表征含有二氧化硅纳米颗粒和橡胶颗粒的复合层压材料的振动阻尼响应外文翻译资料

 2022-07-05 07:07

英语原文共 14 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

表征含有二氧化硅纳米颗粒和橡胶颗粒的复合层压材料的振动阻尼响应

黄建阳和蔡家林

摘要：

本研究旨在研究含不同程度的纳米二氧化硅和橡胶颗粒的纤维/环氧复合材料的阻尼性能。传统上，在纤维/环氧复合材料中加入橡胶颗粒会使其刚度大幅度降低，但可以相应地改善振动阻尼。为了提高纤维复合材料的阻尼性能，在不牺牲刚度的前提下，通过超声处理将二氧化硅纳米粒子和橡胶粒子引入环氧树脂中。然后将环氧树脂作为基体，通过真空手糊工艺浸渍到纤维层中，形成复合材料层合板。用强迫振动技术和半功率法测量了纤维复合材料的振动阻尼和弯曲刚度。此外，采用微机械分析方法对由纳米二氧化硅和橡胶颗粒组成的复合材料层合板的振动阻尼进行了表征。采用基体中随机显示的重复单元来表征单向复合材料的微观结构。从细观力学分析中得到的损耗因子和模量被认为是纤维复合材料的有效性能。结合模态振型，利用有限元分析方法计算了[0]10, [90]10, [ 45]2s, 和 [90/0]2s复合材料层合板的振动阻尼。实验结果表明，随着二氧化硅纳米颗粒与橡胶颗粒的结合，纤维复合材料的弯曲刚度降低，特别是对[90]10层压板的弯曲刚度降低，而层压材料的阻尼性能得到改善。此外，人们发现，在[0]10层压板中的粒子的影响相对较小。通过细观力学分析和模态分析得到的复合材料层合板的振动阻尼响应与实验数据吻合较好。

关键词：减振，纳米复合材料，复合材料层合板，细观力学分析

介绍

复合材料具有优良的物理性能，如重量轻、抗疲劳性能，被广泛应用于航空航天、汽车、体育产业。通常，复合材料已经用微尺度增强物（即石墨纤维和粒子）增强。然而，随着纳米技术的迅速发展，作为替代添加剂的纳米尺度包裹体（即纳米颗粒，有机粘土和碳纳米管（CNT））在复合材料研究中成为有吸引力的选择。似乎只含有纳米级配筋的复合材料不能像传统纤维复合材料那样表现出相同的强度和刚度。为了获得优异的强度和机械性能，仍然需要具有长纤维作为增强材料的复合材料。虽然纳米夹杂物可能在力学行为中不起重要作用，但纳米粒子的作用在复合材料的多功能特性（如电性能，热特性和振动阻尼）中可能很重要。事实上，振动阻尼是复合材料的重要特性，它可以被动地减少工程应用中的噪音或不必要的振动。对于传统的纤维复合材料，阻尼性能主要来自基体的粘弹性行为。因此，如果聚合物基质的粘弹性性能可以适当地改善，纤维复合材料的阻尼响应可以相应地改变。

在过去，聚合物中通常采用橡胶颗粒以通过颗粒的大变形以及空化的形成来提高粘弹性。但缺点是橡胶颗粒的加入会明显减少复合材料的刚性。十多年前，人们发现碳纳米管和碳纳米管（碳纳米管）可以有效提高聚合复合材料的阻尼性能。这项探索创造了在复合材料的阻尼性能改进的一个新方向。一些研究人员遵循同样的轨迹通过引入碳纳米管在纤维复合材料增强纤维复合材料的振动阻尼。Khan等人研究含有多壁碳纳米管的纳米复合材料和碳纤维增强聚合物基复合材料的振动阻尼性能（CFRP）。结果表明，纳米复合材料和碳纤维复合材料的损耗模量随着多壁碳纳米管含量的增加而增加。约翰逊等人介绍了碳纳米管对复合材料阻尼性能的改性。结果表明，碳纳米管的加入提高了刚性和特定的阻尼复合材料性能。导致阻尼性能提高的根本原因是碳纳米管与周围聚合物的比接触面积增大。Jang等人探讨掺入石墨化碳纳米纤维（CNF）和二氧化硅（SiO2）颗粒的复合环氧树脂复合材料的力学和热性能。发现添加3wt％SiO2和3wt％CNF的样品可以将损耗因子提高至15％。此外，具有相同颗粒物含量的样品的热稳定性也提高了约15％。除CNT外，还发现纳米二氧化硅纳米粒子的引入可以有效地提高纳米复合材料的阻尼性能。这种增强现象是由于交联密度低以及由纳米粒子引起的塑化效应环氧与在二氧化硅表面上接枝的官能团的化学反应。然而，二氧化硅纳米颗粒对纤维复合材料以及复合材料层合板的振动阻尼的影响在文献中没有进一步探讨。在这项研究中，研究了纤维增强复合材料与二氧化硅纳米粒子和橡胶粒子结合时的阻尼性能和弯曲刚度。使用强制振动技术和半功率法测量纤维复合材料的振动阻尼。此外，材料系统的弯曲刚度从振动测试中测得的共振频率进行评估。此外，使用有限元方法（FEM），对与不同颗粒含量相关的复合层压板的振动阻尼响应进行了表征。模型预测与实验数据进行比较。然后讨论了二氧化硅纳米粒子和橡胶粒子对复合材料层合板振动阻尼的影响。

样品制备

为了研究二氧化硅纳米粒子与橡胶粒子结合对弯曲刚度和阻尼响应的影响，制备了不同量的粒子的环氧纳米复合材料和纤维纳米复合材料。 本研究中使用的环氧树脂为Nanopox @ F400，由德国Hanse Chemie提供。 基本上，它是由40重量％二氧化硅纳米粒子组成的双酚A的二缩水甘油醚（DGEBA）树脂。 通过溶胶 - 凝胶处理，直径约25nm的合成二氧化硅颗粒均匀分散在DGEBA树脂中。从Rohm and Hass获得的橡胶颗粒核壳橡胶（CSR）（PARALOID EXL-2314）为 引入以修改环氧树脂的性质。 另外，固化剂是由台湾的Yun Teh公司提供的H-100（改性的脂环族胺）。

二氧化硅/ CSR /环氧纳米复合材料的制备

当制备二氧化硅/ CSR /环氧纳米复合材料样品时，根据所需的二氧化硅纳米粒子的重量百分比，用DGEBA树脂稀释所需量的NanopoxF400树脂。然后使用具有冷却系统的超声波仪在样品容器周围超声处理混合物，使得纳米颗粒在环氧树脂中均匀置换。将环氧硅石混合物在室温下在真空烘箱中脱气10分钟，然后与CSR橡胶混合。使用机械搅拌器在80℃将混合物共混120分钟，随后在真空烘箱中再脱气120分钟。冷却至室温后，使用机械混合物将最终化合物与固化剂混合10分钟。之后，将混合物倒入设计的钢模中，在其表面上涂覆特氟隆涂层以形成纳米复合材料样品。随后，将样品在45℃下固化240分钟，并在105℃下再附加60分钟用于后固化。在该研究中，将10重量％的二氧化硅纳米粒子和10重量％的CSR粒子结合到纳米复合材料的制造中。此外，在这项研究中制备了两种不同的杂化纳米复合材料：一种包含10重量％的二氧化硅纳米颗粒和10重量％的CSR颗粒，另一种包含20重量％的二氧化硅纳米颗粒和10重量％的CSR颗粒。基本上，为了使用振动测试来确定阻尼特性，样品的尺寸如下：宽15mm，厚3mm，长200mm。对于每个特定的纳米复合材料，至少要有三个样品进行预制。使用透射电子显微镜（TEM）表征二氧化硅纳米粒子以及橡胶粒子与环氧树脂的分散程度。如图1所示，从TEM显微照片可以看出，纳米复合材料中的二氧化硅纳米粒子和橡胶粒子都很好地脱落。

纤维/环氧复合材料层合板的制备

[0]10和[90]10纤维/环氧复合层压材料。除了环氧纳米复合材料外，还研究了二氧化硅纳米粒子和橡胶粒子对复合材料层压板振动阻尼的影响。当制备用不同含量的颗粒改性的环氧树脂时，它们被用于使用真空辅助手糊法形成玻璃纤维/二氧化硅/橡胶/环氧树脂复合材料的单向纤维中。该方法是将环氧树脂与H-100固化剂的最终混合物倒在一个干燥的单向玻璃纤维层（由Vectorply，E-LR0908-14单向E-玻璃纤维提供）上，然后浸渍到干纤维在手动辊子的帮助下，直到纤维束完全被树脂完全浸透。接着在其上堆叠另一层干纤维，并在新层上进行浸渍。重复该过程直到堆叠10层玻璃纤维。然后将整个堆叠物夹在两个表面具有多孔特氟隆织物的钢板之间，然后密封在真空袋内。整个层压板在真空中以建议的温度分布在热压机中固化。值得注意的是，真空是形成纳米复合材料的基本过程，因为它可以促进纳米复合材料中捕获的微小气泡的去除。纤维复合材料中的二氧化硅纳米颗粒和橡胶颗粒的含量与先前描述的环氧纳米复合材料中的那些相同。然后使用金刚石锯从单向层压板上切下[0] 10和[90] 10试样，并具有以下尺寸：宽度10mm，厚度3mm，长度200mm。

[90/0] 2s和[45] 2s纤维/环氧树脂复合层压板。 除了单向层压板之外，本研究还考虑了角层板[45] 2s和交叉层板[90/0] 2s的阻尼响应。 基本上，对于角度层板，在振动测试中会发生弯曲 - 扭转耦合; 因此，振动阻尼行为的测量是由两种变形的组合响应产生的。 相反，对于正交铺层和单向叠层，减振响应完全来自弯曲构型。 通过遵循先前描述的相同制造程序，纤维层被环氧树脂润湿，然后根据设计堆叠顺序逐层堆叠。 整个层压板在真空中在热压机中固化。 交叉层[90/0] 2s和角度层[45] 2s样品的尺寸与单向复合材料中的尺寸相同。

实验

阻尼特性的测定

为了解颗粒对阻尼响应的影响，基于振动技术测试了纳米复合材料样品以及纤维层压材料。振动测试的实验装置如图2所示，其中样品为夹住悬臂梁，然后用锤子激发。通过用紧靠夹紧端的锤子敲击试样一次，使用激光振荡器（德国Polytec OFV 350传感器头）测量尖端处样品的振动响应。输入信号（来自锤子）和输出信号（来自激光测振仪）都同步连接到FFT分析仪进行光谱分析。值得注意的是，Devalve和Pitchumani13最近对复合材料的阻尼性能进行了实验研究，同时使用了自由振动和自由振动的振动测试。根据他们的实验结果，两种测试条件之间没有统计学意义上的显着差异。因此，在本研究中，纳米复合材料的阻尼性能是在无夹钳条件下测量的。振动测试中的典型频谱曲线如图3所示，从中可以通过半功率带宽方法确定样本的阻尼响应（损耗因子），其中损耗因子为f，峰值上的半功率点，而fn是相应的固有频率。eta;=Delta;f/fn

弯曲模量的测定

除了阻尼性能，材料的弯曲模量也可以评估在自然频率的振动试验，

4pi;2f 2L4 rho;A

E frac14;= n

（knL）4I

FN是第n个固有频率，I是横截面惯性矩，A是横截面积，rho;是质量密度，L为悬臂梁自由长度，和K1L=1.875与第一振动模式相关。悬臂梁的第一共振频率是用来计算材料的阻尼和模量的。在振动测试中试样的自由长度进行了调整，以使得纳米复合材料试样的谐振频率为25Hz，复合层压试样的谐振频率为100Hz。 换句话说，与不同含量夹杂物相关的材料系统在相同的频率下进行了比较; 因此可以从评估中消除对材料特性的频率依赖性的影响。

实验结果

颗粒状纳米复合材料的振动结果。 表1列出了不同颗粒纳米复合材料样品的损耗因子。所有纳米复合材料的阻尼响应都优于原始环氧树脂，特别是对于含有CSR颗粒的样品。 此外，似乎包含二氧化硅和CSR颗粒的混合系统样品的阻尼响应优于仅具有一种类型颗粒的阻尼响应。 这是因为不仅橡胶颗粒而且二氧化硅纳米颗粒都可以改善环氧树脂的阻尼性能。 当引入橡胶颗粒和二氧化硅纳米颗粒的组合时，可以进一步提高环氧树脂体系的阻尼性能。 因此，在混合材料体系中，环氧树脂的阻尼响应可以得到极大的提升，含有20wt％二氧化硅和10wt％CSR的样品的损耗因子在被测样品中最高。

表1.包含不同颗粒的基体的损耗因子和模量。

Loss

Modulus

Specimens

factor (%)

(GPa)

Epoxy

1.43

2.90

Epoxy/silica (10 wt%)

1.57

3.27

Epoxy/CSR (10 wt%)

1.77

2.43

Epoxy/silica (10 wt%) thorn; CSR (10 wt%)

1.96

2.80

Epoxy/silica (20 wt%) thorn; CSR (10 wt%)

2.03

2.88

由振动测试测得的含有不同量的颗粒的纳米复合材料的模量也包括在表1中。随着橡胶颗粒的掺入，样品的挠曲模量显着降低。 另一方面，二氧化硅纳米粒子可以有效地提高原始树脂的硬度。 结果，通过引入二氧化硅纳米粒子可以减小由橡胶粒子引起的模量降低，使得杂化样品（具有二氧化硅（20重量％）和CSR（10重量％））的弯曲模量将会 接近纯环氧树脂。 根据前述实验观察，可以发现，杂化纳米复合材料体系不仅可以表现出优异的阻尼性能，而且还可以保持原始材料的刚度。

复合层压板的振动结果。除了纳米复合材料，还通过振动实验检测了含有不同颗粒的玻璃纤维/纳米复合材料的阻尼性能。图4至图7显示了含有不同颗粒度的复合层压板（[0] 10，[90] 10，[45] 2S和[90/0] 2S）的损耗因子。在四种不同类型的层压板中，[0] 10玻璃纤维/纳米复合材料的阻尼响应稍微受到颗粒包裹体的影响。相反，[90] 10玻璃纤维/纳米复合材料的损耗因子

全文共9861字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[10375]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。

您可能感兴趣的文章