發(fā)布時(shí)間：2016-07-15 08:59

1   緒   論  

1.1  課題背景及意義 
隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，在航空航天、軍工武器裝備和軌道交通等領(lǐng)域發(fā)展日益輕量化、高速化和大功率化的過(guò)程中，由此引起的振動(dòng)和噪聲污染變得尤為突出。振動(dòng)和噪聲可以對(duì)人的聽力和神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生危害，長(zhǎng)期處于振動(dòng)和噪聲環(huán)境中還能引發(fā)各種疾病。寬頻帶的隨機(jī)振動(dòng)還容易引起儀器設(shè)備的多級(jí)共振，不僅影響儀器設(shè)備的正常使用，降低精度和可靠性，還會(huì)縮短其使用壽命。據(jù)統(tǒng)計(jì)，火箭、衛(wèi)星失效約 2/3 的故障與振動(dòng)和噪聲有關(guān)[1]，武器裝備由于振動(dòng)造成的故障率也高達(dá) 10％以上[2-4]。此外，在軍事領(lǐng)域中，隱蔽性是武器裝備的頭等大事，而振動(dòng)和噪聲無(wú)疑會(huì)對(duì)其隱蔽性產(chǎn)生巨大影響。因此，減振降噪技術(shù)成為各國(guó)學(xué)者的研究熱點(diǎn)，受到廣泛關(guān)注。比如在民用工業(yè)中，車輛的 NVH（Noise、Vibration、Harshness）水平關(guān)系到車輛行駛過(guò)程中的穩(wěn)定性、安全性以及乘客乘坐的舒適度，是評(píng)價(jià)車輛性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)。各汽車制造企業(yè)有接近 20%的研發(fā)費(fèi)用用于改善車輛的 NVH 水平，使之成為企業(yè)重點(diǎn)關(guān)注問(wèn)題之一。對(duì)振動(dòng)和噪聲的有效治理，主要是從減小振源的振動(dòng)以及抑制振動(dòng)、噪聲的傳播這兩方面入手，包括以下常見措施：(1)在系統(tǒng)中安裝減振設(shè)備（比如減振彈簧、阻尼器）來(lái)達(dá)到減振降噪的目的。(2)改變結(jié)構(gòu)的剛度和質(zhì)量，使設(shè)備的工作頻率避開其固有頻率，防止發(fā)生共振，從而減小振動(dòng)的響應(yīng)。(3)利用阻尼材料吸收、消耗能量的特點(diǎn)，將阻尼材料和結(jié)構(gòu)相結(jié)合，從而減小結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。(4)改變結(jié)構(gòu)的連接形式，將剛性連接轉(zhuǎn)變?yōu)閺椥赃B接，抑制振動(dòng)的傳遞。其中由于阻尼材料形狀可控，使用方便、靈活，效果明顯，使得阻尼材料的應(yīng)用成為減振降噪的重要手段之一。 
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1.2  金屬?gòu)?fù)合板的研究進(jìn)展 
金屬?gòu)?fù)合板是利用復(fù)合技術(shù)將兩種或多種性能不同的金屬材料結(jié)合在一起而獲得的。這種金屬?gòu)?fù)合板的性能并不只是組元材料性能的簡(jiǎn)單疊加，而是由于復(fù)合效應(yīng)的作用在性能上有重要的改進(jìn)，并且具有輕質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)，因此已廣泛應(yīng)用于航空航天、軌道交通和 3C 等各個(gè)領(lǐng)域。金屬?gòu)?fù)合板的制備方法有許多種，比如爆炸復(fù)合法、擠壓復(fù)合法、擴(kuò)散焊接復(fù)合、鑄軋復(fù)合法、反向凝固法和噴射成形法等[14-20]。其中，1956 年美國(guó)率先提出金屬層壓復(fù)合的三步工藝，即：表面處理——軋制復(fù)合——退火強(qiáng)化處理，使得雙金屬固相復(fù)合得到了迅速發(fā)展[21]。首先對(duì)金屬板進(jìn)行表面處理，去除金屬表面氧化皮并清理油污、油脂，露出潔凈金屬表面。然后軋制復(fù)合法中，在軋輥強(qiáng)大作用力下，金屬表面發(fā)生劇烈塑性變形而破裂，內(nèi)部潔凈而活化的新鮮金屬因此露出表面，在強(qiáng)大壓力作用下，形成初始結(jié)合。最后在隨后的退火過(guò)程中，由最初的點(diǎn)接觸擴(kuò)展到面接觸，最終形成穩(wěn)定的界面結(jié)合。金屬鍵理論是 Burton M.S.在 1954 年提出的[23]。該理論認(rèn)為，金屬間能形成有效結(jié)合的要求是兩種金屬的原子足夠接近，并且達(dá)到原子之間的相互吸引能發(fā)揮作用的程度。當(dāng)兩種金屬原子由遠(yuǎn)及近時(shí)，它們之間的吸引力會(huì)逐漸增大，并當(dāng)兩原子間距約是正常原子間距兩倍時(shí)，吸引力達(dá)到最大值。當(dāng)兩原子繼續(xù)靠近時(shí)，吸引力開始減小，直到達(dá)到正常間距時(shí)，此時(shí)的吸引力為零，如圖 1.2 所示。相鄰原子穩(wěn)定排列，并且外層的自由電子則被不同原子所共有從而形成共用電子，金屬就以金屬鍵的形式結(jié)合在一起。  
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2   實(shí)驗(yàn)材料與研究方法  

2.1 Al/Mg/Al 三明治結(jié)構(gòu)復(fù)合板的制備

Al/Mg/Al 三明治結(jié)構(gòu)復(fù)合板所用的原材料為商業(yè)鑄態(tài)純鎂錠、商業(yè) 1060 純鋁板材。鑄態(tài)純鎂具有優(yōu)異的阻尼性能，并且純鋁板材具有良好的耐腐蝕性和極好的塑性，在純鎂外表面包覆一層純鋁，不僅可以克服純鎂耐腐蝕性差的缺點(diǎn)，還可以防止在軋制復(fù)合過(guò)程中純鎂出現(xiàn)軋裂、軋斷的現(xiàn)象。初始純鎂板材和純鋁板材的長(zhǎng)寬均為 80mm×70mm，純鎂板厚度包括 2mm、3mm 和 3.6mm，純鋁板厚度包括 2mm、1.5mm 和 1.2mm，在保持 Al/Mg/Al 初始總厚度不變的前提下，改變其中單層純鎂層、純鋁層的厚度，設(shè)計(jì)了三種不同的 Al/Mg/Al 三明治結(jié)構(gòu)復(fù)合板，，如表 2.1 所示。首先用鋼刷對(duì)初始純鋁板材和純鎂板材進(jìn)行打磨處理，去除掉金屬表面的氧化皮，露出新鮮表面，再用 120#、240#、320#、400#SiC 砂紙對(duì)純鋁板材和純鎂板材進(jìn)行均勻打磨，用無(wú)水乙醇清洗，烘干。然后將表面處理好的純鋁板材、純鎂板材按照 Al/Mg/Al 的順序疊放，并且為了便于復(fù)合板在軋制時(shí)入輥，以及防止在軋制過(guò)程中純鋁板材和純鎂板材之間發(fā)生相對(duì)錯(cuò)位，對(duì)疊放好后的板材一邊兩角位置用鋁制鉚釘進(jìn)行鉚接處理，在軋制過(guò)程中，鉚接固定的一邊優(yōu)先進(jìn)入軋輥。將鉚接好的板材在 400℃下保溫 20min 后，采用單道次 55%的壓下量，將 6mm 的板材軋成 2.7mm 的 Al/Mg/Al 三明治結(jié)構(gòu)復(fù)合板。軋制復(fù)合后的三種 Al/Mg/Al 復(fù)合板宏觀形貌，如圖 2.1 所示，復(fù)合板只有邊部有少量開裂。 

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2.2 Mg/玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合板的制備
在傳統(tǒng)的纖維增強(qiáng)金屬?gòu)?fù)合板中，從材料的成分來(lái)分，可分為纖維增強(qiáng)鋼板層合板和纖維增強(qiáng)鋁合金層合板，從功能來(lái)分，可分為減振板和輕質(zhì)板[50]，如圖2.2 所示。以減振為目的時(shí)，中間的彈性層可以較薄，而金屬板較厚；以減重為目的時(shí)，中間的彈性層較厚，而金屬板較薄。與此同時(shí)，鎂不僅是阻尼性能最好的金屬結(jié)構(gòu)材料之一，還具有質(zhì)量輕的優(yōu)點(diǎn)，其密度只有鋁的 2/3、鋼的 1/4。將金屬板材料選用鎂后，不管在減振還是減重上，都能繼續(xù)發(fā)揮出鎂的優(yōu)勢(shì)。因此，在本實(shí)驗(yàn)中，金屬層材料選用商業(yè)鑄態(tài)純鎂錠，并將其加工成長(zhǎng)寬 110mm×90mm，厚度 1.5mm、2mm 和 2.5mm 的板材。  樹脂在纖維增強(qiáng)金屬層合板中占據(jù)著非常關(guān)鍵的作用。它可以把金屬板和增強(qiáng)纖維粘接起來(lái)，在復(fù)合板中起著傳遞載荷的作用。本實(shí)驗(yàn)中采用雙酚 A 型 760E 環(huán)氧樹脂，這是一種熱固性樹脂，具有較好的粘接性以及適中的強(qiáng)度，在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用較為廣泛。而與之相匹配的固化劑為 766H，密度為 0.94g/cm3，粘度14MPa.s(室溫)。 
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3   Al/Mg/Al 復(fù)合板的力學(xué)和阻尼性能研究 ...... 17 
3.1  引言 ........... 17 
3.2 Al/Mg/Al 復(fù)合板的顯微組織和室溫力學(xué)性能 .......... 17 
3.3Al/Mg/Al 復(fù)合板的阻尼性能及振動(dòng)性能 ........... 21
3.4.1  退火處理對(duì) Al/Mg/Al 復(fù)合板界面的影響 .......... 26 
3.4.2  退火處理對(duì) Al/Mg/Al 復(fù)合板力學(xué)性能的影響 .... 30 
3.5  退火處理對(duì) Al/Mg/Al 復(fù)合板阻尼性能的影響 ...... 31
3.6  本章小結(jié) ..... 48 
4   Mg/玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合板的力學(xué)和阻尼性能研究 ............ 49 
4.1  引言 ........... 49 
4.2  纖維層數(shù)對(duì) Mg/玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合板性能的影響 .......... 49
4.3  鎂板厚度對(duì) Mg/玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合板性能的影響 .......... 55
4.4  本章小結(jié) ..... 59
5   結(jié)論 ........... 61 

4   Mg/玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合板的力學(xué)和阻尼性能研究 

4.1  引言 
在傳統(tǒng)的纖維金屬層合板中，金屬層多選用鋼板或鋁板，復(fù)合板的阻尼性能主要來(lái)自于樹脂材料，纖維-樹脂和樹脂-金屬的界面阻尼以及這種復(fù)合結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)阻尼，而來(lái)自金屬層的很少。鎂作為阻尼性能最好的金屬結(jié)構(gòu)材料之一，當(dāng)金屬層選用 Mg 板，制備出 Mg/玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合板后，則來(lái)自金屬層的阻尼增多，阻尼來(lái)源發(fā)生了變化，勢(shì)必會(huì)對(duì)復(fù)合板的阻尼性能產(chǎn)生影響。同時(shí) Mg/玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合板也是將金屬材料阻尼和高分子材料阻尼相結(jié)合，希望得到阻尼減振性能優(yōu)異的復(fù)合板。 綜上所述，本章主要通過(guò)真空灌注法制備得到 Mg/玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合板，并通過(guò)改變復(fù)合板中玻璃纖維布層數(shù)以及 Mg 板厚度，研究其對(duì)復(fù)合板力學(xué)性能、阻尼性能以及振動(dòng)性能的影響。為了討論纖維層數(shù)對(duì) Mg/玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合板性能的影響，在保證Mg 板厚度不變的前提下，改變環(huán)氧樹脂層中玻璃纖維布的層數(shù)，設(shè)計(jì)成環(huán)氧樹脂層中沒(méi)有玻璃纖維布，有 1 層、2 層玻璃纖維布。不同 Mg/玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合板的命名如表 4.1 所示。
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結(jié)論

本文主要針對(duì)兩種鎂基復(fù)合板，即 Al/Mg/Al 三明治結(jié)構(gòu)復(fù)合板和 Mg/玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合板，進(jìn)行深入研究。探索各因素對(duì)復(fù)合板力學(xué)性能、阻尼性能以及振動(dòng)性能的影響。得出以下結(jié)論： 
①  對(duì)在 400℃保溫 20min 后單道次軋制壓下量 55%，得到的由不同初始厚度純 Al、純 Mg 板制備而成的 Al/Mg/Al 三明治結(jié)構(gòu)復(fù)合板，其界面結(jié)合良好。軋制態(tài) Al/Mg/Al 復(fù)合板的室溫阻尼性能介于其單層純 Mg、純 Al 的阻尼性能之間，并且主要受其中 Mg 層的影響，復(fù)合板的阻尼性能保留了純 Mg 高阻尼的特性。此時(shí)，界面效應(yīng)對(duì)復(fù)合板的室溫阻尼性能是有利的。Al/Mg/Al 復(fù)合板的高溫阻尼性能則主要受其中 Al 層的影響。 
②  Al/Mg/Al 復(fù)合板的最佳退火工藝確定為 250℃退火 2h。并在 250℃退火 2h后，Al/Mg/Al 復(fù)合板的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度下降，延伸率則提高，并且 Mg 層、Al 層相對(duì)含量對(duì)復(fù)合板的力學(xué)性能有較大影響。 
③  Al/Mg/Al 復(fù)合板的室溫阻尼性能和退火時(shí)間以及退火溫度有較大關(guān)系。復(fù)合板的室溫阻尼性能受到單層組元阻尼性能以及界面效應(yīng)的雙重影響。并且隨著退火時(shí)間的延長(zhǎng)、退火溫度的升高，界面效應(yīng)對(duì)復(fù)合板的阻尼性能發(fā)生由不利到有利的轉(zhuǎn)變。 
④  增強(qiáng)玻璃纖維對(duì) Mg/玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合板的力學(xué)性能有較大影響，并且增加玻璃纖維布層數(shù)能明顯提高復(fù)合板的屈服強(qiáng)度。而增加 Mg 板厚度會(huì)使復(fù)合板的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度有所下降，延伸率略有提高。相比玻璃纖維，Mg板厚度對(duì)復(fù)合板的力學(xué)性能影響較小。 
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：71469