约束阻尼复合材料的制备与性能研究

1、武汉理工大学硕士学位论文约束阻尼复合材料的制备与性能研究 姓名:孟丹申请学位级别:硕士专业:材料学指导教师:秦岩20100501武汉理工大学硕士学位论文摘要阻尼材料由于具有变形耗能的性质,被广泛应用于现代航空、航天、航海、 交通运输、大型机械等领域控制宽频带随机噪声激励产生的振动和噪声。但是 大多数粘弹性材料的弹性模量很低,它们不能直接成为工程中的结构材料,因此 必须将它们粘附于需要作减振降噪处理的构件上组成阻尼复合结构,才能发挥 减振降噪的作用。复合结构的基本类型有自由阻尼和约束阻尼两种,因此派生出 工程上所说的自由阻尼材料和约束阻尼材料。约束阻尼材料由于振动时发生剪 切变形而具有更大的结构

2、能量损耗,因而在振动与噪声控制工程中得到了越来 越广泛的应用。本文的目的是进行约束阻尼复合材料的制备和性能研究,在实验中约束阻 尼材料一般都由基层,约束层和阻尼层3种基本材料构成,本文选择钢片和铝 片作为基层和约束层材料。本文选择的是环氧树脂和多乙烯多胺固化体系,以 及玻璃纤维增强环氧树脂体系作为阻尼层材料。通过测试与分析笔者得到如下结论:(1本文当选择的阻尼层材料为环氧 树脂和多乙烯多胺固化体系时,当固化剂多乙烯多胺含量(质量比为13%时, 此时材料的阻尼性能相对较好,损耗因子能够达到0.85以上;(2当选择阻尼 层材料为环氧树脂和多乙烯多胺固化体系时,随着阻尼层材料厚度的增加,体 系损耗因

3、子反而减小,损耗因子最大峰值为0.5688,体系整体插入损失峰值能 够达到近-20dB,且整体平均插入损失都在一15dB以下;(3当阻尼层材料选择为 纤维增强环氧树脂阻尼材料时,随着阻尼层材料厚度的增加,各阶阻尼损耗因 子都呈现出逐渐增大的趋势,损耗因子最大峰值为0.3542,体系整体插入损失 峰值能够达到近-20dB,且整体平均插入损失都在-15dB以下;(4当选择钢片作 为约束层材料时,约束阻尼材料整体损耗因子比选择铝片作为约束层材料时损 耗因子要大,差值在0.1左右;(5新型带槽扩展层的约束阻尼结构的阻尼性能 比起只增加无槽扩展层的约束阻尼结构和没有增加新型带槽扩展层的约束阻尼 结构的阻

4、尼性能都要好。损耗因子差值能够达到0.5以上。关键词:阻尼,约束阻尼,阻尼材料,损耗因子武汉理工大学硕士学位论文Ab stractBecause of the nature of deformation energy,damping materials is widely used in modem aviation,aerospace,marine,transportation,heavy machinery and other areas to control broadband random noise,the vibration and noise excitation.But the

5、 most of the viscoelastic materia lthe modulus of elasticity is very low,they can not direct a project in the structural material,it must adhere to their treatment needs forreducing vibration and noisedamping components on the composition of compositestructures,Can play a damping to reduce the noise

6、.The basic types of composite structures with free damping and constrained damping,SO what works derived free damping materials and constrained damping material.The constrained layer dampingoccurs greater structural loss when the shear deformation due to vibration,and therefore has been more widely

7、used.in vibration and noise control engineering. The purpose of this paper is to prepare constrained damping composites and study the properties.In the experiment,the constrained damping composites is usually by the primary constraintdamping materials,binding layer and damping layer. the material of

8、 the primary and constrained layer.This is to select stainless steel sheet and aluminum as the primary and the constrained layer material.The choice of this paper is the epoxy resin and polyethylene polyamine curing system,and glass fiber reinforced epoxy resin system as the damping materials.We can

9、 get thefollowingWhen thedamping layer material chosen for the fiber-reinforced epoxy resin 武汉理工大学硕士学位论文constrained damping layer structure and no increase in the new extension with a slot constrained layer damping structures have good damping properties.the difference of the loss factor caIl reach

10、morethan 0.5.Key words:Damping;constrained damping;damping material;loss factor独创性声明本人声明,所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名:垂盘 日期:关于论文使用授权的说明.20/0,;.2b本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文

11、的规定,即学校有权 保留、送交论文的复印件,允许论文被查阅和借阅;学校可以公布论文的全部 或部分内容,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。(保密的论文在解密后应遵守此规定研究生签名:盟导师签名:日期:丝丝:!武汉理工大学硕士学位论文1.1阻尼材料简介1绪论阻尼是指系统损耗能量的能力,从减振降噪的角度看,就是将机械振动的 能量转化成热能或者其它可以损耗的能量,从而达到减振的目的,阻尼材料是 一种吸收振动能量并将之转化为热能耗散掉的功能材料,利用阻尼材料在变形 时把机械能变成热能的原理降低结构的的共振振幅,增加疲劳寿命,降低结构 噪声。随着现代科技的不断发展,阻尼材料的需求日益增加,阻尼材料

12、的研究 和应用也越来越多。表1-1常用材料的损耗因子材料 损耗因子钢,铁 有色金属 玻璃塑料混凝土 粘弹性材料 1×106×10。4 1×10_2×10寸 0.6×10刁2×10q 5×10一1×10吨1.5X 105×lO一22×10一5×100由表卜lnl可以看出,常用材料中粘弹性阻尼材料的阻尼性能最好,因此是 目前应用最为广泛的一种阻尼材料,通过调整材料的成分和结构,可以满足特 定的温度和频率下的使用要求,粘弹性阻尼材料主要有橡胶类和塑料类的高分 子材料,高聚物是典型的粘弹性材料

13、,应力依赖于应变和应变速率,其阻尼性 能和温度以及外力的作用时间息息相关,随着温度的变化,高聚物从刚硬的玻 璃态变化到柔软的橡胶态,最后达到流动的粘流态。只有在玻璃化转变温度附 近,在适当的频率下,材料的损耗能量能力才达到最大。即具有最佳的损耗因 子。武汉理工大学硕士学位论文目前对阻尼材料的性能研究主要是运用动态力学热分析法,使用粘弹谱仪 测试得到材料的储能模量,损耗模量和材料的损耗因子。评价阻尼材料性能主 要是看材料在璃化转变温度区域内是否具有较高的损耗因子和较宽的损耗域。 同时要想阻尼材料达到良好的阻尼效果,要满足一下条件:(1损耗因子的峰 值要和材料的使用工作温度一致; (2损耗因子大于

14、0.3的温度范围要比较宽, 要使用工作环境温度的变化; (3剪切模量或者杨氏弹性模量要适量(4有 较长的工作寿命; (5具有良好的工艺性脚。1.2约束阻尼复合材料综述阻尼材料由于具有变形耗能的性质,被广泛应用于现代航空、航天、航海、 交通运输、大型机械等领域控制宽频带随机噪声激励产生的振动和噪声。但是, 大多数粘弹性材料的弹性模量很低,它们不能直接成为工程中的结构材料,因此 必须将它们粘附于需要作减振降噪处理的构件上组成阻尼复合结构,才能发挥 减振降噪的作用。复合结构的基本类型有自由阻尼和约束阻尼两种,因此派生出 工程上所说的自由阻尼材料和约束阻尼材料。约束阻尼材料由于振动时发生剪 切变形而具

15、有更大的结构损耗,因而在振动与噪声控制工程中得到了越来越广 泛的应用。例如飞机蒙皮和内饰壁板等机舱薄壁结构大量使用的约束阻尼材料, 虽然厚度不到lmm,但是可以将蒙皮和内饰壁板的结构损耗因子提高6-.,10倍,并 降低机舱内噪声3一-20dB。因此对约束阻尼复合材料的研究已经成为一个热门。 当前对阻尼减振的研究中,一方面是要研制高阻尼的材料,而阻尼材料的模量 一般很低,纯阻尼材料本身一般不能直接在工程中应用,因此研究的另一重点 是将它们粘附于需要作减振降噪处理的构件上,组成阻尼复合结构,由金属或 非金属结构材料提供强度,阻尼材料吸收机械振动能。所以阻尼复合结构的研 究和优化设计对于阻尼减振降噪

16、技术来说非常重要,。约束阻尼层(Constrained Layer Damping,CLD是一种常用且有效的方式。早 期理论可见于1959年Kerwin将阻尼层放在两平板中成为三层系统,考虑梁的横 向位移以正弦函数表示,且同时以复数的方式去表示梁的弯曲刚度,研究阻尼 层在三层结构所形成的阻尼减振效应H1。1965年Ditaranto推导了在有限长度下含 弹性层和粘弹性层梁所受到弯曲变形所产生的振动分析理论及1969年Mead和 Markus分析具有粘弹性夹层简支梁受载荷弯曲振动的模态瞄1。由于约束阻尼层中武汉理工大学硕士学位论文粘弹性材料的粘弹特性来吸收损耗振动能量,达到有效抑制结构振动和噪音

17、, 被称为被动式约束阻尼层(Passive Constrained layer Damping,PCLD结构。许多 学者进而修正或推广上述理论于其他应用上。例如1972年Yan和Dowel l在板与梁 结构上的研究髓1。1978年Douglas与Yang建立横向压缩阻尼的数学理论模型且应 用于粘弹性夹层梁,以实验解析相互验证粘弹性层阻尼效应:这种复数模型亦被 Van Nostrand和Inman所采用。同年,Rao使用能量法推导出夹层梁的运动方程, Rao更考虑了夹层梁的剪切应变能与所受弯矩、拉伸产生的能量,利用哈密顿原 理(HamiltonS principle得到一个六阶微分方程,并获得在

18、不同边界条件下的微 分方程解。¨。1988年Lall等人利用Markus method,Rayleigh.Ritz method和经典 Euler beam method探讨了部分覆盖夹层梁对固有频率与损耗因子的影响。1991年Mead和Yaman研究了三层方板结构的谐响应分析跚。1993年Rao与He将其理论 推广至多层阻尼梁结构。对于复合结构的动力分析,Trompeae等研究了局部敷 设粘弹性约束阻尼层梁的振动和阻尼,并对阻尼进行了优化。Johnson等用复特 征值法和模态应变能法研究了夹层梁,用模态应变能法研究了夹层环和夹层板, 对两种方法进行了理论对比p1。Roy等对约束阻尼

19、层圆形板进行了振动和阻尼分 析。Ravi等研究了两端固定的局部或全部敷设自由阻尼层和约束阻尼层梁的动态 响应,应用的是模态叠加法n们。Babe等研究了简谐激励下的粘弹性夹层梁。Shin 等研究了约束阻尼层板在简谐激励下的振动响应,分别用模态应变能法和直接 频率响应分析法进行了计算,并进行了实验研究n11。Homg.Jou Wang等对对称和 非对称粘弹性夹层环形板复合结构的振动和阻尼性能进行了分析。Wen.Pei Yang 等用用有限元方法对运动中的夹层梁作了振动和动态稳定性分析,并研究了其 损耗因子u羽,Denys J.Mead研究了评价约束阻尼和自由阻尼梁和板的损耗因子计 算的精确方法n驯

20、。近年来美国的Atif H.Chaudry通过研究发现一种新型约束阻尼 复合材料,并命名为the Passive Stand.off Layer(PSOLDamping structure。通过实 验发现这种结构具有更优越的减震降噪性能u钔。在国内许多学者也进行了这方面研究,陈前提出了复合结构的“对偶保守 结构"概念,取“对偶保守结构”,的固有频率作为复合结构共振频率初值, 并将“对偶保守结构”的模态向量用于模态应变能法来计算损耗因子初值,由 此得到复特征值初值,进入局部线性化逆迭代过程。李军强利用扩阶状态变量, 提出了一种弹性一粘弹性复合结构动力响应的分析方法。高淑华等利用通用的

21、FEM程序探讨了粘弹性结构动力学分析的等效粘性阻尼算法。刘天雄等对约束阻武汉理工大学硕士学位论文尼层板的有限元建模进行了研究,并与经典GiN方法和实验方法进行了对比,计 算结果准确。邓年春等基于虚功原理,提出了一种新的建立约束阻尼板结构动 力学有限元模型的方法。钱振东等分析了简支矩形板的固有振动,讨论其振动 特点。曾海泉等介绍了几种典型的复合阻尼结构,并用振动控制理论对其中的 一些结构进行了分析。冉志等提出了一种新的计算弹性一粘弹性复合结构随机 响应的各阶谱矩的计算方法,分析了粘弹性对各阶谱矩的影响。陈国平等研究 附加约束阻尼后梁的振动分析。在引入的位移模式中考虑了附加部分对原结构 运动的相对

22、性和阻尼层的横向剪切效应,据此推导了附加阻尼层后梁的运动方 程和边界条件。通过对简支状态时梁的固有振动分析,讨论了其振动特点。杨 雪等对多层粘弹阻尼复合结构的阻尼性能进行了研究,得出了阻尼材料本身的 性能如模量,阻尼层厚度以及阻尼结构的布置形式等因素对整个体系的阻尼能 力有着较大影响。符刚等对高分子阻尼材料的的约束阻尼结构设计进行了研究, 发现阻尼层的模量,阻尼层的厚度,阻尼层和约束层的比值变化等因素对体系 的阻尼性能有着较大影响。以上这些研究对约束阻尼复合材料的制备和研究提 供了方向和很好的指导意义n蚴,。1.3阻尼复合材料的结构形式简介经过几十年的发展,阻尼复合材料的结构形式也发生了很多的

23、改变,具体 归纳起来包括自由阻尼复合材料和约束阻尼复合材料这两种结构形式,如下图 1-1,1-2所示,其中阻尼层材料一般都选择阻尼温域较宽,损耗因子较大的高 聚物阻尼材料,这是因为高分子材料在玻璃化温度转变区内能表现出很好的阻 尼性能,在Tg区内,分子链开始运动,而且体系黏度达,链段运动受到很大的 摩擦阻力,形变滞后于应力的变化,内耗很大。基层和约束层一般选择金属材 料,比如钢,铜,铝等,以此来提高整个体系的刚度,以便能应用于工程结构 中。图1-1自由阻尼结构阻尼层 基屡武汉理工大学硕士学位论文约束屋阻尼层基屡图卜2约束阻尼结构对于自由阻尼结构来说,阻尼层材料附着在基层材料上,一起组成一种结构

24、形 式,当基层受力发生形变时,阻尼层会随着基层一起产生应力应变,从而能达 到耗散能量的目的,在这种结构中体系的拉一压形变起主导作用。对于约束阻 尼结构来说,当体系受力产生形变时,由于基层一阻尼层和阻尼层一约束层之 间受力状况的差异,导致阻尼层上下表面产生不同的应力应变,从而阻尼层发 生剪切变形,与此同时阻尼层也会发生拉一压变形,从而耗散更多的能量,因 此比起自由阻尼结构,约束阻尼结构体系具有更好的阻尼性能,在工程结构中 也有更广泛的应用。1.4约束阻尼复合材料制备原材料的选择约束阻尼材料一般都由基层,约束层和阻尼层3种基本材料构成,其中基 层和约束层材料在整个体系中一般起到提供强度的作用,因此

25、一般多选择金属 材料,比如各种金属材料,考虑到工程实际应用各方面因素,一般选择较多的 是不锈钢,铝合金等金属材料。本文就是选择不锈钢片和铝片作为基层和约束 层材料。阻尼层材料作为体系的核心材料,一般要求具有优良的阻尼性能,而 且能具有合适的阻尼温域,因为高聚物材料具有优良的阻尼性能,因此选择较 多的是高聚物材料,本文选择的是环氧树脂和多乙烯多胺固化体系,以及玻璃 纤维增强环氧树脂体系作为阻尼层材料,最后需要选择合适的胶黏剂,胶黏剂 是组成约束阻尼复合结构的重要材料之一,它对于结构的成型和保证结构的正 常工作。都有重要意义,一般应具有胶接强度高,耐环境性强,挥发组分低等 特点,同时能够在满足使用

26、条件下尽量选择低温,低压固化的胶黏剂。本文选 择环氧树脂和多乙烯多胺固化体系作为胶黏剂心4删。武汉理工大学硕士学位论文1.5约束阻尼复合材料性能的测试方法对于阻尼材料的性能研究,一般都是着手它的动态性能测试,即测量阻尼 材料的杨氏弹性模量和损耗因子,测量的结果反映的是阻尼材料收到拉伸或者 压缩应力时的弹性性质以及损耗振动能量的强弱,比如常用的动态力学性能分 析(DMA,这更多的是应用于自由阻尼结构性能的测量,约束阻尼层结构在弯 曲振动时,其能量的耗散主要来自阻尼层的剪切变形,因此材料的剪切模量和 损耗因子是主要参数,因此对于约束阻尼结构来说,其性能测试主要要用剪切 的方法来测试体系的性能。目前

27、测量阻尼材料动态力学性能的方法主要有:(1自由衰减法; (2正弦 力激励法:(3相位法:(4振动梁法。比较后发现,前3种方法都是直接测 试阻尼材料本身性能,需要将被测定的阻尼材料做成的某种大小尺寸固定的式 样,其中自有衰减法不能连续测量,导致精度低;正弦力激励法只有在材料共 振频率附近测试结果比较准确,测量范围受到一定限制:相位法是目前相对完 善的测试方法,但是需要昂贵的专用测试仪器,因此应用局限性较大。振动梁 法是目前在测试阻尼结构整体阻尼性能用的比较广泛的方法,测试设备操作相 对简单,价格也比较低廉,方便工程应用。振动梁法测试的试样是阻尼材料和 基层,约束层材料的复合结构形式,符合阻尼材料

28、的实际使用情况,试样制备 也相对简单,方便测量阻尼材料的剪切模量和损耗因子。目前对于振动梁法国 内已经制定了相应的标准一1。1.6约束阻尼结构的阻尼分析方法介绍在目前的实验研究中,我们根据振动梁法得到的振动图谱来进行阻尼分析, 一般包括时域法和频域法两种。时域法是在测量单频自由衰减振动波形的基础上进行分析的,它要求必须 能够测量结构的某一个固有频率(通常为最低阶固有频率下的自由衰减振动, 然后根据波形的衰减速度计算阻尼结构的损耗因子,该方法具有精度高的特点, 但在实际的应用中受到两个方面的限制:信号必须为单频振动,并且是自由衰 减波形。实际测量中常常使用松弛释放法等方法对结构进行激励,得到自由

29、衰武汉理工大学硕士学位论文础-昙亦irl 1一I二I+在共振点附近(。%,可得,7。2考。阻尼只在共振点附近才起重要作日b心 1对上式讨论如下:(1由1日(I峰值所对应的频率确定固有频率%,因为当=%时,1日(l 达极大值。(2由半功率带宽=%一q确定,7(图4,因为lH( 0州训m毅:飞 :。 I1 /:i l频率(Hz图4半功率带宽1日白】1百5面。由此解出/魄, 当,7<<1时,得1白/%X:一1干叼 2一q,7。_ %通过半功率带宽法计算得到的结构常常具有一定的误差,这是由于该方法 本身在理论上就有一定的近似,同时由于计算谱峰和主频和半功率带宽都不可 避免的存在误差,尤其是

30、低频和小阻尼的情况下误差更加明显,通常会出现很 大的误差而导致结果不可信,因此在实际的应用中有了一定的局限性,北京东方振动和噪声技术研究所在办功率带宽法的基础上提出了一种新的阻尼计算方 法:INV阻尼计法,它结合时域法和频域法的特点,并基于不受频率分辨率影响 的INV频率计技术,可以得到更加准确的阻尼结果,该方法对于工程中的实际 信号,计算结果非常稳定口争431。1.7本实验的研究目的和意义本实验的研究目的是制备约束阻尼复合材料,并研究其性能。笔者希望达 到的效果是要制备出损耗因子较大的,能够满足实际运用的约束阻尼复合材料。 因此本实验应包括3个部分:(1制备出损耗因子较大,阻尼温域较宽的阻尼

31、 层材料,通过资料的查阅,选择环氧树脂和多乙烯多胺固化体系和玻璃纤维增 强环氧树脂复合材料作为阻尼层材料; (2制备约束阻尼复合材料,我们选择 金属材料钢片和铝片作为基层和约束层材料,然后分别与环氧树脂和多乙烯多 胺固化体系和玻璃纤维增强环氧树脂复合材料一起粘接成约束阻尼复合材料; (3阻尼层材料性能的测试和约束阻尼复合材料性能的测试,阻尼层材料分别 进行动态力学性能测试和振动梁法测试,找出阻尼性能较好的阻尼层材料。约 束阻尼复合材料进行振动梁法测试,研究不同的阻尼层材料,基层和约束层材 料,不同的约束阻尼结构对体系阻尼性能的影响。随着航空、航天、航海、交通运输、大型机械等领域的不断发展,对材

32、料 的减振降噪的能力也会提出更多的要求,因此约束阻尼结构必然会起到越来越 重要的作用,对约束阻尼结构的研究也必然会越来越热门,以满足实际工程和 设计的需要。武汉理工大学硕士学位论文2实验部分2.1实验主要原料和实验主要仪器实验主要原料和实验主要仪器见下表2-1,2-2.表21主要原料一览表2.2试样的制备在环氧树脂中加入多乙烯多胺,搅拌均匀后,进行抽真空去气泡,然后浇 注成型,固化条件:室温固化4H,802H,然后静置备用。阻尼层样条尺寸有 40ram×lOmmX 5mm和220ram×lOmmX(1,2,3,4nlm两种。其中前一种尺寸样 条用于阻尼层材料的动态力学性能测

33、试,后一种尺寸样条用于制备约束阻尼复 合材料。武汉理工大学硕士学位论文裁剪适当尺寸无碱玻璃纤维布,充分浸润环氧树脂和多胺固化体系,采用 手糊成型方法,层层铺设,糊成厚度为1,2,3,4mm的4种不同厚度的板材, 固化条件为室温固化4H,802H,静置一段时间后,切割成满足实验要求的样条, 阻尼层样条尺寸有40minX lOmm×5mm和220mmX lOmmX(1,2,3,4mm两种。 其中前一种尺寸样条用于阻尼层材料动态力学性能测试,后一种尺寸样条用于 制备约束阻尼复合材料。在环氧阻尼材料样条的上下表面用环氧粘接剂分别与经过表面去油去锈 处理的钢样条粘结。然后固化,固化条件:室温固

34、化4H,80"C2H,然后静置备用。 约束阻尼材料试样的尺寸如下:基层和约束层材料的尺寸为 220mix lOmmX2mill,阻尼层材料的尺寸分别为220mmX lOmmX(1,2,3,42.3试样的测试阻尼层材料进行动态力学性能研究(DMA,采用美国Perkin-Elmer公司的 DMA7/7e测试仪进行测试,采用弯曲模式。试样尺寸为40mmX lOmmX 5mm。测试 条件:升温速率:2"C/mim频率:1HZ:温度范围:0-200。通过DMA测试分析之后,找到最佳的环氧树脂含量和固化剂含量配比,然 后对该配比制各的样条进行振动梁法测定,试样测试采用北京东方振动和噪声

35、 技术研究所研制的振动梁法阻尼测试仪进行测试,并运用DASP测试软件进行分 析,实验方法:使用力锤进行激励,因为阻尼层材料属于高聚物材料,为了使 激励效果明显,采用型号为MSC一1高弹性力锤锤击试件的根部,使用24位高精 度数据采集仪记录激励信号波形。根据采集仪得到的激励信号、位移信号,使 用传递函数软件分析功能,分析得到材料的损耗因子。通过上述两种方法的测 试进行分析比较,得到阻尼效果较好的阻尼层材料。实验设备如下图21所示:图21振动梁法阻尼测试仪器23.2约束阻尼复合材料整体的阻尼性能测试试样测试采用北京东方振动和噪声技术研究所研制的振动梁法阻尼测试仪 进行掼4试,并运用DASP测试软件

36、进行分析。实验方法:使用力锤进行激励,力 锤型号为MSC一2力锤,锤击试件的根部,使用24位高精度数据采集仪记录激励 信号波形。根据采集仪得到的激励信号、位移信号,使用DASP分析软件进行阻 尼分析得到材料损耗园子。同时使用传递函数软件分析功能,得到材料的插入 损失图谱,通过上述两种方法来表征体系整体阻尼性能的好坏。3实验结果与分析3.1阻尼层材料的性能测试分析本实验主要是为了测定环氧树脂与固化剂多乙烯多胺的不同配比对材料阻 尼性能的影响,从而找出最佳配比,制备出阻尼因子较大,阻尼温域较宽的阻 尼材料,最终应用于约束阻尼结构之中,起到良好的阻尼效果。阻尼层材料试样有4种配比,其中固化剂多乙烯多

37、胺含量(质量比分别 为10%,13%,15%,20%。分别进行动态力学性能测试,得到的实验结果如下图 3一l所示。13武汉理_r:人学硕十学位论文D 04旦100150T图3-i不同配比阻尼层材料温度一损耗因子曲线由上图可知,4种配比的阻尼材料的阻尼温域基本一致,损耗因子峰值有所 差别,这说明不同的配比对体系的阻尼效果还是产生了影响,当固化剂含量为 13%时,损耗因子的峰值达到最大值,因此本实验中的阻尼层材料的配比就固定 多乙烯多胺含量(质量比为13%。通过DM测试分析可知,当固化剂多乙烯多胺含量(质量比为13%时. 此时材料的阻尼性能相对较好,因此选择固化剂多乙烯多胺含量(质量比为 13%的

38、样条来进行振动粱法测试。得到实验图谱如图3-2所示武汉理.T大学硕士学位论文图3-2环氧树脂和多乙烯多胺固化体系频率一位移图谱通过DASP分析软件中的阻尼分析模块,可知道此种阻尼材料的损耗因子能够达 到0.897,基本与DMA测试的结果相一致,因此本实验选定的阻尼层材料为环氧 127#树脂和多乙烯多胺固化体系,配比为(质量比100:13。本实验的目的是为了测试玻璃纤维增强环氧树脂阻尼材料的阻尼性能,包括 DMA测试和振动梁法测试,分别按照DMA和振动梁法测试要求选择对应的试样进 行测试,得到的实验图谱如下图3-3,3-4所示15O.6O 140TOz图3-3玻璃纤维增强环氧树脂阻尼材料温度一损

39、耗因子曲线 图34玻璃纤维增强环氧树脂阻尼材料频率一位移图谱3.2约束阻尼复合材料的性能测试分析固定基层和约束层材料厚度为2mm,且都选择钢片作为基层和约束层材料, 考察阻尼层材料厚度从Imm增加到4mm时整个体系的阻尼性能变化趋势,阻尼 材料选择环氧树脂和多乙烯多胺固化体系。试样的编号和尺寸如下表31所示:表31约束阻尼复合材料试样的编号和尺寸通过振动梁法进行测试,得到的实验图谱进行分析。图3-5试样A的频率一位移图谱 图3-6试样B的频率一位移图谱图3-7试样C的频率一位移图谱图3-8试样D的频率一位移图谱通过DASP分析软件中的阻尼分析模块对上面4个图谱进行分析,运用频带武汉理工大学硕士

40、学位论文整体阻尼计的方法计算能够得到试样A,B,C,D的前3阶模态损耗因子,实验结 果如下图3-9所示:巷i旦1Z 34thickness(ram图3-9不同阻尼层厚度材料的各阶厚度一损耗因子图谱由图39可知,当选择阻尼层材料为环氧树脂和多乙烯多胺固化体系时, 随着阻尼层材料厚度的增加,体系损耗因子反而减小,笔者认为这是由于阻尼 材料本身的模量较小,材料比较软,因此在材料厚度较小时,在体系受到外力 作用时发生的剪切变形较大,因此阻尼能力较强,整个体系的阻尼效果也较好, 即是损耗因子在阻尼层厚度较小时比阻尼层厚度较大时要大。通过DASP分析软件中的传递函数分析模块进行分析,可以得到试样A,B,C

41、,D 的插入损失图谱,分别如下图3一lO,311,312,3-13所示武汉理工大学硕士学位论文 O-10 -15 -20一10 弋。、二二三:二! ! 二 o . :二。二二.0200铂O 600800lk3-10试样A的插入损失图谱培 ZS1015盼 0200.辱 6008001I 3-11试样B的插入损失图谱O 200铂06008001k 3一12试样C的插入损失图谱21武汉理工大学硕士学位论文由上面4副图谱可知,当阻尼层厚度为1咖时,体系整体插入损失峰值能 够达到近一20dB,且整体平均插入损失都在一15dB以下,整体阻尼能力较强,随着 阻尼层厚度的增加,由体系整体插入损失曲线可知,插入

42、损失峰值在降低,而 且整体平均插入损失也在降低,由此可见,随着阻尼层厚度的增加,体系的整 体阻尼性能在下降,这与前面的测试结果相一致。表3-2约束阻尼复合材料试样的编号和尺寸武汉理工大学硕士学位论文通过振动梁法进行测试,得到的实验图谱进行分析。试样E,F,G,H.的振动梁法测试得到的实验图谱如下图3-14,3-15,3-16,3-17所示:3一14试样E的频率一位移图谱武汉理工大学硕士学位论文 315试样F的频率一位移图谱3-16试样G的频率一位移图谱 24武汉理工大学硕士学位论文317试样H的频率位移图谱通过DASP分析软件中的阻尼分析模块对上面4个图谱进行分析,运用频带 整体阻尼的方法计算

43、能够得到试样E,F,G,H的前3阶模态损耗因子,计算结果 如下图3-18所示:thickness(mm图318不同阻尼层厚度材料的各阶厚度一损耗因子图谱由图3-18可知,当阻尼层材料选择为纤维增强环氧树脂阻尼材料时,随着武汉理工大学硕士学位论文阻尼层材料厚度的增加,各阶阻尼损耗因子都呈现出逐渐增大的趋势,笔者分 析认为,当阻尼层材料的模量较高时,比如我们选择的玻璃纤维增强环氧树脂 阻尼材料,随着阻尼层厚度的增加,结构的刚度提升幅度比起质量提升幅度要 大,体系的固有频率会随之增加,造成了体系的阻尼损耗因子增加。通过通过DASP分析软件中的传递函数分析模块进行分析,可以得到试样 E,F,G,H的插

44、入损失图谱,分别如下图3-19,3-20,321,322所示。巧岱恐嚣加03-19试样E的插入损失图谱3-20试样F的插入损失图谱o巧蛞萄药O 400600800lk3-21试样G的插入损失图谱322试样H的插入损失图谱由上面4副图谱可知,随着阻尼层厚度的增加,由体系整体插入损失曲线 可知,插入损失峰值在上升,而且整体平均插入损失也在上升,当阻尼层厚度 为4mm时,体系整体插入损失峰值能够达到近-20dB,且整体平均插入损失都在 -15dB以下,整体阻尼能力较强,由此可见,随着阻尼层厚度的增加,体系的整 体阻尼性能在增强,这与前面的测试结果相一致。结合上述两个实验,我们知道随着阻尼层材料厚度的

45、增加,结构的损耗因 子并不一定是增加,般的思路认为阻尼层材料厚度增加,结构的损耗因子会 随着增大乜2l,实际情况并不完全一致,因此在约束阻尼材料的实际设计中,当 阻尼层材料模量较小时,厚度不宜过大,当阻尼层材料模量较大时,厚度不宜 过小。27表3-3约束阻尼复合材料试样的编号和尺寸根据实验测试结果,试样I和试样A进行比较,试样J和试样H进行比较, 考察约束层材料的变化对体系阻尼性能的影响。根据振动梁法测试的实验图谱,我们依据DASP分析软件中的阻尼分析模块 计算得到试样A,I的前3阶损耗因子如下表34所示:表34试样A.I前3阶损耗因子由表3-1可知,当约束层材料分别选择为钢片和铝片时,试样A

46、和I的前3阶损耗因子呈现出的趋势是选择钢片作约束层时的前3阶损耗因子比选择铝片 做约束层时对应的各阶损耗因子都要大。根据振动梁法测试的实验图谱,我们依据DASP分析软件中的阻尼分析模块 计算得到试样H,J的前3阶损耗因子如下表35所示:武汉理工大学硕士学位论文由表35可知,当约束层材料分别选择为钢片和铝片时,试样H和J的前3阶损耗因子呈现出的趋势是选择钢片作约束层时的前3阶损耗因子比选择铝片 做约束层时对应的各阶损耗因子都要大。综合上述两个实验我们知道,当选择钢片作为约束层材料时,约束阻尼材 料整体前3阶损耗因子比选择铝片作为约束层材料时对应的各阶损耗因子要大, 具体原因应该是由于钢片和铝片材

47、料本身的差异有关,在约束阻尼材料的设计 中,我们一般应保证阻尼层材料和基层,约束层材料的自身阻尼能力差异越大 越好,这样对整个体系的阻尼性能的提升能有一定的作用。武汉理工大学硕士学位论文4新型带槽扩展层约束阻尼复合材料的制 备与性能研究传统的约束阻尼材料结构一般都是由约束层,阻尼层,和基层复合构成整 体结构,其示意图如下图41所示约束层阻尼层基层图4-1一般约束阻尼复合材料结构示意图这种约束阻尼结构的阻尼机理一般认为是当整个体系受到外力作用时,体系同 时发生弯曲变形和剪切变形,相对来讲,体系的剪切变形起主要作用,这是因 为阻尼层材料的上下表面因为受力情况的不同,造成上下表面的剪切形变产生 差异

48、,从而能够让阻尼层材料产生更大的剪切形变,耗散掉更多的能量,因此 体系的减震降噪性能比较好。相对于传统的约束阻尼材料结构,美国学者Whittier曾经提出了在阻尼层 和基层材料之间再增加一层阻尼材料,能够提升体系阻尼性能,笔者在此基础 上研究了一种新型带槽扩展层约束阻尼复合结构,其示意图如下图4.2所示,扩展层 基屡约束屡 阻尼层图4-2新型带槽扩展层约束阻尼复合结构示意图此种结构比较传统约束阻尼结构,在基层和阻尼层之间增加了一个新型带槽扩 展层,此种结构模式能够提高体系阻尼性能的原因是在在基层和阻尼层之间增 加了带槽扩展层后,增加了阻尼层和基层之间的距离,在体系受到外力作用时,武汉理工大学硕

49、士学位论文能够让阻尼层材料的上下表面剪切形变差异更加明显,同时由于扩展层材料本 身的剪切变形远大于弯曲变形,更加放大了阻尼层材料的剪切形变,从而能够 耗散掉更多的能量,而且扩展层材料本身的剪切形变也能耗散能量,所以体系 的阻尼性能能够得到提升3。4.1新型带槽扩展层约束阻尼复合材料的制备对于制各该结构的约束阻尼材料,首先要选择各个结构层的材料,基层和 约束层我们仍然选择钢片和铝片,扩展层材料我们要求它首先要具有一定的刚 度,同时还必须具备一定的阻尼性能,因此我们选择环氧树脂加多乙烯多胺固 化体系材料,和玻璃纤维增强环氧树脂阻尼材料。阻尼层材料我们对应的选择 环氧树脂加多乙烯多胺固化体系材料和玻

50、璃纤维增强环氧树脂阻尼材料。我们 选择基层和约束层的厚度,阻尼层的厚度,扩展层的厚度均为2mm,通过胶黏剂 胶接。试样的编号和结构形式如下表4-1所示:表4-1约束阻尼材料试样编号和结构形式试样 结构形式K 钢片/环氧树脂多乙烯多胺固化体系无槽阻尼扩展层材料/环氧树脂环 氧树脂多乙烯多胺固化体系阻尼材料/钢片L 钢片/环氧树脂多乙烯多胺固化体系有槽阻尼扩展层材料/环氧树脂环 氧树脂多乙烯多胺固化体系阻尼材料/钢片M 钢片/玻璃纤维增强环氧树脂体系无槽阻尼扩展层材料/玻璃纤维增强 环氧树脂阻尼材料/钢片N 钢片/玻璃纤维增强环氧树脂体系有槽阻尼扩展层材料/玻璃纤维增强 环氧树脂阻尼材料/钢片O

51、铝片/玻璃纤维增强环氧树脂体系有槽阻尼扩展层材料/玻璃纤维增强 环氧树脂阻尼材料/钢片31武汉理工大学硕士学位论文4.2新型带槽扩展层约束阻尼复合材料的性能研究我们分别对试样K,L。试样M,N。试样N,O进行测试分析,得到实验图 谱如下43,44.45,46,4-7所示图43试样K的频率一位移图谱32武汉理工大学硕士学位论文图4-4试样L的频率一位移图谱根据图4-3和44,通过DASP分析软件中的阻尼分析模块,我们通过频带 整体阻尼计法,分别计算得到试样K和试样L的前3阶损耗因子,并结合前面实表42试样K,L,B前3阶损耗因子由表4-2可知,比较试样K,L的前3阶阻尼性能,试样L的各阶阻尼性能

52、 都你试样K对应的各阶性能要好的,这说明增加了新型带槽扩展层的约束阻尼 结构的阻尼性能比只增加无槽扩展层的约束阻尼结构的阻尼效果明显要好,在 比较试样B,L可知,增加了新型带槽扩展层的约束阻尼结构的各阶阻尼性能比 起没有增加新型带槽扩展层的约束阻尼结构对应的各阶阻尼性能要好,这说明 带槽扩展层对体系的阻尼性能是有一定的提升,当体系受到外力作用时,扩展 层材料自身的剪切形变远大于弯曲形变,并且能够增加阻尼层和基层的距离, 增加阻尼层材料的上下表面的剪切形变,所以对整个体系的阻尼性能提高起到 了很好的促进作用。33武汉理工大学硕士学位论文图4-5试样M的频率一位移图谱图4-6试样N的频率一位移图谱

53、根据图45和4-6,通过DASP分析软件中的阻尼分析模块,我们通过频武汉理工大学硕士学位论文表4-3试样M,N,F前3阶损耗因子由表43可知,比较试样M,N的前3阶阻尼性能,试样M的各阶阻尼性能 都你试样N对应的各阶性能要好的,这说明增加了新型带槽扩展层的约束阻尼 结构的阻尼性能比只增加无槽扩展层的约束阻尼结构的阻尼效果明显要好,在 比较试样F,N可知,增加了新型带槽扩展层的约束阻尼结构的各阶阻尼性能比 起没有增加新型带槽扩展层的约束阻尼结构对应的各阶阻尼性能要好,这说明 带槽扩展层对体系的阻尼性能是有一定的提升。图4-7试样0的频率一位移图谱根据图4-6和4-7通过DASP分析软件中的阻尼分

54、析模块,我们通过频带整 体阻尼计法,分别计算得到试样N和试样0的前3阶损耗因子,得到实验数据如 下表43所示:武汉理工大学硕士学位论文表43试样N,0前3阶损耗因子由表4-3可知,试样N的前3阶损耗因子比试样0对应的损耗因子要大,这说 明用钢片作为约束层材料比起用铝片做约束层材料的效果要好,在约束阻尼材 料的设计中,我们一般应保证阻尼层材料和基层,约束层材料的自身阻尼能力 差异越大越好,这样对整个体系的阻尼性能的提升能有一定的作用。通过通过DASP分析软件中的传递函数分析模块进行分析,可以得到试样 K,L,M,N,0的插入损失图谱,分别如下图48,49,4一10,4一ll,412所示武汉理工大

55、学硕士学位论文 4-9试样L的插入损失图谱一10lS 埘 .2S4-10试样M的插入损失图谱卜.二二:二一二.二二二:0夏Io 06008004-11试样N的插入损失图谱武汉理工大学硕士学位论文O 600啪 呔 4-12试样0的插入损失图谱l瑚比较试样K,L和试样M,N的插入损失图谱可以知道,试样L的插入损失比 起试样K的插入损失是明显要大,同时试样M的插入损失比起试样N的插入损 失也明显要大,这说明增加了新型带槽扩展层的约束阻尼结构的阻尼性能比较 只增加无槽扩展层的约束阻尼结构的阻尼性能要好, 比较试样N,0的插入损失 图谱可以知道,试样N的插入损失比起试样0的插入损失是明显要大,这说明 钢

56、片做约束层的阻尼材料的阻尼性能比较铝片做约束层的阻尼材料的阻尼性能 要优越。38巧啦啦 锄武汉理工大学硕士学位论文5结论本文通过制备与研究约束阻尼复合材料,得出主要结论有以下几条: 1:本文当选择的阻尼层材料为环氧树脂和多乙烯多胺固化体系时,当固化剂多 乙烯多胺含量(质量比为13%时,此时材料的阻尼性能相对较好,最大损耗因 子峰值能够达到0.85以上,因此选择固化剂多乙烯多胺含量(质量比为13%的样条作为阻尼层材料。2:当选择阻尼层材料为环氧树脂和多乙烯多胺固化体系时,随着阻尼层材料厚 度的增加,体系损耗因子反而减小,笔者认为这是由于阻尼材料本身的模量较 小,材料比较软,因此在材料厚度较小时,

57、在体系受到外力作用时发生的剪切 变形较大,因此阻尼能力较强,整个体系的阻尼效果也较好,即是损耗因子在 阻尼层厚度较小时比阻尼层厚度较大时要大。损耗因子最大峰值为0.5688,同 时,当阻尼层厚度为Imm时,体系整体插入损失峰值能够达到近-20dB,且整体 平均插入损失都在-15dB以下,整体阻尼能力较强,随着阻尼层厚度的增加,由 体系整体插入损失曲线可知,插入损失峰值在降低,而且整体平均插入损失也 在降低,由此可见,随着阻尼层厚度的增加,体系的整体阻尼性能在下降。 3:当阻尼层材料选择为纤维增强环氧树脂阻尼材料时,随着阻尼层材料厚度的 增加,各阶阻尼损耗因子都呈现出逐渐增大的趋势,笔者分析认为

58、,当阻尼层 材料的模量较高时,比如我们选择的玻璃纤维增强环氧树脂阻尼材料,随着阻 尼层厚度的增加,结构的刚度提升幅度比起质量提升幅度要大,体系的固有频 率会随之增加,造成了体系的阻尼损耗因子增加。损耗因子最大峰值为0.3542同时随着阻尼层厚度的增加,由体系整体插入损失曲线可知,插入损失峰值在 上升,而且整体平均插入损失也在上升,当阻尼层厚度为4mm时,体系整体插 入损失峰值能够达到近-20dB,且整体平均插入损失都在-15dB以下,整体阻尼能 力较强,由此可见,随着阻尼层厚度的增加,体系的整体阻尼性能在增强。 4:当选择钢片作为约束层材料时,约束阻尼材料整体前3阶损耗因子比选择铝 片作为约束层材料时对应的各阶损