軟物質(zhì)阻尼減震材料減震原理及發(fā)展趨勢

吳廣

摘要：文章介紹了3種典型軟物質(zhì)阻尼材料：粘彈性阻尼材料、電流變體和磁流變體智能阻尼材料，并對(duì)阻尼機(jī)理和發(fā)展趨勢進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：軟物質(zhì)；粘彈性阻尼材料；電流變體；磁流變體

軟物質(zhì)是處于固體和理想流體之間的物質(zhì)，一般由大分子或基團(tuán)組成，如液晶、高分子、膠體等，它對(duì)物質(zhì)組成或結(jié)構(gòu)的微小變化、施加于物質(zhì)之上的瞬間或微弱的刺激等相對(duì)弱的外界影響能做出顯著的強(qiáng)響應(yīng)。當(dāng)前，機(jī)械設(shè)備正向高速、高效、自動(dòng)化方向發(fā)展，但其工作時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)嚴(yán)重破壞設(shè)備的精確度、可靠性和穩(wěn)定性，產(chǎn)生的噪音也會(huì)危害人們的身心健康。阻尼材料是內(nèi)阻尼高，彈性模量較大，將振動(dòng)體的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱能而耗散，用于控制振動(dòng)和噪聲的材料。阻尼材料中，粘彈性阻尼材料、電流變體和磁流變體智能阻尼材料是典型的軟物質(zhì)阻尼材料。粘彈性阻尼材料因其本身的結(jié)構(gòu)使其成為一種最為有效的阻尼材料，其阻尼性能比高阻尼合金高出1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。電流變體和磁流變體等智能阻尼材料因其對(duì)環(huán)境的自感知、自判斷、自適應(yīng)的智能性而成為未來的研究熱點(diǎn)。

1 粘彈性阻尼材料

粘彈性阻尼材料是既具有彈性機(jī)理形變又具有粘性機(jī)理形變的阻尼材料，一般為高分子聚合物。粘彈性阻尼材料一般不作為結(jié)構(gòu)材料，通常將其敷設(shè)在金屬材料表面制備復(fù)合阻尼結(jié)構(gòu)，此時(shí)由金屬材料提供剛度，粘彈性材料提供阻尼，從而增加材料的使用溫度范圍和頻率范圍。廣泛用于航天、航空、造船、汽車、鐵路、紡織、電子、機(jī)械等行業(yè)。

聚合物結(jié)構(gòu)中既存在著分子與分子間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，也存在著單個(gè)分子內(nèi)部化學(xué)單元的自由旋轉(zhuǎn)，在受到外力作用時(shí)，彎曲的分子鏈就會(huì)產(chǎn)生拉伸、扭曲等形變，分子之間的鏈段也會(huì)產(chǎn)生相對(duì)滑移、扭轉(zhuǎn)等現(xiàn)象；在外力除去后，形變后的分子鏈和分子之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)都需要恢復(fù)原位，因此會(huì)釋放外力而做功，這就是粘彈性材料的彈性。倘若分子鏈間的滑移、扭轉(zhuǎn)等形變不能夠完全復(fù)原了就會(huì)導(dǎo)致永久性的變形，這就是粘彈性材料的粘性。交變應(yīng)力作用狀態(tài)下的高分子材料，其鏈狀分子運(yùn)動(dòng)需要一定的時(shí)間來克服阻力，在這個(gè)過程中，應(yīng)變的變化通常會(huì)滯后于應(yīng)力的變化。當(dāng)外界的溫度與高聚物的玻璃化溫度Tg接近時(shí)，高聚物處于玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化區(qū)內(nèi)，一定頻率范圍內(nèi)這種滯后現(xiàn)象表現(xiàn)得尤為明顯，滯后的形變運(yùn)動(dòng)因克服較大的阻力從而將外力做的功轉(zhuǎn)化為熱能而耗散掉，從而形成聚合物粘彈性阻尼。在阻尼過程中，拉伸時(shí)，聚合物體系通過改變分子鏈段的構(gòu)象以及鏈段運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦來消耗外力所做的功；回縮時(shí)，鏈段運(yùn)動(dòng)仍需克服鏈段間的摩擦阻力使伸展的分子鏈重新蜷曲起來。這樣一個(gè)拉伸回縮循環(huán)中，就將部分振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能。

聚合物粘彈性阻尼材料需滿足以下條件：具有較高的材料損耗因子；具有較寬的損耗因子溫度范圍，能適應(yīng)振動(dòng)構(gòu)件變化的工作環(huán)境溫度；具有適當(dāng)?shù)牟牧蟽?chǔ)能剪切模量或楊氏模量；具有不易老化的特性，能匹配振動(dòng)構(gòu)件的工作壽命；具有良好的工藝性、耐油、耐腐蝕、耐高溫及較好的阻燃性等。

粘彈性阻尼材料還需要在以下兩方面進(jìn)一步突破：（1）大幅度地提高材料的阻尼損耗因子；（2）大幅度地拓寬材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度范圍?，F(xiàn)有的使用較多的粘彈性阻尼材料均屬于振動(dòng)的被動(dòng)控制技術(shù)范疇，不能自動(dòng)響應(yīng)外界環(huán)境的變化，因此減震效果不夠理想。今后應(yīng)大力開展主動(dòng)控制技術(shù)研究，使阻尼材料智能化、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)化，能根據(jù)振動(dòng)環(huán)境的變化，實(shí)時(shí)自動(dòng)地調(diào)節(jié)自身的參數(shù)。如將壓電材料或壓磁材料加入到粘彈性聚合物中，制成減震性能優(yōu)良的阻尼材料，使機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能，再由電能轉(zhuǎn)化成熱能，達(dá)到阻尼減震的目的。此外，仿生阻尼材料的研究也受到世人的關(guān)注，預(yù)計(jì)聲子晶體亦將在阻尼材料中發(fā)揮應(yīng)有的作用。這些新型阻尼材料的減震原理不能用傳統(tǒng)的粘彈性阻尼理論作出解釋，需要對(duì)其阻尼減震機(jī)理、各種因素的影響以及提高阻尼作用的途徑等進(jìn)行深入研究。

2 智能型軟物質(zhì)阻尼材料

智能阻尼材料能滿足功能結(jié)構(gòu)一體化的要求，且能適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境（環(huán)境溫度變化較大、振動(dòng)頻率復(fù)雜等），可通過優(yōu)化設(shè)計(jì)材料的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)外界環(huán)境的自感知、自判斷和自適應(yīng)，滿足不同領(lǐng)域的要求，發(fā)展極為迅速。電流變體和磁流變體就是兩種典型的智能軟物質(zhì)阻尼材料。

2.1 電流變體材料

電流變液是由納米至微米尺度的介電顆粒與絕緣液體混合而成的復(fù)雜流體，按其體系結(jié)構(gòu)可分為粒子分散型和均一溶液型兩大類，粒子分散型電流變液是指粒徑在0.1-10μm的固體粒子在分散介質(zhì)如氯化石蠟油、硅油等絕緣油類中所形成的懸浮式分散液，均一溶液型電流變液是指一些強(qiáng)極性有機(jī)及高分子聚合物溶液。其特點(diǎn)是可通過外加電場而使液體中的固體顆粒極化，極化顆粒通過相互間的靜電作用排列成三維鏈狀結(jié)構(gòu)而使流體的表觀黏度增大。鏈狀結(jié)構(gòu)的力學(xué)強(qiáng)度隨電場的增大而增加，從而使電流變體的表觀黏度依電場強(qiáng)度不同而不同。由此，可以通過調(diào)節(jié)電場強(qiáng)度而在毫秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)可逆、連續(xù)地改變電流變體的黏度，使其呈現(xiàn)為流體、半固體、甚至固體狀態(tài)，其阻尼損耗因子可由0急劇增至18。在以電流變體制作阻尼器中，外加振動(dòng)能量通過電流變體傳遞時(shí)，將因克服流體黏度造成的阻力而被消耗。微機(jī)系統(tǒng)接收到該結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)后會(huì)及時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)所需的外加電場發(fā)出指令，通過控制外加電場調(diào)節(jié)電流變體的黏度便可控制其對(duì)能量的衰減。

電流變技術(shù)在結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制領(lǐng)域的應(yīng)用，主要可歸結(jié)為兩大類：一是將電流變液直接充填于結(jié)構(gòu)內(nèi)，形成含有電流變液的夾層結(jié)構(gòu)，按照一定的控制律對(duì)外加電場的調(diào)節(jié)，來控制阻尼和附加剛度的變化，從而控制結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。這類應(yīng)用中電流變液在結(jié)構(gòu)中的充填分布形式受到了實(shí)際結(jié)構(gòu)的許多限制。二是在結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)可控的電流變阻尼器，對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)進(jìn)行半主動(dòng)或主動(dòng)的控制，按照相應(yīng)的控制律控制阻尼器的外加電場，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的有效控制。

要實(shí)現(xiàn)電流變液在阻尼減震中的應(yīng)用，仍需解決以下4個(gè)關(guān)于基礎(chǔ)理論和應(yīng)用技術(shù)方面的問題：（1）非電場下的電流變液黏度過高，有電場時(shí)屈服強(qiáng)度又不夠，導(dǎo)致不能傳輸出足夠的力矩的問題；（2）應(yīng)用在離合器和減震器中時(shí)，會(huì)存在因磨損或吸收沖擊熱量而引起電流變液溫度升高的問題；（3）因電流變液中的懸浮顆粒易發(fā)生凝聚、沉降、分層及至放置一段時(shí)間后，會(huì)出現(xiàn)電流變液屈服應(yīng)力大幅下降、穩(wěn)定性不好的問題；（4）目前電流變器件的輔助裝置在體積小、重量輕、可調(diào)高壓電源等性能方面均存在有待提高的問題。隨著這些問題的解決，電流變液的剪切屈服應(yīng)力和表觀黏度可隨外加電場改變的特性將使得電流變液成為一種理想的阻尼因子可控的阻尼材料，因此可以設(shè)計(jì)出具有特定結(jié)構(gòu)形式的、用于結(jié)構(gòu)減震和振動(dòng)抑制的電流變液阻尼構(gòu)件，這己成為如今振動(dòng)控制工程領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)方向。

2.2 磁流變體阻尼材料

磁流變液材料是磁場可控的智能材料，通常由微米級(jí)的磁性顆粒（含鐵鈷鎳元素的顆?；蚱浜辖穑?、非磁性載液（水或各種油類物質(zhì)）和添加劑構(gòu)成。在沒有外部磁場作用時(shí)，磁流變體符合牛頓流體的特征，具有較低的黏度。當(dāng)磁流變液受到磁場作用時(shí)，磁性微?？朔徇\(yùn)動(dòng)而沿磁場方向結(jié)成鏈狀結(jié)構(gòu)，同一條極化鏈中各相鄰粒子間的吸引力隨外加磁場強(qiáng)度的增強(qiáng)而增大。當(dāng)磁場增至臨界值時(shí)，磁偶極子的相互作用超過熱運(yùn)動(dòng)，則磁性微粒熱運(yùn)動(dòng)受縛，其表觀粘滯系數(shù)增加兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上，此時(shí)磁流變液呈現(xiàn)固體特性，而磁場去掉時(shí)又變成液體。通過控制電磁線圈電流的大小來調(diào)整磁場強(qiáng)度進(jìn)而改變磁流變液的黏度，實(shí)現(xiàn)阻尼可調(diào)的目的。

磁流變液阻尼材料的特點(diǎn)：（1）具有連續(xù)性，阻尼力可以通過控制磁場的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)；（2）具有可逆性，去掉磁場后磁流變液由具有一定剪切強(qiáng)度的粘塑性體恢復(fù)為自由流動(dòng)的液體狀態(tài)；（3）具有毫秒級(jí)時(shí)間的響應(yīng)速度。磁流變液因其響應(yīng)速度快、調(diào)節(jié)范圍寬、結(jié)構(gòu)簡單等獨(dú)特的優(yōu)勢，在振動(dòng)控制等眾多領(lǐng)域有極大的發(fā)展前景，能有效地減小實(shí)際應(yīng)用中的各種振動(dòng)對(duì)建筑、汽車、航空航天等領(lǐng)域的損害。

3 結(jié)語

隨著高新技術(shù)的發(fā)展，軟物質(zhì)阻尼材料的應(yīng)用越來越廣泛，對(duì)其性能的要求日益提高，研究和開發(fā)具備優(yōu)異阻尼性能的材料和提出其發(fā)展方向具有十分重要的意義。未來軟物質(zhì)型阻尼減震材料的研究主要是集中在新型材料和結(jié)構(gòu)方面。阻尼機(jī)理及制備具有高阻尼性能和物理性能的軟物質(zhì)阻尼材料需要繼續(xù)深入研究。以高分子為基體進(jìn)行改性，研制和開發(fā)具有綠色、經(jīng)濟(jì)、長壽命、寬溫域、高性能、智能化的軟物質(zhì)阻尼材料是未來最重要的發(fā)展方向，尤其是智能型阻尼材料將為阻尼材料的寬溫域、高性能、智能化、功能結(jié)構(gòu)一體化提供廣闊的發(fā)展前景。