新型高性能阻尼涂料的開發(fā)及應(yīng)用研究

孫 巍,孫 云,毛 亮

（海裝上海局 上海200083）

船舶結(jié)構(gòu)受到激勵會產(chǎn)生振動及噪聲，不僅損害船員的健康，妨礙船員的正常工作，并使一些設(shè)備儀器不能正常運轉(zhuǎn)，而且容易造成船體結(jié)構(gòu)的疲勞、破壞，嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致結(jié)構(gòu)的失效。因此在現(xiàn)代船舶的設(shè)計建造中，減振降噪已成為一項非常重要的考核指標(biāo)。

阻尼技術(shù)能夠有效地控制結(jié)構(gòu)振動和噪聲傳遞，是解決工程中的振動和噪聲問題的一種十分有效的技術(shù)。使用黏彈性阻尼材料用于船舶減振降噪是近五十年來迅速發(fā)展起來的一項新技術(shù)，由于黏彈性阻尼材料具有高阻尼特性，能在較寬的頻段范圍內(nèi)起到抑制振動的作用，因此被廣泛地應(yīng)用于船舶結(jié)構(gòu)的噪聲和振動控制［1～3］。

1 黏彈性阻尼材料的減振降噪原理

所謂黏彈性是指綜合體現(xiàn)黏性流體和彈性固體兩者的形變特點，同時具有彈性和黏性兩種不同機理的形變特性。高分子材料分子之間依靠化學(xué)鍵或物理纏結(jié)相連，分子間易產(chǎn)生相對運動，分子內(nèi)部的化學(xué)基團也能自由旋轉(zhuǎn)，受外力會產(chǎn)生拉伸、扭曲變形，分子鏈間鏈段會產(chǎn)生相對滑移、扭轉(zhuǎn)。外力消除后，變形的分子鏈要恢復(fù)原位，分子間的相對運動也會部分復(fù)原，釋放外力所做的功，這就是黏彈材料的彈性；而不能完全復(fù)原產(chǎn)生永久變形的即是黏彈材料的黏性。這一部分所做的功轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，耗散于周圍環(huán)境中，這就是黏彈材料產(chǎn)生阻尼的機理。當(dāng)在基板上粘貼黏彈性阻尼材料后，阻尼層會隨基板的振動而產(chǎn)生拉伸與壓縮的交變作用，使機械振動能量轉(zhuǎn)化為熱能而耗損，從而起到減振和降噪的作用［4～6］。

2 高性能黏彈性阻尼涂料的研發(fā)

2.1 高性能阻尼涂料的研究概述

阻尼涂料作為一種新型阻尼材料，因其制造工藝簡單，施工方便且性能優(yōu)異，近年來發(fā)展極為迅速。自20世紀(jì)50年代原西德首先研制成功高聚物黏彈性阻尼涂料以來，阻尼技術(shù)在國外就被列為高新技術(shù)領(lǐng)域，國外很多研究單位都投入了大量人力、物力開展基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究，主要應(yīng)用于航空、航天、固體火箭推進及船舶等的減振降噪。

20世紀(jì)80年代后，隨著對振動降噪的日益重視，國內(nèi)開始了高聚物黏彈阻尼涂料的研制和生產(chǎn)。目前研究最深入，最具實用價值的是聚氨酯類阻尼涂料，但依然存在如下主要問題：（1）涂料阻尼性能不夠高；（2）涂料約束阻尼涂層厚度較厚，質(zhì)量偏大；（3）品種不夠多；（4）功能阻尼涂料品種較少；（5）阻尼性能測試條件和方法較落后且不統(tǒng)一。

基于上述分析，本節(jié)嘗試研制適于船舶結(jié)構(gòu)減振降噪需要的新型高性能聚氨酯基阻尼涂料，并對復(fù)合阻尼涂層結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。

2.2 涂層試樣的研制及性能測試

按相應(yīng)的測試標(biāo)準(zhǔn)制備阻尼涂層試樣和約束阻尼復(fù)合涂層試樣。通過改變制樣過程中的原料配比和涂層厚度，可以得到一系列試樣，然后進行阻尼性能、力學(xué)性能的測試和分析。自由阻尼涂層損耗因子（tanδ）、約束阻尼層復(fù)合損耗因子hc、力學(xué)性能和物化性能測試的結(jié)果表明：黏彈性材料的阻尼性能與使用溫度和頻率有密切關(guān)系。約束－阻尼結(jié)構(gòu)中的復(fù)合損耗因子hc既與阻尼層有關(guān)，也與約束層有關(guān)，hc值大小與材料的剛度、幾何參數(shù)和損耗因子成正比。實驗證明，對于鋼質(zhì)底材，復(fù)合損耗因子（hc）隨涂層厚度增加而增大，但當(dāng)涂層與底材的厚度比大于2時，hc值增加緩慢。設(shè)計涂層最佳厚度比為2.0。另外實驗發(fā)現(xiàn)，無論涂層總厚度如何變化，阻尼層始終以1mm厚的阻尼效果最佳。

引進聚脲成分，使材料固化后形成一定數(shù)量的脲鍵，大大提高了阻尼涂料的附著力、耐介質(zhì)性能。阻尼層材料本身固化后附著力達到0級，一般涂料附著力僅達到1級水平。耐各種介質(zhì)性能也十分優(yōu)異，已達到重防腐涂料的要求。這對于船舶長期在鹽霧腐蝕性較強的海洋環(huán)境中行駛十分重要。

3 黏彈性阻尼涂料H Z-1的應(yīng)用研究

目前造船行業(yè)要求作為工程應(yīng)用的阻尼材料應(yīng)具備以下幾個基本條件：

（1）材料的使用溫度-20～60℃；

（2）具備一定的力學(xué)性能（如附著力、強度、柔韌性等）；

（3）阻燃、無毒、耐介質(zhì)，耐老化；

（4）施工方便，可帶底漆施工，滿足不同部位的施工要求。

本節(jié)將所研制的新型阻尼涂料用于實船涂敷，并對應(yīng)用結(jié)果進行分析研究。

3.1 模型試驗

阻尼材料的自身性能指標(biāo)測試是針對細長的薄鋼板進行的，必須通過結(jié)構(gòu)模型試驗加以驗證和考核。針對某船的具體情況，我們使用所研制的阻尼涂料進行了相應(yīng)的模型測試。

包括模型裸結(jié)構(gòu)激振試驗及模型結(jié)構(gòu)1、模型結(jié)構(gòu)2激振試驗，并間隔半年后，對結(jié)構(gòu)2進行相同的激勵試驗。

在白噪聲激勵下，裸結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)2在10Hz～6.4kHz頻率下的振動加速度傳遞損失值如表1所示。

表1 白噪聲激勵下振動加速度傳遞損失值（dB）Table 1 The loss value ofvibration acceleration under white noise condition

從上述模型實驗數(shù)據(jù)可以看出，使用阻尼涂料后減振效果明顯，同時采用厚度比2：1時的減振效果比厚度比1.5：1好很多。間隔半年后，對結(jié)構(gòu)2又進行了相同的測試，其結(jié)果基本未變，說明阻尼涂料的減振性能是穩(wěn)定的。

3.2 實船應(yīng)用

目前國內(nèi)船用阻尼材料主要分為片狀型材和涂料這二種類型。表2為新型涂料與一種阻尼板的實船應(yīng)用性能參數(shù)的對比。

實船應(yīng)用表明：無溶劑型阻尼涂料的研制成功克服了以往船用阻尼材料在阻尼性、工藝性和實用性方面的諸多不足。該新型船用阻尼涂料具有可常溫固化、附著力好、易于厚涂等優(yōu)點，解決了傳統(tǒng)橡膠型阻尼片材不宜在復(fù)雜曲面施工、與甲板敷料配套差的難題。經(jīng)航行測試，使用阻尼涂料的部位振動明顯下降，艙室的空氣噪聲也下降顯著。

4 結(jié)論

隨著造船工業(yè)的日益發(fā)展，減振降噪技術(shù)已成為新的熱門學(xué)科。新型阻尼涂料的研究應(yīng)用大大改善了船舶的安靜性和舒適性。

新型高性能阻尼涂料附著力好，耐各種介質(zhì)性能優(yōu)異，無毒阻燃防腐性能好。其減振降噪性能優(yōu)異，施工方便，解決了傳統(tǒng)橡膠型阻尼片材不宜在復(fù)雜曲面施工、與甲板敷料配套差的難題；且固化時間可調(diào)，成型表面平整光滑，面型美觀。實船應(yīng)用研究表明，使用阻尼涂料的部位振動明顯下降，有廣闊應(yīng)用前景。

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