技术领域
[0001] 本
发明涉及振动噪声控制和功能复合材料的交叉研究领域，尤其是一种嵌入式共固化网格阻尼复合材料结构及其制作工艺。
背景技术
[0002] 在航空、航天技术迅速发展的今天，传统的材料及结构已不能满足
飞行器轻质、高
刚度、大阻尼性能的设计要求，嵌入式共固化复合材料阻尼结构是在几乎保持传统复合材料
力学性能
基础上提出的一种具有高阻尼减振性能的新结构，是一类将三种不同性质的材料固化而成的多相复合固体，从它的组成和结构上分析，其中有一相在层内基本上是连续的称为基体，而另一相是分散被基体所包容的称为增强相，还有一相是各向同性的粘弹性阻尼材料。其基体相、增强相和粘弹性阻尼材料在性能上起协调作用，从而达到大幅度地提高复合材料构件阻尼的目的，得到单一材料难以比拟的综合力学性能。与传统的阻尼形式相比这种事先阻尼处理结构是镶嵌在基体材料内部的，具有不脱落、抗老化等优点，因此这种复合材料层合阻尼结构一经提出就成了众多国内外学者研究的热点内容，然而这种复合材料阻尼
工件的结构与制作明显不同于常规材料，具有强烈的
各向异性，使得加工制作的难度和复杂程度大大增加，因此嵌入式共固化阻尼复合材料的制作工艺是目前国内复合材料领域研究的重要课题之一。
[0003] 压片法是最基本的制作粘弹性阻尼
薄膜的工艺。由于未硫化的粘弹性阻尼材料比较粘软，铺设时特别困难，于是出现了部分硫化的压片方法，即采用加热的模具压制混炼后的粘弹性阻尼材料，在制作薄膜的过程中实现部分硫化。然后把制成的部分硫化阻尼薄膜铺设在复合材料
预浸料层中，根据固化工艺曲线同预浸料一起完成共固化。虽然这种工艺制作的粘弹性阻尼薄膜的厚度可由压片模具精确控制，但其层间结合性能相对较弱。
[0004] 刷涂法主要是用特定的
溶剂——
汽油将阻尼材料按照一定比例溶解，再利用刷涂工艺将黏流态阻尼材料溶液均匀地刷涂在复合材料预浸料表面，待溶剂挥发后，对阻尼层厚度进行测量，再刷涂直至阻尼层厚度达到设计要求为止，最后将带阻尼层的预浸料作为复合材料中的一层铺入其中，并在
热压罐中完成共固化。虽然这种工艺制作的嵌入式共固化阻尼复合材料其层间结合性能相对较高，但粘弹性阻尼薄膜厚度的一致性很难精确控制。
[0005] 上述两种方法只适用于连续阻尼薄膜的嵌入式共固化复合材料构件的制作。对于具有各项异性的非连续网格阻尼结构的研制至今几乎还是空白。
发明内容
[0006] 为克服上述
现有技术的不足，本发明提供一种嵌入式共固化网格阻尼复合材料结构及其制作工艺。其采用如下技术方案：
[0007] 一种嵌入式共固化网格阻尼复合材料结构，包括上复合材料预浸料层和下复合材料预浸料层，上、下复合材料预浸料层之间通过粘流态阻尼胶料粘结有若干形状大小相同的
块状阻尼片；所述上、下复合材料预浸料层和若干块状阻尼片以及分别铺设于上、下复合材料预浸料层上、下方的复合材料预浸料共同在热压罐中共固化形成嵌入式共固化网格阻尼复合材料构件；
[0008] 所述若干块状阻尼片成矩阵形式排列，即将若干块状阻尼片放入
坐标系中，每行阻尼片的中心纵坐标对应相等，每列阻尼片中心的横坐标对应相等。
[0009] 一种嵌入式共固化网格阻尼复合材料结构，包括上复合材料预浸料层和下复合材料预浸料层，上、下复合材料预浸料层之间通过粘流态阻尼胶料粘结有若干形状大小相同的块状阻尼片；所述上、下复合材料预浸料层和若干块状阻尼片以及分别铺设于上、下复合材料预浸料层上、下方的复合材料预浸料共同在热压罐中共固化形成嵌入式共固化网格阻尼复合材料构件；
[0010] 所述若干块状阻尼片呈整齐的行或列放置，在坐标系中，相邻行中上下相对应的两块阻尼片的中心横坐标不相等，但是相间行中上下相对应的两块阻尼片的中心横坐标相等；上一行中相邻两块阻尼片之间间隙的中分线正好穿过相邻下一行中相对应的一块阻尼片的中分线；
[0011] 或者相邻列中左右相对应的两块阻尼片的中心横坐标不相等，但是相间列中左右相对应的两块阻尼片的中心横坐标相等；左列中相邻两块阻尼片之间间隙的中分线正好穿过相邻右列中相对应的一块阻尼片的中分线。
[0012] 一种嵌入式共固化网格阻尼复合材料结构，包括上复合材料预浸料层和下复合材料预浸料层，上、下复合材料预浸料层之间通过粘流态阻尼胶料粘结有若干形状大小相同的块状阻尼片；所述上、下复合材料预浸料层和若干块状阻尼片以及分别铺设于上、下复合材料预浸料层上、下方的复合材料预浸料共同在热压罐中共固化形成嵌入式共固化网格阻尼复合材料构件；
[0013] 所述若干块状阻尼片呈整齐的行或列放置，在坐标系中，相邻行中上下相对应的两块阻尼片的中心横坐标不相等，但是相间行中上下相对应的两块阻尼片的中心横坐标相等；上一行中相邻两块阻尼片之间间隙的中分线与相邻下一行中相对应的一块阻尼片的中分线相错位；
[0014] 或者相邻列中左右相对应的两块阻尼片的中心横坐标不相等，但是相间列中左右相对应的两块阻尼片的中心横坐标相等；左列中相邻两块阻尼片之间间隙的中分线与相邻右列中相对应的一块阻尼片的中分线相错位。
[0015] 一种嵌入式共固化网格阻尼复合材料结构制作工艺，包括：
[0016] 第一步，根据要求确定阻尼结构，即根据所需要的嵌入式共固化网格阻尼复合材料的性能选择阻尼片的分布方式、设计阻尼片的大小和间距尺寸；
[0017] 第二步，制作贴片模板，根据步骤一所设计的阻尼片尺寸、间距以及边距的大小在模板上绘制出网格图；再将对应要贴阻尼片
位置的材料去除掉，即形成贴片模板；
[0018] 第三步，利用压片法制得阻尼薄膜；
[0019] 第四步，将所制得的阻尼薄膜裁剪成所需要的网格阻尼片的尺寸；
[0020] 第五步，制备粘流态阻尼材料溶液；
[0021] 第六步，将所得的网格阻尼片上下两面用粘流态阻尼材料溶液粘附在复合材料预浸料上；
[0022] 第七步，在通
风良好的环境中放置12-24小时，使粘流态阻尼材料中的溶剂挥发，如果大批量生产，使用湿式加热将粘流态阻尼材料中的溶剂回收再利用；
[0023] 第八步，将带网格阻尼片的复合材料预浸料和不带网格阻尼片的复合材料预浸料按照设计要求的顺序一起铺设好，放入热压罐中采用共固化工艺最终制成嵌入式共固化网格阻尼复合材料构件。
[0024] 第八步中的带网格阻尼片的复合材料预浸料和不带网格阻尼片的复合材料预浸料是同一种预浸料，只是一种带网格阻尼片而另一种没有网格阻尼片，其中预浸料可以是玻璃
纤维复合材料预浸料也可以是
碳纤维复合材料预浸料(本发明中使用的是
碳纤维复合材料预浸料)，均能在市面上买到。
[0025] 第八步中的共固化工艺条件与ZL201210030874.2《嵌入式高温共固化大阻尼复合材料及其制备工艺》相同：
真空袋内的真空度为-0.099--0.097MPa，热压罐中气体压力为0.4-0.6MPa，
温度要按所使用
树脂的固化要求控制热压罐内温度，其升温速率为0.5-3℃/分钟；降温速率为1.5±0.2℃/分钟，在183-190℃时保温4-6小时，在120±2℃时保温
0-15分钟，待热压罐内温度降至80-50℃时，卸压冷却，取出嵌入式共固化网格阻尼复合材料制品。
[0026] 所述第二步中，贴片模板是由硬纸张或
铝箔制成，模板上贴阻尼片位置的材料通过手工用
钢尺与美工刀相结合的办法将其去掉。
[0027] 所述第三步中，阻尼薄膜是在平板硫化机上进行，按照阻尼材料混炼工艺制备足够量的混炼胶，将混炼胶在开炼机上压出薄片，将压片模具放在平板硫化机上预热，设置预热温度为180℃与粘弹性材料的硫化温度一致；将混炼胶薄片剪成长条，待模具温度达到180℃并稳定后，然后将条状的混炼胶薄片均匀铺入模具中央；设置硫化时间为4min，待硫化时间到达后，将部分硫化后的胶料薄片取下冷却形成阻尼薄膜。
[0028] 压片法制作阻尼薄膜请参照
专利：《嵌入式共固化高阻尼复合层合材料结构的制作工艺》，ZL201010177278.8
[0029] 本发明中阻尼片材料采用中国专利ZL201210030874.2《嵌入式高温共固化大阻尼复合材料及其制备工艺》中的材料制备，具体配方的成份
质量份数比为：丁基
橡胶92.5-93.5份；氯化丁基橡胶6.5-7.5份；氯化聚乙烯2.9-3.1份；
氧化锌3.9-4.1份；
硬脂酸0.8-1份；
炭黑50-52份；辛基
酚醛树脂5.9-6.1份。采用丁基橡胶、氯化丁基橡胶为主要原料制成粘弹性材料。
[0030] 所述第四步中，阻尼薄膜裁剪成所需要的网格阻尼片，使用一个截面与网格阻尼片大小相等并由工具钢板制成的矩形管，该矩形管的开口处加工成刀刃状，用该刀刃裁切阻尼薄膜，就将阻尼薄膜制成了网格阻尼片。
[0031] 所述第五步中，粘流态阻尼胶料制作，首先将与阻尼薄膜组分一致的混炼完成后的混炼胶置于开炼机上压出1mm厚薄片，并将混炼胶薄片剪成10mm宽的胶条，再将定体积的溶剂120号汽油倒入大烧杯中，按照质量比1:5计算所需混炼胶薄片胶条的质量，并用
电子天平称取，然后将称取的混炼胶的胶条放置于溶剂汽油中，密封放在室温环境中存放24小时使其完全溶解形成粘流态阻尼胶料。
[0032] 所述第六步中，阻尼片粘附，将所得的阻尼片上下两面用粘流态阻尼材料溶液粘附在上下两片复合材料预浸料之间，实施时，首先用
胶带或粘结剂将贴片模板固定在复合材料预浸料上，但要容易取下，且不留残余，根据贴片模板确定好的阻尼片黏贴位置，将粘流态阻尼均匀的刷在复合材料预浸料上或/和阻尼片上，并将阻尼片贴在贴片模板的网格中的相应位置上，要保证每片阻尼片与对应位置完全吻合，且与复合材料预浸料之间无空隙；逐片贴好后，放置
通风良好的环境中10min，待阻尼片粘结牢固后，把贴片模板小心取下，切勿使阻尼片发生移动；然后在每块阻尼片的上表面快速均匀的刷上粘流态阻尼胶料，将另一层复合材料预浸料贴在阻尼片的上表面，完成阻尼小片的黏贴。
[0033] 本发明的有益效果是，利用压片法制得了阻尼薄膜，它是在模具中热压成形的，其厚度可以得到很好的控制，并且可通过控制压片工艺参数控制其硫化程度，确保阻尼薄膜的剩余硫化时间与复合材料预浸料的固化时间一致。
[0034] 嵌入式共固化网格阻尼复合材料结构是一种阻尼各项异性结构，就是将具有周期性排布的阻尼片阵列共固化在复合材料构件中。这种周期性的阻尼片阵列，可通过调整每片形状和面积以及阵列中片与片间横向和纵向距离，就能精确调整嵌入式共固化网格阻尼复合材料构件的各向阻尼系数，实现阻尼系数在不同方向的精确控制，使复合材料结构的阻尼在不同方向上精确可设计，这一发明在许多高科技领域将会有广泛的应用前景。
[0035] 本发明中的粘流态阻尼材料是阻尼薄膜与预浸料间的过渡层。在共固化之前，粘流态阻尼胶料的作用主要是将阻尼片固定在复合材料预浸料上。当粘流态阻尼胶料溶液中的溶剂挥发后，形成未硫化的过渡层，这种阻尼层由于有很多不饱和键的存在，在与预浸料共固化的过程中会与预浸料发生化学反应形成交联键，最终形成互穿网络结构(IPN)，本专利实施时使用材料的功能团之间的化学反应如图3所示。而未硫化的阻尼层与压片制得的部分硫化的阻尼层也有很好的亲和作用，在共固化过程中会同时硫化，两层阻尼层中的小分子会相互反应通过化学键交联成大分子结构，其化学反应如图4所示。由此可见，由于过渡层的存在，压片阻尼层与预浸料可以通过化学键间的间接结合，用层间过渡法提高网格阻尼片与复合材料预浸料之间的结合力，从而大大改善嵌入式共固化复合材料结构的力学性能。
附图说明
[0036] 图1嵌入式共固化网格阻尼层复合材料结构；
[0037] 图2阻尼片分布方式；
[0039] 图4丁基橡胶硫化机理；
[0040] 图5贴片阻尼的位置模板；
[0041] 图6压片阻尼薄膜；
[0042] 图7切阻尼片模具；
[0044] 图9网格阻尼片；
[0045] 图10粘流态阻尼胶料；
[0046] 图11层间过渡法铺设阻尼片示意图；
[0047] 图12层间过渡法铺设阻尼层实物；
[0048] 图13嵌入式共固化网格阻尼复合材料制作工艺
流程图。
[0049] 其中1.上复合材料预浸料层，2.块状阻尼片，3.下复合材料预浸料层，4.矩形管，5.刃口，6.粘流态阻尼胶料。
具体实施方式
[0050] 下面结合附图和
实施例对本发明作进一步说明。
[0051] 本发明实际解决了三个问题：提出了嵌入式共固化复合材料几种不同的网格阻尼层结构，探索了使用层间过渡法制作嵌入式共固化网格阻尼层复合材料结构的可性能，开发了一套制作嵌入式共固化网格阻尼层复合材料结构的工艺，下面结合附图1至图13和实施例对本发明作进一步说明。
[0052] 嵌入式共固化网格阻尼复合材料结构对于不同网格阻尼阵列的嵌入其复合材料会有不同的力学性能。根据网格阻尼片的分布方式不同本发明将这种结构划分为三种：顺排式、中分叉排式、非中分叉排式，具体如图2所示，若将该结构放入坐标系中，顺排式即每行阻尼片形心的纵坐标对应相等，每列阻尼片形心的横坐标对应相等，如图2(a)所示；中分叉排式，阻尼片形心的横(纵)坐标对应相等，阻尼片关于相邻列的行(列)间距的中线对称，如图2(b)所示，b1＝b2；非中分叉排式，其阻尼片形心横(纵)坐标对应相等，阻尼片关于相邻列的行(列)间距的中线不对称,如图2(c)所示，b1≠b2。在相同网格阻尼片的情况下，按照不同的排列方式，整个结构阻尼的各向异性性能是不同的。
[0053] 具体可以分为下述三个实例：
[0054] 实施例1：
[0055] 一种嵌入式共固化网格阻尼复合材料结构，包括上复合材料预浸料层1和下复合材料预浸料层3，上、下复合材料预浸料层1、3之间通过粘流态阻尼胶料6粘结有若干形状大小相同的块状阻尼片2；所述上、下复合材料预浸料层1、3和若干块状阻尼片2以及分别铺设于上、下复合材料预浸料层1、3上、下方的复合材料预浸料共同在热压罐中共固化形成嵌入式共固化网格阻尼复合材料构件；
[0056] 所述若干块状阻尼片2成矩阵式排列，即将若干块状阻尼片放入坐标系中，每行阻尼片的中心的纵坐标对应相等，每列阻尼片中心的横坐标对应相等。
[0057] 实施例2：
[0058] 一种嵌入式共固化网格阻尼复合材料结构，包括上复合材料预浸料层1和下复合材料预浸料层3，上、下复合材料预浸料层1、3之间通过粘流态阻尼胶料6粘结有若干形状大小相同的块状阻尼片2；所述上、下复合材料预浸料层1、3和若干块状阻尼片2以及分别铺设于上、下复合材料预浸料层1、3上、下方的复合材料预浸料共同在热压罐中共固化形成嵌入式共固化网格阻尼复合材料构件；
[0059] 所述若干块状阻尼片呈整齐的行或列放置，在坐标系中，相邻行中上下相对应的两块阻尼片的中心横坐标不相等，但是相间行中上下相对应的两块阻尼片的中心横坐标相等；上一行中相邻两块阻尼片之间间隙的中分线正好穿过相邻下一行中相对应的一块阻尼片的中分线；
[0060] 或者相邻列中左右相对应的两块阻尼片的中心横坐标不相等，但是相间列中左右相对应的两块阻尼片的中心横坐标相等；左列中相邻两块阻尼片之间间隙的中分线正好穿过相邻右列中相对应的一块阻尼片的中分线。
[0061] 实施例3：
[0062] 一种嵌入式共固化网格阻尼复合材料结构，包括上复合材料预浸料层1和下复合材料预浸料层3，上、下复合材料预浸料层1、3之间通过粘流态阻尼胶料6粘结有若干形状大小相同的块状阻尼片2；所述上、下复合材料预浸料层1、3和若干块状阻尼片2以及分别铺设于上、下复合材料预浸料层1、3上、下方的复合材料预浸料共同在热压罐中共固化形成嵌入式共固化网格阻尼复合材料构件；
[0063] 所述若干块状阻尼片呈整齐的行或列放置，在坐标系中，相邻行中上下相对应的两块阻尼片的中心横坐标不相等，但是相间行中上下相对应的两块阻尼片的中心横坐标相等；上一行中相邻两块阻尼片之间间隙的中分线与相邻下一行中相对应的一块阻尼片的中分线相错位；
[0064] 或者相邻列中左右相对应的两块阻尼片的中心横坐标不相等，但是相间列中左右相对应的两块阻尼片的中心横坐标相等；左列中相邻两块阻尼片之间间隙的中分线与相邻右列中相对应的一块阻尼片的中分线相错位。
[0065] 在制作工艺上，本发明将压片法和刷涂或
喷涂法相结合，提出使用层间过渡法制作嵌入式共固化网格阻尼层复合材料结构，其过渡层的分子官能团既能和双马树脂(或
环氧树脂)官能团发生反应，同时能与部分硫化的阻尼片表面分子发生硫化反应，形成互穿网络结构，在提高了压片法的层间结合力同时，克服了刷涂或喷涂法制作阻尼薄膜的厚度不均匀的问题，具体的化学反应式如图3和图4所示。
[0066] 在具体实施中，本发明使用层间过度法制作嵌入式共固化网格阻尼复合材料结构的工艺过程，主要分八步，包括：设计阻尼结构、制作贴片模板、压制阻尼薄膜、制作阻尼小片、粘流态阻尼胶料制作、阻尼片粘附、溶剂挥发、最终成型。下面结合具体实施例和实施的具体工艺参数做具体说明：
[0067] 第一、设计阻尼结构，根据所需要的嵌入式共固化网格阻尼复合材料的性能选择阻尼片的分布方式、设计阻尼片的大小和间距的尺寸；
[0068] 第二、制作贴片模板，根据设计的阻尼结构制作如图5所示的贴片模板，这里仅制作了顺排式和中分叉排式的贴片模板。制作贴片模板前要选择合适的材料，其材料应该是质地较软且不与阻尼材料、复合材料发生化学反应或物理粘结的材料，如硬纸张、铝箔等；再确定模板整体尺寸，模板与复合材料预浸料的尺寸大小一致；然后根据所设计阻尼片的尺寸、间距以及边距的大小绘制出网格图；最后将对应要贴阻尼片位置的材料去除掉，手工去除模板材料可以用钢尺和美工刀完成。
[0069] 第三、压制阻尼薄膜，利用压片法制得一定厚度的阻尼薄膜如图6所示，这里阻尼薄膜的制作是在平板硫化机上进行，其硫化时间、硫化温度和工作压力的确定要确保阻尼薄膜有不大于30％的硫化程度下并且在结膜时不至于阻尼薄膜和模具发生粘联，确保结膜顺畅不
变形。具体实施时，按照阻尼材料混炼工艺制备足够量的混炼胶，将混炼胶在开炼机上压出薄片。将模具放在平板硫化机上预热，设置预热温度为180℃(这个温度要与粘性材料的硫化温度一致)。将胶料剪成长条，待模具温度达到180℃并稳定后，然后将条状的混炼胶均匀铺入模具中央。设置硫化时间为4min，待硫化时间到达后，将阻尼薄膜取下并冷却。根据阻尼材料在180℃的硫化曲线可知，硫化时间为4min时其硫化程度不大于30％。
[0070] 第四、制作阻尼小片，将所制得的阻尼薄膜裁剪成所需要的网格阻尼小片的尺寸，这里使用的切片模具如图7所示,使用一个截面与网格阻尼片大小相等并由工具钢板制成的矩形管4，该矩形管的开口处加工成刀刃状5，用该刀刃裁切阻尼薄膜，就将阻尼薄膜制成了网格阻尼片2。在图6的阻尼薄膜上冲出阻尼片如图8和9所示。
[0071] 第五、粘流态阻尼胶料制作，如图10所示。首先将混炼完成后的胶料(要与压片胶料组分一致)置于开炼机上压出1mm厚薄片，并将胶片剪成10mm宽的胶条，再将定体积的溶剂120号汽油倒入大烧杯中，按照质量比1:5计算所需混炼胶的质量，并用电子天平称取，然后将称取的混炼胶的胶条放置于溶剂汽油中，密封放在室温环境中存放24小时使其完全溶解，搅拌后方可用于刷涂。制备粘流态阻尼胶料时，为保证粘流态阻尼层的厚度远小于压片阻尼厚度，溶质与溶剂的质量浓度小于一般刷涂工艺所用的粘流态阻尼胶料浓度。
[0072] 第六、阻尼片粘附，将所得的阻尼片上下两面用粘流态阻尼材料溶液粘附在上下两片复合材料预浸料之间，如图11所示，实施时首先用胶带或其它粘结剂将贴片模板固定在复合材料预浸料上，但要容易取下，且不留残余，根据模板确定好阻尼片黏贴位置，将粘流态阻尼胶料均匀地刷在复合材料上或/和阻尼小片上，并将阻尼片贴在相应位置上，要保证每片阻尼块与对应位置完全吻合，且与复合材料之间没有空隙。逐片贴好后，放置通风良好的环境中10min，待阻尼片粘结牢固后，把贴片模板小心取下，切勿使阻尼片发生移动。然后在每片阻尼块的上表面快速均匀地刷上粘流态阻尼胶料，将另一层复合材料预浸料贴在阻尼片的上表面，完成阻尼小片的黏贴。图12是用层间过渡法制造出的网格阻尼层实物。
[0073] 第七、溶剂挥发，将第六步制成的半成品放在通风良好的环境中放置12-24小时，使粘流态阻尼材料中的溶剂挥发掉，溶剂挥发过程中要注意防火。如果大批量生产，也可以使用湿式加热将粘流态阻尼材料中的溶剂回收再利用。
[0074] 第八、最终成型，将带网格阻尼片的复合材料预浸料和不带网格阻尼片的复合材料预浸料按照设计要求的顺序一起铺设好，放入热压罐中，根据复合材料预浸料的固化工艺曲线最终制成嵌入式共固化网格阻尼复合材料构件。共固化过程中丁基橡胶与树脂发生化学反应形成交联键，丁基橡胶硫化过程中小分子交联形成大分子结构，其反应原理如图3和图4所示的反应方程式。
[0075] 本发明利用压片法制得了阻尼薄膜，它是在模具中热压成形的，其厚度可以得到很好的控制，并且可通过控制压片工艺参数控制其硫化程度，确保阻尼薄膜的剩余硫化时间与复合材料预浸料的固化时间一致，用层间过渡法提高网格阻尼片与复合材料预浸料之间的结合力，从而大大改善了嵌入式共固化网格阻尼复合材料结构的力学性能。整个实施的工艺流程参见图13。
[0076] 上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种
修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
