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阻尼材料的研究状况及进展

2010年7月

阻尼材料的研究状况及进展

蒋鞠慧,尹冬梅,张雄军

(1 中国中材集团有限公司,北京

100035;1

2

2

102101)

2 北京玻钢院复合材料有限公司,北京

摘要:阐述了阻尼材料的基本概念和阻尼作用的基本原理,回顾了阻尼材料发展的三个阶段,简单介绍了阻尼材料的性能评价方法和大致分类,并分别对粘弹性阻尼材料、复合阻尼材料和智能型阻尼材料的研究状况及进展进行了详细的评述和分析。

关键词:阻尼材料;粘弹性阻尼材料;复合阻尼材料;智能型阻尼材料

中图分类号:TB34 文献标识码:A 文章编号:1003-0999(2010)04-0076-05

1 引 言

当前,机械设备正向高速、高效、自动化方向发展,但机械仪器工作时产生的振动会严重破坏设备的精确度、可靠性和稳定性,产生的噪音也会危害人

们的身心健康。阻尼材料是一种能吸收振动机械能、声能并可将它们转化为热能、电能、磁能或其他形式能量而消耗掉的一种功能材料,可应用于减振、吸声器件。

通常把系统损耗振动能或声能的能力称为阻尼,阻尼越大,输人系统的能量便能在较短时间内损耗完毕,因而系统从受激振动到重新静止所经历的时间就越短,所以阻尼也可理解为系统受激后迅速恢复到受激前状态的一种能力

[2]

[1]

lomb便指出金属经受循环应变时,应力 应变曲线将形成滞后环,并有能量耗散。1837年,Weber首次用扭摆的自由衰减测量了材料的阻尼。从1850年开始,声学家们对有阻尼的振动系统进行研究。Rayleigh于1878年给出了线性、粘性阻尼离散系统和连续介质力学、声学等系统的微分方程及一些方程的解,在此阶段阻尼材料的研究才刚刚起步。

第二阶段是1920~1940年,这一时期机器的运转速度越来越高,振动问题成为高速旋转机械、飞机及大型工程结构等的主要困扰。振动使得螺旋桨曲轴和水轮机叶片出现疲劳破坏,轮船的舱口产生疲劳裂纹,疲劳破坏使得第一架商务飞机坠毁,美国的TacomaNarrows大桥也由于水流导致的振动而损坏

[4]

[3]

。

阻尼的基本原理是损耗能量,各种阻尼技术都是围绕如何把受激振动能转化为其它形式的能(如热能、变形能等)而使系统尽快恢复到受激前的状态。阻尼的方法主要有3种,即系统阻尼、结构阻尼和材料阻尼。系统阻尼是在系统中设置专用阻尼减振器,如减振弹簧、冲击阻尼器等;结构阻尼是在系统的某一振动结构上附加材料或形成附加结构,增加系统自身的阻尼能力,这类方法包括接合面阻尼、库仑摩擦阻尼和复合结构阻尼等;而材料阻尼是依靠材料本身所具有的高阻尼特性达到减振降噪的目的。研究材料的阻尼行为,开发具有较高阻尼性能的结构材料对于解决由振动造成的问题具有十分重要的意义,也是材料科学工作者所面临的重要课题

[2]

,从而使得振动控制成为工业生产的主要话题

之一,人们开始就这一问题进行工程应用研究。第三个阶段是1940年至今,这一时期,有关阻尼的文献逐年增加,如1945年有500篇,1965年则超过了2500篇。这一阶段,人们开始定量描述阻尼对动态系统的影响,并于上世纪六七十年代发展起了一门涉及材料学、力学、机械学和环境科学等多学科的新技术,即阻尼技术3 1 评价方法

评价阻尼性能的实验方法

[5]

[2]

。

3 阻尼材料的评价方法和分类

有:动态扭摆法

TBA(Trsionalbraidanalysis)、受迫共振法和受迫振动非共振法,即动态粘弹实验DMA(DynamicMe chanicalAnalysis)以及差示扫描量热分析法DSC(DifferentialScanningCalerimerty)。其中以DMA应用最为广泛,因为它能直接给出阻尼材料的G ~

。

2 阻尼材料的发展历史

第一阶段是1784~1920年,在1784年Cou

收稿日期:2010 05 20

作者简介:蒋鞠慧(1968 ),女,高级工程师,硕士研究生,主要从事新型材料方面的研究。

2010年第4期

玻璃钢/复合材料

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T、G ~T和tan ~T的关系曲线。分析这些曲线变化的情况能得到许多与阻尼性能有关的信息,曲线越平坦,tan 值越高,T的范围越大,则阻尼性能越好。对于阻尼结构,常用振幅衰减的方法来测试其阻尼比随时间变化的曲线

[6]

ENR共混体系在0~100 内tg >0.3,具有比未填充体系更好的阻尼性能

[11]

[9]

。

HillD等在甲基丙烯酸甲酯中接枝聚乙二醇酯碳酸盐,动态力学分析表明,随着甲基丙烯酸甲酯接枝含量和接枝率的提高,共聚物的阻尼峰位置会向高温方向移动,从而使材料能适合不同的场合和环境条件。Lifengkui

[12]

。

3 2 分 类

阻尼材料大致可分为粘弹性阻尼材料、高阻尼合金材料、复合阻尼材料和智能型阻尼材料,其中复合阻尼材料包括聚合物基阻尼复合材料和金属基阻尼复合材料,智能型阻尼材料主要包括压电阻尼材料和电流变流体阻尼材料。本文主要介绍粘弹性阻尼材料、复合阻尼材料和智能型阻尼材料的研究进展。

等采用苯乙烯和双官能

团单体二乙烯基苯嵌段共聚的方法,调节两种单体的配比来调节材料阻尼峰的位置。进一步研究表明,加入第三种单体二乙醚进行三元嵌段共聚,可以

扩大材料的高阻尼温域。

其中,共混改性是一门比较成熟的橡胶阻尼改性方法,在工业生产中已被广泛使用,而且改性方法简单、可操作性强。目前,共混改性包括橡胶并用共混改性、橡胶与树脂共混改性以及与填料的共混改性

[8]

4 阻尼材料的研究进展

4 1 粘弹性阻尼材料的研究现状

粘弹性阻尼材料是应用较为广泛的一种高分子聚合物材料,它在一定受力状态下,既具有粘性液体

消耗能量的特性,又具有弹性固体材料存贮能量的特性。当它产生动态应力或应变时,有一部分能量被转化为热能而耗散掉,而另一部分能量以势能的形式储备起来,粘弹阻尼材料通过将振动机械能转变为其它能量而达到衰减振动和降低噪声的目的

[7]

。

4.1.2 互穿聚合物网络

互穿聚合物网络(IPN)是由两种或多种聚合物相互贯穿而成的一种特殊结构,也是重要的高聚物加工技术之一。自1974年Sperling发展了IPN新型阻尼材料以来,这一领域一直是阻尼材料研究的热点。

胶乳IPN体系近年来引起了人们的极大兴趣。用乳液聚合方法合成聚合物网络,可获得特有的芯 皮结构,具有宽温域的阻尼特性。部分相容的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)/聚丙烯酸丁酯(PnBA)LIPN在50~60 温度范围内呈现良好的阻尼性能。Sperling等在研究P(Bd/s)SAN(苯乙烯/丙烯腈无规共聚物)的核/壳体系时发现,不同种类的核/壳LIPN的阻尼性能受到两相相容性的影响,在分散核/壳、多层核/壳、IPN核/壳等聚合物中,相的形态也是影响材料阻尼性能的一个重要因素。反相核/壳聚合物由于其双相连续结构,材料的阻尼性能比普通的核/壳聚合物更优,内耗值更高。PU/环氧(EP)IPN体系是另外一类用作阻尼材料的IPN体系,通常,随着环氧含量的增加,聚氨酯/环氧/IPN和接枝IPN体系的tg 增大、玻璃化转变温度范围增宽,表现出良好的阻尼性能,可以用来制备减振降噪的阻尼材料

[9]

。

早期的聚合物阻尼材料主要是单一组分的均聚物,其玻璃化转变温度区间比较窄,只能在有限的温度与频率范围内使用。为了拓宽粘弹性阻尼材料的

使用温度与频率范围,相继发展了将两种以上的高聚物以共聚、共混或互穿网络的方式复合,通过拓宽其玻璃化转变区间,从而达到拓宽阻尼材料的使用温域与频率范围的目的。在诸多制备方法中,IPN技术是当前制备宽温域高效阻尼材料最有发展前景的方法之一

[9]

[8]

。

4 1 1 共混、共聚改性方法

将两种聚合物进行共混是制备高聚物阻尼材料最常用的方法。通常要求共混组分高聚物部分相容。Yamada等

[10]

研究了PVC/氯化聚乙烯(CPE)/

环氧化天然橡胶(ENR)3组分体系,发现CPE的含氯量、ENR的种类对共混材料的阻尼性能有很大的影响。用适量含氯的无定形CPE、ENR50和PVC可以制得高性能的阻尼材料,同时还发现具有不同形状的填料可对混合体系的阻尼行为产生不同的影响。片状填料(如石墨)可以增大温度范围,提高材料阻尼性能。实验结果表明,云母填充PVC/CPE/

。

IPN技术是当前制备高性能阻尼材料最有发展前景的方法。尤其将第二种单体,交联剂不均匀溶胀到第一种高聚物网络中,再聚合得到的所谓!梯

度IPN(GradientIPN) 是获得宽温域高性能阻尼材

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料的好方法。梯度IPN材料是目前IPN研究领域的一个热点。Lipatov等通过实验发现在0~100 内梯度IPN材料具有很高的阻尼值。除了对粘弹材料本身采用IPN技术外,还加以结构的设计获得梯度IPN材料,即采用约束阻尼系统及梯次涂层方式,再对约束层施以特殊工艺来提高材料的阻尼性能。但目前这方面的研究工作处于探索阶段4 2 复合阻尼材料的研究现状

这类材料包括聚合物基阻尼复合材料和金属基阻尼复合材料。聚合物基阻尼复合材料是用纤维增强具有一定力学强度和较高损耗因子的聚合物而形成的复合材料;金属基阻尼复合材料包括在金属基体中添加第二相粒子形成的金属基复合材料、两种不同的金属板叠合在一起或由金属板和树脂粘合在一起而形成的复合阻尼金属板等。4 2 1 聚合物基阻尼材料的研究现状

自上世纪中期开始,美国和日本等国家就不断研制出新的高聚物阻尼材料。到90年代初,发达国家约有十几家专业厂商生产很多品种的阻尼材料。国内的聚合物基阻尼材料研究及工程应用的发展也很迅速。

传统聚合物阻尼材料的吸振机理基于粘弹阻尼,所以其适用温度和阻尼性能强烈依赖于聚合物的玻璃化转变温度。20世纪90年代,日本东京工业大学住田雅夫教授提出将导电炭黑与压电陶瓷粒子填充到聚合物基体中,制备导电压电型阻尼复合材料的设想。由于该类复合材料的吸振机理基于振动机械能 电能 热能的转换损耗而非传统的粘弹阻尼,故不依赖于聚合物基体的玻璃化转变,这将大大拓展其应用温度范围。因为该类阻尼复合材料理论上可以用任何一种聚合物作为基体,具有传统聚合物吸振材料无可比拟的优越性,引起了广大阻尼材料研究者的兴趣

Hori等

[14]

[13]

[9]

内部的能量损耗主要是靠振动机械能 电能 热能的转换损耗来实现的。

作为优良的阻尼材料,在应用的温度和频率范围内要有较大的阻尼损耗模量和阻尼损耗因子(tan )的峰面积,而互穿网络结构则对阻尼损耗模量的峰宽增加并不明显。研究表明,一般填料能使高聚物的阻尼温域增加,而复合阻尼材料则可兼顾两者的优点,因此有望具有更高的阻尼性能。唐

[18]

冬雁等采用原位分散聚合法,通过表面处理和超声分散等手段,得到了分散均匀的BTiO3/IPNs复合材料,且极化后的复合材料具有更高的阻尼损耗模量和阻尼损耗因子值。材料的介电性能和阻尼性能密切相关,介电损耗和介电常数极值对应温区,材料tan 、E#增大,阻尼性能提高。4 2 2 金属基阻尼材料的研究现状

在金属基体中加入增强相制成复合材料能使材料同时具有较好的阻尼性能和较强的力学性能。在制备复合材料中一般选择颗粒、晶须和纤维作为增强相。与颗粒或晶须相比,连续纤维可较大程度地提高复合材料的阻尼。目前研究较多的阻尼金属基复合材料主要是Mg基阻尼复合材料和Al基阻尼复合材料。R.Schaller

[19]

[17]

。

采用定向凝固技术,以

Mg 2%Si(质量分数)合金为原料获得了Mg2Si/Mg复合材料,其力学性能与铸造镁合金AZ63的差不多,但阻尼性能却是它的100倍,同时高阻尼的基体还能改善金属基复合材料的抗疲劳性能。Jia

[20]

在

商业纯铝中加入FeAl3增强相,成功地制备了Al/FeAl3复合材料,研究表明Al/FeAl3复合材料的阻尼性能比Al基体的更好

[22]

[21]

。

赵程等人对金属橡胶/硅橡胶复合阻尼材料进行了研究。发现复合硅橡胶不仅可解决65Mn金属橡胶的耐腐蚀性差的问题,显著提高金属橡胶的刚度,而且使其应力 应变曲线的曲线特征发生较大改变。复合后的静态损耗因子仍然保持在0.40~0.50的较高水平上,动态损耗因子随密度增加而下降的速度低于复合前,说明金属橡胶/硅橡胶复合阻尼材料在动态减振、隔振方面存在较好的应用前景。4 3 智能型阻尼材料的研究现状

智能阻尼材料是一种新型的阻尼材料,是将智能材料的自感知、自判断、自适应的特性应用于阻尼体系,与聚合物复合制备阻尼材料,成为阻尼材料领域的一个新的研究方向。图1所示为智能材料示意图

[23]

。

研究了PZT/碳黑/环氧树脂复合材

料的机械性能、阻尼性能。研究结果表明,当PZT/环氧树脂(质量比70/30)中加入一定量的碳黑时,电导率产生了4~5个数量级的变化。

晏雄等

[15,16]

用具有压电、介电效应的有机材料

替代无机压电陶瓷,在高分子材料氯化聚乙烯(CPE)中,填充导电的气相成长超细碳纤维和具有强介电性能的N,N 二环己基 2 苯并噻唑基亚磺酸胺,制备导电压电型阻尼材料。结果表明,当导电网

络形成时,材料的阻尼效果较好,因为这时复合材料 。

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止,压电阻尼材料已经在传感器和驱动装置领域得到了广泛的应用。在未来的研究工作中,对压电阻尼材料的最新研究领域将主要包括压电阻尼材料性能的增强,加工性能的改善和材料使用温度范围的拓宽。在压电原理的基础上,通过化学方法提高偶

图1 智能材料的示意图

极浓度引入正协同效应可以产生性能大幅增强的新材料。同时,研制能够在极端条件下(如在高温和水下)应用的特殊材料,对于压电材料的应用扩展也非常重要

[23]

这类材料包括压电阻尼材料和电流变流体,其最大特点是损耗因子可控。压电阻尼材料是在高分子材料中填入压电粒子和导电粒子。当材料受到振动时,压电粒子能将振动能量转换成电荷,导电粒子再将其转换成热而散发出去,发挥减振的作用。压电阻尼材料产生的电荷量与材料所受力的大小成比例。这种阻尼材料只能用于兼作承力元件的离散阻尼处理。

电流变流体是在油质基液中加微小的多孔性固体颗粒组成的易受电场影响的特殊流体,它的最大特点是能够根据所施加电场的变化在很短时间内改变其表观粘度,其损耗因子可在几毫秒内由0急剧增至15~18。流体状态可由液体变为半固体,甚至固体,而且这种变化是可逆的。国外在电流变流体用于振动控制方面做了大量工作,美国已将电流变流体用于高速列车的减振系统;日本、德国等工业发达国家每年都有不少文献和专利涉及电流变流体在汽车、仪表、机械设备及机器人关节等振动控制中的应用

[2]

。

4 3 2 电流变阻尼材料

电流变流体现象于1947年就由Winslow首次

发现。但是对电流变流体材料的研究则在近十年才开始。上世纪80年代初,美国科学家发现由极小的极性粒子与绝缘介质构成的悬浮液在外加电场的作用下其粘流行为可随场强度发生变化,其悬浮液的物理状态可由液体变成半固体,甚至是固体。这个变化是在瞬间完成的可逆变化

[25]

[24]

。

瞿伟廉分析了ERF智能阻尼器在耦联的带裙房高层建筑结构地震反应的半主动控制中的应用,用智能阻尼器耦联主楼与裙房,实现对结构地震反应的智能半主动控制有很好的制振效果,是带裙房高层建筑结构地震反应控制的一种很好的办法。Makris制作了可用于土木工程结构地震反应控制的ERF智能阻尼器,张绪祥等自行设计了ERF智能阻尼器,并分别测定了阻尼器阻力的变化,以及影响其阻尼性能的因素。

智能阻尼材料已在阻尼材料领域表现出独特的优势和广阔的应用前景。随着科学技术的发展,在未来的研究工作中,对智能阻尼材料的研究将主要包括智能阻尼材料性能的增强、加工性能的改善、智能材料基体的改进以及材料使用温度范围的拓宽等。自然界广泛存在的光、电、热、磁等都可能成为研制智能材料的基础。聚合物品种的不断开发以及其性能的不断改进,也进一步促进了智能阻尼材料的发展

[23]

。

4 3 1 压电阻尼材料

目前,国际上研究最多的智能阻尼材料是压电阻尼材料。压电阻尼材料是在高分子材料中加入压电粒子的一类导电材料,一旦受到振动的干扰,压电粒子就能将振动能转化为电能,导电粒子再将其转换成热能耗散,具有减振、降噪、消音的作用。

Sumita等在聚合物基体(如偏氟乙烯PVDF)中加入压电颗粒、导电颗粒、增强材料颗粒等,制备了一系列压电阻尼材料。研究发现,复合材料组分比例、压电颗粒种类、导电颗粒种类和含量、界面作用等因素对材料阻尼减振性能都有影响。BazA等研究了添加压电棒的活性的压电材料(APDC)的阻尼效果;RayMC和MallikN研究了活性约束层对智能压电材料阻尼性能的影响;江草茂等用锆钛酸铅(PZT)陶瓷粒子作填料和环氧树脂作基材制成了高压电活性的压电复合物,可以用作传感器元件和激励相应元件,此元件可对振动和噪音有感应作用。

压电阻尼材料的应用前景非常广阔。到目前为

。

5 结 语

阻尼材料的开发和应用虽已有三四十年的历史,但从理论上形成新的学科,应用上形成新的技术只有十多年的时间,研制与开发综合性能优异的阻尼材料已成为研究热点。IPN技术、智能材料以及新型的阻尼结构的出现为阻尼材料提供了广阔的发展前景。可以预见,为了进一步提高材料的阻尼性能,将材料的电 力学和磁 力学性能有机结合的新

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纺织复合材料在风力发电叶片制造中的应用研究

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型材料将是今后阻尼领域一个重要的发展方向;同时,设计出能在分子水平上复制出现有阻尼材料的力学性能,有效减少阻尼设备尺寸的阻尼材料则是一个更具挑战性和实用价值的工作。

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2004,

20(12):

RESEARCHSITUATIONANDPROGRESSOFDAMPINGMATERIALS

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JIANGJu hui,YINDong mei,ZHANGXiong jun(1 ChinaNationalMaterialsGroupCorporationLtd.,Beijing100035,China;

2 BeijingCompositeMaterialsCo.,Ltd.,Beijing102101,China)

Abstract:Thebasicconceptandbasicprinciplesofdampingmaterialweredescribed,thedevelopmentofdampingmaterialsinthreestageswasrecalled,abriefintroductionofthegeneralclassificationandtestingmethods

ofthedampingmaterialswasmade.Thedetailedcommentaryandanalysiswascarriedou,twhichonresearchsitua tionandprogressofviscoelasticdampingmaterials,compositedampingmaterialsandsmartdampingmateria.l

Keywords:dampingmaterials;visco elasticdampingmaterials;compositedampingmaterials;smartdampingmaterials