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摘要：黏弹性复合材料结构由于其力学性能的可设计性及各向异性，与传统阻尼器结构相比更利于发挥阻尼潜能，提高结构阻尼性能，使其阻尼特性优于各向同性结构和一般的复合材料结构。基于此，本文结合笔者多年的工作经验对约束阻尼结构的减振降噪机理进行分析研究，并以及黏弹性阻尼结构在各领域的应用进行阐述。
关键词：黏弹性层；复合材料；结构优化；约束阻尼
随着社会经济和工业技术的更新进步，粘弹性约束阻尼材料已广泛的应用在我国工业制造等领域之中。尤其在航空航天领域对复合材料轻量化要求及结构功能一体化需求不断增加，兼具结构设计的灵活性、力学性能良好及减振降噪性能优异的阻尼复合材料越来越受到青睐。由于振动和噪声与我们的生活息息相关，减振降噪是人类永恒的课题，约束阻尼复合材料只是其有效方式之一，同时，黏弹性阻尼层的添加对整个复合材料结构的强度会产生影响，且其力学性能受多重因素同时作用，如各层纤维的铺设角度，黏弹性阻尼层的相对厚度等，进行黏弹性约束阻尼结构分析及材料性能优化有助于发挥其良好的力学性能，越来越受到相关行业人士的关注和重视。
一、黏弹性约束阻尼结构分析及材料性能的影响因素
黏弹性约束阻尼结构主要由三部分组成，包括基层、阻尼层和约束层，其中基层一般为金属基材，起到黏附阻尼层的作用；主要耗能层为阻尼层，阻尼层中阻尼材料一般选用弹性模量较高的高分子材料，起到耗能作用；约束层主要作用是约束阻尼材料。当基层发生弯曲振动时，阻尼层上下会产生拉伸和压缩的不同变形，使阻尼层受到剪切应力和应变，高分子材料在交变应力作用下发生高弹形变时，分子链间的运动在适当的温度和频率条件下具有显著的形变滞后于应力变化的特点，这种滞后的形变运动要克服很大的阻力而做功，所做的功转化为热能而耗散于周围环境中，因此将振动产生的能量消耗，达到减振降噪的目的。不同结构阻尼材料包括不同厚度阻尼层对约束阻尼结构复合材料阻尼性能的影响。约束阻尼结构层与层之间结合越紧密，则复合损耗因子越高，减振效果越优。对比了无阻尼结构、环氧树脂阻尼结构和粘弹性约束阻尼结构，其中粘弹性约束阻尼结构具有最佳的复合阻尼性能。粘弹性约束阻尼结构在频率范围在3.15~3150Hz内，阻尼减振性能最好。
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二、约束阻尼结构的分类及应用
2.1夹层结构复合阻尼材料
夹层结构材料又称“三明治”复合材料，上下基板由高强度、高模量的基板构成，中间夹层材料有蜂窝芯材料，蜂窝夹层结构复合材料作为重要的轻量化材料其用途相当广泛，随着其不断发展，已广泛用于航空制造业。国内在近几年对蜂窝夹层结构复合材料才开始使用，虽然取得了一定的效果，但对蜂窝夹层材料的特性与应用还需更进一步加强与扩大。常用蜂窝夹层材料有纸蜂窝、铝蜂窝和NOMEX蜂窝。其中NOMEX蜂窝夹层结构复合材料性能优异，主要应用于航空制造业。在国外，这3种夹层结构复合材料在铁道车辆上均有应用。国内除了铝蜂窝，最近NOMEX蜂窝夹层结构复合材料在铁道车辆中得到批量应用。铝蜂窝夹层结构的面板层通常采用金属，如果电绝缘处理不当，则会发生电化学腐蚀。NOMEX蜂窝则是采用芳纶纸浸润酚醛树脂制成，材料不导电，因此，不用担心电化学腐蚀问题。作为中间夹层材料的高损耗因子的泡沫芯夹层结构中，使用低密度夹芯材可以在保证轻刚度的基础上大大减轻重量，并且与NOMEX蜂窝材料相比，泡沫芯材具有易加工，低成本优点。
2.2梯度结构阻尼材料
这种阻尼材料是通过设计多层复合材料各层材料，包括设计不同厚度、不同敷设角度及不同Tg等形式，其排列方式可按照材料的厚度或者是长度方向进行排列，即可制得满足不同需求的梯度结构复合阻尼材料。采用PU与SEBS材料复合制得了梯度结构阻尼材料，隔声性能和力学性能都有提高，这是由于多个层间界面相互作用的结果。
2.3消音隔声复合结构阻尼材料
随着结构设计的不断发展，不同复合方式的材料不断出现，最初消音隔声复合结构阻尼材料外层为硬质的石棉或石板板材，然后通过对内层材料的厚度设计，通常选用阻尼橡胶作为内层材料而获得较好的隔声效果。传统的消声复合结构材料覆盖层选用是橡胶材料，主要利用橡胶腔的谐振以及阻抗过渡式结构吸声，但是由于厚度有限只在中高频段的吸声有效，低频段吸声效果不理想。近年来高分子功能压电结构系列材料在换能器等领域的广泛应用，国内外学者将研究转向高分子功能材料来实现结构的减振和吸声。
2.4嵌入式共固化复合材料阻尼结构
嵌入式共固化复合材料阻尼结构通过将粘弹性阻尼薄膜进行预先处理按照实际需求设计复合材料层合方式，将其铺入复合材料预浸料中并用共固化工艺处理得到综合性能优良的阻尼减震材料，具有不易脱落、耐疲劳、抗老化等优点。在构件刚度改变不大的情况下嵌入较薄阻尼层会提高试样的阻尼效果，而嵌入较厚阻尼层时，对试件的刚度影响较大，随着阻尼层厚度的增加，构件阻尼的增加量逐渐降低。以环氧树脂作为阻尼层材料采用多乙烯多胺类固化时，约束层材料采用钢板和铝板，厚度固定，增加阻尼材料厚度，损耗因子呈现下降的趋势；当环氧树脂添加纤维增强，并增加阻尼层材料厚度，各阶模态的损耗因子也不断增大。复合材料的共振频率与损耗因子随阻尼层厚度而升高。阻尼层和约束层材料的硬度对复合约束阻尼材料的阻尼性能有较为明显影响，选取阻尼层与约束层材料硬度相差较大以及Tg重合度较小的组合，阻尼效果较好。
三、结束语
虽然目前约束阻尼复合材料的研究开发在国内外关于已经取得很多成果，但在阻尼复合材料制备工艺以及新材料、新的阻尼耗能机制的应用方面实现结构性能和阻尼性能的同步提高仍面临更多的问题和严峻的挑战，还需更深入开发研究。现今黏弹性约束阻尼结构在各个领域中得到广泛应用，它在减振降噪中的地位也越来越得到研究人员的重视。有限元模型研究与实际工程相结合的研究方式，增加了黏弹性约束阻尼结构的设计和应用可靠性。
参考文献：
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论文作者:席忠飞
论文发表刊物:《科技研究》2018年6期
论文发表时间:2018/7/18
标签：阻尼论文; 结构论文; 材料论文; 复合材料论文; 夹层论文; 蜂窝论文; 厚度论文; 《科技研究》2018年6期论文;