新型三维纺织复合材料预制件织造方法的探讨(完整版)实用资料

新型三维纺织复合材料预制件织造方法的探讨（完整版）实用资料(可以直接使用，可编辑完整版实用资料，欢迎下载）

新型三维纺织复合材料预制件织造方法的探讨新型三维纺织复合材料预制件织造方法的探讨（完整版）实用资料(可以直接使用，可编辑完整版实用资料，欢迎下载）张莉马崇启程庆基(天津工业大学,天津,300160摘要:简要叙述了三维机织与编织的织造方法,纯三维机织织物强度低,纤维体积含量较小;而纯编织织物虽然轴向力学性能优良,但层间剪切强度及横向的力学性能较差。为克服这两者的缺点而探索一种新的织造方法,即机织与编织结合的方法,对这种新方法做了初步的实验研究,以期推动纺织复合材料这门学科不断向前发展。关键词:三维织物,复合材料预制件,机织,二步编织,机织与编织相结合,新结构中图分类号:TS105111文献标识码:A文章编号:1004-7093(200612-0005-05三维整体纺织复合材料是由一维和二维结构发展而来,三维结构织物的纤维不仅通过二维平面,而且通过厚度方向在空间相互交织,结构,、英纤维、玻璃纤维、,[1]。三维织物常用的织造方法主要包括:机织法和编织法。在复合材料产品中机织物与编织物在纤维蓬松度、刚性和拉伸强力等方面提供了极好的物理机械性能,但各自都有一些缺点,例如传统机织设备过于复杂,且受一定限制,机织物纤维因加工而受到一定的损伤,强度有所下降,纤维体积含量低于编织织物;三维编织物虽然抗损伤能力较强,但常用的编织法都是纤维从内表面穿到外表面,即穿过编织件的断面成三维结构,用这种方法制成的结构,如果外表面受到摩擦或切割损伤,就有可能导致结构的解体,此外编织速度较慢,而且需要复杂的装置来实现执行机构以不连续分散方式的恒定运动。为此我们需要探索一种新的结构,能兼备机织物和编织物的优势,同时又能克服两者缺点,这就是机织与编织结构相结合的织物结构。收稿日期:2005-09-14作者简介:张莉,女,1973年生,工程师,在读硕士研究生。主要从事复合材料的研究。1三维机织复合材料是一种将纤维束通过不同形式三维机织结构交织而成的纺织预制件为增强体的纺织复合材料[2]。三维机织结构一般由4种纱线系统组成,分别是经纱、纬纱、接结经和填充纱,如图1。与其他机织结构类似,在三维机织结构中,存在着最小结构单元,称之为重复单元。在上述4种纱线系统中,接结经最具特征性,由于接结组织的变化,将演变出不同种类的三维机织结构[3]。图1三维立体机织物纱线系统三维机织结构是靠接结经在织物的厚度方向上将若干层重叠排列的经纬纱二维系统接合起来,使之成为整体性能良好的三维结构。最具代表性的三维机织结构如图2所示。图3照片为三维机—5—2006年第12期产业用纺织品产品开发织结构试片。从图中可以看出,所谓三维机织结构的几何特征,实质上就是接结经在三维结构中的几何特征[2]。在几种组织的基础上,采用不同的方法加以改造,根据需要设计变化组织,使它具有不同的特性。图2三维机织结构图3三维机织结构预制件试片机织法是将单根各自孤立的经纬纱构成一个整体的片状织物,靠经纬纱自身的相互交织来完成,由于经纬交叉时的相互挤压,经纬纱在织物中必处于弯曲状态,又引发出下述缺点:①当织物承受外载时,经纬纱必先由弯变直,然后才能充分承载,故制品变形大,强度低;②由于经纬纱的交叉及相互挤压,交叉点处纤维密实,树脂难以流过,故树脂渗透性差,纤维密实处树脂含量小,纤维稀疏处树脂含量大,故树脂在织物中分布不匀。③传统机织设备过于复杂,且受一定限制,机织物纤维因加工而受到一定的损伤,强度有所下降,纤维体积含量一般小于68%。2三维编织物复合材料预制件的结构二步法三维编织物是三维编织复合材料预制件的一种,它以独特的结构和优异的力学性能在纺。但是由于对二,从而影响了其。二步法三维编织;一个纱线系统是编织纱,另一个纱线系统是轴纱,在编织过程中轴纱保持轴向不动,编织纱按照一定的规律运动相互交错,并把轴纱捆绑起来,从而形成一个不分层的三维编织整体结构,在编织过程中,纱线在机器上的排列形式经过两个运动步骤后又恢复到初始状态,即两个机器运动步骤为一个循环,故称为二步法三维编织[4]。2.1二步法三维编织的纱线结构二步法编织预制件纱线在表面的交织情况见图4,h为花节长度,α为表面编织角。图4二步法编织件纱线在表面的交织表面编织角和花节长度是两个重要的参数,它们可以控制三维编织物的内部编织角,从而控制纱线的走向,控制织物和复合材料的纤维体积含量和—6—产品开发产业用纺织品总第195期复合材料不同方向的性能[5]。我们所织造的二步法三维编织结构预制件试片实物照片如图5所示。从图中可以看到纱线交织的情况和纱线的形态。图5三维编织结构预制件试片2.2二步法编织的特点(1由于轴纱系统在纱线中的比例很大,而且沿同一方向排列(即沿织物成型方向排列,在编织过程中,它们是保持不动和伸直状态,,入纱线,。(2另一方面,在二步法三维编织中只有编织纱运动,而且编织纱在纱线中的比例较小,即运动的纱线少,所以一旦某些编织纱出现问题,整个结构容易脱散。3新结构复合材料的预制件结构3.1三维机织与编织相结合织物的提出及设计思路从以上的分析可以看出,三维机织物和编织物尽管为复合材料发展起了一定的作用,但他们各自有一些缺点。在纺织复合材料这门年轻学科的发展史上,对于纯三维机织物与编织物研究较多,但在有关机织与编织相结合方面的研究还是一个空白。三维机织与编织相结合的结构应具有自己的优势,尤其在编织结构基础上在横向方向添加了机织纱,增加了宽度方向上强力;另外可以根据成品复合材料的性能要求,灵活地在某一方向添加接结纱,进而增加预制件在这个方向的力学强度。这种结构一定能在复合材料领域得到重视和发展。对于二步法编织结构复合材料预制件来讲,虽然编织纱的织入,使得厚度方向上的强度及层间剪切强度都有了一定的提高,但与轴向性能相比,不论从强度还是抗分层、抗剪切性上,仍存在较大差距。因此,为了提高由此法所制得的织物的各向同性性,在其横向引入纬纱即可大大改善该结构编织织物的横向性能。3.2三维机织与编织相结合织物结构特点三维机织与编织方法相结合复合材料预制件的优点如下:(1相对于纯机织织物来说,由于经纬纱弯曲少,冲击动能易在这种织物中传播,故冲击强度提高,该结构加入编织后预制件增加了的纤维体积含量,尤其轴向的大量纤维束,使材料轴向得到特别的增强,轴向力学性能比较突出。(2,加入机织经纬纱线,制品不易开。(3可以一次织造成型,一般来说,只要横截面是矩形的组合或是圆及圆的一部分的预制件都可以织造出来。在这些预制件中,纤维贯穿整个预制件的各个部分,并且相互交织交叉,形成一个完全的整体结构。(4织物结构具有可设计性,在新结构中,不但纤维在三维空间中相互交织、交叉,而且纤维在制件内部是伸直的,通过改变编织角的大小、花节长度和接结组织的变化就可以改变三维编织预制件的纱线结构,改变纱线的走向,从而改变复合材料的纤维体积含量、各个方向的性能等[5]。同时纱线的粗细、纱线的位置、在需要进一步增强的方向上加入纱线等都可以设计,从而达到对三维编织复合材料力学性能和其他性能调节的目的。(5三维织物纱线覆盖率高,经纬向尺寸稳定,纱线强力利用率高。(6纱线的层数和线密度变化范围大,故织物的厚度变化范围也大,使用中可减少铺层次数,故其应用面广。3.3三维机织与编织相结合织物织造工艺我们采用的是二步法编织与机织相结合的方法。二步法编织的纱线系统有轴纱和编织纱两种,—7—轴纱的排列决定了编织物的形状,编织纱位于主体纱的周围。在编织过程中,编织纱按一定的规律在轴向纱之间运动,这样不仅它们之间相互交织,而且也将轴向纱捆成一个整体。而机织物在织造时把轴纱和编织纱作为经纱,另外引入纬纱进行织造,由于采用多重经纱从而使织物的厚度增加,并且沿厚度方向纱线是互相交织在一起的,即按一般概念的“层”之间是相互连接在一起的。我们通过把二步法编织和机织相结合的方法提高织物在第三向或厚度方向上的性能,进而使织物具有良好的整体性能和力学性能。如图6所示。图63.4120tex玻璃纤维纱线,预制件规格为(25×5×250mm,采用手工织造。按照二步法纱线运动规律把轴纱和编织纱悬挂固定,依照二步法编织规律在需要添加机织纱的时候引入纱线,每编织完半个循环打一次纬。添加的机织纱在宽度方向上相当于纬纱,与编织纱、轴纱交织成为机织结构。在试织时先截取若干不同长度的玻璃纤维分别用作编织纱、轴纱、机织纱,编织纱要稍长,因为编织纱要重复地运动,所以要足够长来完成织物的织造;织造用的纱线数根据所要预制件的宽度和厚度来确定。按照设计要求准备纱线,然后将玻璃纤维按所设计的结构固定。玻璃纤维用有弹性的织带悬挂,所以要掌握好松紧度,不能过紧,能使玻璃纤维自然悬垂即可。之后开始编织,为了减少毛羽,使纤维尽量的整齐,编织前要先向纤维喷水,纱线按设计好结构的运动规律分别进行织造。首先进行二步法的织造,织完半个循环之后再用机织的方法将机织纬纱织入织物中,然后再进行二步法编织的后半个循环,编织完了再进行一次机织,这就完成一次完整的循环。以此方法一直循环,直至织到所需要的长度即可。织造时要注意掌握好机织纬纱的张力,由此决定宽度方向的结构,织造完毕后,为防止纱线松散,用胶带包缠织口,并对织物表面进行简单整理,保存试片。图7(a、(b分别为机织与编织相结合的两种结构试片的照片。图7新结构实物4结束语(1相对于纯编织织物来说,加入机织经纬纱线,提高了复合材料的层间剪切强度,制品不易开裂脱层,并且增加了预制件横向的力学性能。(2相对于纯机织织物来说,加入编织结构后的预制件增加了的纤维体积含量,尤其轴向的大量纤维束,使材料轴向得到特别的增强,轴向力学性能比较突出。—8—(3机织与编织相结合的方法应该是一种较理想的新的织造方法。(4由于这种新结构属于试验阶段,不同结构的结合有待于通过实验进一步优选。参考文献[1]杨小利,王钧.三维织物及复合材料的发展与应用[J].玻璃钢/复合材料,1997,(4:27228[2]丁辛,易洪雷.三维机织结构的几何模型[J].复合材料学报,2003,20(5:1082113[3]王光华.用于复合材料的3D织物[J].纤维复合材料,1999,16(1:12214[4]李学明,万振凯,李嘉禄.三维编织复合材料预制件表面性能测试系统[J].产业用纺织品,1997,15(4:32237[5]李嘉禄,孙颖.二步法方型三维编织复合材料的细观结构[J].复合材料学报,2002,19(4:69275ResearchonWovenMethodofaNewThree2dimensionalTextileCompositePerformZhangLi,MaChongqiandChengQingji(TianjinPolytechnicUniversityAbstract:Thispaperhasacompactnarrationaboutthemethodof3Dbraidingcompositematerial.Thestrengthof3Dwovenperformislower,andalthoughtheaxialmechanicalpropertiesofshearingstrengthbetweenlayersandtherespectiveshortcomings,we′researchinganewtheonbetweenweavingandbraiding.Thepreliminarystudyisdoneinthisisinprospecttopromotingincreasinglythedevelopmentoftextilecompositema2terialsubject.Keywords:three2dimensionalfabric,preformofcompositemeterial,weaving,two2stepbraiding,thecombinationofweavingandbraiding,newstructure(上接第12页ExploitureofaNewTypeAnti2staticElectricityFilterFabricLiChun,WangQiuhongandMouXiaoquan(TextileDepartment,DalianInstituteofLightIndustryAbstract:Rubbingthepolyesterfiberandthepolyamidefiber,therearetwodifferentstatic2chargesproducingwhicharecounteractingwitheachother.Basedonthisknowledgeandthecontrastwithothermethodsofanti2staticelectricity,anewtypeanti2staticelectricityfilterfabricwhichisusedinthepetroleumin2dustryisdesignedbytheinterweaveprocessofthesefibers.AccordingtothestandardofGB/T12703291,allofthespecimensweretested.Theamountofsurfacefrictionstaticchargeis0.46μC/m2,thisindexislowermorethan7μC/m2whichisthestandardrequired.Thetestalsoshowsthattheanti2staticfabrichasbetteranti2staticproperty.Keywords:polyesterfiber,polyamidefiber,interweave,charge2neutralization,anti2staticelectricity;filtermaterial—9—维普资讯://cqvip・６６・３材料科学与工程学报２０年８０６月ｎ６Ｐｎｅ，ＨｈＴ．Ｊ．ＣｍｏｉｓＳｉｃｎｅｈｏｇ，］ａｄｙＲ．ａｎＨ．［］ｏｐｓｅｃｅｅａｄＴｃｎｌｙｔｎｏ●值预报［］北京航空航天大学学报，０２５２）５３５５Ｊ．２０，（８：６６．［１庞宝君，善义，严４］杜２５．ｌ１９，５９６６：１—１０．６１７勇，．三维四向碳．氧编织复合材等环［７韩其睿，嘉禄，学明．Ｊ．合材料学报，１９，１（）７１］李李［］复９６３３：６—料剪切力学性能实验研究［］实验力学，１９，２１）２９Ｊ．９９（４：０［２庞宝君，杜善义，韩杰才，等．三维四向编织碳．氧复合材４］环８ｏ．［８ＣｈｎＬ．，Ｔａ．Ｍ．，ＣｈｙＣ．Ｌ．Ｍｅｈｎｉａａｙｓｓｏ３Ｄｂｒｉｅ１］ｅｏＸｏｃａｃａｌｉｆｌｎａｄｄｃｍｏｉｓｂｅｆｉｕｐａｅｅｍｎｍｔｄＪ．ＣｍｏｉｓｏｐｓｅｙｔｎｅｍＭｈｓｌｅｔｅｈ［］ｏｐｓｅｔｈｉｔｅｏｔＳｉｎｅａｄＴｃｎｌｇ，９９．５ｃｅｃｅｈｏｏｎｙ１９９：２８—２９．３３３１ｅＬ．ｏＸｏｈｃｏｓｒｃｕｅｏｈｅ．［９Ｃｈｎ．Ｔａ．Ｍ．．ＣｈｙＣ．Ｌ．Ｏｎｔｅｍｉｒ－ｔｕｔｒｆｔｒｅ１］料实验研究［］复合材料学报，１９，（６：１６１１Ｊ．９９４１）３４．［３梁军．三维编织复合材料力学性能的细观研究［］哈尔４］Ｄ．滨工业大学，１９．９６ｄｎｉａｒｄｄｐｒｒ［．ＣｍｏｉｓＳｉｎｅａｄｉｓｎｂａｅｅｆｍｓＪ］ｍｅｏｌｉｏｏｐｓｅｃｅｃｎｔＴｃｎｌｇ，１９ｅｈｏｏｙ９９，５９：３１—４４．９Ｏ［４梁４］一军，善义，杰才．Ｊ．合材料学报，１９．（４：０杜韩［］复９７１１）１１ｌＯ７．［０庞宝君，２］杜善义，杰才．三维四向编织复合材料细观组织及韩分析模型［］复合材料学报，９９１（）３１９Ｊ．１９，６３：１５３．［１徐孝诚，２］孙德海，小平．三维编织复合材料细观结构的几何黄学分析［］强度与环境，１９．２：３４．Ｊ．９９（）７３［２黄小平，良新，孝诚．合材料三维四向矩形编织物角柱２］孙徐复结构研究［］复合材料学报，０１４１）１１．Ｊ．２０．（８：１５［３黄小平，良新，孝诚．２］孙徐四向矩形编织复合材料单胞的新划分方法［］纤维复合材料，０１３１）５１．Ｊ．２０，（５：１７［４２］ＭａｉｏＴｄ，ｔｄｓｉｋｋａａａａｈＵｏｕ，ＡａＮａａ，ｔ１．ｓｒｃｕｅａｄｚｍｉｓｍｉｋｉｅａｔｔｒｎｕ【５Ｌｉ，ＣｉＹ．Ｊ，Ｋ．Ｋ．Ｊ．ｄａｃｓｉｎｉｅｒｇ４ｅＣ．ａＪ．ｏＦ［］ＡｖｅｎＥｇｉｎｎｎＳｆａｅｌ９１ｌ７一ｌ４．ｏｔｒ，９２，４：８ｗ９【６ＳｒａＲ．Ｋｉｎ，ＥｃＦａｃ．Ｊ．ｏｐｓｅＳｉｃｎ４ｕｙ，ａｄｄＪｌｉｉｉｒｒｏ［］ＣｍｏｉｓｃｎｅａｄｎｔｅＴｈｏｏｙ。ｌ９．７ｌｌ一３５．ｃｅｎｌｇ９７５：９０【７ＪＣｈｎＬ．ＴｏＸ．Ｍ．ＣｏＣ．Ｌ．Ｍｅｈｉａａａｙｉｆ３４ｅ，ａ，ｈｙｃａｃｎｌｓｓＤｎｌｏｂａｅｏｐｓｅｙｔｅｆｉｕｉｈｓｌｎｍｔｏ［］ｒｄｄｃｍｏｉｂｈｎｔｍｌｐａｅｅｍｅｔｅｄＪ．ｉｔｓｉｅｔｅｈＣｍｐｓｔｉｎｅａｄＴｃｎｌｇ，１９ｏｏｉＳｅｃｓｅｃｎｅｈｏｏｙ９９，５９：２８３３—２９．３１【８ＪＺｎａ，ＷｕＩｎｚｉＧｕｉｃｅｇ．ＭｅｈｎｃａｙｉｏＤ４ｅｇＴｏｊ．ｈ，ｏＬ－ｈｎｃａｉａａｌｓｓｆ３ｌｎｂａｅｏｐｓｅ：ｎｔｅｍｎｍｅ［］ｏｏｉｔｃｒｒｄｄｃｍｏｉａｆｉｌｅｔｏｌＪ．ＣｍｐｓｅＳｒｔｅｉｔｓｉｅｅｄｔｕｕｓ２０６３９—４４．０４．４：９Ｏｍｃｉｅｂａｄｎｒｃｄｒｏｏｐｅｓｕｒｂａｄｔｖｒｕａｈｎｒｉｇｐｏｅｕｅｆｃｕｌｄｑａｅｒｉｓｗｉｉｈａｉｓｏｃｏｓｅｔｎ【ＪＣｍｏｉｓａｔｒｃｏｓＪ．ｏｐｓｅ：ＰｒＡ，２０，２４５—１８．ｓｓｉｔ０１３：１８４９［９刘振国，陆４］一萌，麦汉超，等．三维四向编织复合材料弹性［５ＷａｇＹ．Ｏ．ＷａｇＡ．ＳＤＪ．ｏｐｓｅｉｃｎ２］ｎ，ｎ．．［ＣｍｏｉＳｅｅａｄＪｔｃｎｓＴｃｎｌｇ，１９５５５—５６．ｅｈｏｏｙ９４，１：７８模量数值预报［］北京航空航天大学学报，００２（６：８Ｊ．２０．２）１２ｌ５．８［６ＷａｇＹ．Ｏ．ＷａｇＡ．．Ｄ【ｍｅｃｎＳｃｔｏｃａｉ２］ｎ，ｎＳ．Ｊ．ＡｒａｏｉｙｆＪｉｅＭｅｈｎａｃｌＥｎｉｅｒ，９５，５１１—１６．ｇｎｓ１９６：５６［Ｏ刘振国，子兴，陆萌．维四向编织复合材料剪切性能５］卢三的数值预报［］复合材料学报，００，７２：６６．Ｊ．２０１（）６９【ｌＴｇＺ．Ｘ．Ｐｓｅ．Ｍｅｈｎｃｆｔｅ．ｍｎｉｎｒｄｄ５Ｊａｎ，ｏｆＲｌｃａｉｏｈｅｄｅｏａｂａｅｓｒｉｓｌｉｓｒｃｕｓｆｒｃｍｐｓｔｔｒｓＰｅｉｔｎｆｈｌｓｉｄｕｉｔｔｒｏｏｉｍｅａ：ｒｄｃｉｏｔｅｅａｔｍｏｌｕｅｏｅａｉｌｏｃ［７ＷａｇＹ．Ｏ．ＷａｇＡ．Ｓ．Ｊ．ｐｌｄＣｍｏｉａｒｓ２］ｎ，ｎ．Ｄ［］ＡｐｅｏｐｓｅＭｔａ．ｉｔｅｌｉ１９．１１１一ｌ２．９７４：２３［８陈２］利，嘉檬，李学明．三维四步法圆形编织结构分析李【ｏｏｉｔｃｕｓ０ｌ５：４ｌ５．Ｊ．ＣｍｐｓｅＳｕｔｅ，２０，ｌ５一４７Ｊｔｒｒ１２Ｔｎ，．Ｐｓｅ５ａｇｚｏｄＸ．Ｒ．ＭｅｈｉｓｏｈｅｄｅｓｎｒｉｅＪｃａｃｔｅ－ｉｎｉａｂ８ｄｎｆｒｍｏｌｄｓｒｃｕｅｆｒｃｍｐｓｔｍｔｒｓＡ：Ｎｏｌｎａｆｉｅｅｅｔｔｔｒｓｏｏｏｉｕｅａｅａｉｌｎｉｅｒｉｔｎｅｌｍｎ［］复合材料学报，０３２（０：６８．Ｊ．２０，２）７Ｏ［９马文锁，２］冯伟．三维编织复合材料及其构件可变微单元分析模型［］复合材料学报．２０．０Ｊ．０５１．［Ｏ冯３］伟，马文锁．三维编织材料几何结构群论分析［］科学Ｊ．通报，０５５（０．２０，０２）ｅｓｅｓｎｔｎｏｕｕｆａｔｒｅｄｍｅｓｏａｂａｄｌｒｌ［１ＫｏＦＫ．Ｔｎｉｔｅｇｈａｄｍｄｌｓｏｈｅ．ｉｎｉｎｒｉ３］ｄｆｍａｏａｓＪ．Ｃｍｏｉｔｃｕｓ０１５：４１ｅｒｔｎａｌｉｏｉｎｙｓ［］ｏｐｓｅＳｕｔｅ，２０．１５ｔｒｒ４７．５【３Ｔｎ．Ｘ．ｏｄ５ａｇｚＪ，ＰｓｅＲ．Ｍｅｈｉｈｅ．ｉｅｓｎｂａｅｃａｃｏｔｅｄｎｉａｒｄｄｎｓｆｒｍｏｌｉｓｒｃｕｅｒｃｍｐｓｔｔｒａｓｐｒ：ｆｂｃｔｃｕｅｎｄｆｒｔｔｒｓｆｏｏｉｍｅｌａｔｕｏｅａｉＩａｒｓｕｔａｂｅｉｒｒｉｃｍｐｓｔｌ．ＩｏｏｉＡＪｎ：ＷｈｔｅＭ，ｅｅｉｙＪｎｄ．ＣｏｏｓｅＭａｅｉｓｅｔｇｍｐｉｔｒａ：Ｔｓｎｔｌｉｖｌｍａｔｎ．ｏｐｓｅＳｒｃｒｓ００４：５４９．ｏｅｆｃｏｌＣｍｏｉｔｔｅ２０．９４ｌ５ｕｒｉＪＪｔｕｕ【４ＴｇＺＸ．ＰｓｅＲ．Ｍｃａｉｆｔｅ－ｉｅｓｏａｒｄｄ５ａ．，ｏｆＪｎｌｅｈｎｓｏｈｅｄｍｎｉｌａｅｃｒｎｂｉｓｒｃｕｅｏｏｏｓｔｌｒｓＰｒＩ：ｐｅｉｔｎｆｔｅｌｔｔｔｒｆｒｃｍｐｉｍｉｅｉａｔＩｕｓｅｌａｌｒｄｃｉｏｈｅａｉｏｓｃａｄｅｉ［．Ｐｉｄｌｉ：ＡｅｃｎｏｉｙｏｅｔｇｎＤｓｎＣＪｇｈａｅｈａｌｐｍｒａＳｃｅｆＴｉｉｔｒｓｎＭａｅａ，１８ｔｒｉｌ９６：３２—４３．９Ｏ［２３］ＭａａｄｒＡ．Ｂ．ＣｒｎＲ．Ｍ．ＣｍｐｎｓｈＥＴ．ｅａ．ｃｎｅ，ａｅ，ａｏｅｃｉｔ１ｏｌＪ．ＣｍｐｓｅＳｕｔｅ，０ｌ５：５一４７ｒｕ【ｏｏｉｔｃｕｓ２０，ｌ４ｌ５．ｄｏｉＪｔｒｒ【５ＴｇｚＸ．ＰｓｅＲ．Ｍｃａｉｈｅ－ｉｅｓｎｒｄ５ａ．，ｏＪｎｌｆｅｈｎｃｏｔｅｄｍｎｉａｂａｅｓｆｒｏｌｉｄｓｕｔｒｓｆｒｃｍｐｓｔｍａｅａ－ａｔＩ：ｏｌｅｒｆｉｌｍｎｔｔｃｕｅｏｏｉｒｏｅｔｒｌｐｒＩｎｎｉａｎｔｅｅｅｉｓＩｎｉｅＦｒａｉｎａｄｍｅｈｎｃｒｐｒｅｆｍｕｔｄｍｅｓｎｌ（Ｄ）ｂｃｏａｉｔｎｃａｉａｐｏｅｔｏｌ．ｉｎｉａｌＸ．ｌｉｓｉｏｙｂａｄｄｃｍｏｉａｅａＡ］ｎｒｅｏｐｓｔｍｔｌｉｅｉｒｓ［．Ｉ：ＷｈｔｙＪ，ｅ．ｏｐｓｅｉｅＭｎｄＣｍｏｉｔＭａｒｓｅｔｇａｄＤｉ（ｔｃａ）Ｃ］Ｐｌｏｈｉ：ｔａ：Ｔｓｎｅｇ７ｈｏ１［．ｈｉｄｐａｅｌｉｉｎｓｎａｌＳＰ９Ｔ８３，ＡＴＳＭ，１８４２—４３．９６，２４ｄｆｍｔｎａａｓ【．Ｃｍｏｉｔｃｕｓ０２５：３７—ｅｒａｏｌｉＪｏｉｎｙｓＪｏｐｓｅＳｒｔｒ，２０，５０ｔｕｅ３ｌ７．［３ＹｕＳ．ｈｕＴ．Ｗ．ｏＦ３］ａ．Ｓ，Ｃｏ，Ｋ．Ｋ．Ｊ．Ｃｍｏｉｓ１８，［］ｏｐｓｅ，９６３ｔ（７：２７３．１）２—２２［６冯淼林，长春，慧玉．三维均匀化方法预测编织复合材料５］吴孙等效弹性模量［］材料科学与工程，０１１（）４—３．Ｊ．２０，９３：３７［７ＳｎＨｉ，Ｄｈｎｌ，ＺａｇＮｎ，ｅａ．Ｍｉｍｅｈｎｓｏ５ＪｕｕｕｉＳｅｇｎｈｎｏｇｔ１ｙｉｃｏｒｃａｉｆｃ［４ＳｒａＲ．Ｋ．ｂｅＡ．Ｊ．ＪｕａｏＣｍｏｉａｒｓ９６．３］ｕｙ，Ａｄｌ［］ｏｒｌｆｏｐｓｅＭｔｉ．１９ｎｔｅａｌ８（０：８９５３）８５～０．ｂａｄｄｃｍｏｉｖｍｌｖｒｂｅＥ［］ＣｍｕｒｎｄｒｅｏｐｓｅｉｕｉａａｌＦＭＪ．ｏｐｔｓｉｔｓａｔｉｅａＳｒｃｕｅ．２０ｔｔｓｕｒ０３．８：２２１０１～２２Ｏ７．［５３］ＳｉａｕｒＫ．Ｎ．，ＥｈｌＴ．Ｃ．Ａｖａｈｖｋｍａｍｅｅ，ｖＶ．Ｓ．咀ａ．．１ＣｍｐｅｓｏｔｎｈａｄｆｌｒｃｈｎｓｓｏＤｅｔｅｃｍｐｓｔｓｏｒｓｉｎｓｅｇａｕｅｍｅａｉｍｆｒｔｎｉ３ｔｘｉｏｏｉｌｅ［８孙５］颖，李嘉禄，一澜．二步法三维编织复合材料弹性性亢ｌ．ＡＡ一５ｌ９ＮｗＹｒ：ＩＡ．１９．ＲＪＩＡ９－ｌ５．ｅｏＡＡｋ９５能的有限元法预报［］Ｊ．复合材料学报，０５２（）１８２０，２１：０ｌ３．ｌ［６李嘉禄，肖丽华，董孚允．Ｊ．３］［］复合材料学报，１９，１）９６３（３：７ｌ一７５．［９Ｐｓｒ．Ｍ．Ｇｗｙｄ５］ａｔｅＣｏ，ｏａｅＹ．Ａ．［ｊＪｕｎｏｏｏｉＪ．ｏｒａｆＣｍｐｓｅｌｔｓＴｃｎｌｄＲｅｒｈ９４（６：２～３．ｅｈｏｇａｅａ，１９，ｌ１）３ｏｎｙｓｃ６［７孙慧玉，吴长春．Ｊ．验力学，１９，（２：３３］［］实９７３１）３５～３１４．［８卢子兴，长河，冯志海，．织复合材料拉伸力学性能３］寇等编的研究［］复合材料学报，１９．（６：２１４．Ｊ．９９３１）１９３［９刘振国，子兴，陆３］卢［０粱６］军，杜善义，韩杰才．Ｊ．合材料学报，１９，１（）［］复９７４１：ｌｌ—ｌ７Ｏ０．萌．三维四向编织复合材料剪切性能【ｌＧｕＢｈｎ．Ｐｅｉｔｎｆｔｅｎａｉｔｎｉｃｒｅｆ４ｓｐ３６ｊｏｏｇｒｄｃｉｏｈｕｌｘａｅｓｌｕｖｏ．ｔ．ｏｌｅｅ的数值预报［］复合材料学报，２０２１）６＇．Ｊ．００，（７：６一６９［ｏ卢子兴，振国，麦汉超，等．三维编织复合材料强度的数４］刘ｉｎｏｌｒｅｆｍｓＪ．ｏｐｓｅＳｕｔｅ０４６：ｄｅｉａｂｄｄｐｒｒ［］Ｃｍｏｉｔｃｒ，２０，４ｍｓｎａｉｅｏｔｒｕｓ２５２．３４１结构阻尼复合材料及其研究进展StructuralDampingCompositeandItsResearchProgress余启勇,马玉璞,郭万涛,吴医博(洛阳船舶材料研究所,河南洛阳471039YUQi2yong,MAYu2pu,GUOWan2tao,WUYi2bo(LuoyangShipMaterialResearchInstitute,Luoyang471039,Henan,China摘要:阻尼材料是近几十年来发展起来的一种新型减振降噪材料。由于其特殊用途,深受国内外关注,而兼具高阻尼和静态力学性能的结构阻尼复合材料则具有十分广阔的应用前景,目前国内外对结构阻尼复合材料的研究和开发十分重视。本文主要介绍了近年来国内外纤维增强树脂基结构阻尼复合材料的实验及理论进展情况,总结了以下几个方面的内容:结构阻尼复合材料的发展现状,阻尼分析模型,提高复合材料阻尼的方法和制备结构阻尼复合材料的工艺。关键词:复合材料;结构阻尼;共固化文献标识码:A文章编号:100124381(2007Suppl20253206Abstract:Dampingmaterialisanewmaterialforreducinglibrationsandnoisesdevelopedinrecentyears.ManypeopleinandoutofChinabegintointerestedinthiskindofmaterialforitsspecialuse.Thestructuraldampingcompositesthathavenotonlyhighdampingbutalsohighstrengthandmodu2luswillholdanextensiveapplicationfuture.Atpresentmanycountrieshaveputemphasisonthestudyandexploitationofstructuraldampingcomposites.Thedevelopmentoftheoryandexperimentofthestructuraldampingcomposite,whichismadeoffiber2reinforcedresin,areintroducedinthisar2ticle.Summarizedthecontentsasfollows:thedevelopmentofstructuraldampingcomposites,themodelofdampinganalysis,themeansabouthowtoincreasethedampingoffiberreinforcedcompos2itesandthetechniquesonhowtofabricatethestructuraldampingcomposites.Keywords:laminatedcomposites;structuraldamping;cocure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。它的母体采用的是纤维增强复合材料,与传统的以钢板为母体的结构阻尼材料相比,使用纤维增强复合材料代替钢板,粘弹层能够更好的与复合材料结合在一起,有效提高整个结构阻尼材料的比强度、比模量,而且纤维增强复合材料本身的阻尼性能要优于钢板1~2个数量级。结构阻尼复合材料是目前较理想的减振降噪材料,它不但在控制噪声和振动方面,而且在延长结构承受循环载荷和冲击的服役时间方面也扮演者重要角色。美、日、英、德等对结构阻尼复合材料的研究较为成熟,并且都已批量生产,得到广泛应用[1]。国内于二十世纪80年代中期开始研制阻尼结构,但进展相对较慢,且产品仅在舰艇、汽车制造、机械等领域得到应用,有必要进行深入研究。1结构阻尼复合材料的母体2纤维增强复合材料结构阻尼复合材料的强度由所选的母体材料2纤维增强复合材料确保[2],在保证复合材料强度的同时,也需要适当增大本身的阻尼性能。纤维增强复合材料具有高刚度,高强度,质量轻等优点,已经作为一种主要的结构材料用于航天,舰船,汽车等工程领域。但纤维增强复合材料多数场合都是使用整体成型制作结构件,和传统金属结构材料不同,不能期望通过连接部位的摩擦达到振动的衰减(结构衰减。比如对于人造卫星等宇航结构来说,结构的振动会造成运载机器的损坏,天线位置精度下降。目前提高复合物材料阻尼的途径可以分为两大类[3]],一是增加材料的固有阻尼,另一种途径是对复合物材料外加阻尼。纤维增强复合材料常用的阻尼改性方法有[4]:(1改善复合材料本身的阻尼性能,选择具有高阻尼性能的纤维或基体。(2将复合材料和高阻尼的粘弹性材料粘合在一起,约束层阻尼处理、层间阻尼处理属于这种方法。(3利用两种以上的纤维制成混杂复合材料。图1叠层复合材料阻尼改性分类流程图Fig.1Flowchartoftechniquesusedtoincreasestructuraldampingincompositelaminates现在考察基体树脂对复合材料阻尼性能的影响[5]:对单向纤维增强复合材料施加弯曲振动时,其损耗因子ηc可以分别用基体树脂的损耗因子ηm及弹性模量Em,纤维的损耗因子ηf及弹性模量Ef来表示,关系式为:ηc=ηm(1-Vf+EfEm・ηf・Vf1-Vf+EfEm・Vf(1Vf为纤维的体积百分数一般碳纤维按50%的体积分数填充,树脂的弹性模量2GPa左右,模量比约为100,此时(1式可写成:ηc=ηm+100ηf101≈ηm100+ηf(2通常,树脂的损耗因子ηm为0.01以下,碳纤维的ηf为0.002左右,由(2式可知ηf约为0.002,也可以由⑵式得出结论:即使增加树脂的损耗因子,也不能期望整个复合材料的损耗因子ηc有较大的提高。Trego和Eastman[6]提出了一个复合材料阻尼的增强方案,在构造上采用了非对称纤维增强复合材料夹层结构,芯层为具有高阻尼性能的粘弹性层。该设计的关键是在结构的长度及方向的不同区段内有不同的纤维取向角,通过应力耦合效应,位于这些段内的粘弹性阻尼层内将产生高剪切应力,对设计参数如取向角、与取向角对应的区域长度,复合材料的弹性模量等进行适当的选择,可望在整个粘弹性夹层材料内各点产生高剪切应力,从而最大限度地激活和利用整个阻尼材料能量耗散的潜在性能。这种方法称之为应力耦合阻尼技术(SCAD。与约束层阻尼技术相比,SCAD除了能获得结构的面外阻尼也能获得面内阻尼。研究表明,利用SCAD技术,复合材料梁的弯曲阻尼可提高10%~20%。Moser和Lumassegger[7]建议在层合纤维/聚合物复合材料的轴向弯曲的应力零线位置埋入软质的叠层,利用其剪切变形产生附加阻尼。有限元分析结果表明,这种结构的基础模态损耗因子为0.3~0.5。SaravrnosDA等人介绍的关于采用层间阻尼层提高复合材料层合板的阻尼性能的方法,也具有很好的参考价值。Liao[8]等人分析了中面内交叠有聚乙烯-丙烯酸的单向碳/环氧及其对称角交铺设碳/环氧层板的阻尼性能,结果表明结构宏观阻尼有显著的增加,而且外层复合材料刚度的影响作用也很明显。2复合材料的阻尼预报[4,9-11]分别用动应力、动应变代替相应的静压力、静应变,可以把精力学弹性分析推广到动态线性粘弹性分析。这就是著名的对应原理。对应原理已经应用于微观结构模型,预测线形连续或不连续结构的纤维增强复合物材料的阻尼。对应原理与经典的叠层理论结合可以计算叠层复合物的损耗因子,表现为外延应力虚部与实部的比值,即复刚度法。对应原理与解决有效模量的方法相结合构成了预测纤维增强复合物的阻尼基础。运用这种方法时有一些常规的假设,纤维是弹性的,不会扩散;基体膨胀时表现弹性,剪切时表现粘性。Hashin成功的应用这种从宏观力学角度研究复合材料的阻尼,研究对象主要集中于单向单层复合材料这一层次,阻尼性能预报所涉及的主要影响因素有:纤维取向、铺层方式、频率的影响、材料内部应力大小的影响、层间应力的影响、横向剪切的影响、表面层和间层阻尼层的影响等等。例如,Adams和Bacon以狭长的角交层合板阻尼性能的实验研究结果为基础,首次从宏观力学角度,提出了纤维增强复合材料的阻尼元模型,有的文献也将其称之为Adams2Bacon[12]准则。Adams和Bacon准则认为,单向复合材料单层材料的能量耗散应当等于分别由纵向应力、横向应力和剪应力引起的能量耗散的总和,材料的阻尼能力则定义为耗散的能量与储存的应变能之比。上述模型被用于预报玻璃纤维增强塑料板和碳纤维增强塑料的单向偏轴、角交铺层、正交铺层及其一般的铺层复合材料结构阻尼性能。δU=δU11+δU22+δU66(3其中,δU11=12σ1ε1δV,δU22=12σ2ε2δV,δU66=12采用细观力学阻尼预报方法的目的在于建立复合材料的宏观阻尼特性同其组分材料弹性和阻尼性能及细观结构之间的定量关系,这不仅可以揭示复合材料不同的材料复合具有不同的宏观性能的内在机制,进而还可以为材料及结构分析提供理论依据和方法,同时还可以对复合材料进行细观层次上的设计,即根据工程的不同需求选取适当的组分材料及优化的细观结构形式。例如,Kaliske[13]等采用Aboudi的体元近似理论,建立了由1个纤维单元和3个基体单元组成的体积元阻尼模型(如图2,并采用能量变形能法得到了6个方向的阻尼损耗因子。结果表明,复合材料的阻尼性能表现出正交各向异性。图2Kaliske代表性体积元Fig.2RepresentativevolumeelementofkaliskeSaravanos[14]等提出了预估单向纤维增强复合材料阻尼的综合微观方法,综合考虑了基体、纤维材料阻尼的综合微观方法,综合考虑了基体、纤维、界面摩擦阻尼以及纤维断裂引起的阻尼.分析维、界面摩擦阻尼以及纤维断裂引起的阻尼。分析了与六个应力相关的六个阻尼系数。模型假设基体耗散特性为各向同性,纤维耗散特性为各向异性(横向各向同性。模型中还包括了湿度和温度对阻尼的影响。并揭示了正轴阻尼与纤维、基体特性和纤维体积含量之间的关系。复合材料的偏轴阻尼可由正轴阻尼值经过变换得到。使用哪种方法取决于对材料的分析模式。微观分析单元包括的组成部分有基体、纤维及两者之间的相互作用、缺陷和界面。对宏观分析而言,每一单层都是一个基本单元,应变能和损耗能构成了整个复合材料的损耗因子。3芯层材料2粘弹性阻尼层及阻尼结构的优化[15-17]粘弹性阻尼材料减振技术是近四、五十年来迅速发展起来的一项新技术,由于粘弹性阻尼材料具有高阻尼的特性,能在较宽的频带内抑制振动和噪声,被广泛地应用于机械和运载工程结构的振动和噪声控制。粘弹性阻尼层是结构阻尼复合材料的重要组成部分。结构阻尼复合材料的主要形式是粘弹性阻尼复合结构。随着阻尼技术的不断发展,粘弹性阻尼复合结构的类型也从最初的自由阻尼层结构逐渐发展到约束阻尼层结构、插入阻尼结构等。阻尼敷设形式也从单层阻尼发展到多层,从单层阻尼单层约束到多层间隔处理,从全部敷设到根据需要局部敷设。而作为复合结构中一种主要的敷设阻尼材料,粘弹性阻尼材料的损耗因子、敷设厚度以及敷设方式等是影响结构阻尼性能的关键因素。对于选定的粘弹性阻尼材料来讲,材料本身的损耗因子是确定的,为了寻求最佳的阻尼效果,需要考察敷设厚度和敷设方式的影响。G.Parthasarathy[18]等较详细地研究了局部敷设阻尼的自由阻尼层板结构,讨论了阻尼材料的优化布置,并进行了试验研究工作。A.Lumsdaine和R.A.Scott用有限元法研究了阻尼层结构的优化处理[19]。Ross[20]等对约束阻尼处理的梁和板结构作了理论分析,提出了处理约束阻尼结构的一些基本方程,即RKU方程。国内方面,中国台湾中山大学的Liao.Fu.Sen[21]等研究了中面内变叠有聚乙烯-丙烯酸(PEEA的单向碳/环氧及其对称角交铺设碳/环氧层板的阻尼性能。结果表明结构宏观阻尼有显著增加,而且外层复合材料刚度的影响作用也很明。孙大刚和诸文农[22]等人对多弹性约束层减振结构的动态优化问题进行了研究,研究了粘弹性阻尼材料的温一频动态特性,并把特性曲线拟合成方程,建立了结构的优化模型。杨雪建立了有限元模型从理论上研究由三层粘弹性高分子阻尼材料和钢板组成复合结构的阻尼性能,并用实验进行了验证。李明俊等[23]理论上分析了各向异性层合阻尼结构阻尼特性,结果表明,内部柔性层对阻尼的影响比应力耦合对其影响大得多。并且分别采用压敏胶和环氧树脂作为粘结剂,制备兼顾高强度、高刚度和高阻尼的结构阻尼复合材料,考察了两种粘结层材料和不同粘结层厚度对7层各相异性交替层合阻尼结构内耗温频特性的影响。并指出,在低于阻尼层材料玻璃化转变温度附近,用压敏胶做粘结层材料,其结构内耗的温度特性优于环氧树脂;在不同位置处不同的厚度对结构内耗的温频特性的影响不同,结构内耗的频率特性与粘结层材料及其厚度密切相关,刮涂越薄,结构内耗的温度特性越好。总结国内外的研究成果,欧美、日本等发达国家对于阻尼复合材料和结构阻尼大多偏于理论研究[2];要么侧重于复合材料的静态力学性能,即强度和模量为研究重点,而且这方面的理论和实验研究已经较为深入;要么侧重于复合材料的阻尼性能,在阻尼性能提高的同时,牺牲了材料的静力性能。我国在阻尼材料领域的研究和发展方面还存在较大的差距,对于制备兼具高阻尼和高强高模的结构阻尼复合材料的研究需要继续深入。4结构阻尼复合材料的制备工艺2共固化4.1共固化的定义及优势早期解决金属材料的振动问题一般采用自由阻尼结构和约束阻尼结构的处理方法,方法是把阻尼材料粘贴在需要改善的材料上,最外层为刚性材料,以增大阻尼层的剪切形变,达到消耗振动能量的目的。这两种方法都属被动处理结构,而且往往受到尺寸、空间和重量等诸多条件的限制,另外,阻尼层在使用中的剥离现象也是以上方法的缺点。在上世纪九十年代许多研究者开始在复合物材料中加入粘弹性材料,成功地使复合物结构的阻尼性能有了很大的提高,但是也存在很多问题,如静态力学强度和刚度方面的性能牺牲太多[24]。所谓共固化,就是在复合材料的成型工艺过程中,将粘弹性阻尼材料作为特定的铺层嵌入复合材料结构中去,在保证强度和刚度的前提下,达到大幅提高复合材料结构阻尼的目的,而且不易出现剥离现象[24]。经过共固化处理后,粘弹阻尼材料与复合材料合为一体,构成复合材料的一部分,达到了改善复合材料本身阻尼性能的目的,而且这种方法较少的牺牲材料的刚度和强度性能。共固化阻尼层不会对阻尼复合材料的结构阻尼性能造成不利影响,反而会使之获得较好的结构阻尼。可以使产品一次固化生产,在增强产品阻尼性能的同时,成本也得到降低。粘弹性阻尼层的加入改进了复合材料的动态力学性能,也会使静态刚度和强度有所降低。静态和动态性能最有效的平衡可以被其各自的应用要求所确定。4.2共固化工艺的实施近年来,许多学者对共固化阻尼材料进行了研究,在提高材料阻尼性能的同时尽量减少静态力学性能的损失,并且已经取得了部分进展。在国外经共固化阻尼改性的复合材料已经应用于航空航天、船舶等行业。在国内,这方面的应用还较少,目前国内并没有比较可直接应用的结构阻尼复合材料。加利福尼亚圣地亚哥大学的JanetM.Bigger2staff[3]博士对共固化复合材料进行了比较详细的研究。使用碳纤维增强环氧树脂与粘弹性阻尼材料AveryDennisonFasTapeTM1125进行共固化阻尼处理,获得损耗因子η30.13(20~200Hz的共固化阻尼复合材料,指出了影响共固化阻尼材料损耗因子的主要因素。即粘弹阻尼材料与复合材料在共固化过程中树脂与阻尼层互相作用,相互渗透,导致阻尼层的性质发生变化,模量增大,阻尼能力下降[25]。粘弹阻尼材料与复合材料共固化制成的阻尼复合材料显示出了优良的阻尼性能。但是,JanetM.Big2gerstaff博士发现共固化阻尼处理后的复合材料的阻尼性能并没有达到预期的效果。共固化阻尼复合材料与二次固化(先将两块无阻尼层的复合材料预聚物分别固化,然后把阻尼层粘贴进去的阻尼复合材料相比,阻尼性能还是略差一畴。为了调查其中的原因,JanetM.Biggerstaff用共固化阻尼复合材料与二次固化的阻尼复合材料进行了对比。两者的不同之处是前者的阻尼层与基体树脂经历了共同的固化过程,后者只是部分的参与了共固化的过程。经过对比后发现,造成复合材料阻尼性能降低的原因是树脂基体与阻尼层在共同固化时发生了相互渗透的现象,降低了阻尼层的实际工作厚度。JanetM.Biggerstaff博士提出了在阻尼层与基体树脂之间增加一层阻隔薄膜后再进行共固化反应的方法,这样得到的复合材料的损耗因子会有15.7%~92.3%的提高,各种频率下都会有不同的提高。同时,降低基体树脂含量也能减少树脂基体与阻尼层的渗透现象,从而增强复合物材料的阻尼性能。但是JanetM.Biggerstaff博士对纤维增强复合,并没有给出改性后复合材料的力学性能损失情况。4.3粘弹性阻尼层穿孔后共固化再参与共固化的改性方法。在粘弹阻尼改性的复合材料中,阻尼层是复合材料力学强度的薄弱环节。阻尼层经过少量穿孔后,基体树脂可以通过穿孔的位置,与玻璃纤维结合。在每个孔的位置处都是一个交联点,交联点的刚度较大。可以通过改变交联点的大小和数目控制阻尼层的形变,从而控制整个复合材料的阻尼与弹性模量,使复合材料的阻尼性能和力学强度达到一个平衡点,满足工程应用的需要。采用阻尼层穿孔后固化的方法,可以制得兼具阻尼和力学强度的复合材料,且使用寿命更持久,并能够在一定的范围内调整复合材料的阻尼和力学性能之间的关系。图3阻尼层穿孔及铺层示意图Fig.3Illustrationshowingtheperforateddampinglayerembeddedinacompositelaminate5结论采用粘弹性材料对纤维增强树脂基复合材料进行阻尼改性制备结构阻尼复合材料的方法已经得到了成功的应用。笔者采用3M公司的阻尼层ISD112、高强玻璃布及环氧树脂为原料,使用共固化工艺,获取了阻尼和静态力学性能皆优的纤维增强树脂基复合材料。在0~500HZ的范围内材料的损耗因子≥0.03,弯曲强度接近550MPa,弯曲模量20GPa,可以作为很好的结构阻尼复合材料。值得注意的是在对复合材料进行阻尼改性时,不能以牺牲材料的刚度和强度性能为代价,应该将阻尼、强度、刚度等宏观性能同时作为设计目标进行最优化设计。在复合材料阻尼改性之前应进行计算模拟或用计算机仿真计算,以预测改性效果,优化材料的宏观阻尼性能,对粘弹改性复合材料的研制开发有重要的意义。另外,除采用粘弹改性的方法外,对纤维、基体进行改性,发展高性能的阻尼复合材料也收稿日期:2005211202;修回日期:2005211225基金项目:中国自然科学杰出青年基金(50225210、航空科学基金(03H53044、教育部博士点基金(20030699011。通讯作者:李贺军,Tel:+86229288495004,Fax:+86229288495004,88495424,E2mail:lihejun@nwpu.edu作者简介:黄剑锋(19712,男,重庆人,博士,教授,主要从事炭/炭复合材料高温防氧化涂层研究。E2mail:huangjf@sust.edu文章编号:100728827(20050420373207炭/炭复合材料高温抗氧化涂层的研究进展黄剑锋1,李贺军1,熊信柏2,曾燮榕2,李克智1,付业伟1,黄敏1(1.西北工业大学炭/炭复合材料研究所,陕西西安710072;2.深圳大学材料科学系,广东深圳518060摘要:阐述了近年来国内外炭/炭复合材料高温抗氧化涂层在玻璃、贵金属、陶瓷以及复合涂层等涂层体系方面的新近展,总结了炭/炭复合材料高温抗氧化涂层在已有制备工艺的完善以及新工艺的开发等方面的最新研究成果,结合涂层炭/炭复合材料在航空、航天以及军事领域的应用背景对高温抗氧化涂层的下一步发展趋势进行了展望。指出:目前的研究结果尚达不到严酷环境下的应用要求,炭/炭复合材料高温抗氧化涂层下一阶段将向着长寿命、耐高温、抗冲刷和低成本的方向发展;涂层新工艺的开发和涂层与基体结合研究将是下一步的研究重点;多相复合涂层和梯度陶瓷涂层有望取得在高温冲刷环境下长时间应用的突破性进展。关键词:炭/炭复合材料;高温;抗氧化涂层中图分类号:TB332文献标识码:A1前言炭/炭(C/C复合材料是可用于高温环境下的先进复合材料之一,它是由高强度、高模量的炭纤维和基体炭两部分组成。由于其热膨胀系数低、密度低、耐烧蚀、耐腐蚀、摩擦系数稳定、导热导电性能好和高强度、高模量等特点,特别是随温度升高力学性能不降反升的特性,被广泛应用于航空、航天领域。然而,上述许多性质只有在惰性气氛下才能保持,研究表明,C/C复合材料在超过370℃的氧化气氛下开始发生氧化反应,反应速度在500℃时迅速增大,氧化失重将使得C/C复合材料的力学性能明显下降,从而限制了其作为高温防护或抗烧蚀材料在氧化气氛下的广泛应用[1]。因此,解决C/C复合材料高温氧化防护问题是充分利用其性能的前提。在航天军事领域,炭/炭复合材料作为热防护系统材料一直是各国科学家关注的问题,热防护系统(TPS是航天飞行器的关键技术之一,各国对热防护系统都给以足够重视,尤其是美国,在此方面进行了长期的持续研究,俄罗斯、法国、日本、印度等国家在此方面也都开展了大量的研究工作。TPS一般由三种结构构成,鼻锥、机翼前缘和方向升降舵由抗氧化炭/炭复合材料制备,防护温度为1500K以上;用于前机身、下机身表面的是陶瓷基复合材料瓦片(黑瓦,防护温度范围覆盖920K~1500K;更低温度的部位采用氧化铝复合材料和毡做成的瓦片(白瓦。就高温部位应用的炭/炭复合材料而言,据资料介绍,美国采用炭/炭复合材料作为高温热防护系统包括鼻锥和机翼前缘等已完成70余次发射;而美国华盛顿大学进行了第二代可重复使用飞行器(ReusableLaunchVehicle,RLV的设计,其机翼前缘和鼻锥的上裙部仍采用抗氧化炭/炭复合材料[2,3]。作为重复使用的热防护系统,最关键的问题仍然是炭/炭复合材料的抗氧化问题能否得到很好解决。本文就近年来国内外学者在该领域的研究进展情况进行评述。2C/C复合材料抗氧化涂层体系的研究现状C/C复合材料的抗氧化方法有两种途径:基体改性和涂层技术。基体改性只能提供其在较低的温度下具有氧化保护能力,但改性后的C/C复合材料一般只有低于1000℃的抗氧化能力。而抗氧化涂层技术则可以提供更高温度下的抗氧化能力,因而发展较快。该方法的基本原理是利用涂层阻挡氧气与基体的接触和氧气向基体中扩散而达到高温抗氧化的目的。C/C复合材料基体具有膨胀系数很低、化学反应活性较高等特点。因此,具有保护功能的第20卷第4期2005年12月新型炭材料NEWCARBONMATERIALSVol.20No.4Dec.2005涂层必须与基体材料之间具有良好的化学与物理相容性和稳定性,同时具有较低的氧气渗透能力和低的挥发性,不仅对氧化反应没有催化作用,而且还具有高温下自愈合能力。因此,合理设计涂层体系,对于解决C/C复合材料的高温氧化问题是十分关键的。综合各种影响因素来考虑,C/C复合材料的高温抗氧化涂层应该具有以下几项基本要求[4]。(1能够提供有效的防护屏障,以阻止氧气在材料外界面和组织结构内部的扩散。即具有较低的氧气渗透能力;(2涂层与基体材料之间具有良好的化学与物理相容性和稳定性;(3涂层不能对氧化反应有催化作用;(4涂层具有低的挥发性,以防止材料在高速气流中或高温条件下工作时,涂层因过度损耗而失效。(5涂层不能影响C/C复合材料原有的优秀机械性能。(6涂层与基体材料之间具有良好的热膨胀系数匹配和结合能力,不易剥落;(7涂层致密,具有高温自愈合能力。到目前为止,已经研制的C/C复合材料的涂层体系主要有玻璃涂层、金属涂层、陶瓷涂层以及复合涂层,而复合涂层又包含梯度涂层和双层及多层涂层等,下面分别概述各种涂层的研究新进展。2.1玻璃涂层高性能C/C复合材料抗氧化方法研究初期所采用的涂层大多是玻璃涂层,其原理为借助玻璃在高温下的低黏度和润湿性及热稳性特点来填补在材料服役时由于机械变形而产生的裂纹。该涂层只能用于较低温度下的氧化保护(小于800℃[5]。近年来,玻璃涂层有了很大的发展,在最初的B2O3玻璃涂层基础上发展了改性硼酸盐玻璃、硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃及复合玻璃涂层体系[628]。西北工业大学C/C复合材料研究中心所开发的磷酸盐涂层在静态空气中经650℃氧化30h后失重率为1.2%,经800℃氧化8h后失重率为7.07%;开发的磷酸盐和硼酸盐及硅酸盐复合玻璃涂层在700℃静态氧化23h后的失重率为4.14%,在900℃×3min→室温×2min急冷急热循环100次后失重率仅为1.6%[9];用SiC和粘土改性的硼硅酸盐玻璃可将涂层的抗氧化性能进一步提升,该涂层C/C试样在1400℃的高温下氧化20h失重才达0.6%[10]。由于B4C在高温下可以氧化形成B2O3,因此,B2O3玻璃涂层的形成还可以采用间接引入B4C的方式来实现[11213]。2.2贵金属涂层许多金属如Ir、Hf、Cr等有很高的熔点,特别是金属Ir,熔点高达2410℃,高温氧扩散系数很低,因此具有高温抗氧化能力。W.L.Worrel等[14]发明的Ir2Al2Si合金涂层在1550℃氧化气氛下工作280h后氧化失重为7.29mg/cm2,而Ir2Al涂层在1600℃氧化气氛下工作200h后氧化失重仅为5.26mg/cm2。由于这类含Ir的涂层成本太高目前还没有推广使用。V.S.Terentieva等制备的Mo2Si2Ti合金涂层可以经受1775℃氧化气氛2h而无明显变化[15]。该涂层在高温气流冲刷条件下实验表现出良好的抗冲刷和抗热震性能。研究表明,该涂层的结构为在耐火相TiMo0.6-0.05Si2的周围产生了裂纹,而裂纹完全被MoSi2、SiTi、TiSi2密封,因此能够在高温下阻挡氧气的渗透,进而提高了抗氧化性能。2.3陶瓷涂层陶瓷涂层是目前研究得最深入的抗氧化涂层体系,普遍采用含硅的陶瓷化合物,其技术关键是利用高温下SiO2或反应生成的SiO2来填充涂层中的裂纹等缺陷,作为密封物质来阻挡氧气的渗入。由于SiO2的氧扩散系数很低(在1200℃时为10-13g/(cm・s,2200℃时为10-11g/(cm・s,因此能有效地对C/C复合材料提供氧化保护[16,17]。目前研究得最多的是SiC、Si3N4和MoSi2等陶瓷涂层。由于单一陶瓷涂层的基体与涂层之间的热膨胀差异会在涂层中形成微裂纹等缺陷,因而抗氧化性能较差,一般只有1300℃左右。笔者最近的研究表明,采用包埋法优化工艺后制备的SiC涂层非常致密,可以在1500℃下对C/C复合材料有效保护约22h[18]。曾燮熔等制备的富含少量Si的MoSi2涂层,很好地解决了MoSi2与C/C复合材料之间的热膨胀匹配问题,获得的涂层具有1500℃长时间防护能力,试样经过242h氧化后,氧化失重仅为0.7%,长时间氧化失重速率稳定在2.43×10-5g/(cm2・s的极低水平[19]。A.W.Moore等[20]采用CVD法制备的PB(SiN陶瓷涂层具有1510℃的防护能力。V.V.Rodionova等[21]将C粉和HfB2以及甲基纤维素混合后涂刷在C/C复合材料表面,之后在