發(fā)布時間：2020-10-08 17:13

　　 以碳纖維增強復(fù)合材料(CFRP)為代表的先進復(fù)合材料具有高比強度、比模量等優(yōu)點,在工業(yè)和裝備領(lǐng)域代替?zhèn)鹘y(tǒng)材料得到了越來越廣泛的應(yīng)用。因此,傳統(tǒng)材料面臨的振動和噪聲問題在復(fù)合材料中同樣突出。振動和噪聲會影響人們的工作與生活環(huán)境,降低系統(tǒng)的性能和生產(chǎn)效率,破壞設(shè)備運行的穩(wěn)定性和可靠性,長期的振動還會對結(jié)構(gòu)造成損傷,引起結(jié)構(gòu)有效壽命的下降。復(fù)合材料構(gòu)件以薄壁件為主,在傾向于高速化的應(yīng)用領(lǐng)域中,振動和噪聲的負(fù)面影響會表現(xiàn)得愈發(fā)明顯。復(fù)合材料的減振降噪研究具有重要的意義。復(fù)合材料的減振降噪性能依賴于其阻尼和模量。模量的提高可以改善低頻下的減振降噪性能,而良好的阻尼性能則起到改善全頻域范圍內(nèi)復(fù)合材料減振降噪性能的作用。因此,減振降噪要求復(fù)合材料兼具高阻尼和高剛度,而高剛度也是復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)材料的必然要求,這就要求對結(jié)構(gòu)和阻尼進行一體化設(shè)計。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)阻尼一體化的研究主要集中在“層間式”結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)來源于傳統(tǒng)的附加式阻尼結(jié)構(gòu),直接將阻尼層插入到復(fù)合材料層間。粘彈性阻尼層共固化復(fù)合材料以橡膠作為阻尼層,存在整體剛度下降、界面結(jié)合力低、耐熱性差、阻尼層易老化等問題;其他非橡膠類的結(jié)構(gòu)阻尼復(fù)合材料等會造成整體厚度、質(zhì)量和工藝成本增加。復(fù)合材料具有多組分、多界面和可設(shè)計性強的優(yōu)點,在性能改善上具有很大的自由度,充分利用這些特點完全可以設(shè)計出不依賴于層間插層的結(jié)構(gòu)阻尼一體化復(fù)合材料。因此,本文力圖跳出插層式的改性思維,明確纖維增強復(fù)合材料的阻尼來源和機理,從纖維增強復(fù)合材料的基本結(jié)構(gòu)(基體、界面和纖維)出發(fā)考慮復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)阻尼一體化設(shè)計。本文中基于基體的結(jié)構(gòu)阻尼一體化通過納米粒子的添加來實現(xiàn)。選擇了 3種具有代表性的納米粒子來研究其對環(huán)氧基體力學(xué)性能、阻尼性能和熱性能的影響規(guī)律和機理:(1)多壁碳納米管(Multi-Walled Carbon Nanotubes,MWCNT)。采用基于溶劑法的高速剪切法將不同尺寸的MWCNT分散到環(huán)氧基體中。通過理論計算對MWCNT的分散過程進行了定性的分析。對比Halpin-Tsai模型的計算結(jié)果和拉伸測試結(jié)果判斷MWCNT在基體中是否得到了良好的分散。測試結(jié)果表明MWCNT的添加能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)氧基體力學(xué)性能和阻尼性能的同步增強。環(huán)氧基體的拉伸模量最大提高達到了20%,拉伸強度最大提高了 8%,25℃ 1 Hz下的損耗因子最大提高了56%。對纖維狀納米粒子界面摩擦的產(chǎn)生及影響因素進行了分析。大長徑比和大比表面積的MWCNT對力學(xué)性能和阻尼性能的增強效果更好。團聚體對基體的力學(xué)性能和阻尼性能均有負(fù)面影響。而MWCNT的尺寸和團聚體對基體的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)的影響規(guī)律和對力學(xué)性能、阻尼性能的影響完全相反。(2)石墨型氮化碳g-C3N4。以尿素為前驅(qū)體,通過熱縮聚法制備g-C3N4,并進行了一系列的表征測試,隨后將其作為一種新型填料通過高速剪切分散到環(huán)氧基體中。改性后環(huán)氧基體的拉伸模量和彎曲模量分別提高17.29%和12.3 8%,Tg提高了4-5℃,初始熱分解溫度(Tinitial)和50%的熱分解溫度(Thalf)均提高了 15℃。機械性能和熱性能的顯著改善歸功于微卷曲結(jié)構(gòu)、大比表面積形成的機械鎖合作用以及天然攜帶的氨基基團與環(huán)氧基團反應(yīng)形成的化學(xué)鍵。改性后的基體25℃1 Hz下的損耗因子由0.035增加到0.049,阻尼性能增強可能源于層間滑動摩擦、層間氫鍵周期性斷裂與重建和微型約束層阻尼結(jié)構(gòu)耗能的綜合作用。(3)核殼結(jié)構(gòu)納米橡膠(Core-Shell structure nano-Rubber,CSR)。CSR是一種新型的環(huán)氧增韌劑,鑒于基體增韌與阻尼之間的密切聯(lián)系,將其和環(huán)氧基體混合制備納米復(fù)合材料。測試結(jié)果表明10 wt%添加量的CSR能夠?qū)⒒w的沖擊強度從22.33 ± 4.77 KJ/m2增加到36.89±4.43 KJ/m2,同時拉伸性能和彎曲性能的保持率較高,Tg基本保持不變,但是同時CSR的添加對基體的阻尼性能也幾乎沒有影響。球形結(jié)構(gòu)限制了 CSR與基體的界面摩擦耗能以及其本身粘彈性的發(fā)揮。最后,選擇綜合性能最好納米粒子改性基體制備纖維增強復(fù)合材料,測試結(jié)果表明MWCNT和g-C3N4改性基體能夠?qū)崿F(xiàn)纖維增強復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和阻尼性能的增強�；诮缑娴慕Y(jié)構(gòu)阻尼一體化通過在纖維界面引入多尺度納米粒子實現(xiàn)�；趯-C3N4的研究,通過原位合成制備了負(fù)載g-C3N4的碳纖維來改善纖維增強復(fù)合材料的性能。g-C3N4的引入極大地提高了碳纖維表面的粗糙度和濕潤性,增加了纖維表面官能團的數(shù)量。測試結(jié)果表明碳纖維表面自由能增加了 67.81%,界面剪切強度(IFSS)由44.62 MPa增加到73.41 MPa,層間剪切強度(ILSS)從51.84 MPa增加到72.09 MPa。復(fù)合材料的拉伸強度從564.91 MPa提高到675.31 MPa,拉伸模量從50.12 GPa提高到58.37 GPa。彎曲強度從719.51 MPa增加到795.13 MPa。彎曲模量從47.14 GPa增長到51.83 GPa;沖擊測試中總的吸收能量從1.14 J增加到1.78 J。玻璃化轉(zhuǎn)變溫度由116.71℃提高到121.34℃。改性后纖維增強復(fù)合材料的損耗因子達到了未改性前的2.2倍,用于表征結(jié)構(gòu)阻尼性能的優(yōu)值提高了 114.1%�；诶w維的結(jié)構(gòu)阻尼一體化通過混雜的方式將高阻尼纖維引入到碳纖維復(fù)合材料中實現(xiàn)。本文設(shè)計了一系列碳纖維/芳綸纖維混雜結(jié)構(gòu),測試表明混雜復(fù)合材料具有折中的力學(xué)性能和阻尼性能�；祀s復(fù)合材料的拉伸模量僅由混雜比決定,拉伸強度和失效行為同時由混雜比和鋪層結(jié)構(gòu)決定。位于鋪層中心位置的連續(xù)多層碳纖維能夠產(chǎn)生正向拉伸強度混雜效應(yīng)�；祀s復(fù)合材料的彎曲性能和阻尼性能主要由外側(cè)纖維決定。次外層芳綸纖維在受壓側(cè)特殊的失效模式會加速最外層碳纖維的破壞�；祀s復(fù)合材料的損耗因子同時受到混雜比和鋪層結(jié)構(gòu)的影響。混雜界面處的應(yīng)力突變和泊松比不匹配對阻尼性能有增強作用�；趯祀s復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的研究,本章建立了實際載荷下混雜復(fù)合材料的阻尼預(yù)測方法。針對自制材料力學(xué)參數(shù)難以獲取的問題,從力學(xué)性能參數(shù)較易獲取的纖維和基體出發(fā),首先得到了復(fù)合材料中織物的幾何特征參數(shù),建立織物復(fù)合材料的代表性體積單元,利用有限元法計算得到碳纖維復(fù)合材料和芳綸纖維復(fù)合材料的工程力學(xué)參數(shù)。隨后本文將模態(tài)應(yīng)變能法和模態(tài)疊加法相結(jié)合建立了實際載荷下混雜結(jié)構(gòu)損耗因子的計算方法。利用此方法計算了多種碳芳混雜結(jié)構(gòu)在1 Hz實際振動載荷下的損耗因子。模擬和試驗結(jié)果的對比表明該方法具有一定的精確度。
【學(xué)位單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TB33
【部分圖文】：

１．２阻尼機理及表征方法逡逑１．２．１阻尼機理逡逑阻尼的本質(zhì)就是將振動的能量轉(zhuǎn)化為其他形式的可以耗散的能量。在任何一逡逑個動力學(xué)系統(tǒng)中，都存在某種形式的機械能耗散。對于振動阻尼產(chǎn)生的機理，以逡逑能量損耗的形式分類主要包括：材料的內(nèi)摩擦（內(nèi)部阻尼摩擦（結(jié)構(gòu)阻尼能量逡逑的傳輸；能量的轉(zhuǎn)換［１７］。逡逑材料的內(nèi)摩擦又稱為內(nèi)部阻尼或材料阻尼，是阻尼產(chǎn)生的一種主要形式。它逡逑起源于材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)或缺陷。金屬中的位錯運動、聚合物中的分子鏈運動等逡逑會相互摩擦損耗能量而產(chǎn)生阻尼。金屬材料接近絕對的彈性體，其阻尼值較低。逡逑金屬中的耗散機理可以歸結(jié)為四種效應(yīng)：磁彈效應(yīng)；晶界效應(yīng)；渦流效應(yīng)和熱電逡逑效應(yīng)。在聚合物領(lǐng)域，材料阻尼一般被表述為粘彈性，它們內(nèi)部有長鏈分子互相逡逑交織的結(jié)構(gòu)，在應(yīng)力應(yīng)變中帶來遲滯現(xiàn)象。目前，己經(jīng)建立了若干種模型來表示逡逑

Ｆｉｇ．邋１－４邋Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ邋ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ邋ｃｕｒｖｅ邋ｏｆ邋ｆｒｅｅ邋ｖｉｂｒａｔｉｏｎ逡逑阻尼比＜。在自由振動系統(tǒng)中，振幅的衰減速率與系統(tǒng)的阻尼是據(jù)有阻尼振動系統(tǒng)特征方程，則其特征解為逡逑ｓ邋＝邋－ｎ邋土邋�。簦插澹澹藉澹r，稱為臨界阻尼，這時ｓ取得兩個相等的實根，可求得臨ｃｃ邋－邋ｌｙｊｍｋ邋＝邋２ｍｃｏｎ阻尼系數(shù)與臨界阻尼系數(shù)的比值稱為阻尼比ｆ逡逑

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本文編號：2832523