环氧树脂基结构阻尼复合材料的制备及性能研究

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1、武汉理工大学博士学位论文摘要结构阻尼复合材料不仅具有高的刚度，而且具有较高的阻尼容量。它是近年来发展起来的先进复合材料，其应用范围广泛，涉及到航天航空、机械动力、交通运输、电力电子、军工以及仪器仪表工业等领域，对于国家经济的发展和减少振动噪音，提高人们的生活质量起到重要的作用。通过材料的复合化，制备强度、刚度和阻尼性能俱佳的结构阻尼复合材料成为阻尼材料的发展方向。为实现结构与功能的一体化，需要对复合材料结构进行整体设计。本文从阻尼材料研究出发，对通用型环氧树脂进行改性，制得高阻尼宽温域的环氧树脂粘弹性材料。并以此为基体，制备环氧树脂基阻尼复合材

2、料。通过铺层设计，将其与环氧树脂基结构复合材料进行复合，制备高强度高模量及高阻尼性的环氧树脂基复合材料。这种将阻尼复合材料与结构复合材料“复合化”的思路，由阻尼复合材料提供阻尼性能，结构复合材料保证结构强度，以达到静态力学性能与动态力学性能的平衡，实现高强度与高阻尼的有机结合。遵循这种思路，本文就相关材料的制备及性能开展了研究。在阻尼层用高阻尼环氧树脂基体制备方面，通过选用各类柔性固化剂固化环氧树脂，并采用环氧树脂体系共混的方法，制得了室温高阻尼宽温域环氧类粘弹性阻尼材料。研究了其阻尼性能的各项影响因素。研究表明，当环氧树脂固化物结构中含有苯环

3、等刚性基团时，其力学损耗因子较低。而只含有柔性链段的固化物体系的损耗因子较高；交联密度对阻尼性能也有明显的影响。采用相同的树脂体系，若固化物交联密度高，则其损耗因子温度谱中阻尼峰面积小，表明其耗散能量的能力低。而随着交联密度降低，在一定范围内，其温度谱中阻尼峰面积增大，阻尼峰高度、宽度均增加；体系中柔性链段的含量对固化物的阻尼性能也有影响。表现为在相同的树脂体系中，当柔性链段含量增加时，其温度谱中阻尼峰的宽度增加，使材料的有效阻尼温度范围增大。在分析各种因素对固化物阻尼性能影响的规律后，本文采用聚合物共混的方法，使用聚醚胺D400／D2000混

4、合固化剂固化CYD．128与XY678环氧树脂混武汉理工大学博士学位论文合体系，其固化物最大损耗因子达到了1．89，玻璃化转变温度为14．3℃，且有效阻尼温度范围提高到了47．7℃，在3．87℃一51．6℃范围内均有较高的损耗因子，是常温下高阻尼宽温域的环氧类粘弹性阻尼材料。为得到阻尼性能及力学性能较好的阻尼复合材料作为阻尼层，对阻尼复合材料进行了设计，采用不同种类及形式的增强材料及将一系列具有不同玻璃化转变温度和阻尼温度范围的阻尼树脂作为基体得到的梯度阻尼复合材料作为阻尼层；比较各种因素对阻尼复合材料阻尼性能及力学性能的影响。研究表明，采用环

5、氧树脂粘弹性阻尼材料作为基体，以玻璃纤维布为增强材料，在常温下(25℃)的损耗因子可达到0．450，是普通环氧树脂复合材料损耗因子的12．8倍。增强纤维的种类对复合材料的损耗因子有影响，采用单向碳纤维布作为增强材料，其复合材料的损耗因子高于玻璃纤维布增强复合材料的损耗因子。增强材料的形式对复合材料的损耗因子也有影响，短切纤维毡比纤维布更有利于提高复合材料的损耗因子。混合铺层方式由于增加了界面，对复合材料的阻尼性能提高有一定帮助。采用单向碳纤维布／短切玻璃纤维毡／单向碳纤维布的铺层方式，得到的阻尼复合材料的损耗因子达到1．03，对应峰值温度为27

6、．8℃；有效阻尼范围为16．7℃。将具有不同玻璃化转变温度和阻尼温度范围的阻尼树脂作为基体制备的梯度阻尼复合材料，可有效扩展阻尼温度范围。使用预浸渍工艺，在纤维表面由柔性到刚性的方式形成梯度阻尼，可有效扩展体系的阻尼温度范围，其有效阻尼温度范围从26．4-．90．8℃，达到了64．4℃，损耗因子最大值为0．707。将制备的阻尼及力学性能均较好的环氧树脂阻尼复合材料作为阻尼层，还需要将其与结构层有效的结合。在结构阻尼复合材料的成型方式研究上，本文比较了两种工艺，一种是将阻尼层复合材料制备成预浸料，然后采用叠层共固化的方式成型。另一种是将其与结构层

7、的增强材料一起通过真空灌注成型工艺成型。这两种成型工艺均能制备出整体性能好的环氧树脂结构阻尼材料。相比普通环氧树脂基复合材料，叠层共固化环氧树脂结构阻尼复合材料的阻尼比为3．67％，提高了299％，弯曲强度为281Ⅷa，达到了结构材料的强度要求。而通过真空灌注成型方式制得的结构阻尼复合材料的整体性更好，阻尼比可达到3．71％，弯曲强度达到378MPa。本文根据结构阻尼复合材料的结构特点，通过改变阻尼层的种类、数量、Ⅱ武汉理工大学博士学位论文位置来调节结构阻尼复合材料的力学强度及阻尼性能，为结构阻尼复合材料的设计及制备提供了一种有效的手段。关键词

8、：阻尼；阻尼材料；环氧树脂；结构阻尼；粘弹性阻尼材料；聚合物共混；结构功能一体化；叠层复合材料；共固化；真空灌注成型Ⅲ武汉理工大学博士学位论文Abst