馬緒強 蘇正濤

（中國航發(fā)北京航空材料研究院，減振降噪材料及應用技術航空科技重點實驗室，北京 100095）

0 引言

纖維增強樹脂基復合材料具有比強度比模量高、可設計性好、易于實現(xiàn)結構功能一體化等優(yōu)勢已經(jīng)在航空航天領域得到廣泛應用［1］。航空航天飛行器在服役過程中會經(jīng)受周期性疲勞載荷作用，振動引起結構錯位、失穩(wěn)乃至破壞嚴重影響飛行器的安全性與可靠性。在航空航天領域，以碳纖維增強樹脂基體為代表的先進復合材料制件多為高剛度薄壁結構，其力學承載能力較好但阻尼減振性能較弱。因此需要開展復合材料結構阻尼設計，提高減振吸能水平、增強服役穩(wěn)定性、延長部件壽命。

目前常用阻尼減振方法包含主動式與被動式兩種［2］。主動阻尼減振主要由感應器振動狀態(tài)采集、信號轉換處理及作動器調(diào)節(jié)抑振等模塊組成，可根據(jù)振動狀態(tài)實時調(diào)節(jié)并抑制振動。但系統(tǒng)復雜、價格昂貴等缺點也制約了其大規(guī)模應用。在結構表面依次貼覆黏彈性阻尼材料和剛性約束材料，通過黏彈性阻尼層變形實現(xiàn)能量耗散是較為常用的被動阻尼減振方法，然而大面積使用引起的結構增重也會對飛行器整體性能產(chǎn)生負面影響。

通過組分及結構混雜，發(fā)揮混雜復合材料不同組分之間的協(xié)同作用，輔以合理的結構設計可規(guī)避各組分材料弱點，實現(xiàn)復合材料結構承載和阻尼減振性能的最優(yōu)化［3］。因此開發(fā)新型結構阻尼一體化混雜復合材料是現(xiàn)階段纖維增強樹脂基復合材料發(fā)展的重要方向之一。本文基于微納顆?；祀s、層內(nèi)編織混雜、層間鋪層混雜和插層結構混雜四個方面對結構阻尼混雜復合材料的阻尼減振性能進行詳細研究分析，以期對結構阻尼混雜復合材料在航空航天領域的應用有所啟示。

1 微納顆?；祀s復合材料

1.1 微納顆粒/基體混雜改性

微納顆粒具有比表面積大的特點，其均勻分散到樹脂基體所形成的界面可有效耗散振動能量，提高復合材料阻尼減振特性。目前常用微納顆粒有碳納米管、石墨烯及納米黏土、納米二氧化硅等無機填料。

1.1.1 碳納米管及石墨烯

RASANA等［4］研究表明，混雜3%（w）多壁碳納米管的玻璃纖維聚丙烯復合材料儲能模量和損耗模量均有較明顯提高，這歸因于碳納米管與樹脂基體之間良好的粘結。由于樹脂分子鏈對纖維及碳納米管等宏微觀增強填料纏結密度升高，損耗因子下降。而當含量高于3%（w）時，碳納米管發(fā)生團聚損耗因子略有上升，如圖1所示。

圖1 多壁碳納米管在聚丙烯基體中分布及其分別與纖維、樹脂基體相互作用示意圖［4］Fig.1 Schematic of MWCNTs dispersion and the interaction with polypropylene（PP）matrix and glass fiber，respectively［4］

KIM 等［5］發(fā)現(xiàn)在碳纖維編織環(huán)氧復合材料中加入碳納米管后第一、二階模態(tài)固有頻率基本未發(fā)生變化，阻尼比有不同程度提高。當碳納米管在7wt%時，第一、二階模態(tài)阻尼比分別提高了12.3%和16.1%。這與文獻［6］中加入碳納米管復合材料在高階模態(tài)時阻尼比提高較多的結論一致。TEHRANI等［7］將2%（w）多壁碳納米管加入碳纖維織物環(huán)氧復合材料樹脂基體中。在1～52 Hz 頻率范圍內(nèi)復合材料平均損耗因子提高了25.8%，儲能模量未發(fā)生明顯變化。KHAN 等［8］發(fā)現(xiàn)隨碳納米管含量增加，碳納米管/碳纖維/環(huán)氧樹脂混雜復合材料第一、二階模態(tài)阻尼比上升。DEVALVE 等［9］探討了不同質(zhì)量質(zhì)量分數(shù)和種類碳納米管對碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料阻尼性能的影響。動態(tài)力學結果可見混雜2%（w）單壁碳納米管時復合材料損耗因子提高了133%。針對不同鋪層順序的復合材料層板，ALNEFAIE 等［10］在單向及準各向玻璃纖維復合材料中加入碳納米管后其固有頻率分別提高了9%和8.8%。KIM 等［11］發(fā)現(xiàn)由于吸濕后環(huán)氧樹脂基體膨脹，導致其與玄武巖纖維、碳納米管之間界面弱化，碳納米管/玄武巖纖維/環(huán)氧樹脂混雜復合材料阻尼比提高了50%。ADAK等［12］證實聚乙烯亞胺官能化氧化石墨烯加入碳纖維/環(huán)氧混雜復合材料后儲能模量、損耗模量和損耗因子均呈提高趨勢，其中官能化氧化石墨烯在0.3wt%時有最優(yōu)值。

1.1.2 無機填料

RAJINI等［13］證實椰子殼纖維聚酯復合材料加入有機改性蒙脫土納米填料后儲能模量和損耗模量均有所提高，但損耗因子下降。在填料2%（w）時儲能模量和損耗模量提高最為明顯。KHAN 等［14］分別把有機改性蒙脫土、蒙脫土和纖維素納米纖維加入洋麻纖維環(huán)氧樹脂復合材料中。其中有機改性蒙脫土混雜復合材料儲能和損耗模量最高、損耗因子最低。UTHAYAKUMAR 等［15］考查了紅泥粒徑和含量對香蕉纖維聚酯復合材料自由振動性能的影響。添加8%（w）、6 μm 粒徑紅泥顆粒時固有頻率和阻尼因子均取得最大值。KHASHABA 等［16］研究表明混雜氧化鋁納米顆粒后，準各向和單向玻璃纖維環(huán)氧混雜復合材料阻尼比分別提高了62%和60%。

ALSAADI 等［17］研究表明在碳纖/凱夫拉纖維環(huán)氧樹脂復合材料中混雜納米二氧化硅可使固有頻率有不同程度升高，其中0.5%（w）時固有頻率最高，阻尼比最小，但阻尼比隨著納米二氧化硅含量升高而升高。動態(tài)力學測試顯示儲能模量和損耗模量在0.5%（w）時最高。此外受二氧化硅納米顆粒團聚的影響，儲能模量隨二氧化硅含量增高而下降。文獻［18］探討了納米二氧化硅含量、尺寸等因素對碳纖維樹脂基復合材料儲能模量和損耗模量的影響。HUANG 等［19］發(fā)現(xiàn)在二氧化硅納米顆粒與橡膠顆粒的協(xié)同作用下，玻璃纖維環(huán)氧混雜復合材料的阻尼性能提高，同時納米二氧化硅補償了柔性橡膠顆粒加入引起的層板彎曲剛度等力學性能的下降。

由于不同納米顆粒對復合材料阻尼及力學承載性能影響存在差異，采用剛度增強效果較好和阻尼性能提升較大的填料混配使用可同時提高混雜復合材料的阻尼和力學承載性能。例如文獻［2］將埃洛石納米管與納米粘土混配后分散于碳纖維鋪層間，不僅彎曲強度和模量略有上升，而且損耗模量提高了96%。

總之，當納米顆粒添加到樹脂基體中后，在小應變情況下納米顆粒間的摩擦作用是體系能量耗散的主要方式，此時阻尼性能隨著納米顆粒含量增加而提高。當應變量足夠大超過納米顆粒與樹脂基體間滑移應變閾值時，納米顆粒與樹脂基體間、納米顆粒之間的滑移摩擦作用均會對阻尼性能起重要影響。此外在載荷方向上納米顆粒引起的基體局部應力集中乃至基體撕裂也是納米復合材料能量阻尼耗散的重要方式［20］。

1.2 微納顆粒纖維改性

盡管在樹脂基體中混雜微納顆粒較為簡單易行，但隨著微納顆粒含量增加，樹脂黏度迅速升高加劇了樹脂對纖維浸滲的難度，易產(chǎn)生孔隙、分層等缺陷。高含量納米顆粒造成團聚是復合材料體系潛在的應力集中點。這些都會影響復合材料的力學承載能力。因此通過合理控制和優(yōu)化，在影響復合材料阻尼特性的關鍵位置（如纖維/樹脂界面）有針對性的施加高含量非團聚微納顆粒顯得尤為重要。

現(xiàn)階段在纖維表面“生長”或涂覆微納結構的方法得到了眾多學者的關注。MOHAMMAD 等［21］在碳纖維織物表面“生長”氧化鋅納米線陣列，通過控制氧化鋅納米線長徑比調(diào)節(jié)碳纖維復合材料阻尼性能（圖2）。研究結果表明隨著氧化鋅納米線長徑比減小阻尼性能呈上升趨勢。在低長徑比時復合材料損耗因子提高了209.5%。

圖2 碳纖維表面“生長”氧化鋅納米線陣列示意圖及低、中、高長徑比氧化鋅納米線實物圖［21］Fig.2 Schematic of aligned ZnO nanowires in carbon fibers and micrographs of ZnO nanowires with low，intermediate and high aspect ratios［21］

為避免氣相沉積生長碳納米管過程中高溫對碳纖維性能損傷，TEHRANI 等［22］采用處理溫度較低的合成技術在碳纖維表面生長碳納米管。研究發(fā)現(xiàn)當碳纖維表面生長0.05%（w）的碳納米管時，混雜復合材料損耗因子提高了56%。與直接在基體中混雜1.0%（w）碳納米管僅有15%的阻尼性能提升相比，性能改善效果更為明顯［8］。此外文獻［23］中在碳纖維表面依次鍍層聚偏二氟乙烯和聚多巴胺后，碳纖維編織環(huán)氧復合材料在較低溫度和小應變條件下?lián)p耗因子提高了約160%。

2 層內(nèi)編織混雜復合材料

纖維內(nèi)部結構差異、織物編織形式不同、經(jīng)緯向紗線線密度、加捻與否等都會影響復合材料阻尼特性?？椢飪?nèi)部經(jīng)緯向分別采用不同種類纖維紗混雜編織發(fā)揮不同纖維吸能減振優(yōu)勢是實現(xiàn)混雜復合材料阻尼性能提高的重要手段。由于植物纖維具有多層級內(nèi)部結構、吸能減振性能較好的特點，眾多學者對傳統(tǒng)無機或有機纖維與綠色環(huán)保植物纖維之間混編織物復合材料阻尼性能展開了研究。

2.1 無機纖維/有機纖維層內(nèi)混編

ALLEN［24］發(fā)現(xiàn)比例50/50 混編碳纖維/芳綸纖維織物復合材料阻尼性能為純碳纖維層板的2.5倍，且高于其他混編比例的碳纖維/玻璃纖維混雜復合材料。OUARHIM 等［25］研究表明黃麻/玻璃纖維混編平紋布聚酯復合材料損耗因子與復數(shù)模量均居于黃麻纖維、玻璃纖維復合材料之間，且更靠近玻璃纖維聚酯復合材料。RAJESH 等［26］證實相比單一玻璃纖維或黃麻纖維席紋織物，當經(jīng)向為玻璃纖維、緯向為黃麻纖維與香蕉纖維混雜時聚酯復合材料有較好的阻尼特性。這與文獻［27］中亞麻纖維/玄武巖纖維混編織物增強生物質(zhì)復合材料動態(tài)力學結果一致。

2.2 植物纖維層內(nèi)混編

在植物纖維混雜編織體系中，模態(tài)分析表明經(jīng)緯向均為黃麻纖維和香蕉纖維混編紗的席紋織物聚酯復合材料固有頻率較高，而經(jīng)向為香蕉纖維緯向為黃麻纖維的浮松織物聚酯復合材料損耗因子較大［28］。文獻［29］還探討了軸向壓縮載荷條件下不同編織方式黃麻纖維/香蕉纖維混編復合材料的自由振動行為。結果表明在試樣屈曲前后，混編復合材料固有頻率隨壓縮載荷增加先降低、后上升，而模態(tài)阻尼因子變化趨勢與固有頻率相反。由于香蕉纖維力學承載能力較弱，黃麻纖維和香蕉纖維混編織席紋織物復合材料固有頻率最低。

3 層間鋪層混雜復合材料

3.1 鋪層占比、角度、順序影響

在芳綸纖維/玻璃纖維［30］、玄武巖纖維/碳纖維［31］、亞麻纖維/玻璃纖維及黃麻纖維/玻璃纖［32］等不同鋪層混雜體系中，隨著阻尼性能較好的纖維鋪層占比增加，混雜鋪層復合材料的阻尼比呈上升趨勢，而力學承載性能往往發(fā)生下降。例如隨著芳綸纖維鋪層占比由20%提高到80%，芳綸纖維/玻璃纖維混雜鋪層復合材料阻尼比由0.043提升至0.076［30］。

在鋪層角度方面，BEN 等研究表明［F2/C］S和［F/C2］S（F：亞麻纖維，C：碳纖維）鋪層混雜復合材料在鋪層角度為75°時有最大損耗因子，而［C2/F］S和［C/F2］S鋪層在45°時有最大損耗因子［33］。

從鋪層順序看，當亞麻纖維置于碳纖維/亞麻纖維混雜鋪層表面時，阻尼性能有最大值，但力學承載性能有較大幅度降低［34-35］。玻璃纖維層（G）置于鋪層表面，碳纖維芳綸纖維混編纖維層（CA）居于中間的［G3CA1］S混雜鋪層復合材料有最高阻尼比［36］。由上可見當阻尼性能較好纖維鋪層置于混雜鋪層表面時混雜復合材料阻尼性能較高，但力學性能下降也較為嚴重。研究表明通過合理鋪層設計可實現(xiàn)兩者的平衡。如經(jīng)鋪層優(yōu)化后，［C/F/C］S（C：碳纖維，F(xiàn)：亞麻纖維）混雜鋪層復合材料阻尼性能相比純碳纖維層板提高了15%，但是彎曲模量等力學性能并未降低［34］。而［KKCK］（K：凱夫拉纖維，C：椰子鞘纖維）混雜鋪層復合材料儲能模量和損耗模量均高于［K4］鋪層凱夫拉纖維復合材料。作者認為［KKCK］混雜鋪層復合材料有望在一些結構中實現(xiàn)對凱夫拉纖維增強復合材料的低成本替代［37］。

3.2 工藝及環(huán)境因素影響

成型工藝參數(shù)及材料老化處理也是決定鋪層混雜復合材料動態(tài)力學特性的關鍵因素。ASHWORTH 等［38］考察了樹脂傳遞模塑工藝中不同注射壓力對［C/J/J/J/C］（J：黃麻纖維，C：碳纖維）混雜鋪層環(huán)氧樹脂復合材料阻尼行為的影響。結果表明在較小應變（10-4）條件下，上述鋪層混雜復合材料損耗因子隨注射壓力升高而下降。在400和800 kPa注射壓力下，混雜復合材料損耗因子分別為0.012 3 和0.011 2，均高于純碳纖維復合材料0.002 4的損耗因子。FIORE 等［39］探討了［BF4］S（F：亞麻纖維，B：玄武巖纖維）混雜鋪層環(huán)氧復合材料在干態(tài)及不同時長鹽霧老化處理后的動態(tài)力學行為。經(jīng)鹽霧老化后混雜鋪層復合材料儲能模量有所下降，但受不同鹽霧老化時間影響較小。損耗因子呈現(xiàn)明顯的三特征峰曲線。

4 插層結構混雜復合材料

區(qū)別于傳統(tǒng)約束阻尼在剛性結構表面貼覆黏彈性約束層，在復合材料鋪層中插入橡膠等黏彈性材料、納米織物和碳納米管薄層等高阻尼插層是實現(xiàn)結構阻尼一體化的重要方式。

4.1 黏彈阻尼層

ASSARAR 等［40］在碳纖維（C）、亞麻纖維（F）層板中插入乙烯-醋酸乙烯共聚物黏彈層（V）。［F/V/C］和［F/V/C/V/F］兩種插層混雜復合材料固有頻率變化不大，但各模態(tài)阻尼系數(shù)有28%～117%的提高。ZHENG 等［41］將黏彈阻尼層置于預浸料鋪層中性面處，發(fā)現(xiàn)當阻尼層厚度為0.4 mm 時，共固化復合材料層板的損耗因子最高。而隨著黏彈阻尼層厚度增加損耗因子下降。LIEBIG 等［42］在碳纖維/鋁板混雜復合材料界面間引入橡膠黏彈層。隨黏彈層厚度增加及模量提高，插層結構混雜復合材料阻尼性能提高，基頻未發(fā)生變化，但第二模態(tài)固有頻率在厚度增加時向高頻移動，模量降低時發(fā)生低頻頻移。YANG等［43］發(fā)現(xiàn)在夾層結構面板中引入阻尼層或芯層中填充聚氨酯泡沫均能提高碳纖維面板/金字塔形柵格夾芯結構阻尼性能，其中采用芯層填充聚氨酯泡沫可在較少的結構增重下獲得較高的阻尼性能。

4.2 納米無紡布

GARCIA［44］和BEYLERGIL［45］分別在玻璃纖維和碳纖維環(huán)氧樹脂復合材料中插入納米尼龍無紡布，結果顯示插層復合材料阻尼性能均有不同程度提高，試樣剛度基本保持不變。NI 等［46］在碳纖維復合材料中插入芳綸纖維無紡布，結果發(fā)現(xiàn)插入無紡布后，混雜復合材料損耗因子相比碳纖維復合材料均有不同程度提高。當插入七層芳綸纖維無紡布時，其損耗因子是碳纖維復合材料的1.56倍。此后該作者在碳纖維/雙馬來酰亞胺體系中插入負載半結晶聚偏二氟乙烯的芳綸無紡布，其損耗因子和彎曲模量分別有108%和2.72%的提高，均優(yōu)于單獨使用芳綸纖維無紡布或聚偏二氟乙烯薄膜插層時。這歸因于在芳綸纖維無紡布和聚偏二氟乙烯協(xié)同作用下碳纖維鋪層間形成連續(xù)互穿的多相結構有關［47］。此外在尼龍無紡布上分別負載聚偏二氟乙烯和納米碳纖維也能顯著提高碳纖維環(huán)氧復合材料的儲能模量和損耗因子［48］。

4.3 碳納米管薄層

LI 等［49］將2 和25 μm 厚的碳納米管薄膜置于碳纖維環(huán)氧預浸料之間（圖3）。結果表明插入2 μm 和25 μm 碳納米管膜后復合材料的阻尼比相比未添加時分別高出兩個和一個數(shù)量級。作者認為這是由于碳納米管具有大的比表面積，有利于在碳納米管與環(huán)氧樹脂基體間形成界面實現(xiàn)能量彌散。而具有超薄結構的2 μm 厚碳納米管膜能更有效實現(xiàn)載荷在宏微觀增強材料界面之間傳遞，阻尼性能更為優(yōu)異。SHARMA 等［50］將碳納米管紙引入凱夫拉纖維鋪層間。巴基紙強化了凱夫拉纖維層間結構連接和應力傳遞，提高了復合材料的彈性模量。同時巴基紙不僅限制了樹脂分子鏈的運動，其高比表面積也增加了凱夫拉纖維層間的粘結作用，因此損耗因子有所下降。

圖3 碳納米管膜掃描電鏡表面形貌圖及2和25 μm厚碳納米管膜/碳纖維混雜復合材料示意圖［49］Fig.3 Scanning electron microscope image of CNT film and schematic of hybrid carbon fiber composites with 2 μm ultrathin and 25 μm thick CNT film［49］

5 結束語

為提高微納混雜復合材料體系阻尼特性，在樹脂基體中添加高含量微納顆粒時易造成樹脂黏度升高，工藝適用性下降，導致纖維樹脂界面浸漬不良，局部產(chǎn)生孔隙或脫粘分層等缺陷。而微納顆粒高比表面積引起的團聚效應也是誘發(fā)材料失效破壞的薄弱環(huán)節(jié)。這都不利于提高微納混雜復合材料體系的整體性能。纖維表面“生長”微納結構所存在的設備投資大、微觀結構控制技術要求高、效率較低等問題也是阻礙大批量應用的難點。因此實現(xiàn)低成本高效率高含量微納顆粒在基體樹脂中的分散、提高局部微納結構的可設計性和制造的可達性是微納顆?；祀s復合材料工程化應用需要解決的重要問題。

在結構阻尼混雜復合材料體系中，受各組分材料表面特性差異的影響，與同一樹脂體系的粘結強度存在不同。例如芳綸纖維表面惰性較大與樹脂親和力較弱，植物纖維親水性表面與傳統(tǒng)樹脂體系疏水性的矛盾，黏彈性插層與樹脂的粘結較弱的問題。這就要求在樹脂開發(fā)選用時需充分考慮其與混雜體系中不同組分的相容性。避免不良界面對混雜復合材料綜合性能的負面影響。

復合材料結構在實際服役過程中往往要經(jīng)歷高低溫極端溫度、潮濕環(huán)境循環(huán)變化等濕熱沖擊及周期性疲勞載荷作用等復雜工況條件。目前結構阻尼一體化混雜復合材料的研究還處在實驗驗證階段，缺乏真實服役狀態(tài)下性能數(shù)據(jù)的積累和性能考核驗證。因此有必要開展從材料、元件到構件的多級評價驗證工作，確?；祀s復合材料體系使用的可靠性。

相信隨著設計水平的提高、材料綜合性能的進步、可靠性評價驗證體系的完善，結構阻尼一體化混雜復合材料必將得到更多的應用。