CN101704313A - 一种结构型高阻尼纤维增强复合材料 - Google Patents

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Abstract

本发明介绍了一种结构型高阻尼纤维增强复合材料，包括柔性阻尼复合材料中间层、刚性复合材料外层，均为增强纤维和树脂基体复合，增强纤维采用玄武岩纤维、高强或高模玻璃纤维的平纹、缎纹、斜纹织物；中间层的树脂基体采用柔性环氧树脂和普通环氧树脂按一定比例的配合物，外层树脂基体采用普通环氧树脂；柔性环氧树脂环氧值0.2～0.4，用橡胶弹性体、热塑性树脂、有机硅、热致液晶聚合物增韧改性。本发明克服了采用树脂阻尼改性所带来的阻尼复合材料力学性能下降显著的缺点，在保留普通纤维增强复合材料力学性能的基础上，材料的阻尼损耗因子达到0.05以上；原材料性价比高，拓宽了结构型高阻尼纤维增强复合材料的应用领域。

Description

一种结构型高阻尼纤维增强复合材料
技术领域
本发明涉及一种非金属复合材料技术，特别是一种结构型高阻尼纤维增强复合材料。
背景技术
结构型阻尼复合材料是一种兼具良好阻尼性能和一定力学性能的纤维增强树脂复合材料，主要通过树脂基体的阻尼改性、纤维表面的阻尼涂层、纤维铺层设计等手段来实现材料的结构功能一体化。
欧洲专利EP0337443A1公开了一种阻尼复合材料，通过阻尼改性树脂的应用来提高复合材料的阻尼性能，其树脂基体采用亚二甲苯基二胺和α末位直链脂肪族二元酯合成，简称“MX尼龙”，增强材料采用玻璃纤维。采用上述方法制作的阻尼复合材料具有比较好的阻尼性能，但是力学性能下降非常严重，无法作为结构材料使用。国内有学者采用羧基丁腈橡胶改性环氧来提高复合材料阻尼性能，加入18％(重量)的羧基丁腈橡胶，复合材料阻尼性能(损耗因子)增加一倍，但强度受到较大损失。
在增强纤维表面涂覆阻尼涂层，利用高阻尼界面过渡层的大剪切变形耗散振动能量，能显著提高复合材料的阻尼性能。武汉工业大学闻荻江等人采用具有柔性链段的钛酸酯处理的玻璃纤维制备的复合材料与普通处理液处理的复合材料相比阻尼性能有大幅提高。采用这种提高复合材料阻尼性能途径的不足之处在于：复合材料在阻尼性能提高的同时，其力学性能(尤其是层间剪切强度和弯曲模量)下降显著。
纤维铺层设计也是提高复合材料阻尼性能另外一种常用的技术途径，通过纤维铺层角度和优化或混杂铺层设计来提高复合材料的阻尼性能。比较常用的方法为采用阻尼性能好的kevlar纤维和力学性能优异的石墨纤维或高性能玻璃纤维进行混杂，采用kevlar纤维铺覆在材料外层，石墨纤维或高性能玻璃纤维铺覆在内层的夹芯混杂方式，能够使材料的阻尼性能提高一倍，但其存在的问题在于：尽管复合材料仍然保留较好力学性能，但材料的阻尼性能不够高，一般为0.01～0.03，另外成本太高，不利于材料的推广应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种结构型高阻尼纤维增强复合材料，利用刚性复合材料层和柔性阻尼复合材料层的合理组合，获取一种低成本的兼具良好阻尼性能和一定力学性能的纤维增强树脂复合材料。
为了实现解决上述技术问题的目的，本发明采用了如下技术方案：
本发明的一种结构型高阻尼纤维增强复合材料，包括材料中间层、材料外层，材料中间层为柔性阻尼复合材料层，材料外层采用刚性复合材料层，材料中间层和材料外层材料均为增强纤维和树脂基体组成的复合材料，增强纤维采用玄武岩纤维、高强或高模玻璃纤维；柔性阻尼复合材料层的树脂基体采用柔性环氧树脂和普通环氧树脂的配合物，刚性复合材料层树脂基体采用普通环氧树脂；所述柔性环氧树脂环氧值0.2～0.4，是用橡胶弹性体、热塑性树脂、有机硅、热致液晶聚合物等方法增韧改性后的环氧树脂，市售常见的产品有美国陶氏DER732、国产上海树脂厂的6350，上海理亿公司的LER0350等.柔性阻尼层和刚性层所使用玄武岩纤维、高强或高模玻璃纤维的性价比较高，而且柔性阻尼层和刚性层树脂基体采用相近类型的树脂基体确保了两层之间的粘接强度.
本发明的一种结构型高阻尼纤维增强复合材料，其具体的技术方案可以是：所述的柔性环氧树脂和普通环氧树脂按一定比例的配合物，其配方为普通环氧树脂20～80份，柔性环氧树脂20～80份，T31固化剂10～20份，5784固化剂15～40份，KH560偶联剂0.5～3份，气相白碳黑1～3份，501稀释剂5～10份。固化条件可以普通环氧树脂的固化条件，也可以为常温固化24小时，80℃后固通用牌号，如E51环氧树脂、E44环氧树脂，固化剂T31、固化剂5784、固化剂5506、稀释剂501可在上海树脂厂购买，KH560偶联剂可在南京曙光偶联剂公司购买，气相白碳黑可在沈阳化工股份公司购买；上述产品也可以选用其他厂家具有类似结构的产品。
本发明的一种结构型高阻尼纤维增强复合材料，其具体的技术方案可以是：所述的柔性阻尼复合材料层的增强材料玄武岩纤维、高强或高模玻璃纤维织物，其编织方式可以为平纹、缎纹、斜纹。
本发明的一种结构型高阻尼纤维增强复合材料，其具体的技术方案还可以是：所述的普通环氧树脂为缩水甘油醚型环氧树脂，要求环氧值0.4～0.8，包括市售常见的牌号：国产E51、国产E44、国产E55、美国陶氏DER331、日本YD-128以及具有类似结构的产品。
本发明的一种结构型高阻尼纤维增强复合材料，其具体的技术方案还可以是：所述的柔性阻尼复合材料层的纤维含量(重量百分比)为35～65％，厚度为1～15mm。
本发明的一种结构型高阻尼纤维增强复合材料，其具体的技术方案还可以是：所述的刚性复合材料层的树脂基体配方组成为(重量份)：普通环氧树脂100份，T31固化剂10～20，5784固化剂15～40份，KH560偶联剂0.5～3份，气相白碳黑1～3份，501稀释剂5～10份。固化条件可以使用普通环氧树脂的固化条件，包括可以常温固化24小时，80℃后固化6小时。
本发明的一种结构型高阻尼纤维增强复合材料，其具体的技术方案还可以是：所述的刚性复合材料层的增强材料玄武岩纤维、高强或高模玻璃纤维织物，其编织方式可以为平纹、缎纹、斜纹。
本发明的一种结构型高阻尼纤维增强复合材料，其具体的技术方案还可以是：所述的刚性层复合材料层的树脂含量(重量百分比)为50～75％，刚性复合材料层厚度为0.25～7.5mm。
本发明的一种结构型高阻尼纤维增强复合材料，其具体的技术方案还可以是：所述的刚性层复合材料层与柔性阻尼复合材料层厚度比为1∶10～1∶2。
这些具体的技术方案和优选的技术方案也可以互相组合使用，从而达到更好的技术效果。
通过采用上述技术方案，本发明的一种结构型高阻尼纤维增强复合材料克服了采用树脂阻尼改性所带来的阻尼复合材料力学性能下降显著的缺点，在保留普通纤维增强复合材料力学性能的基础上，材料的阻尼损耗因子达到0.05以上；所用原材料的性价比比较高，拓宽了结构型高阻尼纤维增强复合材料的应用领域。
附图说明
图1是本发明的一种结构型高阻尼纤维增强复合材料截面示意图，其中1为柔性阻尼复合材料层，2为刚性复合材料层。
具体实施方式
本发明实施例中所使用的产品，E51环氧树脂、E44环氧树脂，固化剂T31、固化剂5784、固化剂5506、稀释剂501为上海树脂厂产品，KH560偶联剂为南京曙光偶联剂公司产品，气相白碳黑为沈阳化工股份公司产品。
实施例1
刚性层复合材料层2与柔性阻尼复合材料层1厚度比为1∶8。各组成部分的的要求如下：
柔性阻尼复合材料层1：
柔性阻尼复合材料层1的增强材料采用玄武岩纤维平纹布；柔性阻尼复合材料层的树脂基体配方组成为(重量份)：E-51环氧树脂40份，DER732柔性环氧树脂60份，T31固化剂10份，5784固化剂40，KH560偶联剂1.5份，气相白碳黑1份，501稀释剂5份。固化条件为常温固化24小时，80℃后固化6小时。
柔性层复合材料的纤维含量(重量百分比)为65％，柔性阻尼复合材料层1厚度为8mm。
刚性复合材料层2：
刚性复合材料层2的增强材料采用玄武岩纤维平纹布，刚性复合材料层的树脂基体配方组成为(重量份)：E51环氧树脂100份，T31固化剂10，5784固化剂40份，KH560偶联剂0.5份，气相白碳黑3份，501稀释剂10份。固化条件为常温固化24小时，80℃后固化6小时。
刚性层复合材料的树脂含量(重量百分比)为50％，刚性复合材料层2厚度为1mm。
测试本复合材料在23℃下的力学性能和阻尼性能结果为：
弯曲强度：391.22MPa，弯曲模量：17.17GPa；
0～300Hz范围内损耗因子的平均值为0.05。
实施例2：
刚性层复合材料层2与柔性阻尼复合材料层1厚度比为1∶2。各组成部分的的要求如下：
柔性阻尼复合材料层1：
柔性阻尼复合材料层1的增强材料采用MW210高模玻璃纤维斜纹织物，柔性阻尼复合材料层的树脂基体配方组成为(重量份)：DER331环氧树脂20份，6350柔性环氧树脂分80份，T31固化剂20，5784固化剂25份，KH560偶联剂1.5份，气相白碳黑2份，501稀释剂8份。固化条件为常温固化24小时，80℃后固化6小时。
柔性层复合材料的纤维含量(重量百分比)为50％，柔性阻尼复合材料层1厚度为15mm。
刚性复合材料层2：
刚性复合材料层2的增强材料采用MW210高模玻璃纤维斜纹织物，刚性复合材料层树脂基体配方组成为(重量份)：DER331环氧树脂100份，T31固化剂15，5784固化剂25份，KH560偶联剂0.5份，气相白碳黑2份，501稀释剂8份。固化条件为常温固化24小时，80℃后固化6小时。
刚性层复合材料的树脂含量(重量百分比)为75％，刚性复合材料层2厚度为7.5mm。
测试本复合材料在23℃下的力学性能和阻尼性能结果为：
弯曲强度：446.36MPa，弯曲模量：18.33GPa；
0～300Hz范围内损耗因子的平均值为0.03。
实施例3：
刚性层复合材料层2与柔性阻尼复合材料层1厚度比为1∶4。各组成部分的的要求如下：
柔性阻尼复合材料层1：
柔性阻尼复合材料层1的增强材料采用MW210高模玻璃纤维斜纹织物，柔性阻尼复合材料层的树脂基体配方组成为(重量份)：E44环氧树脂50份，LER0350柔性环氧树脂50份，T31固化剂15，5784固化剂40份，KH560偶联剂1.5份，气相白碳黑1份，501稀释剂5份。固化条件为常温固化24小时，80℃后固化6小时。
柔性层复合材料的纤维含量(重量百分比)为50％，柔性阻尼复合材料层1厚度为1mm。
刚性复合材料层2：
刚性复合材料层2的增强材料采用MW210高模玻璃纤维斜纹织物，刚性复合材料层2的树脂基体配方组成为(重量份)：E44环氧树脂100份，T31固化剂10～20，5784固化剂40份，KH560偶联剂1.5份，气相白碳黑1份，501稀释剂5份。
刚性层复合材料的树脂含量(重量百分比)为65％，刚性复合材料层2厚度为0.25mm。
测试本复合材料在23℃下的力学性能和阻尼性能结果为：
弯曲强度：409.99MPa，弯曲模量：18.39GPa；
0～300Hz范围内损耗因子的平均值为0.04。
对比例：
一种自制的纤维增强复合材料，增强材料选用S2缎纹高强玻璃纤维布，树脂基体的配方组成为：E51环氧树脂50份，DER732环氧树脂50份，5506固化剂30份，KH560偶联剂1份，气相白碳黑1份，501稀释剂5份。固化条件为常温固化24小时，80℃后固化6小时。
测试此复合材料在23℃下的力学性能和阻尼性能结果为：
弯曲强度：302.00MPa，弯曲模量：16.81GPa；
0～300Hz范围内损耗因子的平均值为0.05。
在对比例中，阻尼性能与实施例1相当，0～300Hz范围内损耗因子的平均值均为0.05，但弯曲模量和弯曲强度下降20％。

Claims (9)

1.一种结构型高阻尼纤维增强复合材料，包括材料中间层、材料外层，其特征在于：材料中间层为柔性阻尼复合材料层，材料外层采用刚性复合材料层，材料中间层和材料外层材料均为增强纤维和树脂基体组成的复合材料，增强纤维采用玄武岩纤维、高强或高模玻璃纤维；柔性阻尼复合材料层的树脂基体采用柔性环氧树脂和普通环氧树脂的配合物，刚性复合材料层树脂基体采用普通环氧树脂；所述柔性环氧树脂环氧值0.2～0.4，是用橡胶弹性体、热塑性树脂、有机硅、热致液晶聚合物等方法增韧改性后的环氧树脂。
2.据权利要求1所述一种结构型高阻尼纤维增强复合材料，其特征在于：所述的柔性环氧树脂和普通环氧树脂按一定比例的配合物，其配方为普通环氧树脂20～80份，柔性环氧树脂20～80份，T31固化剂10～20份，5784固化剂15～40份，KH560偶联剂0.5～3份，气相白碳黑1～3份，501稀释剂5～10份。
3.据权利要求1所述一种结构型高阻尼纤维增强复合材料，其特征在于：所述的柔性阻尼复合材料层(1)的增强材料玄武岩纤维、高强或高模玻璃纤维织物，其编织方式为平纹、缎纹或斜纹。
4.根据权利要求1所述一种结构型高阻尼纤维增强复合材料，其特征在于：所述的普通环氧树脂为缩水甘油醚型环氧树脂，环氧值0.4～0.8。
5.据权利要求1所述一种结构型高阻尼纤维增强复合材料，其特征在于：所述的柔性阻尼复合材料层(1)的纤维含量(重量百分比)为35～65％，厚度为1～15mm。
6.据权利要求1所述一种结构型高阻尼纤维增强复合材料，其特征在于：所述的刚性复合材料层的树脂基体配方组成为(重量份)：普通环氧树脂100份，T31固化剂10～20，5784固化剂15～40份，KH560偶联剂0.5～3份，气相白碳黑1～3份，501稀释剂5～10份。
7.据权利要求1所述一种结构型高阻尼纤维增强复合材料，其特征在于：所述的刚性复合材料层(2)的树脂含量(重量百分比)为50～75％，刚性复合材料层厚度为0.25～7.5mm。
8.据权利要求1所述一种结构型高阻尼纤维增强复合材料，其特征在于：所述的刚性复合材料层的增强材料玄武岩纤维、高强或高模玻璃纤维织物，其编织方式为平纹、缎纹或斜纹。
9.据权利要求1所述一种结构型高阻尼纤维增强复合材料，其特征在于：所述的刚性复合材料层(2)与柔性阻尼复合材料层(1)厚度比为1∶10～1∶2。
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