專利名稱:嵌入式共固化高阻尼復(fù)合層合材料結(jié)構(gòu)的制作工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
嵌入式共固化復(fù)合材料阻尼結(jié)構(gòu)是利用復(fù)合材料力學(xué)性能的可設(shè)計性將三種不 同性質(zhì)的材料(如碳纖維、樹脂和粘彈性阻尼材料),通過物理或化學(xué)的方法經(jīng)人工或現(xiàn) 代工藝復(fù)合而成的一種多相固體。從它的組成和結(jié)構(gòu)上分析,其中有一相在層內(nèi)基本上 是連續(xù)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(xié)調(diào)作用,從而達(dá)到大幅度地提高復(fù)合材料構(gòu)件阻尼的目的,得到單一 材料難以比擬的綜合力學(xué)性能。與傳統(tǒng)的阻尼結(jié)構(gòu)相比這種事先阻尼處理形式是鑲嵌在 基體材料內(nèi)部的,具有不脫落、抗老化等優(yōu)點,在航空、航天、高速列車等高科技領(lǐng)域 有著廣泛的應(yīng)用前景。本發(fā)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,通過模壓法將其制成部分硫化的粘彈性阻尼薄膜,以中 溫固化阻燃環(huán)氧樹脂與玻璃布(或碳纖維)制成預(yù)浸料,把阻尼層作為特定的鋪層嵌入到 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中(如
圖1所示),然后按照專門的共固化工藝曲線將其制成嵌入式復(fù)合材 料阻尼結(jié)構(gòu)構(gòu)件,最終獲得輕質(zhì)大阻尼復(fù)合材料構(gòu)件的制作工藝。本發(fā)明屬于復(fù)合材料 動力學(xué)改性工藝研究領(lǐng)域。
背景技術(shù):
復(fù)合材料由于其本身具有很高的比強度、比剛度以及優(yōu)良的阻尼特性,近年來 在高速列車、航空、航天等領(lǐng)域得到廣泛地應(yīng)用。一般來說,復(fù)合材料結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的共振幅值、提高了結(jié)構(gòu)的 疲勞壽命和抗沖擊能力,但是這在應(yīng)用中仍然偏低。而復(fù)合材料力學(xué)性能的可設(shè)計性又 為其阻尼性能的進(jìn)一步提高和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供了廣闊的空間。所以在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)動力 學(xué)設(shè)計中,對其阻尼特性的探討是目前一個及其重要的研究內(nèi)容。通常被動阻尼處理方法有自由阻尼結(jié)構(gòu)和約束阻尼結(jié)構(gòu),這兩種辦法都屬于事 后處理,往往受到結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的功能,從而導(dǎo)致整個儀器設(shè)備不能正常運轉(zhuǎn)。隨 著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,人們對高速運轉(zhuǎn)儀器和設(shè)備的動態(tài)性能要求越來越高,傳統(tǒng)的阻尼 結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足高科技領(lǐng)域發(fā)展的要求。本發(fā)明將復(fù)合材料力學(xué)性能的可設(shè)計性與粘 彈性材料的高阻尼特性相結(jié)合,在設(shè)計階段就將粘彈性材料作為復(fù)合材料的一層,按照 確定的鋪設(shè)順序置入復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中,其基體樹脂相、增強相和粘彈性阻尼材料在性能 上起協(xié)調(diào)作用,從而達(dá)到大幅度地提高復(fù)合材料構(gòu)件阻尼的目的,實現(xiàn)進(jìn)一步控制結(jié)構(gòu) 的共振幅值、提高結(jié)構(gòu)的疲勞壽命和抗沖擊能力,得到單一材料難以比擬的綜合力學(xué)性 能。該結(jié)構(gòu)簡單、可靠,特別適合在有高速 運轉(zhuǎn)儀器和設(shè)備的結(jié)構(gòu)上使用。
發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明原理在常用的阻尼材料中,橡膠在其中占據(jù)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(jié)合形成的線形高分子。由于其分子鏈上側(cè)甲基十 分密集,形成蠕蟲狀分子結(jié)構(gòu),因此具有良好的吸收沖擊和振動能量的能力。又因其在 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度附近存在著次級轉(zhuǎn)變,內(nèi)耗峰既高又寬,在較大的溫度范圍內(nèi)具有優(yōu)良 的阻尼性能。鹵化丁基橡膠(簡稱為HIIR)是丁基橡膠經(jīng)過鹵化改性后的產(chǎn)物,是溴化丁基 橡膠與氯化丁基橡膠的總稱。由于氯化丁基橡膠分子的主鏈結(jié)構(gòu)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(xué)腐 蝕,滯后性好,彎曲疲勞強度高等優(yōu)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,并且交聯(lián)后熱穩(wěn)定性較丁基橡膠好,在高溫下不易出現(xiàn)硫化 返原現(xiàn)象,又有較易與其它物質(zhì)粘合的特性。嵌入式共固化復(fù)合材料阻尼結(jié)構(gòu)就是應(yīng)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(fā)明設(shè)計出一種高阻尼復(fù)合材料層合夾芯結(jié)構(gòu)的制作工藝,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,通過反復(fù)試驗得到滿 足中溫固化復(fù)合材料制作工藝要求的粘彈性材料的配方,然后將按該配方制成的混煉膠 通過模壓法制成部分硫化的粘彈性阻尼薄膜,以中溫固化環(huán)氧樹脂復(fù)合材料預(yù)浸料為增 強相和基相,將阻尼層作為特定的鋪層嵌入到復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中(如圖1所示),通過共固 化工藝將其制成嵌入式復(fù)合材料阻尼結(jié)構(gòu)構(gòu)件。這樣制作的高阻尼復(fù)合材料構(gòu)件在高速 列車、航空、航天等領(lǐng)域有著廣泛地應(yīng)用前景。發(fā)明主要內(nèi)容目前市售的粘彈性材料,都是100%硫化后的結(jié)果,而且厚度 不能制作的太薄,如果和復(fù)合材料預(yù)浸料進(jìn)一步共固化會出現(xiàn)嚴(yán)重的返原現(xiàn)象,并且會 影響層間結(jié)合能力。為了克服上述不足,本發(fā)明提出的制作工藝具體創(chuàng)新內(nèi)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復(fù)合材料阻尼結(jié)構(gòu) 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(jié)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(yīng)的硫化時間曲線,結(jié)果說明按照表1配方制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(nèi)粘彈性材料的強度少有下降,但不明顯,完全能滿足工業(yè)上的應(yīng)用。表1粘彈性材料制作配方
原料配料配方9
丁基橡膠HR100
氯化丁基橡膠CTR10
硫磺S2
二硫化二苯并噻唑DMI
權(quán)利要求
1.嵌入式共固化高阻尼復(fù)合層合材料結(jié)構(gòu)的制作工藝,是針對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)性 能的可設(shè)計性、丁基橡膠有良好的吸收沖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(zhì)粘合的特點,結(jié)合振動控制理論,提出滿足中溫固化復(fù)合材料制作工藝要求 的粘彈性材料的配方,然后將該配方制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(huán)氧樹脂的復(fù)合材料預(yù)浸料為增強相和基相,將阻尼層作為特定 的鋪層嵌入到復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中,按照共固化工藝曲線在熱壓灌中將其制成嵌入式復(fù)合材 料高阻尼結(jié)構(gòu)構(gòu)件,這樣的高阻尼復(fù)合材料構(gòu)件在高速列車、航空、航天等高科技領(lǐng)域 有著廣泛地應(yīng)用前景。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的嵌入式共固化高阻尼復(fù)合層合材料結(jié)構(gòu)的制作工藝,其特征 是針對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的可設(shè)計,基于振動控制理論,創(chuàng)新地提出了一個滿足 嵌入式共固化復(fù)合材料阻尼結(jié)構(gòu)制作工藝要求的粘彈性材料配方。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的嵌入式共固化高阻尼復(fù)合層合材料結(jié)構(gòu)的制作工藝,其特征 是基于混煉后而未硫化的粘彈性阻尼原膠要制成阻尼薄膜,本發(fā)明提出用模壓法制作 滿足嵌入式共固化復(fù)合材料阻尼結(jié)構(gòu)要求的粘彈性阻尼薄膜,以便將其鋪設(shè)在復(fù)合材料 預(yù)浸料中,當(dāng)阻尼層置于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)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(jù)權(quán)利要求1所述的嵌入式共固化高阻尼復(fù)合層合材料結(jié)構(gòu)的制作工藝,其 特征是由于混煉后而未硫化的粘彈性阻尼原膠比較粘軟,很難鋪設(shè)在復(fù)合材料預(yù)浸 料中,本發(fā)明提出了在制作粘彈性薄膜時,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余硫化時間與復(fù)合材料預(yù)浸料的固 化溫度和時間一致。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的嵌入式共固化高阻尼復(fù)合層合材料結(jié)構(gòu)的制作工藝,其特 征是粘彈性阻尼薄膜和復(fù)合材料預(yù)浸料要按預(yù)先設(shè)計的鋪層順序在熱壓灌中共固化, 本發(fā)明提出了一個粘彈性阻尼材料與復(fù)合材料預(yù)浸料共固化的工藝參數(shù)曲線,根據(jù)該曲 線,制成嵌入式共固化高阻尼復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)試件。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的嵌入式共固化高阻尼復(fù)合層合材料結(jié)構(gòu)的制作工藝,其特征 是本工藝包括從粘彈性材料配方到用熱壓灌制作嵌入式共固化高阻尼復(fù)合材料結(jié)構(gòu)試 件的全部工藝過程,本發(fā)明提出了一個滿足嵌入式共固化復(fù)合材料阻尼結(jié)構(gòu)要求的制作 工藝路線。
7.根據(jù)權(quán)利要求1到權(quán)利要求6所述的嵌入式共固化高阻尼復(fù)合層合材料結(jié)構(gòu)的制作 工藝,其特征是將復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的可設(shè)計性、丁基橡膠良好的吸收沖擊和振 動能量性能和氯化丁基橡膠較易與其它物質(zhì)粘合的特點,與振動控制理論相結(jié)合,實現(xiàn) 了嵌入式共固化高阻尼復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)的制作工藝,既不占用多余的空間,又增大了 整體結(jié)構(gòu)的阻尼損耗能力,在高速運轉(zhuǎn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)中有著非常廣闊的應(yīng)用前景。
全文摘要
復(fù)合材料結(jié)構(gòu)本身的阻尼特性要比常見金屬的高10-100倍,但是這在應(yīng)用中仍然偏低,然而復(fù)合材料力學(xué)性能的可設(shè)計性又為其阻尼性能的進(jìn)一步提高創(chuàng)造了廣闊空間。本發(fā)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,通過模壓法將其制成部分硫化的粘彈性阻尼薄膜,以中溫固化環(huán)氧樹脂玻璃布或碳纖維作為預(yù)浸料,將阻尼層作為特定的鋪層嵌入到復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中,然后通過專門的共固化工藝曲線將其制成嵌入式復(fù)合材料阻尼結(jié)構(gòu)構(gòu)件,最終獲得輕質(zhì)大阻尼復(fù)合材料構(gòu)件的制作工藝。這樣的高阻尼復(fù)合材料構(gòu)件在高速列車、航空、航天等高科技領(lǐng)域有著廣泛地應(yīng)用前景,屬于復(fù)合材料動力學(xué)改性工藝研究領(lǐng)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(yōu)先權(quán)日2010年5月10日
發(fā)明者梁森, 米鵬 申請人:梁森