宏观纤维复合材料界面改性用于主动低频振动抑制

《Materials》：Interfacial Modification of Macro Fiber Composites for Active Low-Frequency Vibration Suppression

　　

摘要

广泛应用于飞行器中的薄壁材料的低频振动可能导致飞行器部件的致命损伤甚至严重事故。尽管利用宏观纤维复合材料（MFC）进行主动振动抑制具有应用前景，但MFC内部薄弱的界面——特别是压电陶瓷、聚合物基体与叉指电极之间的界面——严重制约了其致动应变和有效抑制带宽，限制了其在宽带气动激励下的工程应用。本研究提出了一种基于MFC的集成传感与作动功能的自主反馈器件。为攻克上述瓶颈，研究人员通过结合等离子体蚀刻与多巴胺仿生改性的复合界面改性策略，突破了MFC致动器的性能限制。界面改性使MFC的最大致动应变从915 με提升至1105 με（增幅达20.8%）。当应用于铝制悬臂梁时，在共振频率（75 Hz）处实现了98.11%的振动抑制比，有效抑制带宽（抑制比＞50%）达到77 Hz。值得注意的是，该策略对铝、不锈钢和碳纤维基体均有效，三种材料上均实现了同等高效的宽带振动抑制。由此为充分发挥MFC在航空航天应用中低频、宽带主动振动控制的潜力提供了一条强有力的途径。

# 论文解读：基于界面改性的宏观纤维复合材料主动低频宽带振动抑制研究

## 一、研究背景与研究意义

飞行器中广泛采用的薄壁结构（如机翼蒙皮和机身壁板）在服役过程中承受着强烈的宽带气动噪声和振动载荷，其中200 Hz以下的低频分量尤为关键，因其与低阶结构模态重叠，极易诱发共振疲劳，对飞行安全和结构完整性构成严重威胁。在现代直升机和旋翼飞行器中，旋转气动激励使得此类低频振动问题更为突出。尽管现有振动控制技术各具优势——被动隔离/阻尼方法在高频段可靠有效但在低频段受限于附加质量过大；半主动控制方法功耗低但鲁棒性不足且抑制比通常低于50%；主动控制方法（如高阶谐波控制HHC和单桨叶控制IBC）低频效率高但硬件复杂、成本高昂——然而压电智能结构主动控制凭借其响应快、集成度高和优异的低频抑制效率成为一种极具潜力的方案。但压电致动器的致动应变输出有限，这一瓶颈制约了有效抑制带宽的扩展。

宏观纤维复合材料（MFC）结合了压电陶瓷的高致动能力和聚合物的柔韧性，在薄壁结构振动抑制中展现出独特优势。MFC由矩形压电陶瓷纤维、环氧树脂基体和叉指电极构成，以d₃₃模式工作，沿纤维长度方向利用压电效应产生显著的致动应变。然而，MFC作为一种典型的多界面复合材料，其纤维/聚合物界面和电极/聚合物界面的结合质量直接影响载荷传递效率。界面脱粘和微孔洞等缺陷会导致致动应力无法有效传递，严重时甚至导致致动器完全失效。以往研究多集中于界面缺陷的表征与被动防护，从界面应力传递的力学本质出发、主动工程化界面以提升MFC致动线性度和宽带抑制性能的系统性研究仍然匮乏。

## 二、研究内容与总体贡献

本研究突破了传统的“材料组分优化”思维定式，从界面应力传递机制入手，提出了等离子体蚀刻与多巴胺仿生改性相结合的复合界面改性策略，以提升MFC的综合振动抑制性能。该研究建立的剪切滞后模型揭示了一个重要机制：当纤维长度远大于应力传递特征长度时，应力传递效率已接近理论上限，界面改性的核心贡献并非提升该效率的绝对值，而是通过显著抑制微观界面滑移和非线性迟滞，使极化增强的本征应变以高线性方式传递至MFC宏观表面。

在实验验证方面，界面改性使MFC的剩余极化强度从6.9 μC/cm2提升至7.8 μC/cm2，最大致动应变从915 με提升至1105 με（增幅20.8%），S-E曲线低场区的“缩颈”现象显著减弱，线性度R2＞0.99。当应用于铝制悬臂梁时，在75 Hz共振频率处实现了98.11%的振动抑制比，有效抑制带宽达到77 Hz，较研究团队前期工作的52 Hz提升了48.1%。该方法在铝、不锈钢和碳纤维三种典型航空航天薄壁材料上均实现了高效宽带抑制。该论文发表在《Materials》期刊上，为航空航天薄壁结构的低频宽带主动振动控制提供了新思路和新方法。

## 三、关键技术方法

研究人员采用了以下主要技术方法：（1）剪切滞后理论建模——建立适用于MFC周期性层合结构的界面剪应力传递模型和界面脱粘力学判据，从理论上阐明界面改性的力学机制；（2）复合界面改性工艺——采用O₂等离子体处理（50 Pa，100 W，10 min）结合多巴胺溶液浸涂（2 mg/mL，pH 8.5，24 h）的表面改性方法，在PZT-5H纤维与环氧树脂之间构建强化学键合；（3）电铁电性能表征——通过P-E回线、单极S-E曲线和SEM断面形貌分析系统评价界面改性效果；（4）集成主动振动抑制系统——自研MFC集成传感（MFC-1）与致动（MFC-2）功能，配合PID控制算法和高压放大系统，在三种基体材料上进行振动台激励下的抑制性能测试。

## 四、研究结果

本节依据论文的研究结果分层阐述。

### 4.1 界面改性对MFC性能的影响

实验结果表明，单独等离子体处理后MFC的剩余极化强度从6.9±0.3 μC/cm2提升至7.8±0.4 μC/cm2（n=5，p＜0.05），最大极化强度从8.9±0.4 μC/cm2提升至10.4±0.5 μC/cm2（n=5，p＜0.05）。等离子体与多巴胺联合处理后，最大致动应变显著提升至1105±10 με（n=5，p＜0.01），较未处理样品的915±8 με提升了20.8%。S-E曲线分析显示，联合处理后低场区的“缩颈”现象明显减弱，曲线呈现高度线性（R2＞0.99），表明非线性迟滞得到了有效抑制。SEM断面形貌观察显示，未处理样品在陶瓷/环氧界面存在明显的孔洞和脱粘；单独等离子体处理后界面间隙减小但仍有微裂纹残留；联合处理后界面结合致密、无可观察间隙，界面处可见厚度小于20 nm的聚多巴胺（PDA）薄层。

### 4.2 界面优化MFC的性能表征

传感性能测试表明，MFC-1的传感电压信号与基体驱动位移信号具有完全一致的峰谷位置和频率，能够精确检测基体中的特定频率振动信号。在不同基体材料上的灵敏度测试中，铝基体（75 Hz）上灵敏度达18.38 V/g，不锈钢基体（70 Hz）为3.62 V/g，碳纤维基体（99 Hz）为4.26 V/g，其中铝基体上的灵敏度最高，归因于与压电陶瓷更好的机械阻抗匹配。致动性能方面，MFC-2的驱动变形与输入控制电压表现出优异的频率和相位同步性，驱动电压从0线性增加至1000 V时输出应变呈线性增长（R2＞0.99），验证了卓越的电压-应变线性响应特性。

### 4.3 界面优化后的振动抑制性能

在三种基体材料上（振动噪声激励5 m/s2）的抑制测试表明，铝、不锈钢和碳纤维基体分别在各自的共振频率75 Hz、70 Hz和99 Hz处达到最高抑制比98.11%、89.93%和81.63%。在相同的非共振激励频率（50 Hz）下，三种基体的抑制比存在显著差异：铝为81.57%，不锈钢为58.34%，碳纤维仅为22.21%。这一差异可从机械阻抗匹配、模态耦合、MFC布置位置、粘接层性能和基体固有阻尼等角度加以解释。铝的声阻抗（约17 MRayl）与PZT-5H（约30 MRayl）最为接近，驱动能量注入效率最高；碳纤维基体（约9 MRayl）阻抗失配最大，导致驱动能量部分反射。

### 4.4 宽带抑制性能评估

有效抑制带宽（抑制比＞50%的频率范围）测量结果表明，铝基体为77 Hz（约35 Hz至112 Hz），不锈钢基体为53 Hz，碳纤维基体为42 Hz。与前期工作（铝基体抑制比82.09%，带宽52 Hz）相比，界面改性使有效带宽绝对值提升25 Hz（相对提升48.1%），峰值抑制比提高16个百分点。三种基体的抑制比均随驱动电压呈近似线性增长（拟合优度R2＞0.99），进一步验证了界面改性对非线性迟滞的抑制作用。

## 五、讨论与结论总结

在讨论部分，研究人员指出，飞行器机身服役中遇到的实际振动扰动并非单频而是分布于1–200 Hz的宽带范围，因此有效抑制带宽是评估实际抑制能力的关键指标。研究建立的“界面改性—应变线性度提升—宽带抑制性能突破”物理-化学机制框架，揭示了界面改性通过增强有效界面结合来抑制微观滑移和非线性迟滞，从而使极化增强的本征应变以高线性方式传递至宏观表面的力学本质。同时研究人员也坦诚指出研究的局限性：实验设计中未包含单独多巴胺处理对照组，因此无法定量分离多巴胺的独立贡献和真正的协同效应；界面增强机制的化学键合证据仍主要基于间接实验证据和理论分析，未来需采用X射线光电子能谱（XPS）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）等直接化学表征手段加以验证。

研究结论可概括为：（1）建立了适用于MFC周期性层合结构的修正剪切滞后模型，揭示了Lβ＞＞1时应力传递效率接近理论上限的规律，明确了界面改性的核心贡献在于抑制微观滑移和非线性迟滞而非提升效率绝对值，为MFC界面工程提供了清晰的理论方向。（2）复合界面改性使剩余极化强度从6.9提升至7.8 μC/cm2，最大致动应变从915提升至1105 με（增幅20.8%），S-E曲线低场区“缩颈”现象显著减弱；集成主动抑制系统在三种典型航空航天薄壁材料上均实现高效抑制——铝基体在75 Hz共振频率处达98.11%峰值抑制比和77 Hz有效带宽，不锈钢和碳纤维基体分别实现89.93%和81.63%峰值抑制比及53 Hz和42 Hz有效带宽；三种材料的抑制比均随驱动电压线性增长，验证了系统的工程可调性和良好适用性。

这项工作的核心价值在于：通过界面调制而非开发新材料来突破器件性能瓶颈的理念，可推广至其他压电叠堆、柔性电子和结构健康监测等领域，为复杂振动环境下轻质薄壁结构的智能减振提供了一种“结构-功能一体化”解决方案。