阻尼材料的研究与应用

2006年4月 噪声与振动控制 第2期 文章编号：1006—1355(2006)02—0038—04 阻尼材料的研究与应用 张友南，杨军，贺才春，唐先贺 (椿、穰时戎蕺耪辫毒争按照盼毒藩套霉技术孛心，凑毒麟溯412007) 摘嚣：介绍了材料的阻尼机理和吸声机理，其中对高聚物阻尼材料的阻尼机理进行了较详细的说明，综述了 几类阻尼材料的研究进展，撤后简要地介绍了阻尼材料的应用现状。 关镶词：声学；阻尼材料；阻尼机理；吸声机理 中瓣分类号：TB535+1文蘸标谈鹊：A ResearchandApplicationofDampingMaterial ZHANGYou一，m”，YANGJun。HECai·chun，TANGXian—he {ZhuzhouTimesNewMaterialTechnologygo．，1tdTechnologyCenterZhuzhou412007，China) Abstract：Thispaperhasintroducedthedampingmechanismandsoundabsorptionmechanismof material，InadditionlithasexplNnedthedampingmechanismofpolymerdampingmaterialindetailI andsurrunarizedtheresearchheadwayofSomekindsofdampingmaterial．Atlast，ithasintroduced theapplicationactualityofdampingmaterial． Keywords：acoustics；dampingmaterial；dampingmechanism；soundabsorptionmechanism 阻尼誊|瓣也可以称鸯糖弹性材耨，袋糨弹性高 阻尼材料。它在一定受力状态下，同时具材某些粘 性液体能够消耗能量的特性以及弹性固体材料存贮 能量的特性。当它产生动态瘦力或应变时，有一部 分魏量被转纯为热能纛耗散簿，纛舅一部分能量缢 势能的形式储备起来。目前，阻尼材料在工程机械、 工民建筑、航天航空、运输交通等许多领域得到了十 分广泛的应厢。 l阻尼耪料的捧用撬遴 1．1材料的阻尼机理 阻尼产生的机理是指一种工程结构将广义振动 躲能量转换艘损耗的能熬，从丽搀制振动和噪 声llj。对予裁用离努予聚食物静共混或鬟会裁终 成为阻尼材料丽言，其形态结构(相容性)、交联度、 各组分聚合物的玻璃化转燮温度(T奢)，各缀分聚合 物阻尼能力的大小均会影响力学阻尼材料的阻尼性 麓泣j。毒|辩蔽怼静形残梗壤与耱辩蠹郝瓣皴麓或 宏观结构有燕，包括磁效应(磁致弹性和磁致化学滞 迟)，热效应(热弹性现象、热传导、热扩散和热流动 等)和原子的樽构造(错位、电子效应、晶粒边界上的 瘟力衰减、在溪渗箨孛懿攘变避翟等)。要耩糖静评 价每一种藤蘧的物理作用燕十分困难的。跌工程应 用的观点来蓊，它们的综合阻尼机理 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 现为：在每一 牧穰日期：2005^05．18 l莹誊篝拜：羟友蠢(19兹一)，勇，辩戴辫耩A+工程硬±，王程撵，主要 获事高分子耩辩馥健与燕王技术瓣讲究。 掇凌周期中都要消耗一定懿黥蘩D，对于金藩瓣凝 j融说，D一般较小，但对于阻尼合鑫和许多聚合物橡 胶材料来说，其隰尼耗能的作用就十分显著【3J。 高聚物的糨撵性是高分子材料形变性质的藏簧 特缝嘲，赢聚耱辍遐幸#爨撬瑾壹按与嘉聚餐豹动态力 学松弛性质相关，酱高聚物与振动物体相接触时，必 然吸收一定量的搬动能量，使之搬成热能，结果能振 动受到阻尼作用。聚合物阻尼作用的大小取决于其 受力形变翡滞螽现象黪太小，正怒势于这释特毒瓣游 蠢现象，聚合物薛挝伸一回缩瑟环变化均需要竟辙冀 本身的大分子链段之间的内摩擦阻尼而产生内糯。 高聚物材料的阻尼性能来源于分子链运动、内 摩擦力叛及大分予链之闫物理键的不断破坏与荐 垒强。。裔分子聚仓妨阻尼耱辩攒耨嚣子的定义魏：$ =G／G"=tga，式中，a是材料受威力激励后，应搬滞 胼予应力的相位角；G与G分别是材料的复剪切模 量的实部和虚部。阻尼材料在正弦力激励下产生剪 臻纛力及建变，粼攀位俸稷豹捶瓣在疆嚣一鼹内攫 耗的能量AW为：AW=f酽r出=roroTtsina，因为G =30／rocosa；G=r0／rosina所以AW=7cG嘲式 中，ro与To分别表示剪切应变与剪切应力。由此可 冕，疆恧辩辫消耱瓣髓量正毙予G与$熬乘积，它 表明G与S与融恁材辩减振酶噪的能力有关。阻 尼材料达到良好的阻尼效果，必须满足以下几个条 件怕J：A、材料损耗因子的峰值风。要高，峰值濑度 Tg耍秘材料使用的工作温度楣一致；B、材辩损耗因 万方数据 阻尼材料的研究与应用 子太于0．7的温度范围要宽，△T(*7要适应工作环境 静变诧漫囊；C、毒孝瓣静剪臻模藿G或扬氏攘蕊E要 适量；D、不易老化，具有较妖的工作寿命；E、具有良 好的工艺性，如容易粘贴等；F、适用各种用途的特 殊性能，如耐油、耐腐蚀、耐高温及较好的阻燃性等。 终巍挠嶷瓣阻尼毒|辩，簧求在应用的激发霸频 率范围内寄大的损耗因子、动态学损耗模爨的峰面 积、损耗t曲峰面积。通常利用共聚网络、甄穿网络 结构来达到这些要求。但是，即使利用互穿网络使 损耗壤8增宽，也难以显著增凳攒耗摸量E蟓。 1。2耱耩酌蔽声杌瑾 在声波作用下口j，材料的分子链产生链段运 动，重新构象肖弛豫时间，损耗了一部分能爨，同时， 出于材料粘蚀内摩擦的存在，将部分弹性熊转化为 热能，蠹院g|熬攒耗声麓，帮啜声瘁霉。鑫声波在奔 质中能量逐步衰减理论可知，声波在介质中传播一 个周期的能髓损耗的简化表达式为：H=“E2Et曲最 大应变e决定于形变的形式。简单的弹性形变可分 为搏长、压缭秘垮匀剪甥形变三种，模量之阏鹣关系 可表示奔：E一2(1+”)G=3(1—2／t)K式中：E为扬 氏模量；G为髂切模量；K为膜缩模量；H为泊松比。 对于橡胶类弹性体，“值略小于0．5，它的体积压缩 模量最大，嬲瓶声波的压缩形变小。要作必阻尼吸 声麓辩，裁簇翅造条箨，建霉程声激藏下，将糖辫歪 缩形变变为翦切形变，从而增大材料的声衰减效应。 由几何声学可知，声波谯不同物质界耐会发生 折射与反射，嚣使阻尼材料有效地吸收入射波的能 量，裁须要求瓣糕特征阻抗西萼声波在分袋争黪捶 的特征阻挠‰≮相匹配。遮样，入射波尼乎无反 射地从介质中进入阻尼吸声材料中，然后通过材料 的内耗将声能转化为热能消耗掉。但作为I飘尼吸声 豺辩，人们总希望它的损耗嚣予尽可能地大，声波进 入榜耩鑫考黯缀侠造衰减。攒“无限蓐均匀弹睦箨 吸声材料声举理论”分析，增大材料的损耗因子与特 征阻抗匹配要求有矛盾。当pc4pwc。时，声波在 界面的反射系数表示为：R=[(矛／4)／(4+妒／4)≈ ≈蘑]la嚣鼗，在隧恧暖声耪糕骚割孛，要获褥蹇努 的吸声效果，就必须从材料岛介质的特征阻抗匹配， 材料的损耗因子和几何形状结构 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 等因索综合考 虑，而不能单纯追求材料的商损耗因子。 2阻尼榜鹣的磷究 国内外对阻尼材料的研究和应用已有40多年 的历史，目前，在实际中用来防止机械振动的阻尼材 料，从产晶结梅形式上分主要有三种[8]：片状型材、 阻尼钢援、涂精。旱霸懿跨获阻尼耪辩是敬灏毒墓 系列制品为主，也有使用丁基橡胶为基础材料的阻 恧片耱产瑟。近二中多年寒，邋鼹锯菝是蔽开发蹬 的一种新型阻尼材料，该材料是将一层粘弹性树辩 复合在两层相同脬艘的钢板之间，形成所谓“夹心阻 尼结构”，它具有阻尼效果好，外袭美观等优点，假具 有密度较大，裁剪较嚣难，焊接工艺糖对毙较复杂， 成本较高等缺点。阻尼涂辩俸为努拜一种薪型懿阻 尼材料，因其具有制造工艺简单，施工方便，性能优 异簿特点，所以它褥以发展非常迅速。 2．1聚合物阻尼材睾萼的研究 在聚合耱孛添热无枧壤辩垂怒舞了薮善聚食穆 的动态力学性能，增加其损耗因予，调节其玻璃化转 变温度，扩展其适用温度范围。¨咒机填料的主骤作 用也．是能增加材料的应变及耗损隧量能力，能限制 分孑热运凄，璞魏瘦变、应力之瓣戆糖对嚣鑫，扩大 隈坨温度范匿所需要的玻璃化转变温度。增加材料 的内摩擦以耗损能鬣，限制分子长链相互转换过程 中的运动，从而增加了能量的转换，以达到吸声、吸 掇的效果[9-12j。 ‘ Liang等人H”捌系统瑟深入遮薪究了瑗臻微 珠填充聚烯烃阻尼材料的力学性能、界面形态、结晶 行为和流变性能等，并且获得颇澍参考价值的试验 数据和理论成果。井得出如下参考结论：在保诞阻 尼秘秘强度符合要求酶蓑提下，璇瓣含量越多，减 振、隔声效果越好；警填料一定时，填料的比表丽积 越犬，则隔声效果越好；在材料的形态及平均粒校相 同的情况下。粒径分布较窄的填料其隔声效果越 好；糖辩中气孔的券在对毒|辩鳃麓声效果也有一定 德避作用；填料筏子在基体中的分散越好，材辩缒力 学性能的改善越明煜。 无机填料对高分子聚合物的填充作用主要表现 是：它毙够使嘉聚物憋玻璃化转变瀛度上舟，疆鼹蜂 半窕增热，遴遥耪撵减振橇理来达副暖声佳髓是剃建 阻尼材料在变形时把动能变为热能的原理降低材料 结构的共振振幅，增加疲劳寿命和降低结构噪声【2“。 马丽华等[22J研究了片状元机填料在阻尼材料 孛黪瞧毙魄较，试隽冀获壤辩舂麓手增撵耪辩戆辍 尼，片状云母粉的加入对增加材料的阻尼贡献很大， 自淡黑用量为20％时，材料的损耗因子与片状云母 的关系如下：云母粉用量为5％(即为白炭黑用摄的 1／4)蹲，阻尼系数逮最大蓬，用爨薅增如，阻尼藏蠢 有掰下降，这说鹱，云母粉与岛炭熬的用量(震爨分 数)为1：4时，二者之间有较好的协同作用，材料的 能嫩损耗最多，阻尼值最大，这可能是填料的体积效 瘟岛摩擦效应共麓作用的结果。 黄瘫圭l矧藓突了在橡菠枋辩牵自§入一定量戆鹭 万方数据 2006年4月 噪声与振动控制 第2期 状云母粉，能使胶料在保持动态弹性模量G一定的情 况下，大幅度地提高了损耗模量G，并且在增加了损 耗角的正切t西峰值的同时加宽了t西峰，使胶料在 较宽的温度和频率范围内保持较高的阻尼，其还探讨 了片状填料使橡胶材料具有高阻尼的机理。 G．H．Kwak等ⅢJ对高聚物／无机材料阻尼材料 的阻尼降噪性能进行了大量的研究工作。国外有人 在玻纤增强聚合物阻尼阻尼材料方面做了大量的理 论和应用研究工作-2“。通过加入压电粒子得到的 压电材料是目前国际上研究得最多的智能阻尼材 料，X．Yan等[26J在聚合物基体中加入压电粒子、导 电粒子、增强材料等制得了一类阻尼，发现阻尼材 料的组分比例、压电粒子种类、导电粒子种类等因素 对阻尼材料阻尼降噪性能有不同的影响。陈庆民 等[27]通过研究指出具有疏松结构的无机填料使共 聚物网络的t$较高。 研究聚合物的阻尼性能常用的试验 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 有【28J： 动态扭摆法；受迫共振动法；受迫振动非共振法 (DMTA)，衡量高分子材料阻尼特性的参数一般有 LA(Loss舡a)法和TA(t西Area)法。它们分别为 耗散模量温度曲线(E——T)下包括的面积和耗散 因子温度曲线(tga—T)下包括的面积，以及由LA 法而导出的阻尼函数D．F．。 2．2复合阻尼材料的研究 阻尼复合板的基本构造方式，有自由阻尼板和三 夹层约束阻尼板三层两种【29J，一般由金属弹性层提 供构件所需的机械强度，由弹性阻尼层尽可能多地耗 散振动能，为了克服单层粘弹性材料的阻尼特性受到 一定工作温度和频率范围的限制，在普通三层约束阻 尼复合板的基础上又发展了多层阻尼复合板。 2．3阻尼合金材料的研究 阻尼合金就是具有较高阻尼损耗因子的合金材 料，它具有良好的减振降噪性能，既是结构材料又具 有高阻尼性能。它主要分为：复合型；强磁性型；锚 位型；双晶型等四类。如近几年来生产出了振动衰 减特性更好、机械强度与结构钢相仿、耐海水腐蚀的 双晶型Mn-Cu系合金，主要用于舰艇、鱼雷等水下 设施的构件上。 根据不同用途，在两块钢板或铝板之间夹有非 常薄的粘弹性高分子材料即构成复合型阻尼金属板 材。金属板弯曲振动时，通过高分子材料的剪切变 形，发挥其阻尼特性，它不仅损耗因子大，而且在常 温或高温下均能够保持良好的减振性能。 复合阻尼金属板近几年在国外已得到迅速发 展，美国、英国、日本、德国、瑞典等国家都有批量生 产，并且已广泛应用于汽车、机电产品、建筑结构等 方面。国内生产复合阻尼钢板的厂家主要是浙江嵊 县低噪声器材厂与上海星火器材厂，另外，常州兰陵 橡胶厂也生产过一种类似的复合阻尼铝板。 2．4其它阻尼材料的研究 新型功能性高分子阻尼材料的基础研究及其应 用开发吸引了国内外很多研究人员。其中特别引人 注目的是不同性质材料的复合化。任何聚合物要想 成为一种可实用的工程化材料，都必需添加一些填 充料，包括一些有机小分子物质。通常，有机小分子 的添加量都比较少，其作用一般只局限于使材料改 性以及提高其加工性能，目前，还没有形成一种有机 高分子或大分子与小分子真正意义上的复合。最 近，一些研究者开始探索模仿生物材料的结构特征、 通过氢键将各种类型的分子组装成一个高分子系统 的材料，研究工作取得了一些进展，但还没有形成完 整的理论体系，其产品进行大批量工程化应用还需 要进一步研究。 近年来，提出的高分子与有机小分子的杂化概 念是一种新的有机材料构筑方法。该方法通过动态 控制相分离构造和积极利用分子间的氢键，形成极 性高分子与受阻酚、受阻胺等功能性有机小分子的 纳米级杂化，这种高分子与小分子的杂化材料不但 具有阻尼、形状记忆、自粘接等多种性能；而且对于 使用中产生的性能下降和功能丧失具有自修复特 性；材料用完后，可利用加热等手段将氢键切断实现 各组分的分类回收。 美国宇宙工程研究中心于1991提出在压电陶 瓷上外接控制电路，将振动的机械能转变为电能再 转变为热能，即通过能量来减振，这一设计思路引起 了同行们的关注。其后，日本理化研究所和东京大 学教授也相继展开类似的研究，但由于其结构比较 复杂、成本也非常昂贵，很难实现工程化应用。1995 年底，日本成立开发新的高分子系阻尼材料的课题 组。在较短的时间里，研制出了一系列高阻尼新材 料，其阻尼性能要高出普通的阻尼材料几倍。这类 材料一般是一种有机高分子或大分子与小分子的杂 化体系。1999年4月起，他们由单纯的开发新材料 转向研究阻尼的基础理论领域。2002年4月又继 续开发一些汽车用阻尼材料。 阻尼涂料是由高分子树脂加入适量的填料以及 辅助材料配制而成，是一种涂覆在各种金属板状结 构表面上、具有减振、隔声、绝热和一定密封性能的 特种涂料。它可广泛地用于飞机、船舶、车辆和各种 机械的减振和降噪，也可用于各种隔声罩，由于涂料 可直接喷涂在结构表面上，故施工方便，尤其对结构 复杂的表面，更体现出它的优越性。 万方数据 阻尼材料的研究与应用 41 3阻尼材料的工程化应用 目前，在市场上得到应用的阻尼材料品种比较 多。根据材料阻尼特性可以分为两类，一是利用材 料本身微观构造中潜在的耗能机制产生阻尼，如高 阻尼合金，粘弹性材料；另一类是利用不同材料之间 所组成的宏观结构产生耗能机制，如复合钢板等。 粘弹性材料制作成阻尼材料在很多行业得到应用， 例如在航空和航海上使用的降噪阻尼涂料，汽车行 业得到应用的沥青降噪阻尼板材等等。在众多阻尼 材料的研究应用中，其中聚氨酯类、环氧树脂类、丙 烯酸酯类为基体的阻尼材料最为常见㈨J。其它的 阻尼材料还有以聚苯醚(PPO)作为硬段、聚羟基苯 乙烯(PHS)为半硬段、聚二甲基硅氧烷(PDMS)为 软段，利用羟基与硅胺基缩合生成硅醚的不可逆反 应，合成含有硬段、半硬段和软段的PPO---PH卜 PDMS三元共聚物与其均聚物进行共混而成的材 料；聚丙烯酸酯／聚氨酯INP阻尼涂料；聚醚氨酯／ 聚甲基丙烯酸甲酯INP等等。 沥青基阻尼材料也是一种应用非常广泛的阻尼 材料，其制备方法是在沥青中加人一些高分子材料进 行改性，再混入大量的无机填充料，然后制作成阻尼 片材，也可与一些发泡材料、复合地毯、吸声垫等做成 一种约束阻尼结构的阻尼复合板材。目前沥青基阻 尼材料主要应用于洗衣机、洗碗机、空调机等家用电 器行业和汽车行业，以降低振动噪声。据统计，一辆 小轿车内一般约有15kg的阻尼垫，其中含沥青有5kg 左右。一般产品采用的是一种约束阻尼结构，由三层 或四层的材料贴合而成，主要由复合地毯(由人造革 和植皮、绒等构成)装饰层，三元乙丙橡胶发泡的吸声 垫层和改性沥青片材阻尼层等三部分构成。对于用 金属薄板制成的构件，如轿车的底盘、蒙皮内板和车 门等，使用复合结构的阻尼材料，在各种复杂的工作 条件下都能起到减振、降噪、隔声、隔热的作用。 目前，沥青基阻尼材料在机车车辆上也得到了 一定的应用。在铁路列车的车体与转向架之间的钢 板上铺上一层改性沥青基阻尼材料，用于降低向车 厢内传递的振动噪声。在车厢内部的减振降噪控制 方面，在车厢内部的特定部位贴合具有高阻尼因子 的减振降噪阻尼材料，用以衰减机械振动，隔离、反 射、吸收空气传播噪声，降低车厢内的结构辐射噪 声，提高客车内部的舒适度，以缓解伴随列车速度提 高车内振动噪声增大的矛盾。 4结语 阻尼材料作为一种复合材料，其工程化应用领 域和范围越来越大，也日益受到人们的重视，特别是 在减振、降噪材料研究领域得到广泛的关注。今后， 阻尼材料的研究主要是集中在新型材料和结构方 面。同时，对材料的微观结构改性也是一个比较热门 的研究方向。 参考文献： [1]谭兴良武器与机械噪声控制[M]北京：北京理工大 学出版社，1993：162—252． [2]FayJ J MnrphyCJ．ThomasDA．etal Polym． EngSO，1991，24：1731 [3]孙庆鸿，张启军，姚慧珠．振动与噪声的阻尼控制 [M]．北京：机械工业出版社，1993：41—42． [4]何曼君．高分子物理[M]．上海：复旦大学出版社 1990：348 [5]万里鹰，肖凌高聚物力学阻尼材料的研究进展[J]． 高分子材料科学与工程．1999，3(2)：1—5． [6]戴德沛．阻尼技术的工程应用[M]第三章．北京：清 华大学出版社1991，第1版：50—99 [7]钱军民，李旭样．聚合物基复合泡末材料的吸声机理 [j]．噪声与振动控制．2000，2：41—43 [8]刘东晖，黄徽波，杨宇润，等．T54／q'60阻尼涂料在舰 船减振降噪工程中的应用[J]．船舶．1997，4：40～46 [9]R．K．YLi，JZ LiangandSCTiongJ Mater．Process，Teehnol，1998，79：59—65． [10]JZ．Liang，RK．Y．LiandS．C．1jong．Polym 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