橡胶是一种重要的粘弹类阻尼材料,已广泛应用于航空、航天、交通、机械、建筑等领域。但是,橡胶力学性能较差,很难单独作为结构材料直接使用。为了在不损失橡胶阻尼性能的同时提高其力学性能,实现结构-功能一体化,根据复合材料力学理论和阻尼机理,设计了一种由玻璃纤维(GF)、铅(Pb)和橡胶(R)组成的新型阻尼复合材料——玻璃纤维芯铅网(丝)增强橡胶复合材料(GF/Pb/R)。本课题对四种增强方式的复合材料依次进行了系统研究,它们是:GF/Pb网横向增强橡胶复合材料(H-GF/Pb/R)、GF/Pb网纵向增强橡胶复合材料(V-GF/Pb/R)、短GF/Pb丝增强橡胶复合材料(S-GF/Pb/R)和连续GF/Pb丝增强橡胶复合材料(T-GF/Pb/R)。采用力滞回线法和振动法考察了复合材料在承受压缩载荷和剪切载荷时的力学性能和阻尼性能,分析了复合材料中存在的阻尼机制。结果表明:使用GF/Pb网(丝)作为增强相能够有效地提高复合材料的压缩力学性能和阻尼性能,但对剪切性能提高效果不明显。复合材料阻尼是多种阻尼机制共同作用的结果,包括材料阻尼、界面微滑移阻尼、Pb的微观塑性变形阻尼。各种阻尼机制对复合材料阻尼性能的贡献与界面面积、界面结合强度等因素有关。本课题还分别研究了频率、复合结构、GF/Pb网(丝)体积分数、GF/Pb网铺层位置和相邻铺层间夹角、组元性能和使用条件等因素对四种复合材料力学性能和阻尼性能的影响,并根据实验结果确定了制备各种复合材料的最佳参数,以及发挥GF/Pb网增强作用的最佳复合结构。不同GF/Pb网(丝)用量对复合材料性能影响的研究结果表明:H-GF/Pb/R和V-GF/Pb/R的压缩刚度和阻尼性能随着GF/Pb网体积分数的增加而提高,其剪切性能受GF/Pb网体积分数的影响不明显;T-GF/Pb/R的动刚度随着GF/Pb丝体积分数的增加而提高,其损耗因子却随GF/Pb丝体积分数增大略为降低。不同铺层结构对GF/Pb网增强橡胶复合材料性能影响的研究结果表明:H-GF/Pb/R的压缩动刚度和阻尼性能随着铺层结构的改变略有差别,当GF/Pb网位于样品中部时,H-GF/Pb/R的综合性能最佳。GF/Pb网铺层间夹角对V-GF/Pb/R的压缩力学性能和阻尼性能影响较小,其中以铺层间夹角为0°、GF/Pb网均匀铺层的复合材料性能最高。GF/Pb丝与橡胶间的界面结合强度对复合材料性能影响的研究结果表明:载荷作用前后的界面状态随界面结合强度的强弱而改变,故GF/Pb丝与橡胶间的界面结合强度成为影响复合材料性能的重要因素。界面结合较弱时,界面处的脱粘区域在受到循环载荷作用后迅速扩展;界面结合较强时,GF/Pb丝与橡胶在受力作用后仍然能够保持紧密结合状态。界面状态的差别导致了复合材料性能的差别,H-GF/Pb/R和V-GF/Pb/R的压缩力学性能随着界面结合强度的提高而提高,而损耗因子的变化较复杂。H-GF/Pb/R的阻尼性能按照界面弱结合、强结合、中等强度结合的顺序提高;V-GF/Pb/R的阻尼性能按照界面中等强度结合、强结合、弱结合的顺序提高。研究了金属组元和直径不同的GF/Pb丝的物理性能及它们所增强的复合材料力学性能和阻尼性能,结果发现:纯Pb比PbSn合金更容易发生微观塑性变形,形成较多的变形能耗,因此,用金属组元为纯Pb的GF/Pb丝制备的的复合材料阻尼性能较高。复合材料中的界面面积、GF/Pb丝分布状态随着GF/Pb丝直径的改变而变化,从而,复合材料的力学性能和阻尼性能也随之改变。GF/Pb网铺层数量相同时,H-GF/Pb/R和V-GF/Pb/R的力学性能和阻尼性能均随GF/Pb丝直径的增大而提高;GF/Pb丝体积分数相同时,GF/Pb丝直径对S-GF/Pb/R力学性能和阻尼性能影响不大,T-GF/Pb/R力学性能随着GF/Pb丝直径的增加而降低,而阻尼性能呈非线性变化。研究了四种复合材料在不同测试条件下的性能,考察了它们在不同使用环境中的减振效果。结果表明:H-GF/Pb/R和V-GF/Pb/R的压缩动刚度和阻尼性能随着预压缩量的增大而提高,随着振幅的增大而降低。复合材料动刚度随着频率的提高而提高。当f<8Hz时,阻尼性能随着频率的提高而提高;8Hz时达到峰值;之后,损耗因子随着频率提高而减小。比较了四种复合材料的力学性能和阻尼性能增强效果,结果表明:H-GF/Pb/R和V-GF/Pb/R的力学性能增强作用较高,V-GF/Pb/R的阻尼增强效果最好。在3~20Hz范围内,GF/Pb网(丝)体积分数为4%时,H-GF/Pb/R样品和V-GF/Pb/R样品的动刚度提高率相当,分别为53%~57%、48%~50%;V-GF/Pb/R的阻尼性能提高率可达到24%~47%。GF/Pb网增强橡胶复合材料的纵向压缩性能比横向压缩性能高,且横向剪切性能比纵向剪切性能高。当压缩载荷作用于V-GF/Pb/R时,复合材料良好的纵向压缩性能和横向剪切性能将同时发挥作用,使其表现出比H-GF/Pb/R更加优异的力学性能和阻尼性能。因此,GF/Pb网纵向增强橡胶复合材料比GF/Pb网横向增强橡胶复合材料更加有利于发挥GF/Pb网的增强作用。借助于有限元软件ANSYS,建立了由橡胶层与GF/Pb网增强橡胶薄层交替铺层构成的简化复合材料有限元模型和GF/Pb丝增强橡胶“单元胞”模型。根据能量法,利用有限元分析所得到的单元应变能预测了复合材料的力学性能和阻尼性能,所得结果与实验值比较吻合。同时分析了界面层的厚度、模量和阻尼性能对复合材料阻尼性能的影响,结果表明:只有当界面相模量高于1.25×108Pa时,复合材料阻尼性能才有可能提高,且界面层的阻尼性能比界面层的模量和厚度对复合材料阻尼性能影响更加明显。最后,为了考察GF/Pb网(丝)增强橡胶复合材料的工程减振效果,按照四种复合方式的优化结构参数和材料参数制备了复合样品,并模拟复合材料的实际应用环境进行了振动测试。结果表明:在3-20Hz范围内,H-GF/Pb/R的动刚度提高率可达到165%~198%,V-GF/Pb/R损耗因子提高率可达到42%~68%。使用复合材料的系统振动传递率仅是使用橡胶系统的一半,显示出了优良的减振效果。另外,将GF/Pb网复合材料应用于某铁道轨枕垫产品中,不仅解决了使用天然橡胶所引起的产品刚度和绝缘性能无法同时满足要求的问题,满足了工程应用要求,而且降低了生产成本。