基于仿生螺旋堆叠序列的亚麻纤维增强复合材料在冻融循环条件下的阻尼性能研究

《Composites Communications》：Investigation on damping performance of flax fiber reinforced composites with bio-inspired spiral stacking sequences under freeze-thaw cycling

螺旋层叠结构亚麻纤维复合材料冻融循环湿热环境下阻尼性能研究。实验与有限元分析表明螺旋配置通过多尺度能量耗散提升振动阻尼达50%，但长期冻融导致纤维基体界面退化，阻尼性能下降。提出界面改性及矩阵优化可提升湿热稳定性。

　　

Jinzhe Zhang|Songli Tan|Bo Wen|Zhen Zhang|Yan Li|Yiu-Wing Mai|Qian Li

同济大学航空航天工程与应用力学学院，上海200092，中国

摘要

为了开发具有增强环境适应性的高性能阻尼结构，用于航空航天应用，系统研究了在冻融循环条件下，采用仿生螺旋堆叠序列的亚麻纤维增强复合材料的阻尼行为和协同能量耗散机制。首先，在不同的湿热环境下对具有不同堆叠配置的复合材料的动态性能进行了实验表征，以评估其振动和阻尼响应。随后，考察了复合材料在冻融循环和水浸条件下的环境适应性，以阐明纤维-基体界面的演变。最后，通过基于有限元的机理分析，探讨了结构振动行为并揭示了螺旋堆叠配置所固有的多尺度能量耗散机制。结果表明，采用仿生螺旋堆叠序列可以显著提高振动能量耗散性能，这归因于多方向纤维取向之间的协同作用。短期湿热暴露下，复合材料的阻尼性能通过增强的界面滑移机制得到改善；而长期冻融循环会导致纤维-基体界面退化，从而降低阻尼能力。机理分析进一步证实，螺旋堆叠配置通过多尺度能量耗散途径有效抑制了复杂振动模式下的结构共振。这些发现为开发可持续的高阻尼复合材料提供了宝贵的理论见解和实际设计指南，适用于航空航天振动控制应用。

引言

随着全球环境问题日益严重以及可持续发展原则的广泛采用，绿色和环保材料的研究与应用受到了广泛关注[1]、[2]。由于轻质和高强度的优势，纤维增强复合材料在航空航天、铁路运输等领域得到广泛应用。然而，合成纤维的生产需要大量资源和能源，且相关废物的回收和处理问题尚未得到充分解决。相比之下，植物纤维作为一种环保替代品，在全球范围内丰富且易于获取[3]。世界各国正在积极探索植物纤维增强复合材料（PFRCs）在航空领域的应用，旨在促进低碳排放和绿色航空发展。

在飞机运行过程中，空气动力、惯性和弹性力的耦合作用会引起自激振动和强迫振动，这些振动会影响乘客舒适度并对结构完整性构成潜在风险。因此，在内部结构设计和材料选择时应考虑阻尼和减振能力。与合成纤维相比，植物纤维在其细胞壁层和微纤维亚层中具有分层界面和管状结构，这些结构特性为能量耗散提供了额外途径，赋予PFRCs优异的固有阻尼性能[4]。然而，PFRCs的多尺度结构和亲水性导致其在湿热条件下的阻尼机制复杂，难以预测和控制其长期性能[5]、[6]。目前关于PFRCs在湿热环境下阻尼行为的研究仍然有限。因此，深入研究湿热条件对PFRCs阻尼特性及其潜在机制的影响对于优化材料设计和提高环境适应性至关重要[5]。

关于环境对复合材料阻尼性能的影响，Zai等人[7]对碳纤维增强环氧复合材料进行了动态响应测试，使用半功率带宽方法估算了损耗因子。研究发现，随着水分含量的增加，阻尼显著提高。相比之下，动态储能模量受影响较小，仅随水分含量下降而略有降低。Berges等人[8]通过拉伸试验和自由振动分析研究了单向亚麻纤维增强环氧复合材料的力学和阻尼行为。由于水分吸收，拉伸应力-应变曲线发生了显著变化，动态弹性模量降低了20%，而阻尼比增加了50%。Cheour等人[9]评估了水老化后亚麻纤维增强复合材料（FFRCs）的阻尼性能变化。观察到复合材料的阻尼系数随着水分吸收和特定纤维取向的增加而增加。研究表明，通过适当的界面改性和基体优化可以提高湿热条件下的阻尼稳定性。

为了充分利用植物纤维的固有阻尼优势，并开发适用于航空航天减振结构的环保复合材料，本研究设计了一种仿生螺旋层压配置。与传统交叉层压或准各向同性层压不同，所提出的螺旋堆叠基于连续变化纤维取向的概念，这在层压厚度上产生了多方向耦合效应。这种分级旋转结构促进了层间应力的更均匀分布，增强了界面摩擦和微观滑移激活，从而提高了振动能量耗散能力，超越了传统对称铺设方式所能达到的效果。因此，将螺旋结构引入植物纤维增强复合材料中，为将天然纤维的固有分层阻尼机制与结构级能量耗散相结合提供了机会。系统研究了在湿热和冻融循环条件下，采用仿生螺旋堆叠序列的FFRCs的阻尼特性和机制。通过使用激光3D扫描多普勒振动仪进行实验模态分析和有限元模拟，研究了层间角度对阻尼性能的影响。此外，通过ABAQUS用户材料子程序（UMAT）将三维复杂刚度矩阵集成到有限元模型中，阐明了多尺度能量耗散机制。对复合材料在水浸和冻融循环下的环境适应性进行了关键评估，揭示了界面演变及其对阻尼性能的影响。总体而言，本工作的贡献不在于引入新的建模技术本身，而在于在对水分敏感的植物纤维复合材料系统中系统地传递和验证了仿生螺旋结构，从而为摩擦主导的阻尼机制和与可持续航空航天结构相关的性能演变提供了新的见解。这些发现有望为PFRCs在具有严格振动减振和环境抵抗要求的航空航天内部结构中的应用提供重要的理论基础和实际设计指南。

材料

单向亚麻织物（LINEO）/环氧预浸料（UD110），面积密度为220 g/m2，由法国EcoTechnilin公司提供。该材料属于FLAXPREG T-UD系列，基于LINEO开发的环氧树脂系统和单向亚麻纤维增强（FlaxTape?）。制备样品的纤维体积含量为51.18%。

样品制备

FFRC层压板通过真空热压工艺使用36层预浸料制成，以满足指定的层压要求

复杂刚度方法

复杂刚度方法是分析复合材料动态行为的基本方法，主要基于弹性-粘弹性对应原理。对于层压板的阻尼分析，可以通过两种主要策略实现。第一种策略应用对应原理以复杂形式表达材料刚度矩阵。然后使用经典层压理论计算层压板的等效复杂刚度矩阵

层间角度对干燥状态下仿生螺旋FFRCs阻尼比的影响

如表3所示，在室温下测量了不同层间角度的仿生螺旋FFRCs的阻尼比。FFRC-SH、FFRC-DH和FFRC-QH的阻尼比显著高于FFRC-CP和其他FFRCs，比FFRC-CP提高了50%。需要注意的是，报告的阻尼改善（例如相对于FFRC-CP提高了61%）是基于实验模态分析确定的第一弯曲模式进行评估的

结论

本研究系统研究了植物纤维增强复合材料的阻尼性能优化和环境适应性。采用综合实验和有限元仿真方法，研究了仿生螺旋层压设计对湿热条件下亚麻纤维增强复合材料（FFRCs）阻尼行为的影响。主要结论总结如下：

(1)

阻尼性能显著提高

作者贡献声明

Bo Wen：可视化、研究、形式分析。Zhen Zhang：撰写 – 审稿与编辑、监督、方法论。Jinzhe Zhang：撰写 – 初稿、可视化、验证、软件、方法论、研究、形式分析、数据管理、概念化。Songli Tan：撰写 – 审稿与编辑、可视化、软件、方法论、研究。Qian LI：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源管理、项目管理、方法论、研究、资金支持

数据可用性

数据可应要求提供。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了上海市自然科学基金（编号23ZR1466100）、上海市航空航天学会技术创新研究项目、国家自然科学基金（NSFC）青年科学家基金（编号12302183）、CAST青年精英科学家资助计划（2023QNRC001）的支持，以及同济大学的中央高校基本研究基金的支持，同时还得到了的技术协助