叠层阻尼功能复合材料的制备和性能研究

摘要

叠层复合材料因具有优良的力学性能和阻尼性能，已成为阻尼功能结构材料中的最重要发展方向之一和研究热点。本文根据贝壳材料的增韧机理和复合阻尼机理，结合ARALL板的制备技术，提出建立金属板/树脂/纤维和金属板/树脂/泡沫金属两种超混杂复合体系，采用热压固化法成功制备了铝合金/树脂/纤维叠层复合材料和铝合金/树脂/泡沫铝叠层复合材料，并通过多次实验对比，获得一套优化的工艺过程和参数，确保复合材料的性能稳定可靠。 通过对铝合金板表面进行喷丸和酸腐蚀综合处理，对纤维表面进行氧化和硅烷偶联剂涂层处理，并采用扫描电镜观察和分析所制备的两种叠层复合材料的界面结合情况及破坏形貌，结果表明：复合组元经表面处理后制备的复合材料的界面结合良好，大大改善了铝合金/树脂界面和纤维/树脂界面的结合状况，并进一步讨论了叠层复合材料界面结合机制和破坏机理。 对纤维(泡沫铝)/树脂/铝合金叠层复合材料的拉伸性能、弯曲性能和冲击性能进行了测试和分析，结果表明：玻璃纤维/PC树脂/铝合金叠层复合材料具有优异的综合力学性能，拉伸和弯曲性能随着玻璃纤维含量的增加而提高，当玻璃纤维含量为30％时，其拉伸强度达到507.4MPa，弯曲强度达到348.1MPa，而冲击性能除了与纤维含量有关，还取决于玻璃纤维/树脂的界面结合强度，3层玻璃纤维增强的玻璃纤维/树脂/铝合金叠层复合材料的冲击韧性达到13.75J·cm-2，这也验证了玻璃纤维/PC树脂的界面结合好、界面强度高；泡沫铝/树脂/铝合金叠层复合材料则具有良好的弯曲强度(298.7MPa)和优异的冲击性能(18.07J·cm-2)；两种叠层材料的力学性能基本符合复合材料的力学混合法则。此外，进一步分析了纤维、泡沫铝对叠层复合材料力学性能的增强机理，即纤维的高强度保证了纤维/树脂/铝合金叠层复合材料拉伸强度、弯曲强度；而玻璃纤维的“拔出效应”和泡沫铝的“应力-应变平台效应”对叠层复合材料冲击性能有重要贡献。 通过自由振动衰减方法测试了两种叠层复合材料的阻尼性能，分析了叠层复合材料各组元对复合材料阻尼性能的影响，并对两种叠层复合材料的阻尼机理进行了探讨。玻璃纤维/树脂/铝合金叠层复合材料、碳纤维/树脂/铝合金叠层复合材料和泡沫铝/树脂/铝合金叠层复合材料的自由衰减率分别可达到0.332、0.266和0.323，远高于铝合金基体(小于0.004)。研究发现，叠层复合材料阻尼主要来之基体阻尼、界面层阻尼以及结构附加阻尼三个部分，树脂、泡沫铝是基体阻尼的主要贡献体，纤维/树脂界面、泡沫铝/树脂界面提供了大量的界面阻尼，铝合金/树脂异相叠层结构、泡沫铝/树脂的网络交粘结构则为复合材料提供结构附加阻尼。

目录

文摘

英文文摘

学位论文版权使用授权书和独创性声明

第一章绪论

1.1阻尼功能复合材料的研究现状和发展方向

1.1.1阻尼技术的发展状况

1.1.2阻尼材料的研究现状和发展

1.2叠层阻尼功能复合材料的研究现状

1.2.1金属基叠层阻尼复合材料

1.2.2树脂基叠层复合材料

1.3叠层阻尼功能复合材料的性能

1.3.1阻尼性能

1.3.2复合强度

1.3.3抗拉强度、疲劳性能和热老化试验

1.3.4机械加工、焊接等工艺性能

1.4叠层阻尼功能复合材料的应用

1.4.1金属基叠层阻尼复合材料的应用

1.4.2树脂基叠层复合材料的应用

1.5本课题的主要研究内容

第二章复合材料的设计及试验方法

2.1叠层复合材料设计原理

2.1.1贝壳增韧机理

2.1.2复合阻尼机理

2.1.3 ALLAR板设计原理及制备技术

2.2叠层阻尼复合材料的设计

2.2.1叠层阻尼复合材料的结构设计

2.2.2叠层阻尼复合材料的界面设计

2.3实验分析方法

2.3.1细观分析方法

2.3.2性能测试方法

第三章叠层阻尼复合材料的制备

3.1原材料的选择与预处理

3.1.1面层材料的选择与预处理

3.1.2芯层材料的选择

3.1.3纤维增强体

3.2叠层复合材料的制备

3.2.1热压固化法制备技术

3.2.2制备工艺优化

3.3本章小结

第四章叠层复合材料的界面特性

4.1复合材料的界面

4.1.1复合材料界面定义

4.1.2复合材料界面类型

4.1.3复合材料界面强度测试方法

4.2纤维/树脂/铝合金叠层复合材料的界面观察分析

4.2.1铝合金/树脂界面

4.2.2纤维/树脂界面

4.2.3玻璃纤维/树脂界面强度细观分析

4.3泡沫铝/树脂/铝合金叠层复合材料界面观察

4.4本章小结

第五章叠层阻尼复合材料的力学性能

5.1拉伸性能

5.1.1拉伸实验

5.1.2实验数据处理及结果分析

5.1.3叠层复合材料的拉伸性能理论分析

5.2弯曲性能

5.2.1三点弯曲实验

5.2.2结果分析

5.3冲击性能

5.3.1冲击实验

5.3.2实验结果及分析

5.4强化机制

5.5本章小结

第六章叠层复合材料的阻尼性能

6.1阻尼性能测试方法

6.2 阻尼性能测试结果和分析

6.2.1纤维/树脂/铝合金叠层复合材料的阻尼性能

6.2.2泡沫铝/树脂/铝合金叠层复合材料的阻尼性能

6.3叠层复合材料阻尼机理分析

6.4本章小结

第七章主要结论

第八章展望

8.1开发的叠层复合材料的应用前景

8.2本课题的后续研究工作

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表或录用的论文