普信®声学院：复合阻尼材料阻尼特性测试与验证方法。

阻尼功能复合材料（Structural Damping Composite）是一种能把振动吸收并转变为其他形式能量的材料，从而起到减少机械振动和降低噪音的作用，大量应用于商用和军用飞机、舰船、豪华游艇、卫星结构、运载火箭整流罩结构、科学设备、电子设备及车辆等行业和领域。阻尼功能复合材料基本上有两种形式，即高聚物基体型和金属板夹层型。前者系在橡胶、塑料等基体中加入各种适当的填料〔颗粒、纤维)复合成型，在受到振动时，由于高聚物基体与填料之问的界面上发生摩擦以及高聚物基体内的分子内摩擦、耗散了振动达到阻尼的目的。后者系在钢板或铝板间夹有很薄的纤维性高聚物，这样的复合材料强度由金属夹板保证，而阻尼性能则由粘弹性高聚物的高内耗和金属夹板的约束性来提供，因此即使在较高的温度下也能保证良好的阻尼减振作用。

综合测定复合阻尼材料的阻尼性能，保证其对结构有缓冲振动冲击、噪声和疲劳破坏的作用，对促进复合材料的发展有着积极的意义。本文结合试验展开探讨，使用科学合理的方法对比分析了玻璃纤维和碳纤维复合材料单向板试件阻尼，期望提供相关参考。

尽管已经使用了许多测试技术来测量粘弹性材料的动态力学性能，但是仍经常使用振动梁技术，因为它有助于在宽温度和频率范围内进行常规数据采集。该技术基于Ross、Kerwin和Ungar（RKU）开发的分析，其中可以从在均质梁以及复合梁上进行的测量中提取粘弹性材料的动态材料特性。复合梁是一个广义术语，是指由粘弹性材料与一种或多种金属梁组合而成的梁，这些可以配置为在应力的剪切或拉伸状态下产生的特性。将测试夹具放在高低温环境舱内可以关联温度的影响，从而评估众多材料在不同温度下的阻尼特性。

普信科技开发有全套复合阻尼材料测试硬件和软件包，可以进行振动束技术（VBT）测量和相关数据处理，以表征粘弹性材料的动态机械材料性能。该软件包功能包括：自动数据采集；数据和资料储存与管理；数据后处理（温度-频率叠加和数据曲线拟合）；表面阻尼处理设计预测等。

引言

随着我国经济的不断增长和科学技术的发展，各行各业对复合材料的使用越来越多。但是由于复合材料的阻尼性能受到许多因素的影响，如何深入研究这些因素来提高复合材料的阻尼性能，更好地使用复合材料成为了人们关心的问题。下面就通过试验对这方面进行相关的讨论分析。

理论预测模型

预测正交各向复合材料梁的阻尼性能是由Adamset、Bacon和Ni-Adams开始研究的。Ni-Adams通过考虑对称铺设复合材料梁的正应力σ1、正应变ε1、剪切应变γ1及其耦合的影响，对阻尼元的模型进行了修改，提高了预报的精度。主要考虑纤维角度和固有频率对于材料阻尼的影响。Adams和Maheri同样使用了Adams-Bacon法对玻璃纤维和碳纤维层合板阻尼性能随着缠绕角度变化影响的研究。Yim-Jang更多的使用了Adams-Bacon法研究各种类型的复合材料层合板面内剪切时的阻尼因子的情况。

实验分析

复合材料阻尼性能与纤维角度、振动频率、树脂含量等多种因素有关，常用的测试方法有自由衰减法、相位法、振动法等。

自由衰减法

将所测试复合材料制成试样，测定试样底部响应衰减曲线，自由振动的振幅衰减速度和阻尼直接相关，用来衡量系统的阻尼特性。以自由振动时相继两次振动振幅比值的自然对数表示阻尼：

　　δ=In（1）

自由衰减法的测试系统主要包括试样端部装置，激励信号系统和接受信号部分，由信号发生器通过电磁能转换器对试样施加激振力，然后由检测装置经信号放大器送入记录和分析仪器进行数据处理，计算阻尼因子。

相位法

通过测量频率而变化的相位差求的材料损耗因子的连续频率谱线。系统在运动每周振动所消耗的能量（ΔW）与其最大应变能（W）的比值，即耗能比（Ψ）表征阻尼大小：

　　Ψ= （2）

粘弹性材料的阻尼，当其受到的外力与角频率为ω有关时，材料的应力应变会有滞后现象，即应力-应变曲线为椭圆形的滞回曲线。

相位法主要采用扭摆仪测设各类材料的机械振动能吸收谱。扭摆仪主要由试样、夹头和惯性体组成，试样的一端用工装固定，另一端通过工装和自由转动的惯性体相连。

振动法

将测试的复合材料制成梁，测定梁的振幅-频率曲线，可得到相应的结构损耗因子。

悬臂梁法测设阻尼因子的实验装置最初是由和Adams-Bacon与AdamsAdams共同发展的。测试阻尼的悬臂梁振动频率一般在30-1000Hz。在悬臂梁中间放传感器，通过电荷放大器将测力计所测数据传递给数据分析仪。这套装置与Gibsonetal测试玻璃纤维/DX310树脂试件相同，所测实验结果阻尼的峰值出现在缠绕角30°左右。

本文试件参照中国国标GB/T18258-2000，美国国标ASTME756-04，采用振动法进行实验。

测试系统的仪器由激励部分和检测部分组成，对试样一端施加激振载荷。由检测传感器检测试样的振动响应信号，经信号放大器后送入显示与记录仪。输出信号计算得到频率-响应函数曲线。根据半功率带宽法计算阻尼比ζ，通过公式间接求出材料的结构阻尼（损耗因子η）。

试件为纤维单向角度，试件尺寸分为200×10×2mm、180×10×2mm，目的在于获取不同的频率对于阻尼结果的影响。试件纤维与主轴方向取7种角度：0°，15°，30°，45°，60°，75°，90°。

本次实验中使用的试件材料为玻璃纤维、碳纤维（T700）和环氧树脂，纤维体积分数60%。

阻尼与频率的关系

静力实验中测得玻璃纤维单向板工程常数：

EL=46GPa，ET=10GPa，GLT=4.6GPa，

ν=0.3

Q11=50.5GPa，Q12=2.57GPa，Q16=0

Q22=11GPa，Q26=0，Q66=4.6GPa

碳纤维单向板工程常数为：

EL=144GPa，ET=12GPa，GLT=4GPa，

ν=0.3

Q11=158.2GPa，Q12=2.32GPa，Q16=0

Q22=13.2GPa，Q26=0，Q66=4GPa

从图2可以看出，玻纤复合材料的损耗因子与测设频率变化相关，频率增，损耗因子反而减小。损耗因子的峰值是出现在f=50Hz，θ=30°左右。从图3可以明显的得出，f=50Hz在时比100Hz和300Hz时，损耗因子Ψ大些。从而可以得出，如果提高材料或结构的损耗因子，可以通过降低频率来实现。

图3所示为玻纤和碳纤维复合材料单向试件阻尼与Adamset-Bacon模型、Ni-Adams模型与实验结果的对比。从图中可以得出，复合材料的阻尼性能受到纤维角度影响比较明显。玻璃纤维数值结果ψ峰值出现在θ=35°时，ψ=2.09%，实验值为θ=30°时，ψ=2.236%；碳纤维数值结果ψ峰值出现在θ=35°时，ψ=1.78%，实验值为θ=30°时，ψ=1.77%。

结语

综上所述，上文对比分析了玻璃纤维和碳纤维复合材料试件的损耗因子，可以知道复合材料的损耗因子受到许多因素的影响，降低测试频率能有效提高复合材料的阻尼性能，不同的复合材料损耗因子和阻尼性能都不同，我们要严格通过相关的试验来探讨复合材料的性能，才能更好地对其进行使用。