減振材料的基礎(chǔ)知識(shí)和有關(guān)材料數(shù)據(jù)

李漢堂 編譯

(曙光橡膠工業(yè)研究設(shè)計(jì)院，廣西 桂林 541004)

0 前 言

所謂減振材料是指將減振對(duì)象的振動(dòng)能轉(zhuǎn)變成熱能，通過(guò)吸收振動(dòng)能，使材料具有高衰減或高抑制振動(dòng)能力的材料。如果從“隔音橡膠材料”這一角度來(lái)考慮減振材料，則把減振對(duì)象的振動(dòng)作為一種聲音傳播到空氣中，通過(guò)迅速衰減其振動(dòng)來(lái)減小聲音傳播的能量，期望減振材料能具有這樣的功能。

減振材料可分為高分子類減振材料、減振金屬和合金、減振鋼板等幾大類，文中只涉及高分子減振材料。

1 隔振和減振

人們往往會(huì)提出有關(guān)隔振與減振之間的差異問(wèn)題，因此在這里擬用振動(dòng)傳遞率τ進(jìn)行概述，圖1示出了單自由度振動(dòng)系統(tǒng)的模型。

圖1 單自由度振動(dòng)系統(tǒng)模型

在標(biāo)準(zhǔn)條件下，假設(shè)了一個(gè)具有100 Hz共振頻率的模型，其橫向軸為勵(lì)振頻率；縱向軸為振動(dòng)傳遞率τ。如圖2所示，在共振頻率為100 Hz附近，可觀察到由于損耗系數(shù)增大，而導(dǎo)致的振動(dòng)衰減效果的提高，減小振動(dòng)傳遞率是有可能的，這種效果被稱為減振。再如圖3所示，如果增大彈簧常數(shù)（提高材料硬度），則共振頻率向高頻一側(cè)偏移；相反，如果減小彈簧常數(shù)（使材料變軟），則共振頻率移向低頻一側(cè)。又如圖4所示，在減振對(duì)象的質(zhì)量m增加的情況下，共振頻率移向低頻一側(cè)。通過(guò)使共振頻率移位來(lái)減小振動(dòng)傳遞率，這被稱為隔振。值得注意的是，雖然彈簧常數(shù)或減振對(duì)象的質(zhì)量發(fā)生變化會(huì)使共振時(shí)的頻率移位，但共振時(shí)振動(dòng)傳遞率基本不變。

圖2 損耗系數(shù)發(fā)生變化時(shí)的振動(dòng)傳遞率

圖3 彈簧常數(shù)發(fā)生變化時(shí)的振動(dòng)傳遞率

也就是說(shuō)，抑制由振動(dòng)源向減振對(duì)象傳遞的振動(dòng)時(shí)，是考慮衰減是由共振頻率引起振動(dòng)（吸收共振頻率附近的振動(dòng)能）的減振功能呢？還是考慮減少由共振頻率引起振動(dòng)（把共振頻率移向其他頻率帶）的隔振功能呢？等考慮成熟后進(jìn)行適宜的隔音設(shè)計(jì)，這是一種基本的思維方式。

圖4 質(zhì)量發(fā)生變化時(shí)的振動(dòng)傳遞率

這樣，最大限度地抑制共振頻率下的振動(dòng)，或者衰減減振對(duì)象的振動(dòng)，這就是減振材料的功能。如圖2所示，對(duì)于振動(dòng)傳遞率τ為1以上的共振頻率區(qū)域，使用損耗系數(shù)大的減振材料可有效地衰減振動(dòng)。換言之，將振動(dòng)著的彈簧看作是勵(lì)振源，將減振對(duì)象看作是空氣，此時(shí)將減振材料置于空氣中，則可以衰減向空氣中傳遞的振動(dòng)。如果能從振動(dòng)、噪聲的角度解釋減振功能，則可望衰減由于共振頻率產(chǎn)生的振動(dòng)，抑制放射噪聲，減小沖擊噪聲，防止自激振動(dòng)等。

另一方面，隔振（隔振橡膠）設(shè)計(jì)的基本點(diǎn)是根據(jù)彈簧常數(shù)與質(zhì)量的關(guān)系，在實(shí)際使用環(huán)境中，使由勵(lì)振源向減振對(duì)象傳遞的振動(dòng)傳遞率τ小于1。也就是說(shuō)，在掌握了實(shí)際使用環(huán)境中電動(dòng)機(jī)或泵等設(shè)備的特定頻率后，設(shè)計(jì)出比特定頻率還要低的計(jì)算上所要求的共振頻率，即可抑制由勵(lì)振源向減振對(duì)象傳遞的振動(dòng)。隔振技術(shù)就是隔絕振動(dòng)所要求的功能。

但即使是優(yōu)異的減振材料，如果使用不當(dāng)也會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)和噪聲加劇，所以必須注意這些材料的功能和作用。

圖5 減振材料的結(jié)構(gòu)分類

2 研究減振功能的機(jī)理

2.1 非約束式結(jié)構(gòu)和約束式結(jié)構(gòu)

采用高分子材料的減振結(jié)構(gòu)，大體上可分為二層結(jié)構(gòu)的非約束式和三層結(jié)構(gòu)的約束式二類。這兩種結(jié)構(gòu)都是通過(guò)利用高分子材料的黏彈特性才獲得振動(dòng)衰減性的。

非約束式結(jié)構(gòu)是將單層高分子材料粘貼在減振對(duì)象（振動(dòng)基材）表面上，通過(guò)該高分子材料的伸縮來(lái)吸收振動(dòng)能，并使之變換成熱能。因此，在彎曲變形時(shí)，高分子材料層的拉伸變化量與其厚度成正比，如果高分子材料層纖薄，則變形小，獲得的振動(dòng)衰減性也小。高分子材料層越厚，振動(dòng)衰減性越好，因此，在非約束式結(jié)構(gòu)中，為了得到有效的振動(dòng)衰減性，最好能確保高分子材料層的厚度大于減振對(duì)象的厚度。貼有減振材料的減振對(duì)象的整體組合損耗系數(shù)η可用式（1）的近似式表示。根據(jù)式（1），用于非約束式減振結(jié)構(gòu)的高分子材料的黏彈特性，希望其損耗系數(shù)要大，且儲(chǔ)能模量（縱向彈性模量或楊氏模量）也要大。

式中：E1為基材的儲(chǔ)能模量；E2為減振材料的儲(chǔ)能模量；H1為基材的厚度；H2為減振材料的厚度；η2為減振材料的損耗系數(shù)。

通過(guò)表面約束層使中間層的高分子材料，即黏彈性材料產(chǎn)生滑動(dòng)變形或剪切變形，此時(shí)能夠衰減其振動(dòng)，這就是三層結(jié)構(gòu)。貼有減振材料的整體結(jié)構(gòu)的組合損耗系數(shù)與式（1）的近似式一樣，減振材料的損耗系數(shù)、厚度和儲(chǔ)能模量越高，振動(dòng)衰減性也越大。然而，高分子材料的儲(chǔ)能模量在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度下顯示出高值，但在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度附近卻急劇下降。也就是說(shuō)，在高分子黏彈特性方面，儲(chǔ)能模量與損耗系數(shù)無(wú)相關(guān)性。因此，就約束式減振材料而言，通過(guò)在約束層分配高模量，在中間層分配高損耗系數(shù)，就可以設(shè)計(jì)出更薄更輕的減振材料，這是約束式減振材料的優(yōu)勢(shì)。

2.2 高分子材料的黏彈特性

在設(shè)計(jì)高分子類減振材料時(shí)，掌握黏彈特性是基礎(chǔ)而且很重要。圖6示出了醋酸乙酯含量為33%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的乙烯-醋酸乙酯共聚物（以下簡(jiǎn)稱EVA）的固體黏彈特性與溫度的關(guān)系；圖7示出了黏彈特性與頻率的關(guān)系。圖7還通過(guò)式（2）所示的WLF式對(duì)圖6中的黏彈特性參數(shù)進(jìn)行了換算。以玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為標(biāo)準(zhǔn)溫度，C1和C2分別為17.4和51.6。

式中：α1為換算系數(shù)；T為測(cè)定溫度；C1、C2為常數(shù)；T0為標(biāo)準(zhǔn)溫度；換算頻率fr=αt×fc；fc為試片的共振頻率。

圖6 EVA樹(shù)脂的固體黏彈特性與溫度的關(guān)系

圖7 EVA樹(shù)脂的固體黏彈特性與頻率的關(guān)系

如圖6和圖7所示，高分子材料的黏彈特性與溫度和頻率之間存在著相關(guān)性，但最有效的減振功能是在損耗系數(shù)最大的玻璃化轉(zhuǎn)移點(diǎn)附近。在玻璃化轉(zhuǎn)移點(diǎn)上，主鏈的微布郎運(yùn)動(dòng)開(kāi)始變得活躍起來(lái)，含碳原子數(shù)為10～50且含有共價(jià)鍵的分子鏈與減振效果的關(guān)系最密切。從事控制噪聲和振動(dòng)的技術(shù)人員在掌握了會(huì)產(chǎn)生減振功能的溫度和頻率范圍后，必須選定適當(dāng)?shù)臏p振材料。

近年來(lái)，人們已掌握了通過(guò)換算頻率計(jì)算圖來(lái)表征減振特性的方法。對(duì)于遵循溫度-頻率換算法則的減振材料，可以預(yù)測(cè)其適宜的使用條件。圖8為以圖6為基礎(chǔ)繪制的EVA換算頻率計(jì)算圖。圖8中，橫軸為換算頻率，左縱軸為各物理參數(shù)，右縱軸為使用環(huán)境的頻率。例如，圖中在100 Hz處0 下的材料儲(chǔ)能彈性模量可沿著A→C→E路線求得；損耗系數(shù)可沿著點(diǎn)A→B→D路線求得，此法可以模擬預(yù)測(cè)振動(dòng)。

圖8 EVA換算頻率計(jì)算圖

從設(shè)計(jì)減振材料的角度，研究了在極寬的溫度和頻率范圍內(nèi)損耗系數(shù)大的材料的設(shè)計(jì)問(wèn)題。具有代表性的有天然橡膠、合成橡膠[丁苯橡膠、丁二烯橡膠、異戊二烯橡膠、丁基橡膠、丁腈橡膠、氫化丁腈橡膠、三元乙丙橡膠（EPDM）、氯丁橡膠、熱固化聚氨酯、丙烯酸酯橡膠、硅橡膠、氟橡膠]、熱塑性彈性體（聚烯烴類、EVA、苯乙烯類、聚氯乙烯類、熱塑性聚氨酯類和聚酯類熱塑性彈性體）。

為了提高減振材料的功能性，分別研究了高分子材料本身的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、交聯(lián)狀態(tài)、增塑劑、軟化劑、增量劑、補(bǔ)強(qiáng)劑、填充劑和高分子合金等各種設(shè)計(jì)因素。也有報(bào)道介紹了在高分子材料中配合電壓材料和低分子有機(jī)極性物質(zhì)，使由外力作用產(chǎn)生的位移變換成電能，通過(guò)電流的焦耳熱來(lái)衰減振動(dòng)的減振材料。

3 用配合技術(shù)控制EPDM的黏彈特性

用EPDM的配方例來(lái)介紹通過(guò)配合控制黏彈特性的技術(shù)，在EPDM中添加代表性補(bǔ)強(qiáng)劑——炭黑，通過(guò)炭黑之間的凝聚力和炭黑與高分子鏈之間的凝聚力來(lái)提高材料的硬度。同時(shí)，通過(guò)外來(lái)的振動(dòng)和變形，使炭黑之間或炭黑與高分子鏈之間產(chǎn)生偏移和滑動(dòng)。這種偏移和滑動(dòng)可起到應(yīng)力松弛和衰減振動(dòng)的作用，將振動(dòng)能作為熱能吸收掉，從而起到減振的效果。

表1列出了分別將在EPDM中配合炭黑和石蠟油的量設(shè)定為200份、300份、400份和500份時(shí)的配方和具有代表性的物理性能。在研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)膠料邵爾A硬度為70左右時(shí)調(diào)整配方中的炭黑和石蠟油的配合量。隨著填充量的增加，回彈率下降。有關(guān)這些硫化膠片的黏彈特性，圖9示出了儲(chǔ)能彈性模量（G'），圖10示出了損耗彈性模量（G''），圖11示出了損耗系數(shù)（tanδ=G''/G'）。填充量越多，損耗彈性模量越大，最終損耗系數(shù)也增大。這與炭黑配合量增加導(dǎo)致炭黑與炭黑之間或EPDM高分子鏈與炭黑之間相互作用部分的增大有關(guān)?？梢哉J(rèn)為，由外部作用產(chǎn)生的應(yīng)變，會(huì)使相互作用部分的偏移和滑動(dòng)更容易產(chǎn)生，結(jié)果損耗系數(shù)增大。

表1 EPDM的配方例

(續(xù)前表)

圖9 EPDM固體黏彈特性（儲(chǔ)能彈性模量）

圖10 EPDM固體黏彈特性（損耗彈性模量）

圖11 EPDM固體黏彈特性（損耗系數(shù)）

用文中介紹的配方控制黏彈特性的技術(shù)，盡管是采用同一種EPDM原材料，但通過(guò)填充炭黑可控制損耗系數(shù)這一點(diǎn)意味深長(zhǎng)。

4 結(jié) 語(yǔ)

人們正在為創(chuàng)立更舒適的生活空間而革新噪聲和振動(dòng)的控制技術(shù)。文中雖只提到了減振，但與隔音、吸音、減振技術(shù)一樣，綜合性的空間設(shè)計(jì)也是重要的。因此，關(guān)鍵是從事空間和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的技術(shù)人員，以及從事減振和隔振材料設(shè)計(jì)的技術(shù)人員，從設(shè)計(jì)之初就應(yīng)該建立協(xié)商所要求性能的制度。

[1]竹內(nèi)文人. 制振材料に関する一般知識(shí)と材料データ[J]. 日本ゴム協(xié)會(huì)誌，2016（08）：249-253.