1   緒   論  

1.1  課題背景及意義 
隨著國民經(jīng)濟的迅猛發(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程中，由此引起的振動和噪聲污染變得尤為突出。振動和噪聲可以對人的聽力和神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生危害，長期處于振動和噪聲環(huán)境中還能引發(fā)各種疾病。寬頻帶的隨機振動還容易引起儀器設(shè)備的多級共振，不僅影響儀器設(shè)備的正常使用，降低精度和可靠性，還會縮短其使用壽命。據(jù)統(tǒng)計，火箭、衛(wèi)星失效約 2/3 的故障與振動和噪聲有關(guān)[1]，武器裝備由于振動造成的故障率也高達 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，而振動和噪聲無疑會對其隱蔽性產(chǎn)生巨大影響。因此，減振降噪技術(shù)成為各國學者的研究熱點，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)系到車輛行駛過程中的穩(wěn)定性、安全性以及乘客乘坐的舒適度，是評價車輛性能優(yōu)劣的重要指標。各汽車制造企業(yè)有接近 20%的研發(fā)費用用于改善車輛的 NVH 水平，使之成為企業(yè)重點關(guān)注問題之一。對振動和噪聲的有效治理，主要是從減小振源的振動以及抑制振動、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）來達到減振降噪的目的。(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，從而減小振動的響應。(3)利用阻尼材料吸收、消耗能量的特點，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。(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，使得阻尼材料的應用成為減振降噪的重要手段之一。 
.........

1.2  金屬復合板的研究進展 
金屬復合板是利用復合技術(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。這種金屬復合板的性能并不只是組元材料性能的簡單疊加，而是由于復合效應的作用在性能上有重要的改進，并且具有輕質(zhì)的優(yōu)點，因此已廣泛應用于航空航天、軌道交通和 3C 等各個領(lǐng)域。金屬復合板的制備方法有許多種，比如爆炸復合法、擠壓復合法、擴散焊接復合、鑄軋復合法、反向凝固法和噴射成形法等[14-20]。其中，1956 年美國率先提出金屬層壓復合的三步工藝，即：表面處理——軋制復合——退火強化處理，使得雙金屬固相復合得到了迅速發(fā)展[21]。首先對金屬板進行表面處理，去除金屬表面氧化皮并清理油污、油脂，露出潔凈金屬表面。然后軋制復合法中，在軋輥強大作用力下，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，在強大壓力作用下，形成初始結(jié)合。最后在隨后的退火過程中，由最初的點接觸擴展到面接觸，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，并且達到原子之間的相互吸引能發(fā)揮作用的程度。當兩種金屬原子由遠及近時，它們之間的吸引力會逐漸增大，并當兩原子間距約是正常原子間距兩倍時，吸引力達到最大值。當兩原子繼續(xù)靠近時，吸引力開始減小，直到達到正常間距時，此時的吸引力為零，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。  
............

2   實驗材料與研究方法  

2.1 Al/Mg/Al 三明治結(jié)構(gòu)復合板的制備

Al/Mg/Al 三明治結(jié)構(gòu)復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，還可以防止在軋制復合過程中純鎂出現(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)計了三種不同的 Al/Mg/Al 三明治結(jié)構(gòu)復合板，，如表 2.1 所示。首先用鋼刷對初始純鋁板材和純鎂板材進行打磨處理，去除掉金屬表面的氧化皮，露出新鮮表面，再用 120#、240#、320#、400#SiC 砂紙對純鋁板材和純鎂板材進行均勻打磨，用無水乙醇清洗，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，并且為了便于復合板在軋制時入輥，以及防止在軋制過程中純鋁板材和純鎂板材之間發(fā)生相對錯位，對疊放好后的板材一邊兩角位置用鋁制鉚釘進行鉚接處理，在軋制過程中，鉚接固定的一邊優(yōu)先進入軋輥。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)復合板。軋制復合后的三種 Al/Mg/Al 復合板宏觀形貌，如圖 2.1 所示，復合板只有邊部有少量開裂。 

...........

2.2 Mg/玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂復合板的制備
在傳統(tǒng)的纖維增強金屬復合板中，從材料的成分來分，可分為纖維增強鋼板層合板和纖維增強鋁合金層合板，從功能來分，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，中間的彈性層可以較薄，而金屬板較厚；以減重為目的時，中間的彈性層較厚，而金屬板較薄。與此同時，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，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。因此，在本實驗中，金屬層材料選用商業(yè)鑄態(tài)純鎂錠，并將其加工成長寬 110mm×90mm，厚度 1.5mm、2mm 和 2.5mm 的板材。  樹脂在纖維增強金屬層合板中占據(jù)著非常關(guān)鍵的作用。它可以把金屬板和增強纖維粘接起來，在復合板中起著傳遞載荷的作用。本實驗中采用雙酚 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度，在工業(yè)生產(chǎn)中的應用較為廣泛。而與之相匹配的固化劑為 766H，密度為 0.94g/cm3，粘度14MPa.s(室溫)。 
.........

3   Al/Mg/Al 復合板的力學和阻尼性能研究 ...... 17 
3.1  引言 ........... 17 
3.2 Al/Mg/Al 復合板的顯微組織和室溫力學性能 .......... 17 
3.3Al/Mg/Al 復合板的阻尼性能及振動性能 ........... 21
3.4.1  退火處理對 Al/Mg/Al 復合板界面的影響 .......... 26 
3.4.2  退火處理對 Al/Mg/Al 復合板力學性能的影響 .... 30 
3.5  退火處理對 Al/Mg/Al 復合板阻尼性能的影響 ...... 31
3.6  本章小結(jié) ..... 48 
4   Mg/玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂復合板的力學和阻尼性能研究 ............ 49 
4.1  引言 ........... 49 
4.2  纖維層數(shù)對 Mg/玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂復合板性能的影響 .......... 49
4.3  鎂板厚度對 Mg/玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂復合板性能的影響 .......... 55
4.4  本章小結(jié) ..... 59
5   結(jié)論 ........... 61 

4   Mg/玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂復合板的力學和阻尼性能研究 

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，復合板的阻尼性能主要來自于樹脂材料，纖維-樹脂和樹脂-金屬的界面阻尼以及這種復合結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)阻尼，而來自金屬層的很少。鎂作為阻尼性能最好的金屬結(jié)構(gòu)材料之一，當金屬層選用 Mg 板，制備出 Mg/玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂復合板后，則來自金屬層的阻尼增多，阻尼來源發(fā)生了變化，勢必會對復合板的阻尼性能產(chǎn)生影響。同時 Mg/玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂復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)異的復合板。 綜上所述，本章主要通過真空灌注法制備得到 Mg/玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂復合板，并通過改變復合板中玻璃纖維布層數(shù)以及 Mg 板厚度，研究其對復合板力學性能、阻尼性能以及振動性能的影響。為了討論纖維層數(shù)對 Mg/玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂復合板性能的影響，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)計成環(huán)氧樹脂層中沒有玻璃纖維布，有 1 層、2 層玻璃纖維布。不同 Mg/玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂復合板的命名如表 4.1 所示。
..........

結(jié)論

本文主要針對兩種鎂基復合板，即 Al/Mg/Al 三明治結(jié)構(gòu)復合板和 Mg/玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂復合板，進行深入研究。探索各因素對復合板力學性能、阻尼性能以及振動性能的影響。得出以下結(jié)論： 
①  對在 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)復合板，其界面結(jié)合良好。軋制態(tài) Al/Mg/Al 復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，復合板的阻尼性能保留了純 Mg 高阻尼的特性。此時，界面效應對復合板的室溫阻尼性能是有利的。Al/Mg/Al 復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 復合板的屈服強度、抗拉強度下降，延伸率則提高，并且 Mg 層、Al 層相對含量對復合板的力學性能有較大影響。 
③  Al/Mg/Al 復合板的室溫阻尼性能和退火時間以及退火溫度有較大關(guān)系。復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的雙重影響。并且隨著退火時間的延長、退火溫度的升高，界面效應對復合板的阻尼性能發(fā)生由不利到有利的轉(zhuǎn)變。 
④  增強玻璃纖維對 Mg/玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂復合板的力學性能有較大影響，并且增加玻璃纖維布層數(shù)能明顯提高復合板的屈服強度。而增加 Mg 板厚度會使復合板的屈服強度和抗拉強度有所下降，延伸率略有提高。相比玻璃纖維，Mg板厚度對復合板的力學性能影響較小。 
.........
參考文獻(略)

本文編號：71469