碳玻混杂复合材料减振性能研究

摘要：研究设计不同的碳玻混杂比例和碳玻排列顺序，测试碳玻混杂复合材料的性能，包括复合材料的减振性能、抗弯性能，模拟了复合材料在极端环境下的使用，结果表明CGC具有优异的阻尼性能和弯曲性能，损耗因子为0.086，弯曲强度为190.01MPa，极限应变为0.004，弯曲模量57.68GPa。这种低成本，高性能，轻薄的复合材料可以应用于船舶电子设备。

关键词：纤维混杂，复合材料，减振性能，抗弯性能

1.前言

现代坦克、潜艇和战斗机等装备在极端环境下需要具备优良的性能，碳玻混杂复合材料在军需装备中应用广泛，碳纤维可以增加复合材料的强度，玻璃纤维可以增加复合材料的韧性，增强纤维和基体的相互配合，增加复合材料的减振性能和抗弯性能。碳玻混杂复合材料，按照组元划分，材料内部主要是碳原子相互连接形成的六边形结构构成的碳纤维链段，以二氧化磷为核心的玻璃纤维链段，分子链含有环氧基团的树脂分子。由于碳纤维和玻璃纤维的吸热能力较强，在高温下不会产生较大的形变，树脂分子容易因载荷的输入而发生较大变形，分子间相对摩擦发生能量辐射。国内外学者做了相关的研究，Mead[1]计算出了应力传递微分方程，李龙元[2]研究出了固有频率表达式，程博[3]发现阻尼性能随阻尼比增加而变大，肖军[4]设计出了纤维角度变化的材料，Varghese[5]设计了一种单层碳纤维和单层玻璃纤维混合复合材料，结果表明，碳玻混杂复合材料较玻璃纤维复合材料的减振性能提升。Ornaghi Jr[6]选用单向碳纤维和玻璃纤维制备了正交结构的复合材料，材料在高温下体现了良好的性能。众所周知，玻璃纤维和环氧树脂间具有较好的附着力[7]，而碳纤维相对较低，通过合理设计不同的碳玻混杂比例和碳玻排列顺序，能获得性能优良的复合材料，这种低成本高性能的复合材料，厚度低质量轻，可以应用在船舶电子设备的外壳。

2.复合材料制备

研究选用碳纤维预浸料、玻璃纤维预浸料，两种预浸料中纤维的面密度是150g/m^2，纤维抗拉强度分别是4898MPa和为0.3N/Tex，预浸料内树脂是KH1301环氧树脂，抗拉强度是90MPa，模量是3.2GPa，预浸料可以用于制备复合材料[8]。采用模压成型工艺制备复合材料，众所周知，模压成型工艺可以减少纤维间的气泡，降低材料的孔隙率[9]。首先，把模压成型机里的预浸料加热到100℃，从1MPa加压到6MPa，再加热到125℃，在125℃保温90min，自然冷却到40℃，同时卸载压力，完成复合材料制备。使用切割机加工复合材料至测试所需的尺寸，碳玻比例0：1，1：2，2：1，1：0，结构为GGG，CGG，GCG，CCG，CGC，CCC，其中C代表碳纤维，G代表玻璃纤维。

3.复合材料性能测试

测试选用DMA1000+动态力学分析仪，拉力方向垂直于碳玻混杂复合材料中纤维的轴向，设置静态力30N，动态力幅度20N，频率1Hz，温度以3℃/min的速度增加，测试材料在极端环境下的阻尼性能。测试选用INDTRON3365万能材料试验机，设置跨厚比100：1，加载速度1mm/min，三点弯曲测试中碳玻混杂复合材料中纤维的轴向和试样的长度方向垂直，测试材料界面位置的抗弯性能。

4.实验结果

4.1阻尼性能

当碳玻比例是1：2时，CGG和GCG较GGG储能模量分别提升了2.09和2.17倍，在此碳玻比例下，碳纤维和玻璃纤维的缠结增加了复合材料的储能模量。随温度升高，材料的储能模量降低，温度升高导致纤维和树脂间的粘结变软，纤维失去紧密的包裹结构，材料的刚性变小，储能模量降低。

碳玻混杂复合材料损耗模量随碳玻比例中碳纤维含量的增加而先增后减，适当的碳玻比例可以提升材料的能量损耗，当碳玻比例是1：2和2：1时，夹层结构的GCG和CGC有较高的能量损耗，两种结构具有较多的脱结合界面，即碳纤维-玻璃纤维-环氧树脂三相扩散界面，纤维和界面摩擦时消耗了很多能量，界面也导致了纤维对树脂吸附降低，树脂分子更自由的相对滑动，产生了很多的能量损耗。随温度升高，材料的损耗模量先增后减，温度升高分子间摩擦增强，在玻璃化转变温度达到最大值，超过玻璃化转变温度，分子过于松散，分子间摩擦降低，损耗模量降低。

碳玻混杂复合材料损耗因子随碳玻比例中碳纤维含量的增加而先增后减，夹层结构的GCG和CGC具有更高的损耗因子，当碳玻比例是1：2时，GCG比CGG损耗因子高0.01，当碳玻比例是2：1时，CGC比CCG损耗因子高0.02。GCG的损耗因子高于CGC，GCG中玻璃纤维和环氧树脂较高的粘附力，增加了材料内的应力分配，提高了复合材料的能量损耗。损耗因子的变化趋势和损耗模量相似。

4.2弯曲性能

复合材料的弯曲性能很重要，如果材料内部出现薄弱部位，材料的弯曲性能就会降低[10]，对于纤维增强复合材料，由于材料是各项异性的，当材料在表面接受到能量后，能量将以应变能储存在材料内部，弯曲应力将产生正应力分量和切应力分量，并从表层向芯层传递。GGG、GCG、CGC、CCC，碳玻混杂复合材料弯曲强度随碳玻比例中碳纤维含量的增加减小，弯曲力加载方向拥有较多的界面相，界面强度对材料性能产生了较大的影响，碳纤维较玻璃纤维对环氧树脂有更低的粘附力，碳纤维含量高的复合材料内部脆弱的界面不利于应力的均匀分配，导致弯曲强度随碳纤维含量增加而降低。

碳玻排列顺序对材料弯曲性能产生了较大影响，当碳玻比例是1：2时，CGG弯曲强度高于GCG23MPa，CGG弯曲模量高于GCG40.28GPa， GCG中碳纤维和环氧树脂间较低的界面强度导致了裂纹穿透材料，复合材料破坏。当碳玻比例是2：1时，CGC的弯曲强度高于CCG111MPa，CGC的弯曲模量高于CCG24.83GPa，通过将弯曲性好的玻璃纤维层作为内层，可以提高复合材料的弯曲性能，可有效防止裂纹贯穿复合材料，提升了复合材料的性能。

5.结论

碳玻混杂比例和碳玻排列顺序对材料减振性能和抗弯性能产生了较大影响，复合材料中玻璃纤维轴向具有较高的韧性，防止材料发生脆性破坏，碳纤维和树脂的加入使复合材料具有了优异的阻尼性能和力学性能。采用三点弯曲测试了复合材料的抗弯性能，玻璃纤维的加入有效改善了纤维和树脂间的附着力，碳玻混杂复合材料比碳纤维复合材料的弯曲性能提高，CGC具有较好的折中性能，损耗因子为0.086，弯曲强度为190.01MPa，极限应变为0.004，弯曲模量57.68GPa，这种性能优良的材料，可应用于船舶设备。

参考文献

[1]王轲.弹性阻尼梁结构动力学分析[D]. 南京：南京航空航天大学，1997：16.

[2] Li Longyuan， Liu Guiwu， Xu Yongwen， et al. Analysis of dynamic characteristics of composite laminates[J]. Journal Of Computational Mechanics， 1988， 5（3）：64-71.

[3]Cheng Bo， Liu Guiwu， Xu Yongwen， et al. Research on Analysis method of Damping Prediction and Vibration Response for Composite Components with Laminated Structure[D]. Nanjing university of aeronautics and astronautics， 2014：17.

[4]Wang Xianfeng，Wang Huaqiao，Ma Cheng，Xiao Jun，et al. Analysis of vibration reduction characteristics of composite fiber curved laminated panels[J]. Composite Structures，2020，233（C）：25-26.

[5]Varghese， A. J. and A. A. Ronald "Low Velocity Impact， Fatigue and Visco-elastic Behaviour of Carbon/E-glass Intra-ply fibre-Reinforced Nano-silica Toughened Epoxy Composite." Silicon.

[6]Vidal， D.， et al. （2020）. "Effect of different stacking sequences on hybrid carbon/glass/epoxy composites laminate： Thermal， dynamic mechanical and long-term behavior." Journal of Composite Materials 54（6）： 731-743.

[7]Zhang， J. F.， et al. （2019）. "Reinforcement of continuous fibers for extruded wood-flour/HDPE composites： Effects of fiber type and amount." Construction and Building Materials 228.

[8]Zheng， C.， et al. （2021）. "Manufacturing and mechanical performance of novel epoxy resin matrix carbon fiber reinforced damping composites." Composite Structures 256.

[9]张育洋， 李飞与虢海银， T700碳纤维增强树脂基复合材料的制备与性能研究. 合成纤维， 2021. 50（03）： 第54-58页.[1]

[10]于洋等， 热氧老化对三维编织碳/玻璃纤维/双马复合材料力学性能的影响. 复合材料学报： 第1-13页.