CN103906795B - 具有改进的振动阻尼的聚合物复合材料 - Google Patents

具有改进的振动阻尼的聚合物复合材料 Download PDF

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Abstract

提供了具有改进的阻尼能力的纤维增强聚合物复合材料。一方面，纤维为所述复合材料提供在给定温度的宽范围的频率内相对高的动态模量。另一方面，聚合物可包含具有对于给定频率和温度相对高的损耗因子的粘弹性聚合物。可以进一步调整聚合物以控制达到聚合物的最大损耗因子时的中心频率。这样形成的复合材料在给定温度的宽范围的频率内呈现损耗因子相对小的降低以及动态模量的显著增加。因此，与常规阻尼材料对比，被复合材料阻尼的结构呈现相对高的、恒定的损耗因子。因此，所公开的复合材料的实施方案在每次振动循环期间比常规阻尼材料消散显著更多的能量。

Description

具有改进的振动阻尼的聚合物复合材料
相关申请的交叉引用
本申请要求于2011年6月13日提交的标题为“具有改进的弯曲振动阻尼的聚合物复合材料”的美国临时专利申请第61/496,547号的优先权益。该申请通过引用整体并入本文并且应当被视为该说明书的一部分。
背景
领域
本公开内容的实施方案涉及振动阻尼，并且特别涉及提供改进的机械阻尼同时保持良好的机械和热性质的聚合物基质复合材料。
相关技术的描述
振动是移动机械***时经常遇到的。在一个实例中，汽车在运行期间由于路面变化而经历振动。在另一实例中，当在摄像机所连接的底板周围发生运动时摄像机可能振动。
出于多种原因，可能需要控制结构振动的程度。一方面，机械振动可导致可感知的噪音和/或运动。在消费品的情况下，与振动有关的噪音或运动可能使消费者分散注意力和不舒服。这进而可导致差的产品质量的看法。例如，汽车中的振动需要保持尽可能低以便提供更愉快的驾驶体验。另一方面，与机械振动有关的振动变形可由于高循环疲劳导致振动结构中的机械故障。在另一实例中，振动可包括飞机，旋翼飞行器或船舶中不期望的声学水平。
已经采用了多种方法来增加振动***中的阻尼。通常，这些方法将振动阻尼材料应用于振动***的区域，在该区域中振动阻尼材料使振动衰减。例如，在振动阻尼应用中经常采用粘弹性聚合物。
一般而言，粘弹性材料在给定温度和频率下所提供的阻尼的量由粘弹性材料的动态模量和损耗因子表示。动态模量是粘弹性材料在振动条件下的粘着性的量度，而损耗因子是涉及材料的粘弹性阻尼的参数。根据经验，随着粘弹性材料的动态模量增加，每次振动循环将更多振动机械能量贮藏在粘弹性材料中，而随着粘弹性材料的损耗模量增加，更大部分的贮藏的机械能量被消散。因此，高动态模量和高损耗因子均有利于粘弹性材料中的高能量消散。
然而，粘弹性材料的损耗因子与动态模量并非无关。例如，当粘弹性材料的动态模量增加时，损耗因子急剧降低至超出某些模量水平。由于动态模量的增加没有补偿降低的损耗因子，进一步观察到阻尼降低。因此，增加动态模量的净影响是粘弹性材料的单位体积中提供的阻尼的量减少。
尽管可以增加阻尼应用中采用的阻尼材料的量来补偿每单位体积的粘弹性材料阻尼的减少，这一方法存在问题。一方面，加入更多阻尼材料以减少结构中发生的振动增加使用的粘弹性材料的成本。另一方面，加入更多阻尼材料以减少结构中发生的振动增加结构的总重量或大小。在某些应用中可能禁止成本、重量或大小增加。
因此，对于提供改进的机械振动阻尼同时保持相对轻的重量并且还保持可接受的机械性质的阻尼材料，存在持续的需要。
泊松比是材料的天然特性。当在一个方向拉伸均质材料(拉伸应变)时，它倾向于在垂直于拉伸方向的其它两个方向上收缩(压缩应变)。对于这些改变的小的数值，泊松比是负压缩应变除以拉伸应变的比。均质材料的理论最大泊松比为0.5。具有异常的泊松比(例如，大于0.5)的材料可具有有用的性质。
热膨胀是材料的天然特性。大多数材料随温度增加而膨胀。不同材料具有不同膨胀率。线性膨胀的系数是每度温度增加的长度增加的量度。
在很多应用中需要控制热膨胀。例如，热膨胀可改变变形测量工具，产生测量误差。在另一实例中，当具有不同线性膨胀系数的不相似的材料结合在一起时，温度改变可导致残余应力和变形。另一方面，设计可利用该残余应力来引起从致动器的运动。
因此，对于具有负线性膨胀系数以抵消和/或对比常规材料的热变形的材料，有持续的需要。
概述
本发明的实施方案涉及与振动阻尼有关的多种特征。在不限制本发明的范围下，将简要讨论本发明更突出的特征。考虑该讨论后，并且尤其是在阅读下面的结合该部分的详述部分后，应理解这些实施方案的特征和方面如何提供超过之前的阻尼***和方法的多个优势。
所公开的实施方案的一方面是不明显的参数的组合、连接和使用。某些实施方案寻求用降低材料损耗因子的策略增加***损耗因子(例如，作为与动态模量权衡的一部分)。例如，当用纤维增强具有高损耗因子的弹性体基质时，所得到的复合材料可具有更低材料损耗因子，通过相对于粘弹性基质更高的动态剪切模量来补偿。在很多应用中，所得到的纤维增强的弹性体复合材料结构可能比如果用未增强的弹性体处理更有效(例如，结构可具有更高***损耗因子)。
所公开的实施方案的另一方面是利用高于0.5的泊松比，所述数值用均质材料在理论是不可能的。某些实施方案呈现异常高的泊松比以增加***损耗因子。公开了“应变放大效应”，其中具有异常高的泊松的材料可具有某些实施方案中异常的阻尼性质。
所公开的实施方案的另一方面是利用大于0.5的泊松比以产生某些实施方案中具有线性热膨胀的负系数的复合材料。
本发明的另一方面是包含具有弹性体的多根纤维增强的弹性体复合材料层和定位于弹性体内的多根纤维的复合材料。复合材料具有大于约0.5的最大剪切损耗因子以及在最大剪切损耗因子下大于约1 X 104 psi的动态剪切模量值G’的实际部分。本发明的某些实施方案可具有大于0.5的泊松比。此外，本发明的某些实施方案可具有负线性膨胀系数。
所公开的实施方案的另一方面是并入纤维增强的弹性体复合材料层以增加阻尼、增加柔性和/或控制热膨胀的结构。
所公开的实施方案的另一方面是包含弹性体和定位于弹性体内的第一多根纤维的纤维增强的复合材料。复合材料具有大于0.15的最大杨氏损耗因子以及在最大杨氏损耗因子下大于2 x 105 psi的动态杨氏模量值E’的实际部分。
所公开的实施方案的另一方面是用于制造复合材料的方法。所述方法包括将弹性体渗透至多根纤维中以形成纤维增强的弹性体层、堆叠多根纤维增强的弹性体层，以及固化多根纤维增强的弹性体层以形成纤维增强的弹性体复合材料。复合材料具有大于约0.5的最大剪切损耗因子以及在最大剪切损耗因子下大于约1 x 104的动态剪切模量值G’的实际部分。
附图简述
图1是制备本公开内容的聚合物复合材料的方法的实施方案的示意图；
图2是本公开内容的聚合物复合材料的层的实施方案的示意图；
图3是对于图1的聚合物复合材料以及仅比较弹性体的实施方案，作为频率的函数的储能模量和损耗因子的图；
图4A-4G是对比聚合物复合材料、纯弹性体，和阻尼瓦的实施方案的性能，作为频率的函数的剪切模量、G’和损耗因子的图；
图5是对于图1的聚合物复合材料和对比材料的实施方案，作为频率的函数的***损耗因子的图；
图6是对于通过有限元分析生成的图1的复合材料的实施方案，作为动态杨氏模量的函数的***损耗因子的图；
图7A-7C是对G13对比从DMA到模态试验和有限元分析(FEA)的测量值，作为频率的函数的G’和损耗因子的图。
图8A-8C是对G23对比从DMA到模态试验和有限元分析(FEA)的测量值，作为频率的函数的G’和损耗因子的图；
图9A-9D显示了如用模态试验和有限元分析(FEA)所测量，作为频率的函数的动态杨氏模量(E11)和损耗因子的图；
图10是对于碳纤维增强聚氨酯复合材料核心在两个碳纤维增强的环氧树脂约束层之间的复合材料夹心结构中的一系列离散模式，作为动态剪切模量(G13)的函数的***损耗因子的样品图；
图11是对于在一个表面上涂布有0.12-英寸厚粘弹性复合材料层的两个0.5-英寸厚铝梁，作为频率的函数的模态***损耗因子图；并且
图12A-12B显示对于夹在0.12-英寸厚粘弹性复合材料核心层中间的0.25-英寸厚铝梁，作为频率的函数的模态***损耗因子图。G13图表示±28°粘弹性复合材料纤维取向，而G23图表示±62°粘弹性复合材料纤维取向(相对于铝的长轴)。
详述
本公开内容的实施方案提供具有改进的阻尼能力的纤维增强聚合物复合材料。一方面，纤维可被配置为向复合材料提供在对于给定温度宽范围的频率内相对高的动态模量。另一方面，聚合物可包含被配置为具有对于给定频率和温度相对高的损耗因子的粘弹性聚合物。可以进一步调整聚合物以控制达到聚合物的最大损耗因子时的中心频率。由这样配置的纤维和模量形成的复合材料在给定温度的宽范围的频率内呈现损耗因子相对小的减少以及动态模量的显著增加。因此，当被用于结构中的阻尼振动时，阻尼的***(复合材料和结构)呈现与常规阻尼材料对比相对高的基本上恒定的损耗因子。因此，所公开的复合材料的实施方案在每次振动循环期间消散比常规阻尼材料显著更多的能量。为了更好地理解所公开的复合材料的优势和益处，下面简要讨论了粘弹性材料中的能量消散。
一般而言，由粘弹性材料提供的阻尼度可能受到材料的动态模量和材料的损耗因子的强烈影响。在经历振动(即，振荡运动)的材料中，通过动态模量给出应力与应变的比例。使用粘弹性的迟滞模型，其中阻尼被假定为与应变成比例而与速率无关，粘弹性材料的动态模量可由公式1在数学上表示：
其中E(T,f)是作为温度和频率的函数的动态模量，E 1是结构的储能模量，E 2是结构的损耗模量，i是虚数单位，而η是损耗因子，其也可被表示为E 2/E 1。
如公式1中所示，动态模量表示为复杂公式，其中储能模量是实际部分而损耗模量是假想部分。储能模量涉及材料的弹性行为并且特征在于其刚度。损耗模量涉及材料的粘性行为并且特征在于其能量消散能力。值得注意的是，一般而言，材料的动态模量随其储能模量(即，刚度)增加而增加。
动态模量和损耗因子可能不仅受粘弹性材料影响而且还受环境和载荷条件影响。例如，温度(T)和/或频率(f)的改变显著影响动态模量和损耗因子。因此，可在温度和/或频率的情况下讨论所公开的复合材料的实施方案的阻尼行为。然而，可以理解所公开的实施方案的范围不限于温度和频率，但是可包括对动态模量和损耗因子产生影响的任何参数。
振动周期D期间卸载时由粘弹性材料消散的能量的量与损耗因子η和由粘弹性材料在加载U期间储存的机械能量的总量成比例(公式2)。
一般而言，能量U随材料的动态模量增加而增加。动态模量也随材料的储能模量而增加。因此，能量U随储能模量增加而增加。相比之下，损耗因子随储能模量增加而降低。因此，由粘弹性材料消散的能量D的量作为材料的动态模量取决于损耗因子的降低和储存能量的增加之间的竞争。如果储存能量随动态模量的给定改变而增加的量大于损耗因子降低的量，则净影响是消散的能量的增加。相反，如果储存能量随动态模量的给定改变而增加的量小于损耗因子降低的量，则净影响是消散的能量的减少。
如下面更详细地讨论，所公开的复合材料的实施方案包含用多根纤维增强的一层或更多层粘弹性聚合物基质(例如，弹性体)。所得到的具有高损耗因子和高模量的复合材料可提供机械阻尼的改进，同时保持所需的机械性质(例如，模量、强度，等)。例如，当与振动结构偶合时，复合材料提供复合材料的损耗因子与常规基质材料(例如环氧树脂和乙烯基酯树脂)对比的显著增加。下面详细描述了所公开的实施方案的这些和其它优势。
在随后的描述中，复合材料的阻尼性质(例如，损耗因子、动态模量，等)可被称为材料或复合材料性质。通过复合材料连接于下面的结构形成的***的性质可被称为***性质。
阻尼复合材料的实施方案可被应用于结构(例如，梁)的单个表面。当复合材料被连接于梁结构的单侧时，梁结构的变形可被称为扩展的。由于复合材料-结构***的不对称性，当梁在这些条件下弯曲时，复合材料将通常沿着梁结构的纵向轴的方向(例如，E11)受到延伸和压缩。因此，复合材料的阻尼性质受复合材料的动态杨氏模量(例如，拉伸储能模量和拉伸损耗模量)支配。
相比之下，当复合材料被连接在两个梁之间时，梁结构的变形可被称为约束的。由于复合材料-结构***的对称性，当梁在这些条件下弯曲时，复合材料将受到剪切。因此，复合材料的阻尼性质受复合材料的动态剪切模量G13 (例如，剪切储能模量和剪切损耗模量)支配。
在拉伸或剪切中，复合材料的纤维可被配置以便提供相对高的动态模量。在某些实施方案中，可选择纤维的一个或更多参数以便调节材料动态模量，包括但不限于纤维组成、纤维结构、纤维取向，和纤维对于基质的相对浓度。在某些实施方案中，纤维可包括碳、石墨、玻璃、E-玻璃、S-玻璃、聚合物(例如nomex、芳族聚酰胺、聚乙烯、超高分子量聚乙烯(UHMW)、聚丙烯、聚酯、尼龙、聚酰胺、聚对亚苯基苯并二噁唑(PBO)、Innegra®、Kevlar®、光谱®、热固性材料、热塑性塑料，或其结合物)、复合材料、玻璃纤维、氧化物、陶瓷、碳化硅、Nextel®、石英、金属(例如硼、钢或不锈钢)纤维。然而，可以理解可采用而不限于其它纤维。
在其它实施方案中，弹性体基质的组成可被配置为使得弹性体呈现相对高的损耗因子。在进一步的实施方案中，弹性体的组成可被调整从而使给定温度的最大损耗因子在所选择的中心频率出现。以这种方式，复合材料的中心频率可受到控制。如下面更详细地讨论，在某些实施方案中，弹性体可包含聚氨酯。然而，可采用但不限于其它弹性体。
在其它实施方案中，聚合物复合材料的动态模量和损耗因子的范围已经被鉴别，在该范围内具有应用于经历振动的结构的复合材料的实施方案的***的阻尼行为(例如，损耗因子)相对于常规阻尼材料显著改进。例如，当复合材料具有大于0.5的最大剪切损耗因子以及在最大剪切损耗因子下大于约1 X 104 psi的动态剪切模量值G’的实际部分(例如，G13)时，在约束的加载中发现改进的阻尼性能。在另一实例中，当复合材料具有大于0.15的最大杨氏损耗因子以及在最大杨氏损耗因子下大于约2 X 105 psi的动态杨氏模量值E’的实际部分(例如，E11)时，在扩展的加载中发现改进的阻尼性能(图9)。
例如，如下面的实例(所公开的复合材料的实施方案)中所述，具有在上面公开的范围内的动态剪切模量和损耗因子的碳纤维增强聚氨酯复合材料被连接于约束的构型的铝梁。复合材料-铝梁的***损耗因子比用现有技术阻尼瓦阻尼的可比的铝梁大约四倍。此外，对于约10 Hz到至少约3000 Hz之间的范围内的振动模式，观察到振动阻尼的这一改进。在进一步的实施方案中，可获得低于约10 Hz和/或大于约3000 Hz的振动模式的振动阻尼。由于观察到复合材料的杨氏模量随频率而增加，该结果表明由于材料损耗因子的减少引起的能量阻尼能力的降低被储存能量的量相应的增加抵消。
任选地，约束层也可被应用于聚合物复合材料***的至少一个表面的至少一部分。在实施方案中，约束层可包含一层或更多层碳纤维增强的环氧树脂。在某些实施方案中，需要时可调节纤维材料、纤维结构、纤维取向，和纤维对于约束层内聚合物基质的相对浓度的一种或更多种，以增加或降低聚合物复合材料的模量和损耗因子。
图1示出了生产提供改进的振动阻尼的聚合物复合材料的工艺100的一个实施方案。可理解工艺100可包括更多或更少的操作并且所述操作可以不同于图1中所示的顺序实施，顺序不受限制。
工艺100包括形成块102-106中聚合物复合材料***的多个层。在块102中，所选择的聚合物的组分可被混合在一起。在块104中，可将聚合物渗透到多根纤维中。在块106中，聚合物和多根纤维可被至少一部分固化以形成聚合物复合材料的层(例如，薄层)。任选地，在块110中一个或更多个约束层也可被应用于复合材料的外层的表面的至少一部分，以赋予复合材料额外的刚度。
聚合物的实施方案可包括弹性体。弹性体的实例可包括但不限于聚氨酯、聚脲、橡胶、热塑性弹性体、塑化聚合物(例如，塑化环氧树脂)、有机硅，和聚氯乙烯。在进一步的实施方案中，可选择弹性体以便具有约室温至低于或等于约250℉之间的工艺温度范围。
在另一实施方案中，如果弹性体的粘度足够低(例如，在大约工艺温度下低于或等于约300 cp)，则可采用真空灌注工艺(例如，VARTM)。在替代实施方案中，可选择弹性体使得在大约工艺温度下弹性体的粘度在约100 cp至约300 cp之间的范围内。然而，可采用而不限于其它粘度。
聚氨酯的实施方案可通过二异氰酸酯与多元醇的反应而形成。根据各组分的当量，可以化学计量比提供二异氰酸酯和多元醇。在进一步的实施方案中，可提供过量的二异氰酸酯以允许多元醇基本上完全反应。二异氰酸酯可包括脂肪族和芳香族化合物。二异氰酸酯的实例可包括但不限于甲苯二异氰酸酯(TDI)、亚甲基二苯基4,4'-二异氰酸酯(MDI)、六亚甲基二异氰酸酯(HDI)、异佛乐酮二异氰酸酯(IPDI)，等。多元醇的实例可包括但不限于二醇、三醇、聚丙二醇(PPG)、聚四甲基醚乙二醇(PTMEG)、聚碳酸酯二醇、聚酯多元醇、羟基-端基的丁二烯，等。
聚脲的实施方案可通过异氰酸酯与胺的反应而形成。根据各组分的当量，异氰酸酯可与胺以化学计量比反应。在进一步的实施方案中，可提供过量的异氰酸酯以允许胺基本上完全反应。异氰酸酯可包括芳香族和脂肪族异氰酸酯。异氰酸酯的实例可包括但不限于甲苯二异氰酸酯(TDI)、亚甲基二苯基4,4'-二异氰酸酯(MDI)、六亚甲基二异氰酸酯(HDI)、异佛乐酮二异氰酸酯(IPDI)，等。聚胺可以是脂肪族的和芳香族的。聚胺的实例可包括但不限于乙二胺、1,3二氨基丙烷、胺端基的多元醇和六亚甲基二胺。
在某些实施方案中，可调节弹性体的最大损耗因子以改变复合材料的损耗因子。例如，弹性体的损耗因子可被配置成在所选择的温度和关注的频率下尽可能高，以便增加复合材料的损耗因子。在其它实施方案中，弹性体的最大损耗因子可被配置为落在所选择的温度和关注的频率下所选择的范围内。在一个实例中，在一个实施方案中，弹性体的剪切损耗因子可被配置成大于或等于约0.5 (例如，约1)。可在约1 Hz至约100,000 Hz、约10 Hz至约10,000 Hz、约50 Hz至约10,000 Hz之间选择关注的频率范围。关注的温度范围可在约-50℃至约250℃，约-50至约100℃，约-5℃至约40℃，约5℃至约30℃之间。
在进一步的实施方案中，纤维的硬度和取向可以变化以便改变动态模量和复合材料的损耗因子。例如，一般而言，导致复合材料的硬度增加纤维的组成、构型(例如，连续或不连续，1维、2维、3维，织造类型，等)，和/或取向的角度的改变可降低复合材料损耗因子。因此，通过改变纤维的组成和/或构型的一种或更多种，复合材料损耗因子可被调节。图3中显示纤维结构的影响。
在操作104中，弹性体可被浸渍在所选择的多根纤维的干燥预成型物中，仅使用真空或使用压力和真空以形成复合材料层。在实施方案中，基于待形成的复合材料层的体积，弹性体可以在约30体积%至约70体积% (例如，约40体积%至约70体积%)之间范围内改变的浓度下存在。在某些实施方案中，可选择纤维参数使得复合材料呈现改进复合材料的阻尼性质的所选择的动态模量值。纤维参数的实施方案可包括但不限于纤维组成、纤维取向、纤维编织，和复合材料内纤维的相对浓度(例如，纤维体积分数)。例如，可选择纤维参数以提供大于约0.5的最大剪切损耗因子以及在最大剪切损耗因子的频率下大于约1 x 104 psi的动态剪切模量值G’的实际部分(例如，G13)。
在其它实施方案中，可选择纤维参数使得复合材料具有大于约0.15的最大杨氏(例如，E11)损耗因子以及在最大杨氏损耗因子的频率下大于约2 X 105 psi的动态杨氏模量值E’的实际部分。
在一个实施方案中，纤维可包含基本上连续的纤维。这些连续纤维的实施例可包括但不限于纤维织物和纤维编织物。在替代实施方案中，纤维可包括不连续的纤维。不连续的纤维的实例可包括但不限于纤维垫、碳、石墨、玻璃、E-玻璃、S-玻璃、nomex、芳族聚酰胺、聚合物、热塑性塑料、聚乙烯、超高分子量、聚丙烯、聚酯、聚对亚苯基苯并二噁唑(PBO)、硼、聚酰胺、Innegra®、Kevlar®、尼龙、陶瓷、金属、玻璃纤维或复合材料。然而，可以理解可采用而不限于其它纤维。基于待形成的复合材料层的总体积，纤维的浓度可在约30体积%至约70体积%之间的范围内变化。
纤维增强物的取向也可改变。例如，纤维可采用相对于选择方向(例如，复合材料的主轴)±(加/减)取向。例如，纤维的取向可在约0°至约90°，10°至约35°等之间的范围内变化。纤维取向的实例可包括但不限于约0°/90°、准各向同性、约15°和约45°或更大(例如，约±15°、约±20°、约±25°、约±30°、约±45°，等)之间的±结构。例如，改变纤维结构可产生高度正交各向异性材料，其中在一个方向(例如±25°纤维结构的E11方向)的动态杨氏模量可能比另一方向(例如E22)高20倍。在该相同实施方案中，在一个方向(例如具有±25°纤维结构的复合材料的E22方向)的损耗因子可以比另一方向(例如E11方向)的损耗因子高两倍。图3中显示纤维结构的影响。
在某些实施方案中，可将粘弹性复合材料的主轴与结构的关键振动模式一致。在某些实施方案中，可选择梁的长轴作为主轴因为它与基本弯曲模式一致。基本弯曲模式是最低频率的振动模式。基本模式倾向于与最长的无支撑的结构跨度一致，所述最长的无支撑的结构跨度是选择主轴时的逻辑对准组件(logical alignment feature)。将梁的主轴与复合材料的主轴对准可提供有效阻尼并且可确保对称的振动响应。
在其它实施方案中，可选的主轴选择可以是期望的。在某些实施方案中，可选择梁的短轴作为主轴以将粘弹性复合材料的“柔和”方向与基本振动模式对准，因为粘弹性复合材料的柔和方向可具有更高的材料损耗因子。模量和损耗因子之间的权衡是复杂的，并且可通过个案基础来评价个案。
在其它实施方案中，结构的振动模式可用有限元软件建模。很多应用具有针对阻尼的某些临界振动模式，例如旋转谐波频率振动模式。可选择主轴使得粘弹性复合材料的硬轴(例如主轴)与结构的主轴一致，以最大化目标振动模式的***损耗因子。
在一个实施方案中，纤维结构可被设计为产生具有异常高的泊松比(例如大于约0.5)的复合材料。当在一个方向拉伸均质材料(拉伸应变)时，它倾向于在垂直于拉伸方向的其它两个方向上收缩(压缩应变)。对于这些改变的小的数值，泊松比可定义为负压缩应变除以拉伸应变的比。均质材料的理论最大泊松比为约0.5。
在某些实施方案中，异常高的泊松比(例如大于0.5)可产生给定刚度的异常高的阻尼(例如，损耗因子)。例如，泊松比(例如v 12)为3.0的某些实施方案(例如具有双轴纤维取向的纤维增强聚氨酯粘弹性复合材料)可显示异常的阻尼性质。响应于在11-方向的给定输入拉伸应变(例如，ε11 = ±100微应变)，该粘弹性复合材料响应将为压缩的22-方向(例如，ε22 = -300微应变)产生高度扭曲的元件的输入应变的三倍，所述扭曲必须用在33-方向的膨胀补偿(例如，ε33 =约±200微应变，假定为不可压缩的材料)。这些应变分量(例如，ε11和ε22以及ε33)是可被粘弹性材料转化为热(即，阻尼)的总应变能量的组分。例如，如果假定100微应变的恒定应变输入，则泊松比为3.0的材料可通过将ε11和ε22和ε33应变量级求和(即，100 + 200 + 300 = 600微应变，假定为恒定体积)而生成600微应变的总应变。相比之下，100微应变输入至具有0.5的泊松比的材料(即，均质材料的理论最大值)可生成低66%的所响应的总应变(即，100 + 50 + 50 = 200微应变，假定为恒定体积)。根据这些简化的假设，高泊松比材料可响应于给定输入应变而生成约三倍多的总应变。该“应变放大效应”可导致具有异常的阻尼性能的复合材料(例如动态储能模量和损耗因子的有效组合)。
在某些实施方案中，本发明可增加***阻尼损耗因子超过100% (例如，经处理的铝梁)。图5显示了结合于铝梁的本发明内应变放大效应的有效性。与结合于等同的铝梁的现有技术阻尼瓦对比，本发明为100%至300%更有效(例如***损耗因子高2倍至4倍)。应当注意，这些高度简化的假设预期将阐述异常高的泊松比的力学，并且预期不会代表以阻尼工艺为基础的物理学的精确或严格的检查。应理解相互作用是复杂的，并且增加刚度倾向于降低总应变量级。
在另一实施方案中，某些双轴取向(例如，纤维的纤维层在两个不同方向一致)可具有泊松比超过0.5 (例如，双轴纤维取向在相对于测量轴约±1°至约±55°范围内的本发明的某些实施方案)，其中在一个方向相对小的线性膨胀导致在另一方向相对大的收缩。这可以被可视化为纤维的“剪式运动”，其倾向于响应于给定输入应变而增加剪切应变能量损耗。增加泊松比可增加应变放大效应，这可以改进复合材料阻尼性能(例如动态储能模量和损耗因子的有效组合)。图3中显示纤维结构的影响。
在另一实施方案中，工程计算显示大于约6.0的泊松比(即，比均质材料的理论最大值高12倍)可能用双轴纤维取向是实用的，双轴纤维取向在相对于测量轴约±8°至约±25°的范围内。当然，泊松比只是影响***值的很多因素中的一个，并且应理解最佳设计可能必然或不必然地最大化泊松比。仅注意到具有超过约0.5的泊松比的某些实施方案呈现有用的阻尼性质。
在另一实施方案中，某些单向取向可具有超过约0.5的泊松比(例如，纤维取向在相对于测量轴约1°至约55°的范围内的本发明的某些实施方案，其中在一个方向相对小的线性膨胀导致在另一方向相对大的收缩。增加泊松比可增加应变放大效应，这可以改进复合材料阻尼性能。
在某些实施方案中，纤维结构可产生剪切耦合影响，其中纯剪切输入可引起正向(即，纵向)应变。该剪切耦合影响使得面内纤维结构(例如，在1-2-面中取向的纤维)能够影响面外剪切性质(例如，G13)。例如，图4A显示了聚氨酯基质，在最大损耗因子的频率下动态剪切模量的实际部分测量为约1000 psi。某些实施方案(例如，图4C至图4G中显示的实施方案)显示剪切模量比基质剪切模量高10倍以上。该剪切模量放大因子(例如，增加基质剪切模量超过10的因子)远高于混合物的简单规则所预期的因子。可促进剪切耦合和应变放大效应的因素包括弹性体基质、纤维组成和纤维结构(例如，层取向和/或织物质地)。本发明显示很多实施方案，显示动态模量和损耗因子的异常组合。
应当注意，“泊松比”、“张量”、“应变放大效应”和剪切耦合影响的这些描述可充当有用的设计工具，并且预期不会代表作为阻尼工艺基础的物理学的精确或严格的检查。这些描述决不限制本发明的范围。
在某些实施方案中，可设计纤维增强物的类型和取向以产生在一个方向(例如，沿双轴碳纤维增强的弹性体的主轴)的负线性膨胀系数。该负线性膨胀系数性质是异常的，因为大多数工程材料具有线性膨胀的正系数。
在某些实施方案中，可利用大的泊松比(例如，大于约0.5)来生成一个方向中的负膨胀，因为一个方向的天然热膨胀产生在另一方向的泊松效应收缩。如果泊松比足够高，来自一个方向的基质膨胀的泊松效应可以克服基质的天然膨胀以引起复合材料的刚性方向的负膨胀。这可以被可视化为纤维的“剪式运动”。
在进一步实施方案中，纤维选择可引起更极端的负线性膨胀系数。例如，碳纤维具有略微负线性膨胀系数(例如，负-1微应变/℉)。实例显示纤维取向为±28°的碳纤维增强聚氨酯弹性体具有主轴中在0℉至100℉的宽温度范围内测量为约负-5微应变/℉的线性膨胀的系数，这比典型的碳纤维更负很多倍。
在某些实施方案中，在块106中弹性体渗透的纤维层可被固化以便允许层的操作。可在引起弹性体采用至少所选择的粘度的温度和时间下实施固化，所述粘度允许如此固化的层***作而基本上不会损伤层。纤维增强的弹性体层202的所选择的层数可被组装而不受限制以形成复合材料200，如图2中所述。例如，可选择层数以便提供具有选择的厚度和/或重量的复合材料200。
任选地，在块106中，复合材料200可包括应用于纤维增强的弹性体层202的一个或更多个表面的约束层204。约束层204可进一步增加在所选择的方向(例如，关于纵向，E11)复合材料200的***损耗因子。例如，如图2中所示，约束层204可被应用于聚合物复合材料200的至少一部分外表面。例如，图11和图12A-12B显示加入铝约束层如何增加***损耗因子。
在某些实施方案中，约束层204可包含金属层(例如箔、片、板、梁、杆、管或筋)。约束层204的金属层参数的一个或更多个可以相对于纤维增强的弹性体层202变化。实例可变参数包括合金、厚度、长度、宽度、直径、形状和形式。然而，可以理解可采用而不限于其它可变参数。实例合金包括铝、钢、不锈钢、镍、铜、钛、镁和青铜的合金。然而，可以理解可采用而不限于其它材料和形式。
在某些实施方案中，约束层材料可包括可选材料，例如聚合物、陶瓷、混凝土、筋、玻璃、塑料、热塑性塑料、热固性材料和纤维增强的复合材料(例如，玻璃纤维/环氧树脂复合材料、玻璃纤维/聚酯复合材料、碳/聚合物复合材料，和碳/环氧树脂复合材料)。在某些实施方案中，结构自身(即，待处理以改进阻尼的结构)可充当约束层。
在某些实施方案中，约束层204可包含纤维增强聚合物层。纤维材料、纤维取向，和约束层204的相对浓度的一种或更多种可以相对于纤维增强的弹性体层202变化。
在某些实施方案中，约束层204的聚合物基质可包含环氧树脂、聚酯、乙烯基酯、氰酸酯、聚氨酯，以及本领域已知的其它工程聚合物。
在进一步的实施方案中，约束层204的纤维可包括但不限于基本上连续的纤维，例如纤维织物和纤维编织物以及不连续的纤维，例如纤维垫。纤维可以是碳、石墨、玻璃、E-玻璃、S-玻璃、nomex、芳族聚酰胺、聚合物、热塑性塑料、聚乙烯、超高分子量聚乙烯(UHMW)、聚丙烯、聚酯、聚对亚苯基苯并二噁唑(PBO)、硼、聚酰胺、Innegra®、Kevlar®、尼龙、陶瓷、金属、玻璃纤维或复合材料。然而，可以理解可采用而不限于其它纤维。基于待形成的复合材料层的总体积，可选择约束纤维的浓度在约20体积%至约70体积%之间的范围内。
在进一步的实施方案中，约束层中纤维的取向也可改变。例如，约束纤维可采用相对于所选择的方向(例如，复合材料的主轴)±取向。例如，约束纤维的取向可在约0°至约90°、10°至约35°，10°至约35°等之间的范围内变化。纤维取向的实例可包括但不限于约0°/90°，准各向同性(例如，[0/+45/90/-45])，所有20°、约±15°、约±20°、约±25°、约±30、约±45°等。
在某些实施方案中，可将约束层204固化以允许处理(例如，部分固化)。可在引起限制聚合物复合材料采用选择的粘度的温度和时间下实施固化，所述粘度允许约束层204被处理而基本上不会损伤层204。在进一步的实施方案中，纤维增强的弹性体层202和约束层204可被固定于彼此。在一个实施方案中，层202和204可以部分固化状态被组装，并且被完全固化在一起。在另一实施方案中，一种或更多种部分固化约束层204可被应用于纤维增强的弹性体202的固化层，然后完全固化。在其它实施方案中，如本领域所已知，可使用粘合剂将纤维增强的弹性体层202和约束层204彼此连接。在某些实施方案中，粘合剂可以是可固化的粘合剂。
在某些实施方案中，制造粘弹性复合材料的方法可包括真空灌注、树脂传递模塑(RTM)、真空辅助树脂传递模塑(VARTM)、树脂膜熔渗(RFI)、压缩模塑、拉挤成型、挤出、预浸渍铺置、粘合剂粘结、共模塑和/或高压釜固化。然而，可以理解可采用而不限于其它生产方法。
在某些实施方案中，粘弹性复合材料可经由接合方法例如粘结、机械紧固(例如，铆接或螺栓连接)、机械锁定、压装和/或本领域已知的其它方法接合于结构、约束层，和/或其它粘弹性复合材料层。然而，可以理解可采用而不限于其它接合方法。
在进一步的实施方案中，粘弹性复合材料可直接接合于结构表面的至少一部分。例如，在某些实施方案中，可将粘弹性复合材料模塑或结合于结构(例如，船壳板)的内表面以阻尼振动。在进一步的实施方案中，可将粘弹性复合材料模塑或结合在结合的组件内以形成集成结构(例如，转子叶片)以阻尼振动。在进一步的实施方案中，可将粘弹性复合材料模塑或结合在结构(例如，转子叶片)的空腔内以阻尼振动。然而，可以理解可采用而不限于其它方法。
在进一步的实施方案中，上述方法(例如，VARTM和/或高压釜固化)可被原位应用于直接将粘弹性复合材料模塑于其自身结构中。然而，可以理解可采用而不限于其它粘结或生产方法。
在某些实施方案中，粘弹性复合材料可被并入作为旋转组件应用中阻尼振动的结构的完整部分，所述旋转组件应用为例如旋翼(例如，直升机旋翼)、旋翼叶片(例如，海洋旋翼叶片)、叶轮(例如，泵叶轮)、驱动轴、风扇、发动机、引擎、推进***、机械连杆、扭矩传递界面、挠性联轴器和旋翼头。在进一步的实施方案中，粘弹性复合材料可被应用于旋翼的前缘和/或后缘的至少一部分表面(例如，前缘和旋翼结构之间)以阻尼这些边缘内以及旋翼自身内的振动。然而，可以理解可处理而不限于其它应用。容易理解，在来源(例如，旋转组件)处阻尼振动可减少全部周围结构中的振动和噪音。
在某些实施方案中，粘弹性复合材料可被并入结构以产生对振动结构应用的整体阻尼的结构，所述振动结构应用为例如机舱、飞行器构件、外壳、整流罩(例如海洋整流罩)，面板(例如旋翼飞机面板)、外罩(例如，风扇外罩)、底座(例如发动机底座)，旋翼飞机结构、飞机结构、飞机面板、交通工具悬架(例如整合的钢板弹簧)、机械连杆、支柱、操纵面、尾锥、尾翼、稳定装置、声学结构、剃须装置、绿化设备、工具，和/或计算机外罩。然而，可以理解可处理而不限于其它应用。
在某些实施方案中，粘弹性复合材料可被并入钢板弹簧结构以制备重量轻的整体阻尼的低轮廓悬架***。在某些应用(例如，赛车)中，整体阻尼的复合材料可消除对相对较重的减震器的需求。
在某些实施方案中，纤维增强的弹性体复合材料的挠性可被用作应用中的柔性结构，所述应用为例如可变形的结构、挠性联轴器、旋翼头、机械接头、机械连杆、挠性连杆、对准补偿接头，扭矩传递界面、旋翼叶片连接、旋翼连接、驱动轴、轴连杆，和轴接头。然而，可以理解本发明可被并入柔性结构而不受限制。
在某些实施方案中，纤维增强的弹性体复合材料的负线性热膨胀系数可用于减少***响应于热刺激的变形。在进一步的实施方案中，可将该复合材料结合于表面以消除某些结构的热膨胀。在进一步的实施方案中，该复合材料可被应用于对称的构型(例如夹心结构)以产生热稳定结构。然而，可以理解可将本发明并入热稳定结构而不受限制。
在某些实施方案中，纤维增强的弹性体复合材料的负线性热膨胀系数可用于增加***响应于热刺激的变形。在进一步的实施方案中，可将该复合材料结合于某些结构的表面以赋予响应于热刺激的运动(例如，驱动)。在进一步的实施方案中，该复合材料可被应用于不对称的构型(例如应用于铝梁的一侧)以赋予弯矩，以改进驱动有效性。然而，可以理解本发明可被并入热致动结构而不受限制。
在某些实施方案中，本发明可被应用于多种应用，例如交通工具、陆上交通工具、飞机、旋翼飞机、船舶、火箭、太空交通工具、海上平台、土木工程结构、建筑物、桥梁、塔、发电厂、引擎、发动机、泵、计算机、风扇、推进器、HVAC***、工具、电钻、绿化设备、剃须设备、测量设备、测试设备和消费品。然而，可以理解可将本发明并入其它应用而不受限制。
实施例
现将阐述上面讨论的纤维增强聚合物复合材料的实施方案的振动阻尼性能(例如，损耗因子)。使用模态试验和动态机械分析仪评价复合材料的阻尼行为，以评价作为频率的函数的动态模量和损耗因子。在所述测试中，检查纤维增强的弹性体复合材料的梁(单独和连接于振动结构)。进一步检查具有和不具有约束层的纤维增强的弹性体复合材料的实施方案。将复合材料的性能与控制梁进行对比以便阐述由复合材料提供的阻尼改进。进一步实施有限元模拟以检查作为模量的函数的由复合材料阻尼的***的损耗因子。
如下面所详细讨论，发现纤维增强的弹性体的实施方案呈现的动态剪切模量为类似的现有技术阻尼瓦的动态剪切模量的约3.5至约45倍(作为振动频率的函数)。此外，发现碳纤维增强聚合物的损耗因子与阻尼瓦对比在相同频率范围内仅降低约35至50%。作为模量和损耗因子之间该有利的权衡的结果，将复合材料的实施方案连接于振动梁所提供的***损耗因子为具有控制阻尼瓦材料的类似的振动梁的***损耗因子的约三至四倍。应理解讨论这些实施例仅用于说明的目的，而不得解释为限制所公开的实施方案的范围。
实施例1 –纤维增强物对复合材料阻尼性能的影响
研究了纤维增强的弹性体复合材料的阻尼性能的纤维构型的影响。图3示出了对于具有碳纤维垫、0°/90°Innegra纤维、±65°碳纤维平织、±45°碳纤维平织，和±28°碳纤维编织物(关于复合材料的长轴)的纤维增强的弹性体复合材料的实施方案(其中弹性体为聚氨酯)，作为频率的函数的储能模量和损耗因子的图。还测试了没有增强物的对照弹性体用于对比。
样品各自具有约3 mm厚度、约10 mm宽度，以及约10 mm长度的尺寸。复合材料的纤维相对于复合材料的长轴取向。纤维体积分数为约50%。
如图3中所示，各复合材料呈现大于约0.5的最大损耗因子。此外，复合材料各自呈现的损耗因子低于弹性体的损耗因子，并且所述复合材料各自呈现的储能模量大于弹性体的储能模量。该结果表明复合材料中纤维的存在增加复合材料刚度但是降低损耗因子。
这些结果表明弹性体的储能模量的改进可通过将增强纤维并入弹性体中来实现。然而值得注意的是，刚度的改进导致复合材料的最高损耗因子下降。因此，可通过可接受的最低刚度来确定增强物的选择，以便提供该刚度的最高损耗因子。
实施例2 –复合材料和阻尼瓦的动态机械分析仪(DMA)
使用动态机械分析仪(DMA)检查具有约3.0 mm厚度、10.0 mm宽度，和9.5 mm长度的尺寸的样品。检查没有增强物的纯聚氨酯弹性体(图4A)。检查现有技术阻尼瓦(图4B)。检查具有以约50%的体积分数具有平织构型和约±65°的纤维取向的碳纤维的复合材料(图4C)。检查具有以约50%的体积分数具有平织构型和约±45°的纤维取向的碳纤维的复合材料(图4D)。检查具有以约50%的体积分数具有编制构型和约±45°的纤维取向的碳纤维的复合材料(图4E)。检查具有以约50%的体积分数具有平织构型和约±25°的纤维取向的碳纤维的复合材料(图4F)。检查具有以约50%的体积分数具有编制构型和约±20°的纤维取向的碳纤维的复合材料(图4G)。
在DMA中使用单个悬臂夹测试样品。在0.2下应用正弦应变，并测量所得到的真实和假想阻抗。使用由能量理论计算的K-值将硬度转化为模量。使用由微观力学工程模拟计算的泊松比，将测量值转化为G’。使用时间-温度叠加改变G’和损耗因子数值以评价对频率的测量。例如，图4A至图4G中最大损耗因子可明确辨别，其中在给定参考温度下将G’和损耗因子对比频率作图。在这种情况下，最大剪切损耗因子与“中心频率”一致。替代DMA图可将在给定参考频率下的G’和损耗因子对比温度作图，而最大剪切损耗因子将与“玻璃化转变温度”一致。在各种情况下，在最大损耗因子下的G’是可定量的。
图4A-4G中示出了作为各测试梁的频率的函数的动态剪切模量(G’)的实际部分。可以观察到，在测试的频率范围内，各试样呈现中心频率值，在所述中心频率值下动态剪切模量和损耗因子均显著增加。在动态剪切模量的情况下，模量随频率增加继续增加超过中心频率。相比之下，损耗因子随增加频率而降低超过中心频率。
经观察，复合材料中的动态剪切模量显著大于阻尼瓦中的动态剪切模量。例如，在约1 Hz下，最软的复合材料(具有平织构型和约±65°的纤维取向的碳纤维)的G’约比阻尼瓦(例如，与约5.65 x 102 psi对比约2.91 x 103 psi)大5倍。在最大损耗因子下，最软的复合材料的G’比阻尼瓦的(例如，与约3.56 x 103 psi对比约1.22 x 104 psi)大约3.5倍。相比之下，最软的复合材料的最大损耗因子比阻尼瓦的(例如，约1.1对比约0.72)低约35%。在另一实例中，在约1 Hz下，最硬的复合材料(具有编织构型和约±20°的纤维取向的碳纤维)的G’比阻尼瓦的(例如，与约5.65 x 102 psi对比约2.57 x 104 psi)大出约45.5倍。在最大损耗因子下，最硬的复合材料的G’比阻尼瓦的(例如，与约3.56 x 103 psi对比约7.07 x104 psi)大出约19.8倍。相比之下，最硬的复合材料的最大损耗因子比阻尼瓦的(例如，与约1.1对比约0.53)低约52%。
实施例3 –动态机械分析仪评价的模态试验和有限元分析验证
在约100 Hz至约3000 Hz的频率下评价连接于铝梁的复合材料的模态试验。一种复合材料包括碳纤维层压材料的11个铺层(约0.1”总厚度)，各铺层具有取向为相对于复合材料的长轴约± 25°的纤维。粘弹性复合材料结合在具有约17.75” x 2.75” x 0.25”的尺寸的两个铝梁之间以提供剪切变形。为了扩大测量范围，构建第二夹心梁，其中粘弹性复合材料被结合在具有约3.75” x 2.75” x 0.25”的尺寸的两个铝梁之间。温度保持在约23°。
使用有限元分析评价模态试验以计算所得到的剪切模量G’和损耗因子。完成对G13和G23的有限元分析。G13计算相当于纤维取向为约± 25°的复合材料的DMA测试(图7)。G23计算相当于纤维取向为约± 65°的复合材料的DMA测试(图8)。
G13计算验证了纤维取向为± 25°的复合材料的DMA结果。在由模态试验和有限元分析计算的最大损耗因子下的G13剪切模量比DMA结果低约28%(例如，与约3.46 x 104 psi对比约2.50 x 104 psi)。模态试验和有限元分析最大G13损耗因子比DMA结果低约4%(例如，与约0.67对比约0.64)。G23计算验证了纤维取向为±65°的复合材料的DMA结果。在由模态试验和有限元分析计算的最大损耗因子下的G23剪切模量比DMA结果大出约7%(例如，与约1.22x 104 psi对比约1.30 x 104 psi)。模态试验和有限元分析最大G23损耗因子比DMA结果大约4%(例如，与约0.72对比约0.75)。
实施例4 –复合材料和控制梁的模态试验
图5中示出了连接于铝梁的复合材料梁和控制梁的模态试验。复合材料包括碳纤维层压材料的11个铺层(约0.1”总厚度)，各铺层具有取向为相对于复合材料的长轴约±26°的纤维。复合材料结合于具有约40” x 4” x 0.25”的尺寸的铝梁的一侧以提供扩展的阻尼构型。温度维持在约23°F。纤维为具有约50%的体积分数的平织构型的碳纤维。
制备两种热塑性弹性体的控制梁和未涂布的铝。具有0.1”的相同厚度的热塑性弹性体现有技术阻尼瓦片结合于具有40” x 4” x 0.25”的尺寸的铝梁的一侧(扩展的阻尼构型)。控制梁进一步包括具有40” x 4” x 0.25”的尺寸的未涂布的铝梁。
图5将***损耗因子(阻尼材料+铝梁)作为固有频率的函数作图。如图5中所示，本公开的聚合物复合材料梁呈现的损耗因子比TPE阻尼瓦控制梁的损耗因子大出约3至4倍以及比未涂布的铝梁的损耗因子大出约15倍。此外，该结果在检查的频率范围(约10至约1100Hz)内保持近似恒定。
根据这些结果可以得出结论，复合材料***的实施方案提供比常规弹性体显著改进的阻尼性能。例如，通过采用具有大于0.15的最大杨氏损耗因子以及在最大杨氏损耗因子的频率下大于约2 x 105 psi的动态杨氏模量值E’的实际部分的复合材料，所述复合材料的铝梁***损耗因子显著高于控制热塑性弹性体阻尼瓦的铝梁***损耗因子。
此外，该增加在相对宽的频率范围内是相对恒定的。该结果显示相对高的模量的重要性，因为当用动态机械分析仪评价时，即使在我们观察到最大损耗因子近似50%下降时，***损耗因子仍保持相对恒定。相反，复合材料的杨氏模量增加足以补偿该影响。预计约束的构型中也可观察到类似的性能益处。
实施例5 –约束层对***损耗因子的影响
进一步实施有限元研究以模拟公开的复合材料的实施方案的阻尼性能，所述公开的复合材料包括粘弹性复合材料层之间***的相对薄的约束层，以及外表面上两个2-英寸厚碳/环氧树脂约束层之间的所有这些层。模拟的阻尼复合材料具有碳纤维增强聚氨酯的结构性质，所述碳纤维增强聚氨酯具有连接于各表面的碳纤维增强的环氧树脂的约束层。聚氨酯复合材料具有约1/16”至约¼”之间的厚度，且环氧树脂复合材料具有约0.03”至约0.13”之间范围内的厚度。聚氨酯复合材料的损耗因子假定为约1且环氧树脂复合材料的损耗因子假定为约0。被上述复合材料阻尼的模拟结构被赋予具有约2”的厚度的碳纤维增强的环氧树脂的结构性质。
图6中示出了作为阻尼复合材料的杨氏模量的函数的模拟的***损耗因子。一方面，可观察到***损耗因子呈现各复合材料在约1 x 105 psi至约1.2 x 105 psi之间的范围的峰，而与聚氨酯和环氧树脂复合材料的厚度无关。值得注意的是，该***损耗峰在被鉴别为给出***损耗因子的显著改进的复合材料模量和损耗因子的范围内。
可通过对比各自具有约0.03英寸和不同厚度的约束层的复合材料B和C，观察纤维增强的弹性体复合材料的厚度对***损耗因子的影响。据观察，将纤维增强的弹性体复合材料的厚度从约1/16”改变至约1/4”不会显著影响***损耗因子。然而，观察到出现损耗因子峰的模量从约1.55 x 105适度改变至约1 x 105。
可通过复合材料A与复合材料B和C的对比来进一步观察约束层厚度对***损耗因子的影响。复合材料A具有与下面的聚氨酯复合材料相同厚度的约束层。相比之下，复合材料B和C的约束层，比下面的聚氨酯复合材料相对更薄。据观察，复合材料A的***损耗因子(约0.047)适度低于复合材料B和C的***损耗因子(约0.049)。该结果表明约束层应当比下面的纤维增强的弹性体复合材料相对更薄。
实施例6 –最佳动态剪切模量
进一步实施有限元研究以模拟所公开的复合材料的实施方案的***阻尼性能。模拟的阻尼复合材料具有碳纤维增强聚氨酯的结构性质。假定聚氨酯复合材料的损耗因子为约0.5并且假定环氧树脂复合材料的损耗因子为约0。被上述粘弹性复合材料阻尼的模拟的夹心结构被赋予具有约2”的厚度的碳纤维增强的环氧树脂外皮的结构性质。
图10中示出，将所选择的振动模式的模拟的***损耗因子作为聚氨酯复合材料的动态剪切模量(例如，G13)的函数作图。一方面，可观察到各振动模式具有不同的最佳动态剪切模量。另一方面，可观察到所有选择模式(假定恒定的材料损耗因子)的最佳剪切模量大于1 x 104 psi。此外，可观察到这些模式的最佳剪切模量超出现有技术均质材料的范围。另一方面，可观察到某些应用需要异常刚性的粘弹性材料以最大化***损耗因子。值得注意的是，这些最佳剪切模量数值在粘弹性复合材料剪切模量的范围内，所述剪切模量被鉴定为给出***损耗因子的显著改进。
实施例7 –泊松比超过0.5的纤维增强层压材料
基于实施例2生产的碳纤维增强聚氨酯复合材料，进一步实施泊松比研究以模拟包括各种纤维取向的所公开的复合材料的泊松比。图4A显示了聚氨酯基质的动态剪切模量。将这些性质输入微观力学模拟以计算各种构型的动态泊松比。工程计算显示，对于相对于主轴(例如，纤维轴)约1°至约55°的单向纤维取向范围，该实施方案可具有大于0.5的泊松比。
图4C至图4G显示的实施方案具有大于0.5的最大剪切损耗因子以及在最大剪切损耗因子的频率下大于约1 x 104 psi的动态剪切模量值G’的实际部分(例如，G13)。图7显示了纤维结构如何将动态剪切模量的实际部分相对于基质聚合物(图4A)放大约2500%，而最大损耗因子相对于基质聚合物(图4A)的减少相对较小(例如约60%)。图10示出了大动态剪切模量对于某些***阻尼应用的重要性。
实施例8 –泊松比超过0.5的双轴纤维增强层压材料
进一步实施泊松比研究以模拟包括各种纤维取向的所公开的复合材料的泊松比。工程计算显示碳纤维增强聚氨酯弹性体复合材料在相对于主轴约±1°至约±55°(例如11-方向)范围内双轴纤维取向的主轴(例如，在1-2-面中)具有大于0.5的泊松比。对于在相对于主轴约±5°至约±35°范围内的双轴纤维取向角度，可达到超过约2.5的异常的泊松比。生产具有相对于主轴约±28°的纤维取向的碳纤维增强聚氨酯弹性体，并且在最大剪切损耗因子的频率下测量的动态泊松比(例如，当在中心频率下测量时)为约3.2。此外，具有高泊松比的该取向(即，在11-方向的±28°纤维)具有高面外剪切模量(即，G13)。相比之下，22-方向具有更低泊松比和更低(即，低约50%)面外剪切模量(即，G23)。该实例显示了面内纤维结构如何影响面外性质。这些实施例显示具有相对于常规材料异常高的泊松比的实施方案。
这些异常高的泊松比可引起“应变放大效应”，这可能导致具有异常的阻尼性能的复合材料(例如动态杨氏模量和杨氏损耗因子的有效组合)。图9和图5中说明了实施例3中描述的某些实施方案的性能。
实施例9 –具有负线性膨胀系数的纤维增强层压材料
生产并测试具有相对于主轴约±25°的纤维取向的碳纤维增强聚氨酯弹性体。在0℉至100℉宽的温度范围内测量的主轴中线性膨胀的系数为约负5微应变/℉，这比常规材料更负性。该实施例显示相对于常规材料异常的热膨胀。
如本文所使用的术语“大约”、“约”和“基本上”代表接近标示量而仍可实施所需功能或达到所需结果的量。例如，术语“大约”、“约”，和“基本上”可以是指在低于标示量的10%内、在低于标示量的5%内、在低于标示量的1%内、在低于标示量的0.1%内，以及在低于标示量的0.01%内的量。此外，根据“约x至y”标示的范围可被理解为包括“约x至约y”的范围。
如本文所使用的术语“室温”具有其如本领域技术人员已知的普通含义并且可包括约16℃ (60℉)至约32℃ (90℉)的范围内的温度。
如本文所使用的术语“弹性体”具有其如本领域技术人员已知的普通含义并且实施方案可包括但不限于聚氨酯、聚脲、橡胶、热塑性弹性体、塑化聚合物、塑化环氧树脂、弹性环氧树脂、有机硅、聚氯乙烯，及其组合。弹性体可被视为在高于聚合物的玻璃化转变温度下存在的聚合物。
如本文所使用的术语“纤维”具有其如本领域技术人员已知的普通含义并且可包括适于复合材料的增强的一种或更多种纤维材料。纤维可采用晶须、短纤维、连续纤维、细丝、丝束、丛、片、铺层，及其组合的形式。纤维可进一步包括实现大规模增强纤维的作用的任何线、缆、筋和杆。连续纤维可进一步采用随机、单向、多维(例如，二维或三维)、非织造、织造、针织织物、缝合、缠绕，和编制构型，以及卷曲垫、毡垫，和短切垫结构的任一种。织造纤维结构可包含多个织造丝束，所示织造丝束具有低于约1,000根细丝、低于约3,000根细丝、低于约6,000根细丝、低于约12,000根细丝、低于约24,000根细丝、低于约48,000根细丝、低于约56,000根细丝，以及低于约125,000根细丝。在进一步的实施方案中，丝束可通过十字针、引纬针织针，或少量树脂，例如热塑性树脂固定位置。
必要时，纤维的组成可以变化。纤维组成的实施方案可包括但不限于聚合物、金属，和陶瓷。例如，碳、石墨、玻璃、E-玻璃、S-玻璃、芳族聚酰胺、石英、聚乙烯、聚酯、玻璃纤维、热固性材料、热塑性塑料(聚乙烯、超高分子量聚乙烯(UHMW)、聚丙烯、尼龙、等)、聚丙烯、聚酯、Innegra®、Kevlar®、尼龙、聚对亚苯基苯并二噁唑(PBO)、硼、聚酰胺、碳化硅、氮化硅、Astroquartz®、Tyranno®、Nextel®，和Nicalon®，及其组合。
如本文所使用的术语“浸渍”具有其如本领域技术人员已知的普通含义并且可包括在一根或更多根纤维之间或邻近一束或更多束纤维引入基质或树脂材料。基质或树脂可采用膜、粉末、液体，及其组合的形式。可通过应用热、压力，和溶剂的一种或更多种来促进浸渍。
如本文所使用的术语“固化(cure)”和“固化(curing)”具有其如本领域技术人员已知的普通含义并且可包括聚合和/或交联工艺。可通过包括但不限于加热、暴露于紫外光、化学反应，以及暴露于辐射的工艺实施固化。在某些实施方案中，固化可在聚合物基质或树脂中进行。在固化之前，基质或树脂可进一步包含在大约室温下为液体、半固体、结晶固体，及其组合的一种或更多种化合物。在进一步的实施方案中，可部分固化基质或树脂以便呈现所选择的粘着性或粘合性。在某些实施方案中，可在单个工艺中实施固结和固化。
如本文所使用的术语“阻尼”具有其如本领域技术人员已知的普通含义并且可包括通过将振动的部分机械能量转换为热能量而减少谐振振动的振幅。
尽管上述描述已经显示、描述，并指出了本教导的基本新颖特征，然而应理解可由本领域技术人员在不背离本教导的范围的情况下以所示装置的详情，及其用途的形式作出各种省略、替换、改变，和/或添加。因此，本教导的范围将不限于上述讨论而是受限于下列权利要求的正确解读。

Claims (12)

1.一种与船壳结构结合的纤维增强的复合材料，其包含：
弹性体；和
定位于所述弹性体内的第一多根纤维，其中所述复合材料具有大于0.5的最大剪切损耗因子，并且在获得最大剪切损耗因子的频率下和在-50℃至250℃的温度下具有大于1 x104 psi的剪切储能模量，其中所述纤维增强的复合材料在至少一个方向上具有大于0.5的泊松比，其中所述纤维增强的复合材料被配置为船壳结构中以阻尼振动。
2.根据权利要求1所述的复合材料，其中所述弹性体选自由以下组成的组：聚氨酯、聚脲、橡胶、热塑性弹性体、塑化聚合物、弹性环氧树脂、有机硅，和聚氯乙烯。
3.根据权利要求2所述的复合材料，其中所述塑化聚合物是塑化环氧树脂。
4.根据权利要求1所述的复合材料，其中所述弹性体是聚氨酯。
5.根据权利要求1所述的复合材料，其中第一多根纤维是碳或玻璃或聚合物中的一种。
6.根据权利要求1所述的复合材料，其中第一多根纤维具有选自由以下组成的组的结构：丝束、纱线、细丝、织物、晶须、短切纤维、纳米管、亚微米纤维、线、缆、杆，和筋。
7.根据权利要求6所述的复合材料，其中所述织物选自由织造织物、编织织物和针织织物组成的组。
8.根据权利要求7所述的复合材料，其中所述编织织物是多轴向编织织物。
9.根据权利要求7所述的复合材料，其中所述针织织物选自由单向、三维、随机针织织物组成的组。
10.一种阻尼结构，其包含：
根据权利要求1所述的纤维增强的复合材料；和
具有至少1 x105 psi的静态杨氏模量的至少一个约束层。
11.根据权利要求10所述的阻尼结构，其中所述至少一个约束层包含：
基质；和
定位于所述基质内的第二多根纤维。
12.一种制造与船壳结构结合的复合材料的方法，其包括：
将弹性体渗透到多根纤维中以形成纤维增强的弹性体层；
堆叠多个所述纤维增强的弹性体层；和
固化所述多个纤维增强的弹性体层以形成纤维增强的弹性体复合材料，其中所述复合材料具有大于0.5的最大剪切损耗因子，以及在获得最大剪切损耗因子的频率下和在-50℃至250℃的温度下具有大于1 x 104 psi的剪切储能模量，其中所述纤维增强的复合材料在至少一个方向上具有大于0.5的泊松比，其中所述纤维增强的复合材料被配置为船壳结构中以阻尼振动。
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