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阻尼复合材料

学号姓名倪鹏袁班级090201

引言

随着现代工业的发展,振动工具和产生强烈振动的大功率机械不断增多,各种机械设备

在运转及工作过程中带来的振动危害也日益严重[1]。在日常生活中,这类振动和噪声会给人

[2]

们的生活和工作带来影响,危害人体的健康,使人疲倦、耳鸣,严重者甚至丧失工作能力,

如果长期暴露在85dB以上的环境中,就会导致噪声型耳聋[3,4]。在工程中,振动和噪声带来

的宽频带随机激振会引起结构的多共振峰响应,还会直接影响电子器件、仪器和仪表的正常

工作,严重时造成灾难性后果。在军事中,由于武器装备和飞行器的发展日趋高速化和大功

率化,各种飞行器在飞行过程中受到发动机和高速气流的激励,所产生的振动和谐动响应而

产生的结构疲劳是十分严重的。并且潜艇和气垫船受到发动机的激励,产生的高分贝噪声将

严重影响战斗力。因此,采用高阻尼材料或阻尼结构进行减振降噪成为解决上述问题十分有

效的手段之一[4]。同时为了减少各种灾害所带来的影响,对阻尼技术的研究已经成为迫切需

要解决的事情。目前,功能性阻尼材料已经在尖端武器装备、航天飞行器、航海、民用建筑、

环境保护等方面得到广泛应用。

1阻尼材料的发展历史

第一阶段是1784～1920年，在1784年Cou1omb[5]便指出金属经受循环应变时，应力．应

变曲线将形成滞后环，并有能量耗散。1837年，Weber首次用扭摆的自由衰减测量了材料的

阻尼。从1850年开始，声学家们对有阻尼的振动系统进行研究。Rayleigh于1878年给出

了线性、粘性阻尼离散系统和连续介质力学、声学等系统的微分方程及一些方程的解，在此

阶段阻尼材料的研究才刚刚起步。

第二阶段是1920—1940年，这一时期机器的运转速度越来越高，振动问题成为高速旋

转机械、飞机及大型工程结构等的主要困扰。振动使得螺旋桨曲轴和水轮机叶片出现疲劳破

坏，轮船的舱口产生疲劳裂纹，疲劳破坏使得第一架商务飞机坠毁，美国的TacomaNa~ows

大桥也由于水流导致的振动而损坏[6]，从而使得振动控制成为工业生产的主要话题之一，

人们开始就这一问题进行工程应用研究。

第三个阶段是1940年至今，这一时期，有关阻尼的文献逐年增加，如1945年有500

篇，1965年则超过了2500篇。这一阶段，人们开始定量描述阻尼对动态系统的影响，并于

上世纪六七十年代发展起了一门涉及材料学、力学、机械学和环境科学等多学科的新技术，

即阻尼技术[7]。

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[8]。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

[9]

一定的时间,将外部施加的机械能转化为其他形式的能量,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

[10]

化,并增强了阻尼作用。

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