倪楠楠，溫月芳，賀德龍，益小蘇 ，郭妙才，許亞洪

(1 浙江大學 化學工程與生物工程學院，杭州 310013 ；2 北京航空材料研究院， 北京 100095 ；3 航天科工三院,306所， 北京 100074 )

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結構-阻尼復合材料研究進展

倪楠楠1，溫月芳1，賀德龍2，益小蘇2，郭妙才2，許亞洪3

(1 浙江大學 化學工程與生物工程學院，杭州 310013 ；2 北京航空材料研究院， 北京 100095 ；3 航天科工三院,306所， 北京 100074 )

航空航天飛行器的高速、輕質和多功能化的發(fā)展，精密電子儀器設備的應用及舒適性要求的提高，對傳統(tǒng)結構材料的減重和降噪提出了巨大的挑戰(zhàn)。近年來，隨著纖維增強復合材料的在航空航天領域應用比重的迅速提升，開發(fā)兼具高力學性能和高振動阻尼性能的新型結構-阻尼多功能材料也成為研究的熱點問題之一。本文在介紹結構-阻尼復合材料阻尼機理的基礎上,綜述了國內(nèi)外關于結構阻尼復合材料主要研究內(nèi)容及研究成果，并討論了其今后的發(fā)展趨勢，包括開發(fā)新的多功能阻尼插層材料、引入新的阻尼耗能機制、開發(fā)多層次結構模型和對阻尼性能和力學性能的多尺度模擬等。

結構-阻尼；功能化插層；復合材料；結構阻尼；阻尼預測

近年來隨著航空航天裝備向高速化、輕質化、自動化及多功能方向發(fā)展，振動和噪聲對精密電子儀器和設備穩(wěn)定工作的惡性影響不斷加劇，高噪聲振動在降低導航和控制電子系統(tǒng)的精度和可靠性的同時，也大幅降低了結構件的疲勞壽命和服役時間[1-3]，對航空航天裝備的安全性和舒適性提出巨大的挑戰(zhàn)。發(fā)展兼具高力學性能和高阻尼性能的新型結構-阻尼材料，對于結構進行減振降噪處理以改善其力學環(huán)境，延長結構承受循環(huán)載荷和沖擊的服役時間等非常重要，也是近年來復合材料領域研究的熱點之一。

傳統(tǒng)的減振方法主要有解耦、隔振和結構的剛化[4]。解耦需要在不同結構頻率之間調配，不適于模態(tài)密集的大型復雜結構；隔振的缺點是容易在低頻振動區(qū)引入一共振放大峰且結構穩(wěn)定性較差；而剛化方法是通過提高結構剛度來增大結構件的固有頻率從而解除其與激勵的耦合作用，往往以增加附加質量作為代價，不符合飛行器輕質化的發(fā)展要求。阻尼材料是一種能吸收振動機械能、聲能并能將它們轉化為熱能、電能、磁能或其他形式能量而消耗掉的一種功能材料，向結構中添加高損耗因子的阻尼材料是抑制振動和噪聲最有效的技術手段之一[5-14]。目前添加阻尼材料的途徑可以分為兩大類[15]，一是在結構外添加阻尼層，它又分為自由阻尼處理和約束阻尼處理。自由阻尼處理是在結構表面應變較大處粘貼高阻尼附加層，約束阻尼處理則是在附加阻尼層外再添加高剛度的約束層以增大阻尼層的剪切形變，達到消耗振動能量的目的，這兩種方法都屬被動阻尼處理，其顯著特點是對結構的模態(tài)頻率和振型影響較小，適合結構的事后修改，主要用于梁、板和薄殼結構的彎曲振動減振[4]。該方法的缺點是施工容易受到結構尺寸、空間和質量等諸多條件的限制，另外，阻尼層在使用中容易出現(xiàn)分層剝離現(xiàn)象[16]；另一種途徑是將阻尼材料加入復合材料結構中并與其共固化成型，它能改變結構的固有阻尼和共振頻率。該方法的優(yōu)點：首先是一次性固化成型能降低工藝成本且不增加多余的質量(不需要附加約束層)。其次，共固化阻尼處理的阻尼效果更好，因為阻尼材料位于結構內(nèi)部，結構應變能更大，耗能效果更好[17]。再次，共固化阻尼處理是在結構設計的開始階段考慮，可根據(jù)結構的動力學環(huán)境和復合材料的阻尼影響因子進行多樣性設計[18]，其影響因子主要包括阻尼材料的阻尼因子，彈性模量，阻尼層的厚度，分布位置，數(shù)量，基體的模量和損耗因子等[19]。該方法雖能明顯提高復合結構的阻尼性能，但是也存在增加制品厚度和力學強度和剛度下降等問題。目前添加的阻尼材料主要是黏彈性高分子材料，其阻尼性能明顯受到溫度和頻率的影響，較低的玻璃化轉變溫度和儲能模量以及與基體材料較差的界面性能又進一步限制了其在中高溫結構材料中的應用。因此開發(fā)新型的插層阻尼材料[20, 21]，引入新的阻尼耗能機制[22-26]，設計高阻尼高剛度的結構模型[27, 28],設計插層材料和基體材料的界面結合性能[29]，進一步發(fā)展完善并驗證復合材料的阻尼機理和阻尼預測模型[30-37]等對于開發(fā)高性能結構阻尼復合材料非常重要，也成為近年來該領域的主要研究方向。不斷拓寬結構阻尼材料的應用領域[38-40]，研制兼具高阻尼和力學性能的結構阻尼一體化材料無論是對民用還是軍工高技術領域均具有重要的戰(zhàn)略意義。

1 結構-阻尼復合材料的阻尼機理

阻尼作用的本質是將機械振動的能量轉變成可以損耗的能量，從而實現(xiàn)減振。根據(jù)引起能量耗散的機理不同分為四類[41]：內(nèi)摩擦生熱；界面摩擦生熱；能量的傳輸；能量的其他轉換。阻尼材料可分為黏彈性阻尼材料、金屬類阻尼材料、智能型阻尼材料和結構-阻尼復合材料等。不同的阻尼材料其阻尼機理雖各有不同，但只是上述四類阻尼機理的不同組合和表現(xiàn)形式。

黏彈性阻尼材料比較成熟并且已得到廣泛應用，其阻尼機理明確，即在玻璃化轉變區(qū)內(nèi)高分子鏈段通過內(nèi)摩擦產(chǎn)生能量耗散。其損耗因子受溫度、頻率、預壓縮量和應變幅值等因素的影響。阻尼因子在0.2～5.0之間，使用溫度在-55～120℃之間。但是黏彈性阻尼材料的剛度、強度和抗蠕變性能差，不能單獨作為結構材料使用[42]。

金屬類阻尼材料主要是借助位錯、缺陷等產(chǎn)生位錯遲滯、熱遲滯、磁彈效應等現(xiàn)象耗散系統(tǒng)的部分能量。但目前阻尼合金的阻尼性能普遍較低，損耗因子僅為0.001～0.150，與黏彈性材料相差1～2個數(shù)量級，不能滿足高阻尼要求的場合使用。近年來發(fā)展起來的泡沫金屬材料阻尼性能提高了5～10倍[43, 44]，高阻尼特性一方面來源于較高的孔隙率，另一方面來源于孔洞周圍的高密度缺陷。

智能阻尼材料是將智能材料的自感知、自判斷、自適應的特性應用于阻尼體系，包括壓電阻尼材料、電流變流體(ER)和磁流變流體(MR)，其最大特點是可根據(jù)結構的振動環(huán)境自動調整阻尼性能以實現(xiàn)理想的減振效果。壓電材料的阻尼機理是應用壓電效應將振動能轉變成電能，然后通過導電通路再轉化為焦耳熱能耗散掉。電流變流體和磁流變流體具有相似的阻尼機理，主要通過材料在液-固態(tài)間轉變耗散能量，損耗因子可在幾毫秒內(nèi)由0急劇增至15～18。智能型阻尼材料一般具有較高的阻尼因子，但往往需要一些特殊的裝置或容器，工藝復雜且成本較高。

結構-阻尼復合材料是兼具了黏彈性材料的高阻尼性和結構材料的高強度高剛度的新型結構-功能一體化材料。根據(jù)基體不同可分為金屬基和聚合物基結構阻尼復合材料。金屬基結構阻尼復合材料一般是向基體中添加第二相顆粒、纖維或者由不同的金屬板和阻尼插層材料疊層固化形成層狀復合材料。其阻尼來源于金屬基體和添加相的固有阻尼、界面滑動和界面處的位錯運動引起的能耗。聚合物基結構阻尼復合材料是用纖維增強高阻尼聚合物形成的復合材料或將高阻尼材料插入聚合物基復合材料層間制備插層復合材料。由于纖維增強復合材料的阻尼是金屬材料的幾十到幾百倍，同時又有良好的比剛度、比強度， 因此越來越引起人們的關注。其阻尼機理主要有以下幾點：

(1)基體和纖維增強材料的內(nèi)摩擦引起的能量損耗。一般來講，復合材料的阻尼主要來自于樹脂基體。玻璃纖維，芳綸纖維作為增強相也具有較好的內(nèi)摩擦阻尼性能。此外插層復合材料中如果插入黏彈性阻尼材料或熱塑性纖維或薄膜材料也可通過分子鏈運動消耗更多的能量。

(2)界面摩擦生熱。耗能包括宏觀和微觀兩方面[45]。宏觀界面摩擦包括材料與其他材料或介質相對運動造成的摩擦耗能，工程中利用液體或氣體的摩擦能夠使振動能轉變?yōu)闊崮埽瑥亩憩F(xiàn)出阻尼作用。微觀的界面摩擦包括材料內(nèi)不同組分間的界面區(qū)由于存在高剪切應變而引起的能量損耗，譬如纖維與基體界面分層引起的摩擦阻尼，填充顆粒與基體或纖維間接觸面的摩擦阻尼等。

(3)由材料破壞引起的阻尼。由于基體開裂和纖維或插層材料斷裂、拔出的能量耗散引起的阻尼。

(4)黏塑性阻尼。在大振幅或高應力情形下，特別是熱塑性復合材料，由于在纖維之間的局部區(qū)域內(nèi)存在高應力和應變集中而表現(xiàn)出非線性的阻尼特性[46]。

(5)能量的其他轉換。插層復合材料如果包含智能阻尼材料，則存在機械能與電能的轉換(壓電阻尼材料)，機械能和化學能的轉換(可逆氫鍵耗能阻尼材料)，機械能和磁能的轉換(稀土永磁阻尼材料)等引起的阻尼損耗。

2 結構-阻尼復合材料

2.1 國外研究進展

1990年Barrett首次對夾雜單一黏彈性層的復合材料層合結構的阻尼性能進行研究，結果表明其結構損耗因子比傳統(tǒng)的CFRP高5～50倍，并且具有一定的可設計性[47]。Biggerstaff制備了損耗因子η>0.13(20～200Hz)的共固化阻尼復合材料并發(fā)現(xiàn)黏彈性材料在共固化過程中可能出現(xiàn)諸多問題：1)阻尼材料在固化過程中老化降解，造成復合材料分層；2)阻尼材料可能產(chǎn)生蠕變或者被擠壓到復合材料外部等；3)共固化時，黏彈性阻尼材料的阻尼性能明顯下降。研究其原因主要是阻尼材料與樹脂基體的相互作用所致。如果固化前在阻尼材料和基體樹脂間插入聚酰亞胺隔膜可有效阻止二者彼此之間的滲透，阻尼效果與先分別固化、再粘接的結果接近[48]。為了改善結構阻尼復合材料的力學性能，Robinson等提出了將黏彈阻尼層穿孔后再共固化的改性方法，并從阻尼層孔徑大小、孔間距和穿孔率三個方面出發(fā)，考察了穿孔固化對阻尼改性復合材料的阻尼性能和剛度的影響[49]。Trego等提出了借助應力耦合效應在結構長度方向的不同區(qū)段內(nèi)設置不同的纖維取向角，通過位于這些區(qū)段內(nèi)的黏彈性阻尼層內(nèi)產(chǎn)生的高剪切應力來提高結構的阻尼效果，并且對取向角、與取向角對應的區(qū)域長度，復合材料的彈性模量等參數(shù)進行適當?shù)倪x擇，可在層間產(chǎn)生最大的剪切應力從而發(fā)揮阻尼層最大的潛能，這種方法稱之為應力耦合阻尼技術[14]。Mantena等研究表明，聚乙烯纖維增強鋪層和石墨纖維增強鋪層經(jīng)過混雜鋪疊后可得到良好的阻尼性能和結構剛度。這是因為：聚乙烯纖維增強復合材料具有優(yōu)良的阻尼特性和抗沖擊性能，而石墨纖維增強復合材料則具有較大的剛度，但阻尼和抗沖擊性相對較差，它們的混雜使用將提供良好的綜合性能[50]。James研究了不同蜂窩材料作為插層時對結構阻尼材料性能的影響，結果表明，減少蜂窩的剪切模量可在不犧牲剛度的前提下進一步提高損耗因子[51]。Ray通過研究設計混合阻尼層結構(見圖1)，系統(tǒng)研究了約束層的PZT片的纖維取向、通電電壓、結構層的纖維取向、插層蜂窩的厚度等因素對結構阻尼復合材料阻尼性能和結構性能的影響。另外研究了不同模量和性能的蜂窩(HEREX 芯,泡沫填充鋁蜂窩)和不同模量層合板對結構性能的影響[20]。Toshio研究了不同鋪層設計的聚乙烯薄膜插層共固化復合材料制作的懸臂梁的阻尼性能，并與根部進行PZT片阻尼處理的懸臂梁進行對比。結果表明含PZT片的懸臂梁阻尼因子達到了0.012，阻尼效果較好，另外還研究了將PZT粉體直接撒在預浸料上制備壓電阻尼復合材料，結果使得振動模態(tài)損耗因子有了明顯提高，尤其是一階模態(tài)。與此同時，結構的模量和層間剪切強度沒有受到明顯的影響[52]。

圖1 含1-3型壓電復合材料為約束層的約束阻尼處理結構的共固化結構阻尼材料示意圖[20]Fig.1 Schematic representation of co-cured structural damping materials integrating constrained damping treatment structure with 1-3 piezoelectric composite as constraining layer[20]

2.2 國內(nèi)研究進展

國內(nèi)方面，Liao等分析了中性面內(nèi)插入聚乙烯-丙烯酸的單向碳/環(huán)氧及其對稱角鋪設碳/環(huán)氧層合板的阻尼性能，結果表明結構阻尼因子有顯著的增加，并受到外層復合材料剛度的影響[7]。張少輝等基于有限元的模態(tài)應變能法研究了共固化復合材料結構的阻尼因子；同時考慮了黏彈性阻尼材料的頻率依賴性和復合材料本身對振動能量的損耗，提出了該類結構有限元模型，并進行了驗證。研究結果表明：纖維增強復合材料本身的阻尼因素對結構阻尼因子的影響與鋪層結構和模態(tài)有關；在保證結構剛度前提下，在鄰近阻尼層的位置增加一定數(shù)目柔性層(90°)可提高結構阻尼；將黏阻尼層離散分布于偏離結構厚度中心適當距離的位置，有利于結構阻尼的改善[17,31]。潘利劍等基于模態(tài)疊加法和模態(tài)應變能法，導出任意簡諧激勵下黏彈阻尼結構阻尼因子的計算方法，并用于分析共固化復合材料簡諧激勵下阻尼因子，該分析結果與DMA實測結果基本吻合[16]。他們還研究了實驗溫度對0.3mm丁腈橡膠膜和T700碳纖維增強環(huán)氧樹脂基共固化復合材料單向板阻尼性能的影響。結果表明：玻璃態(tài)和高彈態(tài)的共固化復合材料阻尼因子較小，且隨溫度變化不大；而當溫度處于阻尼層黏流態(tài)區(qū)時，共固化復合材料阻尼因子迅速增加到最大值后再減小，最大阻尼因子約為未插入黏彈阻尼層復合材料的13倍；但研究還發(fā)現(xiàn)共固化過程中阻尼層阻尼因子減小，共固化復合材料的彎曲模量下降65%以上，采用統(tǒng)一目標函數(shù)法對黏彈性阻尼膜上打孔的尺寸和位置進行優(yōu)化以獲得阻尼性能和結構性能的最優(yōu)搭配，結構示意圖見圖2，優(yōu)化后的結構阻尼復合材料彎曲模量比空白樣品下降41.5%，阻尼因子達到0.04，具體數(shù)據(jù)見表1[53]。

圖2 穿孔黏彈阻尼層共固化復合材料示意圖(a)及穿孔阻尼層結構示意圖(b) [53]Fig.2 The schematic diagram of co-cured composites with interleaved perforated viscoelastic layer(a) and the schematic diagram of perforated damping layer(b) [53]

Perforationpitch/mmOptimalperforationarearatio/%DampingFlexuralmodulus/GPa12．51．980．040267．71203．350．041166．39254．150．043659．82Fiber?reinforcedcomposite-0．0132115．67

呂麗等制備了具有不同結構和界面結合強度的玻璃纖維芯-鉛(GF-Pb)網(wǎng)增強橡膠復合材料，結果表明GF-Pb網(wǎng)增強結構可以同時提高橡膠的動態(tài)力學性能和阻尼性能，其中GF-Pb網(wǎng)z向增強方式的性能改善效果明顯，當GF-Pb網(wǎng)體積分數(shù)為4% 時其動剛度和損耗因子的提高率可分別達到49% 和25%[54]。余啟勇等采用3M公司的阻尼材料ISDll2、高強玻璃纖維布和環(huán)氧樹脂制備了共固化復合材料，在0～500Hz范圍內(nèi)材料的阻尼因子≥0.03，抗彎強度接近550MPa，彎曲模量20GPa。采用航天材料及工藝研究所生產(chǎn)的厚度0.15mm的新型丁腈橡膠阻尼材料，制備了穿孔阻尼層共固化復合材料，研究結果表明，復合材料阻尼性能和靜態(tài)力學性能與阻尼膠膜穿孔面積比直接相關，在8%以內(nèi)時，阻尼效果明顯，但結構強度和剛度仍有明顯下降；阻尼層穿孔面積比在12%～30%之間變化時，有一定的阻尼效果，結構力學性能明顯上升，阻尼層穿孔面積比大于30%時，復合材料的損耗因子略有提高，靜力學性能與未加阻尼層的復合材料相當[55]。楊加明等分析了復合材料夾雜雙層黏彈性阻尼材料的彎曲性能，用Ritz法研究各應力分量的應變能并計算分析了復合材料層的應變能以及復合結構的損耗因子。結果表明，復合材料中性面內(nèi)應變能占主要地位，黏彈性層中的XZ方向和YZ方向的切應力應變能較大[56]。此外還以該類材料結構的損耗因子最大化為優(yōu)化目標，用改進遺傳算法對其阻尼性能進行優(yōu)化設計，結果表明多變量優(yōu)化設計結果優(yōu)于單變量優(yōu)化設計，優(yōu)化后結構的損耗因子明顯增大[57]。楊雪建立了有限元模型從理論上研究由三層黏彈性高分子阻尼材料和鋼板組成復合結構的阻尼性能，并用實驗進行了驗證[58]。范永忠等制備了纖維增強環(huán)氧樹脂基復合材料，研究了纖維的混雜方式對復合材料玻璃化轉變溫度和阻尼性能的影響。結果表明經(jīng)GF/CF混雜后，復合材料的阻尼性能符合混雜定律，阻尼因子介于GF復合材料與CF復合材料之間[59]。吳醫(yī)博等發(fā)明了一種內(nèi)嵌阻尼層的泡沫夾芯復合材料，通過在泡沫上添加溝槽解決了真空成型工藝問題，振動測試結果表明該阻尼板具有較好的剛度和阻尼性能[60]。郭萬濤發(fā)明了一種以玻璃纖維增強柔性環(huán)氧樹脂為阻尼層，玻璃纖維增強普通環(huán)氧樹脂為結構層的結構阻尼一體化材料，彎曲強度達到391MPa,彎曲模量為17GPa,阻尼因子為0.05[61]。梁森等發(fā)明了一種以丁腈橡膠和氯化丁腈橡膠部分硫化后制成薄膜為阻尼層，碳纖維增強環(huán)氧樹脂為結構層復合而成的共固化復合材料，相對阻尼系數(shù)從空白樣品的0.0046提高到了0.015[62]。益小蘇教授等設計了一種以植物纖維織物或無紡布或高分子薄膜或泡沫等為阻尼材料，碳纖維或玻璃纖維等為增強材料的疊層混雜材料，該材料具有吸聲，降噪，減振，隔熱等性能，同時具有一定的比強度和比剛度，通過材料混雜的方法兼顧結構和阻尼性能[63]。

航天材料及工藝研究所從20世紀90年代開始開展了樹脂基阻尼復合材料研究工作，制備的阻尼/結構一體化復合材料和傳統(tǒng)的纖維復合材料相比，在相同厚度條件下，材料的阻尼因子增大近一個數(shù)量級，且各向同性層合板彎曲強度、彎曲模量和層剪強度等均有較高的保持率[4]。

3 結構-阻尼復合材料研究領域的關鍵問題

結構阻尼復合材料研究的基本思路就是將阻尼材料與結構材料“復合化”，由阻尼組分提供阻尼性能，結構組分保證結構強度，以達到靜態(tài)力學性能與動態(tài)力學性能的平衡，實現(xiàn)高強度高剛度與高阻尼的有機結合。目前結構阻尼復合材料的研究主要集中于：

(1)以金屬為基體，通過金屬材料與高阻尼材料疊層固化而成的夾層復合材料或者添加高阻尼第二相制備的阻尼合金材料。

(2)以力學性能和阻尼性能較高、質量較輕的聚合物為基體，通過引入阻尼性能較高或經(jīng)過高阻尼處理的纖維材料強化基體或插入其他高阻尼材料到復合材料層間共固化而成的插層聚合物基復合材料。

結構阻尼材料研究領域近年來不斷有新的研究成果出現(xiàn)，研究方向也在不斷細化。

3.1 開發(fā)新型的共固化阻尼材料

圖3 碳納米管黏彈性行為及其機制[70](a)儲能模量、損耗模量、損耗因子的溫度譜；(b)應力-應變回滯曲線；(c)黏彈性作用機理Fig.3 Viscoelastic behavior and mechanism of carbon nanotube [70](a)temperature spectrum of storage modulus, loss modulus and loss factor;(b)stress-stain hysteresis curve;(c)mechanism of viscoelastic effect

傳統(tǒng)的黏彈性阻尼材料的阻尼性能隨環(huán)境溫度、振動頻率等外部因素變化較大，采用共混合共聚的多相體系，雖然擴大了阻尼溫度區(qū)域，但是阻尼效果仍不理想。對于互穿聚合物網(wǎng)絡(IPN)，由于其交聯(lián)網(wǎng)絡之間的相互貫穿，產(chǎn)生強迫互容和協(xié)同效應，故有利于制備寬溫度和寬頻區(qū)域的阻尼材料[64-66]。但黏彈性材料的模量較低，插入黏彈性材料引起體系強度和模量的下降明顯，近年來有人開始研究將多孔的蜂窩類材料如杜邦公司生產(chǎn)的Nomex蜂窩, Kevlar蜂窩等加入到復合材料，能夠在提高結構阻尼的同時保持結構的剛度[20]。 此外還有人研究了將納米硅棒，納米硅線，納米硅彈簧等填料加入環(huán)氧樹脂內(nèi)制備結構阻尼材料，結果發(fā)現(xiàn)加入納米硅彈簧可提高損耗因子150%，同時不引起結構剛度明顯的下降[67]。另外，還有人研究了將中空植物纖維黃麻[68]，松木，青木[69],泡沫鋁[39]作為插層制備結構阻尼復合材料。值得注意的是，最近Science 雜志報道了化學沉積法制備的碳納米管網(wǎng)絡狀材料具有比硅橡膠更寬的高阻尼溫度區(qū)間，如圖3(a)所示，在-140～600℃的寬溫區(qū)內(nèi)，碳納米管材料都具有較高的儲能模量，損耗模量和損耗因子，圖3(b)表明在周期應變中碳納米管網(wǎng)具有比硅橡膠更大的應力應變遲滯曲線面積，也就具有更高的能量損耗，其耗能機理如圖3(c)所示，主要借助碳納米管間的滑移，節(jié)點的搭接和斷開來消耗能量[70]。Shan等和Pathak等研究了碳納米管泡沫的黏彈性效果，發(fā)現(xiàn)碳納米管越短，單位體積數(shù)量越多，則能耗越大[71, 72]。Hehr等和Chun等通過紡絲制備了碳納米管繩，發(fā)現(xiàn)碳納米管之間的扭曲、纏結和滑移可以顯著提高碳納米管繩的阻尼性能, 且能量耗散與拉伸應變量成正比[73, 74]。Zeng等制備了碳納米管陣列/碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料并考察其動態(tài)黏彈性能，結果表明定向碳納米管陣列同時增加了復合材料的儲能模量,損耗模量與損耗因子，通過增加復合材料內(nèi)的界面，并與碳纖維形成協(xié)調增強作用，使得復合材料兼具更高的彎曲模量和阻尼性能[75]。一般認為碳納米管/樹脂基復合材料的阻尼主要來源于碳納米管內(nèi)和碳納米管與樹脂間的界面摩擦[76, 77]。石墨烯具有二維片層結構, 其在外力作用下易于產(chǎn)生形變, 通過片層間大面積接觸和相對滑移變形能夠產(chǎn)生能量耗散[78]。Su等研究了氧化石墨烯紙的黏彈性能發(fā)現(xiàn)石墨烯紙在較高的溫度下具有更為優(yōu)異的阻尼特性因為高溫條件下石墨烯片層間更容易發(fā)生相對滑移, 從而產(chǎn)生更高的能量耗散[79]。但石墨烯復合材料的黏彈阻尼性能的研究目前較少，Koratkar研究發(fā)現(xiàn)石墨烯的加入可以有效提高復合材料的儲能模量, 但并未顯著改善其損耗模量和阻尼性能，這與石墨烯在樹脂中的分散性和相容性有關[80]。

3.2 引入新的阻尼耗能機制

目前研究最多的是利用壓電效應將無機壓電陶瓷(如鋯鈦酸鉛PZT, 鈮鎂-鋯鈦酸鉛PMN)的顆粒，纖維或有機壓電材料(聚偏二氟乙烯PVDF)加入材料內(nèi)部制備具有被動壓電效應的阻尼材料[80-82]或將壓電陶瓷片加到材料表面制備具有主動壓電效應的阻尼結構件[83]。此外，有人研究發(fā)現(xiàn)向極性聚合物中添加位阻酚類小分子(AO-80，DZ)可形成可逆的氫鍵，在受到外力作用時，這種可逆的氫鍵通過斷裂和形成的循環(huán)可消耗大量的能量，損耗因子提高一倍以上，儲能模量也有較大提高，但超過一定溫度后下降速度加大[84, 85]。另外研究較多的新的阻尼耗能機制還有電致流體和磁致流體轉變阻尼[22, 86, 87]。

3.3 設計高阻尼高剛度的結構模型

圖4 柚子皮的徑向截面圖(a)、柚子皮的掃描電鏡照片： 海綿狀結構(b)及具有仿柚子皮多級結構的長纖維增強金屬泡沫，白色箭頭為纖維束(c)[89, 90]Fig.4 The section of pomelo peel in radial direction (a)，SEM image of the pomelo peels showing the foam-like structure (b) and long fiber reinforced metal foams inspired by the hierarchical structure s of pomelo peel white arrows: fiber bundle (c)[89, 90]

為實現(xiàn)結構與阻尼性能的一體化，需要對復合材料結構進行整體設計。近年來，研究人員通過模仿自然界生物材料的結構來獲得更高效的阻尼材料，其中空間梯度漸變的組成和結構受到了關注。組成和微結構的連續(xù)變化可以使界面應力最小化，并且減小了各個點的應力集中現(xiàn)象，從而增強了材料的力學強度和能量耗散能力[88]。自然界中柚子是具有很好阻尼性能的代表，圖4(a)是柚子的徑向截面圖，放大后如圖4(b)所示，梯度多孔多級結構使得柚子皮具有很好的能量耗散能力[89]。Sebastian等通過熔模鑄造工藝制備出了類似柚子皮的多級結構的長纖維增強金屬泡沫材料，如圖4(c)所示，這種Bi7Sn43合金具有很好的阻尼和抗沖擊性能[90]。蘇杭制備了玻璃空心微珠/Al 多孔材料并研究其壓縮及阻尼性能[91]。此外金明江等綜合了仿貝殼疊層復合材料的軟硬相交疊強韌機理、傳統(tǒng)疊層阻尼復合材料阻尼機理和ARALL板疊層止裂機理設計并制備了纖維/樹脂/鋁合金疊層復合材料和泡沫鋁/樹脂/鋁合金疊層復合材料，示意圖見圖5。研究結果表明，這種含纖維的三相雜化材料損耗因子達0.031，拉伸強度507MPa,拉伸模量32.7GPa,彎曲強度348.1MPa，含泡沫鋁的雜化材料損耗因子為0.056， 拉伸強度54MPa,拉伸模量25.6GPa。通過調節(jié)插層纖維含量可調整體系的模量和阻尼[92, 93]。王翔等通過將阻尼改性的柔性環(huán)氧樹脂和纖維增強柔性環(huán)氧樹脂作為插層與結構環(huán)氧樹脂混合鋪層制備兼具高強度高模量及高阻尼性能的結構阻尼復合材料[94]。MOREIRA等通過模仿GLARE板制備不同插層材料和鋪層順序的層合板，評價了其阻尼和力學性能與插層材料和鋪層順序的關系[26]。LAKES繪制了常用材料的剛度-損耗因子圖，見圖6，指出材料的剛度和損耗因子是相互制約的2個變量，結構剛度高的材料如金屬一般損耗因子較低，位于圖的左上角，損耗因子好的材料如橡膠材料則一般模量較低，位于圖的右下角。結構阻尼材料追求的目標是兼具高的剛度和損耗因子即圖的右上角位置，而其最有效的制備辦法是選擇較高剛度的阻尼材料與結構材料復合而非阻尼因子很大但剛度很差的材料。他設計用W-InSn 合金粒子為阻尼相制備結構阻尼材料，其中InSn合金為殼提高阻尼性能，W粒子為核保證阻尼相的結構剛度,這種核殼結構的示意圖見圖7，此外W可以用無機陶瓷SiC取代以降低成本[26]。Elasser等研究了以IPN為核的核殼結構，其中核為聚丁二烯-苯乙烯和丙烯酸酯共聚物組成，為抗沖擊和阻尼部分，殼則是玻璃態(tài)的聚苯乙烯-丙烯腈共聚物，研究發(fā)現(xiàn)這種核殼結構的乳膠粒子的阻尼因子大于1[95]。此外日本橋石公司開發(fā)設計了MNCS阻尼材料(Micro Network Controlled Structure),這種材料有熱塑性彈性體(TPE)和油類組成，具有高分子凝膠的特性，與人體的肌肉類似，熱穩(wěn)定性好且具有形狀記憶功能和非常優(yōu)異的防振和抗沖擊性能。通過調控TPE和油類的種類和比例，可以形成不同模量和不同損耗因子的材料，為結構阻尼材料的設計提供了新的思路[96]。

圖5 纖維/樹脂/鋁合金疊層復合材料示意圖[92]Fig.5 Schematic representation of fiber/resin/Al alloy laminated composite[92]

圖6 不同材料的剛度-損耗因子圖[26]Fig.6 Stiffness-loss factor of different materials[26]

圖7 W-InSn 合金粒子填充金屬基體示意圖[26]Fig.7 Schematic representation of metal matrix filled with W-InSn alloy particles [26]

3.4 設計插層材料和基體材料的界面結合性能

在復合材料的設計中，主要存在的問題是界面設計問題。弱結合界面能通過界面滑移摩擦機制對阻尼做出貢獻，但與此同時，界面滑移必將導致復合材料在剛度和強度上的巨大損失。金明江等的研究表明，金屬-樹脂界面依然是金屬基疊層材料的弱界面，其結合強度影響復合材料的整體性能[93]。李明俊等分別采用壓敏膠和環(huán)氧樹脂作為黏結劑，制備兼顧高強度、高剛度和高阻尼的結構阻尼復合材料，考察了兩種黏結層材料和不同黏結層厚度對7層各相異性交替層合阻尼結構內(nèi)耗溫頻特性的影響[97]。另外，因為纖維和基體彈性模量的不匹配，纖維/基體界面中存在較大的剪切應力.所以在該剪應變區(qū)域中加入高阻尼材料也是增加復合材料阻尼的一種有效途徑，具體就是在纖維表面覆蓋一層高阻尼材料[98]?；w樹脂與纖維的層間可能存在的間隙及基體樹脂在斷裂后出現(xiàn)的縫隙對材料的結構力學強度有很大的影響，有人通過超聲處理將預先鋪設于層間的熱塑性的PEEA纖維融化后填充到可能存在的上述縫隙中可提高結構的力學性能和斷裂韌性，同時基于熱塑性聚合物自身的阻尼貢獻能提高結構的損耗因子[99]。

3.5 發(fā)展完善并驗證結構阻尼復合材料的阻尼預測模型

基于彈性-黏彈性對應原理，模態(tài)應變能法和有限元法,研究人員建立了各種阻尼預測模型，大致可分為微觀模型和宏觀模型兩大類。

微觀模型考慮纖維、基體和界面等各組分，以及它們間的相互作用對阻尼的影響，包括纖維含量、纖維和基體的彈性模量和阻尼性能、增強纖維長徑比、纖維取向、界面條件和中間相的影響等[16]。宏觀模型以單個鋪層、層合板以及整個結構為研究對象，考察結構總體的阻尼特性。自1973年Adams和Bacon創(chuàng)立了基于單向纖維增強薄板阻尼性能預測的Adams-Bacon準則后，宏觀力學模型不斷被修正完善，依次出現(xiàn)了Ni-Adams模型[100]，Saravanos模型[101],Rikards基于一階剪切變形并考慮了橫向剪切變形而建立的阻尼預測模型[102], Berthelot采用里茲法建立的阻尼預報模型等[103]。近年來，隨著新型阻尼材料和阻尼機制的引入，又出現(xiàn)了關于壓電阻尼復合材料和電致流變阻尼復合材料的阻尼預測模型[22,24]。隨著結構阻尼復合材料對結構性能和阻尼性能的兼顧要求的提出，又出現(xiàn)了基于離散層法和遺傳算法的多目標優(yōu)化分析和基于模態(tài)應變能法、模態(tài)疊加法及統(tǒng)一目標函數(shù)法的優(yōu)化分析來平衡結構阻尼復合材料的結構性能和阻尼性能，并可根據(jù)材料的使用環(huán)境尋找最佳組合[49, 104]。

3.6 不斷拓寬結構阻尼材料的應用領域

復合材料的可設計性賦予結構阻尼復合材料開發(fā)和應用的靈活性，人們可以通過調整復合材料的成分配比和結構組成來滿足不同場合的需要。例如：用高模量的阻尼材料可以提高結構阻尼復合材料的模量；增加復合材料中纖維的體積分數(shù)可滿足更高的強度需要；提高插層的阻尼性能或用量可滿足更高的阻尼要求。結構阻尼復合材料將在航空航天、機械、電子、軌道交通等工業(yè)中發(fā)揮巨大的作用。目前已經(jīng)有類似產(chǎn)品研制成功并投入使用，譬如衛(wèi)星支架，儀器設備支架，阻尼桿件，大型風機葉片，潛艇推進舵葉片，直升機懸翼槳葉片，機器人手臂，車廂壁板，汽車保險杠，隔聲板等部件。隨著結構阻尼復合材料的制備技術和性能指標的不斷優(yōu)化，制造成本的不斷下降，其應用領域和開發(fā)應用速度必將得到不斷地拓寬和提高。

4 結束語

隨著對材料輕量化和結構功能一體化需求的不斷增加，兼具優(yōu)異力學性能和減振降噪能力且結構可靈活設計的結構阻尼復合材料已廣泛應用于航空航天、汽車、輪船、橋梁建筑以及體育休閑等各個領域。雖然目前國內(nèi)外關于結構阻尼復合材料的研究開發(fā)已經(jīng)取得很多成果，但仍面臨著很多問題和挑戰(zhàn)，如何通過結構設計和新材料、新阻尼耗能機制的應用實現(xiàn)結構性能和阻尼性能的同步提高，如何對插層材料或合金組分進行物理或化學改性以提高其耐濕熱性，耐疲勞性，耐輻射性，耐老化性，滿足結構阻尼材料在航空航天領域苛刻的使用環(huán)境。如何建立不同邊界條件下和不同測試表征方法獲得的材料阻尼參數(shù)之間的對應關系并能通過模擬和計算確定具體結構所需的阻尼材料參數(shù)，如何實現(xiàn)結構阻尼復合材料的制備工藝穩(wěn)定性和制造成本最小化的統(tǒng)一等都是今后結構阻尼復合材料研究面臨的挑戰(zhàn)。

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Process on the Research of Structure-damping Composites

NI Nan-nan1，WEN Yue-fang1，HE De-long2，YI Xiao-su2， GUO Miao-cai2，XU Ya-hong3

(1 College of Chemical and Biological Engineering, Zhejiang University, Hangzhou, 310013, China;2 Beijing Institute of Aeronautical Materials,Beijng 100095, China;3 306 Institute, the Third Academy of China Aerospace Science & Industry Corp, Beijing 100074, China)

A huge challenge was presented on mass reduction and noise reduction of the traditional structural material with development of aerospace vehicles toward high-speed, light mass and multi-function, application of the precise electronic equipment and improvement of comfort requirements. In recent years, with the rapid increase of fiber-reinforced composite materials in the application proportion in aerospace, development of the new structure-damping multifunctional materials with both high mechanical properties and high vibration damping performance has become one of the hot topics of research. The damping mechanism of structure-damping composites was described firstly, further the major domestic and international research results of structural damping composites were reviewed, and then its future development trends were discussed, including the development of new multi-purpose damping intercalation materials, the introduction of new damping mechanisms, the development of multi-level structure model and multi-scale simulation of mechanical properties and damping properties.

structure-damping; functional intercalation; composite; structural damping; damping prediction

10.11868/j.issn.1001-4381.2015.06.015

TB332

A

1001-4381(2015)06-0090-12

國家自然科學基金(2011CB605605);國家863計劃(2015AA03A201)

2014-11-19;

2015-03-23

溫月芳(1967-)，女，博士，教授，博士生導師，研究方向為碳纖維及碳纖維復合材料,聯(lián)系地址：浙江省杭州市浙大路38號浙江大學13樓409(310013),E-mail: wenyf@vip163.com