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空心球/环氧多孔材料的材料阻尼及管结构阻尼研究

顾健  
【摘要】:高速运动飞行器、运载器在运行过程中会遭受严重的振动和噪声困扰,为了解决上述问题,本文试图设计一种轻质、廉价的阻尼灌封材料,灌注到钢管中提高构件的阻尼减振特性,而不改变构件的原有结构。本文从材料设计的角度出发,设计和制备了廉价、轻质和高阻尼的空心球(粉煤灰空心微珠和Al_2O_3空心球)/环氧(EP)多孔材料。利用扫描电镜(SEM)、热重分析(TG)和动态力学分析(DMA)等手段系统研究了多孔材料的微观组织、热性能和阻尼性能,并分析了相关影响因素。通过敲击法和振动台法研究了空心球/环氧灌封钢管的阻尼减振规律。 本文所用的粉煤灰空心微珠球径为74~206μm,主要成分为SiO_2和Al_2O_3;Al_2O_3空心球球径为0.5~4mm。基体为90%环氧树脂和10%聚氨酯(90EP-10PU)。研究表明,随着空心球体积分数(V_f)和平均球径的增大,多孔材料密度下降。当空心微珠V_f为50~70vol.%时,材料的密度为0.80~0.93g/cm~3;当Al_2O_3空心球V_f为88vol.%时,多孔材料的密度可低至0.58~0.62g/cm~3。 研究发现,经过偶联剂表面改性以后,空心微珠与基体界面结合良好,材料的破坏源于空心微珠自身断裂。当V_f为30~50vol.%时,空心微珠在基体中的分散性较好;当V_f50vol.%后,空心微珠互相堆积造成了基体不连续,产生少量缺陷。 随着空心微珠V_f和球径的增大,多孔材料的初始热分解温度和10%热失重对应的温度都升高。根据Arrhenius公式算得的氧化分解活化能也是逐渐增加,表明添加空心微珠后,多孔材料的耐热性得到改善。 空心微珠/(90EP-10PU)多孔材料在变温(-40~150℃)和变频(10~800Hz)条件下的阻尼性能研究表明,多孔材料的tanδ峰值介于0.628~0.892之间,都高于基体(0.536),且玻璃化转变温度(T_g)向低温偏移,高阻尼温域(ΔT_(0.5))拓宽。在tanδ~f图中,随着频率的升高,tanδ衰减较慢,阻尼性能保持稳定,说明频率对多孔材料损耗因子的影响要小于温度对其的影响。 tanδ与空心微珠V_f、球径和种类的相关规律研究表明:tanδ对于V_f存在一个峰值,当V_f为30vol.%时,tanδ峰值为0.892;随着空心微珠球径和种类的变化,tanδ峰值之间的变化值小于10%,说明空心微珠V_f对于多孔材料阻尼性能的影响要比球径和种类对其影响更明显。 空心球/(90EP-10PU)灌封钢管结构阻尼因子(η)达到(5~9)×10~(-2),比钢管自身(7×10-3)提高了6~12倍。随着阻尼层厚度增加,灌封钢管的η增大;随空心微珠Vf的增大,η先增大后减小,当空心微珠Vf为30~50vol.%时,灌封钢管的η达到峰值(8~9)×10-2;模态阻尼与空心球球径和种类的相关性不明显(Δη1%)。根据所建立的壳单元-体单元模型、选择固定-自由边界条件,采用模态应变能(MSE)法计算得到空心球/(90EP-10PU)灌封钢管的结构阻尼因子与测试值比较接近。 空心球/(90EP-10PU)阻尼材料灌封Q235钢管后使钢管的一阶固有频率(f1)降低10~32Hz。f1随着空心球Vf的增加而增加,而与球径的相关性较小;f1随着阻尼层厚度的增加而降低。灌封钢管的阻尼特性与振动频率相关规律表明,在小于2 f1低频条件下,灌封钢管的减振传递率(T)大于1,不具有阻尼减振效果;在 2 f1,250~2000Hz范围内,T为0.15~0.64,随着振动频率的增加缓慢升高,振动传递较钢管降低4.5~0.5倍。 灌封钢管阻尼特性取决于灌封阻尼材料的阻尼性能。当空心微珠Vf为30vol.%,球径为120μm时,多孔材料和灌封钢管的阻尼性能都达到最佳,此时灌封钢管的结构阻尼因子为8.82×10-2。


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