CN102009509A - 嵌入式共固化高阻尼复合层合材料结构的制作工艺 - Google Patents

Abstract

复合材料结构本身的阻尼特性要比常见金属的高10-100倍，但是这在应用中仍然偏低，然而复合材料力学性能的可设计性又为其阻尼性能的进一步提高创造了广阔空间。本发明提出以丁基橡胶与氯化丁基橡胶的混合物作为粘弹性阻尼材料的主要原料，通过模压法将其制成部分硫化的粘弹性阻尼薄膜，以中温固化环氧树脂玻璃布或碳纤维作为预浸料，将阻尼层作为特定的铺层嵌入到复合材料结构中，然后通过专门的共固化工艺曲线将其制成嵌入式复合材料阻尼结构构件，最终获得轻质大阻尼复合材料构件的制作工艺。这样的高阻尼复合材料构件在高速列车、航空、航天等高科技领域有着广泛地应用前景，属于复合材料动力学改性工艺研究领域。

Description

嵌入式共固化高阻尼复合层合材料结构的制作工艺

技术领域

嵌入式共固化复合材料阻尼结构是利用复合材料力学性能的可设计性将三种不同性质的材料(如碳纤维、树脂和粘弹性阻尼材料)，通过物理或化学的方法经人工或现代工艺复合而成的一种多相固体。从它的组成和结构上分析，其中有一相在层内基本上是连续的称为基体相(如树脂)，而另一相是分散在基体中，被基体所包容的称为增强相(如碳纤维)，还有一相是各向同性的粘弹性阻尼材料。其基体相、增强相和粘弹性阻尼材料在性能上起协调作用，从而达到大幅度地提高复合材料构件阻尼的目的，得到单一材料难以比拟的综合力学性能。与传统的阻尼结构相比这种事先阻尼处理形式是镶嵌在基体材料内部的，具有不脱落、抗老化等优点，在航空、航天、高速列车等高科技领域有着广泛的应用前景。本发明提出以丁基橡胶(IIR)与氯化丁基橡胶(CIIR)的混合物作为粘弹性阻尼材料的主要原料，通过模压法将其制成部分硫化的粘弹性阻尼薄膜，以中温固化阻燃环氧树脂与玻璃布(或碳纤维)制成预浸料，把阻尼层作为特定的铺层嵌入到复合材料结构中(如图1所示)，然后按照专门的共固化工艺曲线将其制成嵌入式复合材料阻尼结构构件，最终获得轻质大阻尼复合材料构件的制作工艺。本发明属于复合材料动力学改性工艺研究领域。

背景技术

复合材料由于其本身具有很高的比强度、比刚度以及优良的阻尼特性，近年来在高速列车、航空、航天等领域得到广泛地应用。一般来说，复合材料结构本身的阻尼性能要比常见金属的高10~100倍，在一定程度上控制了结构的共振幅值、提高了结构的疲劳寿命和抗冲击能力，但是这在应用中仍然偏低。而复合材料力学性能的可设计性又为其阻尼性能的进一步提高和结构的优化提供了广阔的空间。所以在复合材料结构动力学设计中，对其阻尼特性的探讨是目前一个及其重要的研究内容。

通常被动阻尼处理方法有自由阻尼结构和约束阻尼结构，这两种办法都属于事后处理，往往受到结构的尺寸、空间和重量等诸多条件的限制，加之容易老化、脱落，很快就丧失了原来被动阻尼处理结构的功能，从而导致整个仪器设备不能正常运转。随着科学技术的发展，人们对高速运转仪器和设备的动态性能要求越来越高，传统的阻尼结构远远不能满足高科技领域发展的要求。本发明将复合材料力学性能的可设计性与粘弹性材料的高阻尼特性相结合，在设计阶段就将粘弹性材料作为复合材料的一层，按照确定的铺设顺序置入复合材料结构中，其基体树脂相、增强相和粘弹性阻尼材料在性能上起协调作用，从而达到大幅度地提高复合材料构件阻尼的目的，实现进一步控制结构的共振幅值、提高结构的疲劳寿命和抗冲击能力，得到单一材料难以比拟的综合力学性能。该结构简单、可靠，特别适合在有高速运转仪器和设备的结构上使用。

发明内容

发明原理：在常用的阻尼材料中，橡胶在其中占据了较大的比重。丁基橡胶是以异丁烯为主体和少量异戊二烯首尾结合形成的线形高分子。由于其分子链上侧甲基十分密集，形成蠕虫状分子结构，因此具有良好的吸收冲击和振动能量的能力。又因其在玻璃化转变温度附近存在着次级转变，内耗峰既高又宽，在较大的温度范围内具有优良的阻尼性能。

卤化丁基橡胶(简称为HIIR)是丁基橡胶经过卤化改性后的产物，是溴化丁基橡胶与氯化丁基橡胶的总称。由于氯化丁基橡胶分子的主链结构与丁基橡胶相同，因而氯化丁基橡胶一方面具有丁基橡胶分子所固有的一切特性，如耐热，耐臭氧，耐化学腐蚀，滞后性好，弯曲疲劳强度高等优点。另一方面，氯化丁基橡胶硫化方式较多，可与其它橡胶共混、共同硫化，并且交联后热稳定性较丁基橡胶好，在高温下不易出现硫化返原现象，又有较易与其它物质粘合的特性。

嵌入式共固化复合材料阻尼结构就是应用丁基橡胶的高阻尼减振性能与氯化丁基橡胶易粘合性能发明设计出一种高阻尼复合材料层合夹芯结构的制作工艺，提出以丁基橡胶与氯化丁基橡胶的混合物作为粘弹性阻尼材料的主要原料，通过反复试验得到满足中温固化复合材料制作工艺要求的粘弹性材料的配方，然后将按该配方制成的混炼胶通过模压法制成部分硫化的粘弹性阻尼薄膜，以中温固化环氧树脂复合材料预浸料为增强相和基相，将阻尼层作为特定的铺层嵌入到复合材料结构中(如图1所示)，通过共固化工艺将其制成嵌入式复合材料阻尼结构构件。这样制作的高阻尼复合材料构件在高速列车、航空、航天等领域有着广泛地应用前景。

发明主要内容：目前市售的粘弹性材料，都是100％硫化后的结果，而且厚度不能制作的太薄，如果和复合材料预浸料进一步共固化会出现严重的返原现象，并且会影响层间结合能力。为了克服上述不足，本发明提出的制作工艺具体创新内容为：

1)通过大量的实验和测试，提出了一个能满足嵌入式共固化复合材料阻尼结构的粘弹性材料的配方，具体成份比例为表1所示。

通过硫化曲线测试结果说明该配方完全满足中温树脂的固化工艺，图2为不同硫化程度对应的硫化时间曲线，结果说明：按照表1配方制作的粘弹性材料原胶在160℃时其90％硫化所用时间为72min；50％硫化的时间为19min；其100％硫化所用时间为155min，且最大扭矩为8.78dN·m。它与中温树脂的固化温度和时间基本一致，虽然在180min内粘弹性材料的强度少有下降，但不明显，完全能满足工业上的应用。

表1粘弹性材料制作配方

原料	配料	配方9
			丁基橡胶	IIR	100
氯化丁基橡胶	CIIR	10
			硫磺	S	2
二硫化二苯并噻唑	DM	1

二苯胍	DPG	1.25
			N-叔丁基-2-苯并噻唑次磺酰胺	TBBS	1.25
硬脂酸		1
			氧化锌	ZnO	5
2-巯基苯并咪唑	防老剂MB	1

2)提出满足嵌入式共固化复合材料阻尼结构要求的粘弹性材料薄膜的制作工艺

由于未硫化的粘弹性阻尼材料质地比较软粘，很难与复合材料一起铺设，本发明这里提出用模压法，将混炼后胶料制成部分硫化的阻尼薄膜，且阻尼薄膜的硫化温度与剩余硫化时间要与中温固化树脂的固化温度和时间一致，在防止粘弹性材料老化的同时使其与复合材料层间有较强的结合性能，本发明使用的硫化程度为20％-50％的阻尼薄膜，其剩余硫化时间在150分钟左右。注意薄膜的硫化程度不能太高或太低，否则将影响整个制作工艺的实现。

3)提出了一个粘弹性阻尼材料与复合材料预浸料共固化的工艺参数曲线

由于本发明在设计配方中，注意调整粘弹性材料的组分，使粘弹性阻尼材料的硫化温度和剩余硫化时间基本上与复合材料预浸料的固化时间一致。这里试验使用5231环氧树脂预浸料的固化工艺曲线，作为粘弹性阻尼材料与复合材料预浸料的共固化工艺曲线。

4)提出了一个满足嵌入式共固化复合材料阻尼结构制作的工艺路线流程

以前没有文献报道这样的工艺流程，在此本发明提出的具体工艺过程为图4所示。

本工艺路线是根据自己验证的工艺流程而提出的，并已制作出了试件，当然这是主要的工艺过程，其中还会包括诸如模具制作等许多细节问题。铺设好的复合材料(包括粘弹性材料层)要按照中温树脂的固化工艺路线在热压灌中共固化，从而完成嵌入式共固化复合材料阻尼结构的制作工艺。

附图说明

图1嵌入式共固化复合材料阻尼结构铺层示意图；

图2所研制配方在160℃时硫化曲线；

图3中温树脂共固化的温度压力曲线；

图4嵌入式共固化复合材料阻尼结构制作的工艺路线；

图5模具实物照片；

图6环氧树脂玻璃布预浸料与制作的阻尼薄膜；

图7试样的电镜图像1；

图8试样的电镜图像2；

图9共固化工艺制作的嵌入了粘弹性阻尼的复合材料层合板；

图10切割出试件及其试件实验时的装夹；

图11为试件1和试件2的位移随时间的变化曲线。

具体实施方式

本工艺利用复合材料力学性能的可设计性，选用丁基橡胶和氯化丁基橡胶混合物作为主要原料制作粘弹性材料阻尼薄膜，按照设计需要将部分硫化的阻尼薄膜铺设到复合材料预浸料中，利用氯化丁基橡胶良好的粘合性，在热压罐中完成共固化后，使其层间能紧密地结合在一起，实现在不损失构件刚度的情况下，大大提高复合层合材料结构阻尼性能的目的。具体实施方式为：

1.原胶的混炼：根据粘弹性材料配方配料形成原胶料，然后对原胶进行混炼，本发明使用的加料顺序为：先将橡胶原料加入混炼60秒，混匀后加大辊距，然后加入各种配合剂(硫磺除外)混炼180秒，最后加入硫磺，混炼60秒。确保混炼胶均匀后，出片待用。

2.粘弹性薄膜的制备：粘弹性阻尼薄膜的制备是在真空平板硫化机上进行的，最大工作压力要根据生产薄膜的大小决定，通过调整液压系统的压力可满足一般工艺的要求。真空硫化机采用计算机控制并能自动计时、自动抽真空，这样有利于提高橡胶制品的质量和精确控制部分硫化所用时间。按照阻尼层的厚度，根据混炼胶密度计算压制阻尼层所需的胶料质量，通常按阻尼薄膜质量的1.2倍称量混炼胶。图5是压制部分硫化粘弹性阻尼薄膜所使用的模具。

生产出的阻尼薄膜仍有一定粘性，应放在两层聚四氟乙烯板中封存。

3.在复合材料预浸料中铺设粘弹性阻尼层：根据设计要求，将粘弹性阻尼薄膜铺设在复合材料预浸料中(市售)，放入真空袋中，高度抽真空。一般来说，阻尼层应铺设在复合材料层合结构的中性层附近，其受的剪切应力最大，阻尼效果最好，否则，越靠近表层剪切应力越小，阻尼效果就越差。图6为本实验使用的市售环氧树脂玻璃布预浸料与本发明制作的阻尼薄膜，图1是试验用铺层结构示意图。

4.热压罐工艺参数：根据丁基橡胶和丁基与氯化丁基混合物的动态力学谱分析，丁基与氯化丁基橡胶混合物的动态力学谱明显比单纯丁基橡胶好，且硫化速度慢，便于在热压罐中和环氧树脂预浸料同时固化，具体加工工艺的参数见图3。由于氯化丁基橡胶分子有很强的极性，易和环氧粘附，在层间生成共融的粘合面。通过电子显微镜对用本工艺制作出试件的层间结合情况进行观察，结果如图7和8所示。由图可见，玻璃布环氧树脂层与粘弹性层的结合相当紧密，几乎看不出分界面，这就使加工出的试件减小了脱层的可能性，提高了使用寿命。

图9就是使用上述的工艺流程，制作出的嵌入了粘弹性阻尼的复合材料层合板。

5.实验证明：为了验证本发明工艺制作的嵌入式共固化高阻尼复合层合材料结构的性能，这里采用高压水切割对图9试验研制出的复合材料层合阻尼板进行切割，加工成图10所示的复合材料梁并装夹在工作台上。

测试系统是由力锤、传感器、LMS Test.lab信号采集分析仪构成。测试时，将试件按图10固定在工作台上，用力锤对试件进行脉冲激励，同时触发信号采集系统采集传感器信号。图11为试样1和试件2的位移随时间的变化曲线。

通过进一步的数据处理，将试样1与试样2的阻尼系数列入表2

表2试样相对阻尼系数

试样编号	1	2
			相对阻尼系数ζ	0.0046	0.0154

从图11及表2可知：嵌入式共固化复合材料阻尼结构在加入0.1mm厚的粘弹性阻尼层导致整个构件的阻尼性能有大幅度地提高，其相应阻尼系数由未嵌入粘弹性阻尼的复合材料结构的0.0046提高到0.0154，提高至原来的3倍多。这说明用本发明工艺制作的嵌入式共固化复合材料阻尼结构的阻尼比原有构件有较大提高。这里嵌入的阻尼层只有一层，如果有多层嵌入，其阻尼性能将会有更为显著的提高。

Claims (7)

1.嵌入式共固化高阻尼复合层合材料结构的制作工艺，是针对复合材料结构力学性能的可设计性、丁基橡胶有良好的吸收冲击和振动能量的能力以及氯化丁基橡胶有较易与其它物质粘合的特点，结合振动控制理论，提出满足中温固化复合材料制作工艺要求的粘弹性材料的配方，然后将该配方制成的混炼胶通过模压法加工成部分硫化的粘弹性阻尼薄膜，以中温固化环氧树脂的复合材料预浸料为增强相和基相，将阻尼层作为特定的铺层嵌入到复合材料结构中，按照共固化工艺曲线在热压灌中将其制成嵌入式复合材料高阻尼结构构件，这样的高阻尼复合材料构件在高速列车、航空、航天等高科技领域有着广泛地应用前景。

2.根据权利要求1所述的嵌入式共固化高阻尼复合层合材料结构的制作工艺，其特征是：针对复合材料结构力学性能的可设计，基于振动控制理论，创新地提出了一个满足嵌入式共固化复合材料阻尼结构制作工艺要求的粘弹性材料配方。

3.根据权利要求1所述的嵌入式共固化高阻尼复合层合材料结构的制作工艺，其特征是：基于混炼后而未硫化的粘弹性阻尼原胶要制成阻尼薄膜，本发明提出用模压法制作满足嵌入式共固化复合材料阻尼结构要求的粘弹性阻尼薄膜，以便将其铺设在复合材料预浸料中，当阻尼层置于复合材料结构中性层附近时，阻尼效果最好，否则，越靠近表层阻尼效果就越差。

4.根据权利要求1所述的嵌入式共固化高阻尼复合层合材料结构的制作工艺，其特征是：由于混炼后而未硫化的粘弹性阻尼原胶比较粘软，很难铺设在复合材料预浸料中，本发明提出了在制作粘弹性薄膜时，一定要将薄膜部分硫化，一般硫化程度为20％-50％，而且要使粘弹性阻尼材料的硫化温度与剩余硫化时间与复合材料预浸料的固化温度和时间一致。

5.根据权利要求1所述的嵌入式共固化高阻尼复合层合材料结构的制作工艺，其特征是：粘弹性阻尼薄膜和复合材料预浸料要按预先设计的铺层顺序在热压灌中共固化，本发明提出了一个粘弹性阻尼材料与复合材料预浸料共固化的工艺参数曲线，根据该曲线，制成嵌入式共固化高阻尼复合材料层合结构试件。

6.根据权利要求1所述的嵌入式共固化高阻尼复合层合材料结构的制作工艺，其特征是：本工艺包括从粘弹性材料配方到用热压灌制作嵌入式共固化高阻尼复合材料结构试件的全部工艺过程，本发明提出了一个满足嵌入式共固化复合材料阻尼结构要求的制作工艺路线。

7.根据权利要求1到权利要求6所述的嵌入式共固化高阻尼复合层合材料结构的制作工艺，其特征是：将复合材料结构力学性能的可设计性、丁基橡胶良好的吸收冲击和振动能量性能和氯化丁基橡胶较易与其它物质粘合的特点，与振动控制理论相结合，实现了嵌入式共固化高阻尼复合材料层合结构的制作工艺，既不占用多余的空间，又增大了整体结构的阻尼损耗能力，在高速运转设备的结构中有着非常广阔的应用前景。

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