阻尼材料的研究進(jìn)展與分析

張安桂 李明俊 徐泳文 苗明東

(1.南昌航空大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，江西 南昌 330063； 2.南昌航空大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西 南昌 330063)

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，機(jī)械設(shè)備趨于高速、高效和自動(dòng)化，隨之引起的振動(dòng)、噪聲和疲勞斷裂問(wèn)題亦越來(lái)越突出。振動(dòng)和噪聲限制機(jī)械設(shè)備性能的提高，嚴(yán)重破壞機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，并污染環(huán)境，危害人們的身心健康，因此減振降噪，改善人機(jī)工作環(huán)境是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。將損耗振動(dòng)與噪聲能量的能力稱為阻尼，即是指在振動(dòng)系統(tǒng)中，將系統(tǒng)受迫振動(dòng)時(shí)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為其他形式能量的能力，其本質(zhì)意義是能量的衰減和耗散[1-2]。

根據(jù)耗能途徑可以分為系統(tǒng)阻尼，材料阻尼，結(jié)構(gòu)阻尼[3]。按照阻尼材料的耗能方式，又可以將材料分為主動(dòng)耗能與被動(dòng)耗能[4]兩種方式。按其材料的類型不同，可以將阻尼材料分為：粘彈性阻尼材料，顆粒阻尼材料，高阻尼合金，復(fù)合阻尼材料等[5]。其材料類型不同，也有著不同的耗能方式?，F(xiàn)今的各種技術(shù)都是圍繞著如何更有效的進(jìn)行耗能，通常使用損耗因子(tanδ)表征材料的阻尼性能大小。其損耗因子的定義可以理解為材料粘滯性能與彈性性能的比值，即與損耗模量成正比與儲(chǔ)能模量的比值成反比，當(dāng)其比值為1時(shí)損耗因子最大，材料的阻尼性能越好[6]。

1 粘彈性阻尼材料

粘彈性阻尼材料通常是一種高分子聚合物材料，同時(shí)具有粘性液體和彈性固體的性質(zhì)，具有耗能減振作用[7]。隨著環(huán)境溫度的升高和變形頻率的減小，粘彈性阻尼材料的貯能剪切模量和損耗因子減小。應(yīng)變幅值的變化對(duì)粘彈性阻尼材料的力學(xué)性能無(wú)顯著影響。當(dāng)應(yīng)變幅值較小時(shí)，加載循環(huán)次數(shù)對(duì)粘彈性材料動(dòng)力特性的影響較小。過(guò)去多年來(lái)已經(jīng)開(kāi)發(fā)了幾種不同類型的粘彈性阻尼材料。根據(jù)其物理特性和應(yīng)用，粘彈性阻尼材料可分為瀝青基粘彈性阻尼材料，水基涂層粘彈性阻尼材料，丁基橡膠粘彈性阻尼材料，壓電粘彈性阻尼材料[8-11]。每種類型的粘彈性阻尼材料都有其自己的應(yīng)用領(lǐng)域以及特定的環(huán)境和操作條件。

近年來(lái)，汽車(chē)行業(yè)不斷投資開(kāi)發(fā)減少噪音和振動(dòng)的方法，并改善車(chē)內(nèi)舒適性。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)粘彈性阻尼材料在車(chē)輛部件和子系統(tǒng)中有許多應(yīng)用，諸如間隔件，穩(wěn)定劑，排氣系統(tǒng)衣架，和發(fā)動(dòng)機(jī)支架系統(tǒng)。譚亮紅等人[12]討論了粘彈性阻尼材料在汽車(chē)噪聲、振動(dòng)和磨損(NVH)問(wèn)題中的應(yīng)用[12]。其結(jié)果表明對(duì)于汽車(chē)NVH問(wèn)題，使用粘彈性阻尼材料對(duì)車(chē)體進(jìn)行阻尼處理后，結(jié)構(gòu)振動(dòng)的能量得到明顯控制，車(chē)內(nèi)噪聲明顯改善。

Wen Fei Wang等人[13]證明了一種新型的粘彈性的減振材料具有高阻尼性能在200之間的高的溫度范圍內(nèi)100℃至250℃的溫度范圍內(nèi)使用具有更高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的特殊聚合物樹(shù)脂，這些樹(shù)脂具有與應(yīng)用溫度范圍相對(duì)應(yīng)的更高的掛件組，并提供更高的能量消耗效率此外，用玻璃纖維增強(qiáng)的散裝材料的阻尼特性將被顯著改善，其中峰值黃褐色tanδ值可以達(dá)到0.7。介紹了這種新型材料的制備工藝和性能表征，并試圖為制備可用于高溫減振領(lǐng)域的粘彈性阻尼材料提供一種新的方法，使得材料與環(huán)境溫度高于100℃時(shí)衰減性能會(huì)急劇衰減的傳統(tǒng)衰減器相反。

粘彈性阻尼材料是具有很多應(yīng)用實(shí)例的一種阻尼材料。雖然具有較高的阻尼性能，并有少量研究可提供具有200℃以上較高溫度的使用范圍，但自身仍是以高分子聚合物為原材料制作，具有一個(gè)相對(duì)較低的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，而一旦使用的環(huán)境溫度超過(guò)了其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度之后，將不再具有阻尼性能，甚至變形后的材料會(huì)對(duì)主體造成破壞。

2 顆粒阻尼材料

顆粒阻尼材料多結(jié)合顆粒阻尼器一同使用在主體表面或者內(nèi)部構(gòu)成一個(gè)耗能整體[14]。顆粒阻尼器是一種受迫振動(dòng)控制裝置。傳統(tǒng)的顆粒阻尼器可以分為四種主要類型：沖擊阻尼器，多單元沖擊阻尼器，顆粒阻尼器，和多單元顆粒阻尼器[15]。都由主系統(tǒng)以及位于主系統(tǒng)空腔內(nèi)的顆粒材料組成。一旦主系統(tǒng)受迫振蕩，顆粒材料也開(kāi)始在空腔中移動(dòng)并與空腔壁碰撞。這導(dǎo)致顆粒與顆粒之間以及顆粒與主系統(tǒng)空腔之間發(fā)生動(dòng)量傳遞與空腔壁與顆粒之間的摩擦以減小振動(dòng)幅度。相對(duì)于傳統(tǒng)阻尼裝置來(lái)說(shuō)，顆粒阻尼器的結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單。并且由于其不受溫度影響，具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，可以在對(duì)其他方法過(guò)于苛刻的環(huán)境中運(yùn)行[16]。顆粒阻尼的有效性已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)中得到了廣泛的研究和分析。

Harris和Crede[17]描述了沖擊阻尼最早用于控制切削工具，銑削徑向鉆頭，滾齒機(jī)和其他機(jī)械振動(dòng)的應(yīng)用。

Kai Zhang等人[18]對(duì)顆粒阻尼器的最佳阻尼性能與顆粒運(yùn)動(dòng)方式的關(guān)系進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)懸臂系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究了某一初始條件下顆粒阻尼器的阻尼性能。然后，通過(guò)將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合為等效單自由度(SDOF)系統(tǒng)，在無(wú)阻尼粒子狀態(tài)下，對(duì)PDs的有效質(zhì)量和有效阻尼進(jìn)行了簡(jiǎn)單的評(píng)價(jià)。最后，通過(guò)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，確定了阻尼顆粒在懸臂系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中所使用的控制參數(shù)，確定了阻尼粒子的運(yùn)動(dòng)方式。研究結(jié)果表明，當(dāng)獲得顆粒阻尼器的最佳阻尼性能時(shí)，在顆粒阻尼器中觀察到顆粒狀的Leidenfrost效應(yīng)，即所有阻尼粒子懸浮在振動(dòng)基上。顆粒阻尼器的最優(yōu)阻尼性能主要是由于Leidenfrost阻尼粒子耗散特性的影響。

Friend和Kinra[19]進(jìn)行了一個(gè)關(guān)于懸臂梁自由衰減情況下的顆粒阻尼的實(shí)驗(yàn)研究，懸臂梁的自由端附著在垂直平面上振動(dòng)。他們研究了振動(dòng)幅度和顆粒填充率(或間隙)對(duì)阻尼的影響。觀察到顆粒阻尼是高度非線性的，即與幅度有關(guān)。在實(shí)驗(yàn)中觀察到極高的最大阻尼比能力為50%。

3 高阻尼合金

所謂高阻尼合金，系指對(duì)機(jī)械和結(jié)構(gòu)可起減振和降噪作用的金屬材料的總稱。日前已經(jīng)遍及鐵基、銅基、欽基、鎂基和錳銅墓等合金，其中，最有前途和研究較多的是Mn-Cu基合金。根據(jù)合金的阻尼機(jī)理，可把已出現(xiàn)的高阻尼含金分成下面四種類型：復(fù)合型、鐵磁性型、錯(cuò)位型、雙晶型。其中復(fù)合型的阻尼機(jī)理是振動(dòng)時(shí)在母相和第二相的界面引起塑性流動(dòng)使能量耗損，鐵磁性型的阻尼機(jī)理是磁疇壁的非可逆移動(dòng)的同時(shí)而產(chǎn)生磁一機(jī)械遲滯使能量耗損。錯(cuò)位型的阻尼機(jī)理是晶體中的滑移位錯(cuò)和雜質(zhì)原子間的相互作用而發(fā)生的機(jī)械靜遲滯使能量耗損。雙晶型的阻尼機(jī)理是熱彈性馬氏體的轉(zhuǎn)變雙晶的界面移動(dòng)或母相與馬氏體相界的移動(dòng)使能量耗損[20]。

HuiWang等人[21]采用動(dòng)態(tài)力學(xué)熱分析儀測(cè)試了合金的阻尼性能，研究了不同冷卻速度對(duì)合金相，顯微組織，矯頑力和阻尼性能的影響。結(jié)果表明，冷卻速率對(duì)Fe-15Cr-3Mo-0.5Si合金的晶相和晶粒尺寸沒(méi)有影響。經(jīng)過(guò)處理的合金的相是單一的α-Fe。此外，在爐冷合金的合金晶界上檢測(cè)到含Cr和Mo的碳化物沉淀，而在空冷和水冷合金的合金晶界上沒(méi)有沉淀相。此外，與空冷合金相比，爐冷的合金顯示出最小的矯頑力，并且水冷合金顯示出最大的矯頑力。爐冷，風(fēng)冷和水冷合金的tanδ分別為0.209，0.188和0.175。隨著合金冷卻速度的增加，阻尼容量逐漸減小的主要原因是它們的微內(nèi)應(yīng)力存在差異。

王乃亮等人[22]利用動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀、有限元分析軟件和振動(dòng)測(cè)試設(shè)備，研究了M2052合金的阻尼性能及應(yīng)用在支撐底座中的減振性能。振動(dòng)測(cè)試結(jié)果與有限元分析結(jié)果比較吻合。結(jié)果表明：在頻率響應(yīng)分析中，M2052的應(yīng)用能夠有效降低振動(dòng)，經(jīng)支撐底座傳遞的振動(dòng)明顯減??；在瞬態(tài)響應(yīng)分析中，通過(guò)振動(dòng)衰減曲線對(duì)比看出，阻尼合金應(yīng)用到工字型支座能更快的耗散振動(dòng)能量，在一定范圍內(nèi)阻尼合金的應(yīng)變?cè)酱?，阻尼性能越好，所以S型支座能提供更大的減振性能；同時(shí)，通過(guò)力錘敲擊實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了M2052合金在結(jié)構(gòu)件中的應(yīng)用能有效降低機(jī)械振動(dòng)，且應(yīng)變?cè)酱笾ё臏p振效果越好。

張文芹等人[23]研究了高阻尼銅合金板材用于艦船后傳動(dòng)系統(tǒng)的研制過(guò)程，并對(duì)影響阻尼特性的關(guān)鍵熱處理工藝對(duì)其組織性能的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)表明，材料在820～850℃淬火和420℃×12h時(shí)效后，組織顯示為清晰、整齊的孿晶馬氏體組織，這些孿晶界面在交變應(yīng)力的作用下，可以移動(dòng)或滑移，從而吸收振動(dòng)能量，達(dá)到減振降噪的功能。

4 復(fù)合阻尼材料

阻尼功能復(fù)合材料按材料種類不同可以分為高聚物基體型和金屬板夾層型。前者系在橡膠、塑料等基體中加人各種適當(dāng)?shù)奶盍?顆粒、纖維)復(fù)合成型，在受到振動(dòng)時(shí)，由于高聚物基體與填料之問(wèn)的界面上發(fā)生摩擦以及高聚物基體內(nèi)的分子內(nèi)摩擦、耗散了振動(dòng)能達(dá)到阻尼的目的。后者系在鋼板或鋁板間夾有很薄的高聚物，這樣的復(fù)合材料強(qiáng)度由金屬夾板提供。而阻尼性能則由粘彈性高聚物的高內(nèi)耗和金屬夾板的約束性來(lái)提供，因此即使在較高的溫度下也能保證良好的阻尼減振作用[24]。同時(shí)，相比于顆粒阻尼材料具有高剛度，一體性的優(yōu)點(diǎn)。

YanLi等人[25]提出了一種利用亞麻纖維和碳納米管的多尺度方法來(lái)增強(qiáng)碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的阻尼性能。通過(guò)自由振動(dòng)試驗(yàn)測(cè)量阻尼性能，并通過(guò)拉伸和彎曲試驗(yàn)獲得強(qiáng)度和模量。研究了亞麻纖維堆垛順序和碳納米管添加對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料阻尼性能和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，通過(guò)在復(fù)合材料的最外層上鋪設(shè)亞麻纖維，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的阻尼性能大大提高。隨著碳納米管的添加，阻尼性能進(jìn)一步增強(qiáng)。借助于掃描電子顯微鏡和理論分析，分析了通過(guò)與亞麻纖維雜交以及添加碳納米管而阻尼修飾機(jī)制。結(jié)果表明，混雜復(fù)合材料的阻尼性能改善是由于纖維獨(dú)特的多尺度微結(jié)構(gòu)和碳納米管的粘滑作用引起亞麻纖維內(nèi)部的滑動(dòng)摩擦。

Julien Meaud等人[26]證明了碳納米管工程桁架在耗散聚合物中的明智組合可以導(dǎo)致復(fù)合材料同時(shí)表現(xiàn)出高剛度和阻尼。以使用于汽車(chē)，航空，建筑和其他結(jié)構(gòu)元件暴露于動(dòng)態(tài)載荷的技術(shù)中需要高剛度和機(jī)械能耗結(jié)合的場(chǎng)合。通過(guò)碳納米管微結(jié)構(gòu)和新穎的三維桁架拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形成這些納米復(fù)合材料的骨架。碳納米管桁架涂有陶瓷和納米結(jié)構(gòu)的聚合物薄膜，用軟聚氨酯填充桁架的裂縫。與聚合物相比，所得復(fù)合材料表現(xiàn)出高得多的剛度(80倍)和類似的阻尼(比阻尼容量為0.8)。

5 總結(jié)

阻尼材料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用雖已有三四十年的歷史，但從理論上形成新的學(xué)科，應(yīng)用上形成新的技術(shù)只有十多年的時(shí)間，研制與開(kāi)發(fā)綜合性能優(yōu)異的阻尼材料已成為研究熱點(diǎn)。雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)于阻尼的研究相對(duì)較完善，但是阻尼材料的種類卻一直局限于現(xiàn)有的幾種常見(jiàn)阻尼材料。隨著工業(yè)不斷發(fā)展，對(duì)于阻尼材料的使用環(huán)境依然突出了許多的要求，而新型阻尼開(kāi)發(fā)卻仍然處于一個(gè)起步階段。

[1]Bajkowski J M，Dyniewicz B，Bajer C I.Damping properties of a beam with vacuum-packed granular damper[J].Journal of Sound and Vibration，2015，341：74-85.

[2]朱博.阻尼振動(dòng)及受迫振動(dòng)系統(tǒng)的能量研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2015(17)：36-36.

[3]段志平，張亞.結(jié)構(gòu)阻尼識(shí)別的方法及比較[J].福州大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，33(s1)：208-212.

[4]張巍，李江，何玉敖.半主動(dòng)控制與被動(dòng)耗能減振控制比較研究[C].全國(guó)結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)會(huì)議.2003.

[5]許巧平，蘇芳珍.高阻尼材料的阻尼機(jī)制及發(fā)展趨勢(shì)分析[J].延安大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，28(3)：45-47.

[6]黃微波，張志超，李華陽(yáng)，等.層間厚度對(duì)約束阻尼結(jié)構(gòu)振動(dòng)性能的影響[J].工程抗震與加固改造，2018(1).

[7]曾志斌，史永吉.粘彈性阻尼材料減振技術(shù)及其在橋梁中的應(yīng)用[J].中國(guó)鐵道科學(xué)，2002，23(5)：89-94.

[8]丁國(guó)芳，周安偉，石耀剛，等.熱空氣老化粘彈性丁基橡膠阻尼材料的性能及其老化機(jī)理研究[J].橡膠工業(yè)，2016，63(4).

[9]于天詩(shī).瀝青基高阻尼材料的研制[J].包裝工程，1993(5)：220-223.

[10]陶宇，陶瑜驍，孫萌，等.一種水基阻尼漿料及其制備方法，CN103937335A[P].2014.

[11]梁瑞林，常樂(lè)，高超，等.壓電陶瓷廢料在阻尼減振材料中的應(yīng)用[J].再生資源與循環(huán)經(jīng)濟(jì)，2004(2)：37-38.

[12]譚亮紅，李衡峰，徐波，等.粘彈性阻尼材料在汽車(chē)NVH中的應(yīng)用研究[J].特種橡膠制品，2012(4)：29-32.

[13]Wang W F，Lin X Z，Ma Y L.Viscoelastic Vibration Damping Materials for Application in a Temperature Range above 150℃[C]//Key Engineering Materials.Trans Tech Publications，2017，730：569-573.

[14]閆維明，張向東，黃韻文，等.基于顆粒阻尼技術(shù)的結(jié)構(gòu)減振控制[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，38(9)：1316-1320.

[15]Lu Z，Wang Z，Masri S F，et al.Particle impact dampers：Past，present，and future[J].Structural Control and Health Monitoring，2017.

[16]周天平.顆粒阻尼器對(duì)懸臂梁結(jié)構(gòu)受追振動(dòng)的減震作用研究[D].蘭州大學(xué)，2012.

[17]Harris C M，Crede C E.Shock and Vibration Handbook，McGraw-Hill，New York，1996[J].

[18]Zhang K，Chen T，Wang X，et al.Motion mode of the optimal damping particle in particle dampers[J].Journal of Mechanical Science and Technology，2016，30(4)：1527-1531.

[19]R.D.Friend，V.K.Kinra，Particle impact damping，Journal of Sound and Vibration 233(2000)93-118.

[20]盧鳳雙，芮永嶺，田宇鵬，等.M2052高阻尼合金的研究及應(yīng)用[J].金屬功能材料，2013，20(4)：43-48.

[21]Wang H，Wang F，Xiao J，et al.Effect of cooling rate on damping capacity of Fe-Cr based ferromagnetic metal alloy[J].Materials Science and Engineering：A，2016，650：382-388.

[22]王乃亮，冀璞光，殷福星，等.M2052高阻尼合金在結(jié)構(gòu)件減振中的應(yīng)用研究[J].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，46(3)：88-93.

[23]張文芹，雷竹芳.艦船用高阻尼銅合金板材的研制[J].材料開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，2009，24(2)：7-12.

[24]馬力，楊金水.新型輕質(zhì)復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)振動(dòng)阻尼性能研究進(jìn)展[J].應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)，2017，38(4)：369-398.

[25]Li Y，CaiS，Huang X.Multi-scaled enhancement of damping property for carbon fiber reinforced composites[J].Composites Science and Technology，2017，143：89-97.

[26]Meaud J，Sain T，Yeom B，et al.Simultaneously high stiffness and damping in nanoengineered microtruss composites[J].ACS nano，2014，8(4)：3468-3475.