嵌入式共固化高阻尼複合層合材料結構的製作工藝的製作方法

2023-04-24 14:03:21 2

專利名稱：嵌入式共固化高阻尼複合層合材料結構的製作工藝的製作方法
技術領域：
嵌入式共固化複合材料阻尼結構是利用複合材料力學性能的可設計性將三種不 同性質的材料(如碳纖維、樹脂和粘彈性阻尼材料)，通過物理或化學的方法經人工或現 代工藝複合而成的一種多相固體。從它的組成和結構上分析，其中有一相在層內基本上 是連續的稱為基體相(如樹脂)，而另一相是分散在基體中，被基體所包容的稱為增強相 (如碳纖維)，還有一相是各向同性的粘彈性阻尼材料。其基體相、增強相和粘彈性阻尼 材料在性能上起協調作用，從而達到大幅度地提高複合材料構件阻尼的目的，得到單一 材料難以比擬的綜合力學性能。與傳統的阻尼結構相比這種事先阻尼處理形式是鑲嵌在 基體材料內部的，具有不脫落、抗老化等優點，在航空、航天、高速列車等高科技領域 有著廣泛的應用前景。本發明提出以丁基橡膠(IIR)與氯化丁基橡膠(CIIR)的混合物作 為粘彈性阻尼材料的主要原料，通過模壓法將其製成部分硫化的粘彈性阻尼薄膜，以中 溫固化阻燃環氧樹脂與玻璃布(或碳纖維)製成預浸料，把阻尼層作為特定的鋪層嵌入到 複合材料結構中(如

圖1所示)，然後按照專門的共固化工藝曲線將其製成嵌入式複合材 料阻尼結構構件，最終獲得輕質大阻尼複合材料構件的製作工藝。本發明屬於複合材料 動力學改性工藝研究領域。
背景技術：
複合材料由於其本身具有很高的比強度、比剛度以及優良的阻尼特性，近年來 在高速列車、航空、航天等領域得到廣泛地應用。一般來說，複合材料結構本身的阻尼 性能要比常見金屬的高10 100倍，在一定程度上控制了結構的共振幅值、提高了結構的 疲勞壽命和抗衝擊能力，但是這在應用中仍然偏低。而複合材料力學性能的可設計性又 為其阻尼性能的進一步提高和結構的優化提供了廣闊的空間。所以在複合材料結構動力 學設計中，對其阻尼特性的探討是目前一個及其重要的研究內容。通常被動阻尼處理方法有自由阻尼結構和約束阻尼結構，這兩種辦法都屬於事 後處理，往往受到結構的尺寸、空間和重量等諸多條件的限制，加之容易老化、脫落， 很快就喪失了原來被動阻尼處理結構的功能，從而導致整個儀器設備不能正常運轉。隨 著科學技術的發展，人們對高速運轉儀器和設備的動態性能要求越來越高，傳統的阻尼 結構遠遠不能滿足高科技領域發展的要求。本發明將複合材料力學性能的可設計性與粘 彈性材料的高阻尼特性相結合，在設計階段就將粘彈性材料作為複合材料的一層，按照 確定的鋪設順序置入複合材料結構中，其基體樹脂相、增強相和粘彈性阻尼材料在性能 上起協調作用，從而達到大幅度地提高複合材料構件阻尼的目的，實現進一步控制結構 的共振幅值、提高結構的疲勞壽命和抗衝擊能力，得到單一材料難以比擬的綜合力學性 能。該結構簡單、可靠，特別適合在有高速 運轉儀器和設備的結構上使用。

發明內容
發明原理在常用的阻尼材料中，橡膠在其中佔據了較大的比重。丁基橡膠是以異丁烯為主體和少量異戊二烯首尾結合形成的線形高分子。由於其分子鏈上側甲基十 分密集，形成蠕蟲狀分子結構，因此具有良好的吸收衝擊和振動能量的能力。又因其在 玻璃化轉變溫度附近存在著次級轉變，內耗峰既高又寬，在較大的溫度範圍內具有優良 的阻尼性能。滷化丁基橡膠(簡稱為HIIR)是丁基橡膠經過滷化改性後的產物，是溴化丁基 橡膠與氯化丁基橡膠的總稱。由於氯化丁基橡膠分子的主鏈結構與丁基橡膠相同，因而 氯化丁基橡膠一方面具有丁基橡膠分子所固有的一切特性，如耐熱，耐臭氧，耐化學腐 蝕，滯後性好，彎曲疲勞強度高等優點。另一方面，氯化丁基橡膠硫化方式較多，可與 其它橡膠共混、共同硫化，並且交聯後熱穩定性較丁基橡膠好，在高溫下不易出現硫化 返原現象，又有較易與其它物質粘合的特性。嵌入式共固化複合材料阻尼結構就是應用丁基橡膠的高阻尼減振性能與氯化丁 基橡膠易粘合性能發明設計出一種高阻尼複合材料層合夾芯結構的製作工藝，提出以丁 基橡膠與氯化丁基橡膠的混合物作為粘彈性阻尼材料的主要原料，通過反覆試驗得到滿 足中溫固化複合材料製作工藝要求的粘彈性材料的配方，然後將按該配方製成的混煉膠 通過模壓法製成部分硫化的粘彈性阻尼薄膜，以中溫固化環氧樹脂複合材料預浸料為增 強相和基相，將阻尼層作為特定的鋪層嵌入到複合材料結構中(如圖1所示)，通過共固 化工藝將其製成嵌入式複合材料阻尼結構構件。這樣製作的高阻尼複合材料構件在高速 列車、航空、航天等領域有著廣泛地應用前景。發明主要內容目前市售的粘彈性材料，都是100%硫化後的結果，而且厚度 不能製作的太薄，如果和複合材料預浸料進一步共固化會出現嚴重的返原現象，並且會 影響層間結合能力。為了克服上述不足，本發明提出的製作工藝具體創新內容為1)通過大量的實驗和測試，提出了一個能滿足嵌入式共固化複合材料阻尼結構 的粘彈性材料的配方，具體成份比例為表1所示。通過硫化曲線測試結果說明該配方完全滿足中溫樹脂的固化工藝，圖2為不同 硫化程度對應的硫化時間曲線，結果說明按照表1配方製作的粘彈性材料原膠在160°c 時其90%硫化所用時間為72min ； 50%硫化的時間為19min ；其100%硫化所用時間為 155min,且最大扭矩為8.78dN · m。它與中溫樹脂的固化溫度和時間基本一 致，雖然在 ISOmin內粘彈性材料的強度少有下降，但不明顯，完全能滿足工業上的應用。表1粘彈性材料製作配方
原料配料配方9
丁基橡膠HR100
氯化丁基橡膠CTR10
硫磺S2
二硫化二苯並噻唑DMI
權利要求
1.嵌入式共固化高阻尼複合層合材料結構的製作工藝，是針對複合材料結構力學性 能的可設計性、丁基橡膠有良好的吸收衝擊和振動能量的能力以及氯化丁基橡膠有較易 與其它物質粘合的特點，結合振動控制理論，提出滿足中溫固化複合材料製作工藝要求 的粘彈性材料的配方，然後將該配方製成的混煉膠通過模壓法加工成部分硫化的粘彈性 阻尼薄膜，以中溫固化環氧樹脂的複合材料預浸料為增強相和基相，將阻尼層作為特定 的鋪層嵌入到複合材料結構中，按照共固化工藝曲線在熱壓灌中將其製成嵌入式複合材 料高阻尼結構構件，這樣的高阻尼複合材料構件在高速列車、航空、航天等高科技領域 有著廣泛地應用前景。
2.根據權利要求1所述的嵌入式共固化高阻尼複合層合材料結構的製作工藝，其特徵 是針對複合材料結構力學性能的可設計，基于振動控制理論，創新地提出了一個滿足 嵌入式共固化複合材料阻尼結構製作工藝要求的粘彈性材料配方。
3.根據權利要求1所述的嵌入式共固化高阻尼複合層合材料結構的製作工藝，其特徵 是基於混煉後而未硫化的粘彈性阻尼原膠要製成阻尼薄膜，本發明提出用模壓法製作 滿足嵌入式共固化複合材料阻尼結構要求的粘彈性阻尼薄膜，以便將其鋪設在複合材料 預浸料中，當阻尼層置於複合材料結構中性層附近時，阻尼效果最好，否則，越靠近表 層阻尼效果就越差。
4.根據權利要求1所述的嵌入式共固化高阻尼複合層合材料結構的製作工藝，其 特徵是由於混煉後而未硫化的粘彈性阻尼原膠比較粘軟，很難鋪設在複合材料預浸 料中，本發明提出了在製作粘彈性薄膜時，一定要將薄膜部分硫化，一般硫化程度為 20% -50%,而且要使粘彈性阻尼材料的硫化溫度與剩餘硫化時間與複合材料預浸料的固 化溫度和時間一致。
5.根據權利要求1所述的嵌入式共固化高阻尼複合層合材料結構的製作工藝，其特 徵是粘彈性阻尼薄膜和複合材料預浸料要按預先設計的鋪層順序在熱壓灌中共固化， 本發明提出了一個粘彈性阻尼材料與複合材料預浸料共固化的工藝參數曲線，根據該曲 線，製成嵌入式共固化高阻尼複合材料層合結構試件。
6.根據權利要求1所述的嵌入式共固化高阻尼複合層合材料結構的製作工藝，其特徵 是本工藝包括從粘彈性材料配方到用熱壓灌製作嵌入式共固化高阻尼複合材料結構試 件的全部工藝過程，本發明提出了一個滿足嵌入式共固化複合材料阻尼結構要求的製作 工藝路線。
7.根據權利要求1到權利要求6所述的嵌入式共固化高阻尼複合層合材料結構的製作 工藝，其特徵是將複合材料結構力學性能的可設計性、丁基橡膠良好的吸收衝擊和振 動能量性能和氯化丁基橡膠較易與其它物質粘合的特點，與振動控制理論相結合，實現 了嵌入式共固化高阻尼複合材料層合結構的製作工藝，既不佔用多餘的空間，又增大了 整體結構的阻尼損耗能力，在高速運轉設備的結構中有著非常廣闊的應用前景。
全文摘要
複合材料結構本身的阻尼特性要比常見金屬的高10-100倍，但是這在應用中仍然偏低，然而複合材料力學性能的可設計性又為其阻尼性能的進一步提高創造了廣闊空間。本發明提出以丁基橡膠與氯化丁基橡膠的混合物作為粘彈性阻尼材料的主要原料，通過模壓法將其製成部分硫化的粘彈性阻尼薄膜，以中溫固化環氧樹脂玻璃布或碳纖維作為預浸料，將阻尼層作為特定的鋪層嵌入到複合材料結構中，然後通過專門的共固化工藝曲線將其製成嵌入式複合材料阻尼結構構件，最終獲得輕質大阻尼複合材料構件的製作工藝。這樣的高阻尼複合材料構件在高速列車、航空、航天等高科技領域有著廣泛地應用前景，屬於複合材料動力學改性工藝研究領域。
文檔編號B29D7/01GK102009509SQ201010177278
公開日2011年4月13日 申請日期2010年5月10日 優先權日2010年5月10日
發明者梁森, 米鵬 申請人:梁森