空心球/环氧多孔材料的材料阻尼及管结构阻尼研究

摘要

高速运动飞行器、运载器在运行过程中会遭受严重的振动和噪声困扰，为了解决上述问题，本文试图设计一种轻质、廉价的阻尼灌封材料，灌注到钢管中提高构件的阻尼减振特性，而不改变构件的原有结构。本文从材料设计的角度出发，设计和制备了廉价、轻质和高阻尼的空心球(粉煤灰空心微珠和Al2O3空心球)/环氧(EP)多孔材料。利用扫描电镜(SEM)、热重分析(TG)和动态力学分析(DMA)等手段系统研究了多孔材料的微观组织、热性能和阻尼性能，并分析了相关影响因素。通过敲击法和振动台法研究了空心球/环氧灌封钢管的阻尼减振规律。
　　本文所用的粉煤灰空心微珠球径为74~206μm，主要成分为SiO2和Al2O3；Al2O3空心球球径为0.5~4mm。基体为90％环氧树脂和10%聚氨酯(90EP-10PU)。研究表明，随着空心球体积分数(Vf)和平均球径的增大，多孔材料密度下降。当空心微珠 Vf为50~70vol.%时，材料的密度为0.80~0.93g/cm3；当Al2O3空心球Vf为88vol.%时，多孔材料的密度可低至0.58~0.62g/cm3。
　　研究发现，经过偶联剂表面改性以后，空心微珠与基体界面结合良好，材料的破坏源于空心微珠自身断裂。当Vf为30~50vol.%时，空心微珠在基体中的分散性较好；当Vf>50vol.%后，空心微珠互相堆积造成了基体不连续，产生少量缺陷。
　　随着空心微珠Vf和球径的增大，多孔材料的初始热分解温度和10%热失重对应的温度都升高。根据Arrhenius公式算得的氧化分解活化能也是逐渐增加，表明添加空心微珠后，多孔材料的耐热性得到改善。
　　空心微珠/(90EP-10PU)多孔材料在变温(-40~150℃)和变频(10~800Hz)条件下的阻尼性能研究表明，多孔材料的 tanδ峰值介于0.628~0.892之间，都高于基体(0.536)，且玻璃化转变温度(Tg)向低温偏移，高阻尼温域(ΔT0.5)拓宽。在tanδ~f图中，随着频率的升高，tanδ衰减较慢，阻尼性能保持稳定，说明频率对多孔材料损耗因子的影响要小于温度对其的影响。
　　tanδ与空心微珠Vf、球径和种类的相关规律研究表明：tanδ对于Vf存在一个峰值，当Vf为30vol.%时，tanδ峰值为0.892；随着空心微珠球径和种类的变化，tanδ峰值之间的变化值小于10%，说明空心微珠Vf对于多孔材料阻尼性能的影响要比球径和种类对其影响更明显。
　　空心球/(90EP-10PU)灌封钢管结构阻尼因子(η)达到(5~9)×10-2，比钢管自身(7×10-3)提高了6~12倍。随着阻尼层厚度增加，灌封钢管的η增大；随空心微
　　珠Vf的增大，η先增大后减小，当空心微珠Vf为30~50vol.%时，灌封钢管的η达到峰值(8~9)×10-2；模态阻尼与空心球球径和种类的相关性不明显(Δη<1%)。根据所建立的壳单元-体单元模型、选择固定-自由边界条件，采用模态应变能(MSE)法计算得到空心球/(90EP-10PU)灌封钢管的结构阻尼因子与测试值比较接近。
　　空心球/(90EP-10PU)阻尼材料灌封 Q235钢管后使钢管的一阶固有频率(f1)降低10~32Hz。f1随着空心球 Vf的增加而增加，而与球径的相关性较小；f1随着阻尼层厚度的增加而降低。灌封钢管的阻尼特性与振动频率相关规律表明，在小于2 f1低频条件下，灌封钢管的减振传递率(T)大于1，不具有阻尼减振效果；在>2 f1，250~2000Hz范围内，T为0.15~0.64，随着振动频率的增加缓慢升高，振动传递较钢管降低4.5~0.5倍。
　　灌封钢管阻尼特性取决于灌封阻尼材料的阻尼性能。当空心微珠 Vf为30vol.%，球径为120μm时，多孔材料和灌封钢管的阻尼性能都达到最佳，此时灌封钢管的结构阻尼因子为8.82×10-2。

目录

空心球/环氧多孔材料的材料阻尼及管结构阻尼研究

STUDY ON DAMPING PROPERTIES OFHOLLOW SPHERES/EPOXY POROUSCOMPOSITES AND ENCAPSULATING PIPES

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1章 绪 论

1.1研究的目的和意义

1.2多孔材料的定义

1.2.1 泡沫塑料的定义

1.2.2 泡沫塑料的分类及特点

1.2.3 泡沫塑料的制备及应用

1.2.4 空心球/聚合物材料

1.3 多孔(泡沫)材料的性能

1.3.1 泡沫塑料的力学性能

1.3.2 空心球/聚合物复合材料的力学性能

1.4 阻尼与阻尼材料

1.4.1 阻尼的基本原理及分类

1.4.2 材料阻尼的定义

1.4.3 材料阻尼的影响因素

1.4.4 材料阻尼的表征及测试

1.4.5 结构阻尼的测试

1.4.6 材料阻尼与测试方法的联系

1.5 阻尼机理

1.5.1 材料阻尼机理

1.5.2 结构阻尼机理

1.6 阻尼材料的研究现状

1.6.1 阻尼的发展过程

1.6.2 聚合物材料

1.6.3 复合材料

1.6.4 泡沫塑料

1.6.5 复合结构

1.7 灌封材料

1.8 展望

1.9 本文的主要研究内容

第2章 材料及试验方法

2.1 试验用材料

2.2 成分分析

2.3 结构分析

2.4性能测试

第3章 空心球/环氧多孔材料及其灌封钢管的设计与制备

3.1引言

3.2空心球/环氧多孔材料的设计原则

3.3树脂基体及其固化剂、助剂和偶联剂的选择

3.4空心球的选择

3.5 制备工艺的确定

3.6 空心球/环氧多孔材料的制备

3.7 空心球/(90EP-10PU)树脂灌封Q235钢管的制备

3.8 本章小结

第4章 空心球/(90EP-10PU)多孔材料的微观结构及热性能

4.1引言

4.2空心球/(90EP-10PU)多孔材料的密度及孔隙率

4.3空心微珠/(90EP-10PU)多孔材料的热性能

4.4空心微珠/(90EP-10PU)多孔材料的微观结构

4.5本章小结

第5章 空心微珠/(EP-PU)多孔材料的阻尼性能

5.1前言

5.2空心微珠/(EP-PU)多孔材料的阻尼性能研究

5.3 空心微珠/(90EP-10PU)多孔材料的阻尼机理

5.4 空心微珠/(90EP-10PU)多孔材料的弹性模量

5.5 本章小结

第6章 空心球/(90EP-10PU)灌封Q235钢管的阻尼特性

6.1引言

6.2空心球/(90EP-10PU)灌封Q235钢管的模态阻尼特性

6.3 空心球/ (90EP-10PU)灌封Q235钢管的振动阻尼特性

6.4空心球/(90EP-10PU)灌封Q235钢管结构阻尼的分析

6.5本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

致 谢

个人简历