段时间。

只有选择具有适当电导率的导电填料，在陶瓷粉的周围形成一定电路，才可使振动迅速衰减，达到高减振的目的。

20世纪90年代初，日本的MSumita等提出高分子复合体系多重能量转换制振的新概念。

他们最先将碳黑加入到压电陶瓷/聚合物压电复合材料中去，开发出了一种新型压电导电减振复合材料。

这类减振材料的突出优点在于其使用条件不再受环境温度和振动频率的很大限制。

同时，微粒的填充提高了材料的强度，若选用适当的基体材料，则这类减振材料不仅具有较理想的减振能力，而且可作为结构材料或与结构材料一起使用。

韩兆芳[18]等根据新的压电—导电原理和焦耳定律，将压电陶瓷粉体复合到传统的氯化丁基橡胶阻尼材料中，制作出了性能更好的新型阻尼材料。

实验结果表明，复合材料中的压电陶瓷能将机械能转化为电能，并通过微电路耗散出去。

因此，通过压电效应—焦耳定律、氯化丁基橡胶的粘弹性阻尼及陶瓷粉体、乙炔碳黑粒子和橡胶分子之间的粒间摩擦、界面摩擦，复合材料可有效地阻尼外界的振动能。

4.阻尼复合材料的应用与展望

随着科学技术的发展、生活质量的提高以及环境保护意识的加强，对减振阻尼材料提出了更高的要求，如何减少精密制造、测试仪器的振动,提高设备的精度和寿命,以及如何消除噪声污染受到越来越多的重视。

国外的阻尼材料性能较高、产品多元化、个性化。

据日本未来产业技术研究振兴财团的调查表明,2000年日本国内仅用于汽车领域的减振、降噪材料的市场规模就达到了2810亿日元。

美国预计，为降低1分贝噪声，在材料上需花费近亿美元[19]。

近年，国内在某些领域的研究及应用也取得了不错的成果，例如航空航天领域的应用。

但是从整体水平来说与国外差距还比较大，尤其是在普及阻尼胶方面差距还比较远。

目前，阻尼材料的研究和应用已经成为大家关注的热点,减振、降噪、吸音、隔音、防音产品广泛应用于尖端机械设备、电子设备、航空航天、船舶、军工、建筑工程、汽车、重型机械、家用电器、办公设备、音乐设备及各类场馆室内降噪等领域。

随着世界各国对振动和噪音污染的日益重视，不断开发宽温域高阻尼性能的环境友好材料具有越来越重要的意义。

从应用的发展和需求来看，阻尼材料的应用研究应该注意以下4个方面：

（1）阻尼材料要积极走向高性能化。

在实际应用中,材料系统所处环境的外界振动条件在不停地变化,例如高楼建筑受风吹的摇摆频率大约在0.1～5Hz；计算机磁盘工作产生的振动频率约1KHz，高速运转时产生的振动频率可达5～10KHz；火箭飞机要求的温域更宽，这就要求阻尼材料具有宽的阻尼温域范围和宽的应用频率范围，同时要有较高的阻尼值[20]。

因此，通过有效的合成方法拓宽阻尼材料温域范围和提高阻尼因子具有重要意义。

（2）结构-阻尼复合材料一体化要加强。

聚合物粘弹阻尼材料虽说阻尼损耗因子大，但存在弹性模量过低，强度刚度差，容易老化，不能独立用做结构材料。

近年来，结构-阻尼一体化高阻尼材料[21]的研究日趋增多，其中尤其值得提到的是泡沫金属与聚合物粘弹阻尼材料的互补结合，可以同时具有粘弹性材料的阻尼效果,又有金属材料的力学强度。

（3）阻尼材料同时要朝着功能化方向发展，要积极研究开发集阻尼、阻燃、导热、导电等多种功能于一体的功能复合阻尼材料。

例如导热导电阻尼胶粘剂主要应用于既需要减振,又需要粘接导通的传热通道和零线通道,如仪器、仪表的电源箱内部接插件、线路板与箱体之间等。

（4）阻尼材料的研究也应该积极提倡“经济绿色化学,走可持续发展的道路”,努力向结合宽温域高阻尼、绿色环保以及功能一体化方向发展,做到环境友好型材料,同时加大加快基础研究,促进产业化。

5.结束语

阻尼材料的开发与应用虽已有三、四十年的历史，但从理论上形成新的学科，应用上形成新的技术只有十多年的时间，与传统材料相比，阻尼材料的发展还相当年轻。

在高阻尼材料的发展过程中面临的一个问题是对阻尼材料的基础理论研究比较薄弱，对阻尼材料的阻尼机制缺乏深人理解，对阻尼材料组织构造和优化设计方法研究不多，从而使得阻尼材料的研究和开发存在一定的随意性和盲目性;另一方面，在现有的各类阻尼材料中，只有粘弹性阻尼材料发展比较成熟，并已广泛应用于国民经济各个领域，但结构一功能一体化高阻尼材料的研究进展缓慢,远不能适应许多阻尼场合的需要。

纵观阻尼材料的发展历程和目前的现状，阻尼材料要适应未来发展的需要，研究者必须更新观念。

从阻尼材料的基础理论和制备工艺上实现突破。

从发展的角度来看，超高速内耗阻尼材料、宽工作温度区间和宽频带范围高阻尼材料及结构一功能一体化高阻尼材料将是今后研究和开发的重点。

以金属为基，金属材料与粘弹性材料相互复合的道路将可能成为高阻尼材料的重要发展方向之一，而力学性能良好、阻尼性能较高、价格适中的高阻尼合金则有望在国防、机械、冶金、建筑、纺织等振动和噪音较为严重的行业获得大量应用。

随着人们对材料轻量化和结构功能一体化要求的不断增加，阻尼复合材料的应用前景会更加广阔。

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