橡膠阻尼減振機(jī)理

陳愛志

橡膠阻尼減振機(jī)理

陳愛志

（海裝駐沈陽地區(qū)軍事代表局，沈陽，110000）

阻尼的方法主要有三種，即系統(tǒng)阻尼、結(jié)構(gòu)阻尼和材料阻尼。阻尼材料是將固體機(jī)械振動能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏纳⒌墓δ懿牧?。研究高分子材料分子結(jié)構(gòu)對其動態(tài)力學(xué)性能的影響，對于深化高分子材料減振降噪理論的研究及其工程應(yīng)用具有重大的意義。

阻尼材料；減振；橡膠

1 概述

阻尼材料是將固體機(jī)械振動能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏纳⒌墓δ懿牧?。阻尼材料按特性分為高分子橡膠阻尼材料、復(fù)合阻尼材料、高阻尼合金、阻尼涂料等。各種材料的阻尼性能可根據(jù)耗散振動能的能力來衡量。高分子橡膠是一種理想的阻尼材料，可利用橡膠自身粘彈性，在振動過程中，把動能轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉。而材料的阻尼性能或動態(tài)力學(xué)性能是與其分子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的，因而研究高分子材料分子結(jié)構(gòu)對其動態(tài)力學(xué)性能的影響，對于深化高分子材料減振降噪理論的研究及其工程應(yīng)用具有重大的意義。

2 阻尼材料的類型

阻尼的方法主要有三種，即系統(tǒng)阻尼、結(jié)構(gòu)阻尼和材料阻尼。系統(tǒng)阻尼是在系統(tǒng)中設(shè)置專用阻尼減振器，如減振彈簧、沖擊阻尼器等；結(jié)構(gòu)阻尼是在系統(tǒng)的某一振動結(jié)構(gòu)上附加材料或形成附加結(jié)構(gòu)，增加系統(tǒng)自身的阻尼能力；而材料阻尼是依靠材料本身所具有的高阻尼特性達(dá)到減振降噪的目的。

材料通常按其屬性劃分為金屬材料、無機(jī)材料和有機(jī)高分子材料三大類。有機(jī)高分子材料分為橡膠、塑料和纖維。材料種類繁多，其阻尼特性相差甚遠(yuǎn)，阻尼作用的大小可用材料的動態(tài)力學(xué)特性包括儲能模量和損耗因子來表征，損耗因子是表征阻尼的特征值，損耗因子又稱損耗因數(shù)、阻尼因子或損耗角正切，是每周期耗散能量與在一周期內(nèi)的最大貯能之比。橡膠粘彈性材料的損耗因子遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他材料，這也是常用具有粘彈性特性的高分子聚合物制作阻尼材料的原因。

3 橡膠阻尼減振機(jī)理

高分子材料具有阻尼效果，但不是所有的高分子材料都具有阻尼作用，只有那些結(jié)晶度不高或交聯(lián)度不高的材料在由玻璃態(tài)向彈性態(tài)的力學(xué)轉(zhuǎn)變過程中才具有較高的內(nèi)耗，即具有較大的阻尼作用，因此高分子粘彈性阻尼材料是其工作溫度范圍與玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)溫度范圍重合的材料。橡膠屬于高分子的粘彈性材料，具有高分子材料形變性質(zhì)，因此橡膠阻尼作用機(jī)理直接與橡膠的動態(tài)力學(xué)松弛性質(zhì)相關(guān)。當(dāng)橡膠與振動物體相接觸時，必然吸收一定量的振動能量，使之變成熱能，結(jié)果使振動受到阻尼作用。橡膠阻尼作用大小取決于其滯后現(xiàn)象的大小，正是由于滯后現(xiàn)象，橡膠的拉伸回縮循環(huán)變化均需克服鏈段間內(nèi)摩擦阻力而內(nèi)耗。

高分子材料在交變應(yīng)力作用下，產(chǎn)生的應(yīng)變與應(yīng)力不同步，落后一個相位角，這種形變落后于應(yīng)力的現(xiàn)象稱為“滯后”。由于高分子材料的滯后存在，就產(chǎn)生了內(nèi)耗，消耗的功以熱能形式散發(fā)掉，內(nèi)耗越大，吸收的振動能也越多，這就是高分子材料阻尼作用機(jī)理。粘彈性材料的復(fù)數(shù)模量實模量和虛模量之間的關(guān)系如下圖1所示。粘彈性材料應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系如圖2所示。

圖1 粘彈性材料復(fù)合模量的矢量

圖2 粘彈性材料應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系

以振幅為零作為時間起點時稱正弦曲線。若以應(yīng)變的振幅作為時間的起點，應(yīng)力應(yīng)變與時間的關(guān)系可用下列三角函數(shù)表示：

σ(t)= σosin(ωt+δ) （1）

γ(t)= γosinωt （2）

式中： σ —隨時間變化的交變應(yīng)力；

σo—最大應(yīng)力振幅；

γ —隨時間變化的形變；

γo—最大形變振幅；

ω —應(yīng)力變化的角頻率，ω=2 ?(?為頻率)；

t —時間；

δ —形變落后于應(yīng)力的相位差。

上式展開后，得式（3）：

σ=σosinωtcosδ+σocosωtsinδ (3)

應(yīng)力可以認(rèn)為由兩部分組成，一部分與應(yīng)變同相（σocosδ），另一部分是應(yīng)變異相90o(σotsinδ)。將其分別除以應(yīng)變，則可將模量變成同相模量（或?qū)嵞Ａ浚┖彤愊嗄Ａ浚ㄌ撃Ａ浚﹥刹糠郑潢P(guān)系：

E’= cosδ，E”= sinδ （4）

式中E’—模量的實部；E”—為模量的虛部。

根據(jù)復(fù)模量矢量關(guān)系圖，復(fù)合模量表示如下：

E*=E’+ iE” (5)

β =tanδ = E”/ E’ (6)

式中δ稱為損耗角，tanδ稱損耗角正切，它表示材料的損耗能量與貯存能量之比，也稱損耗因子β，即β=tanδ。如果δ=0，作用力完全有效地用于粘彈性材料分子變形；如果δ=π/2，作用力完全用于克服粘彈性材料的粘性阻力(也稱內(nèi)摩擦)，損耗角及其正切損耗因子表征橡膠材料在動態(tài)變形時耗能的大小。

由于各種粘彈性材料及其配方材料的動態(tài)力學(xué)參數(shù)各不相同，且變化范圍很寬，tanδ為0.01～5，E’為106～1010Pa，因而可以適應(yīng)很寬的動態(tài)力學(xué)性能要求，分別用于損耗很小、彈性模量很高的防振制品直至損耗很高、彈性模量變化很寬的阻尼制品。

粘彈性材料模量實部E’和損耗因子β隨溫度變化，在特定溫度范圍內(nèi)具有較高的阻尼。模量實部E’和損耗因子β隨溫度變化曲線如圖3所示。

圖3 粘彈性材料彈性模量、損耗因子與溫度的關(guān)系

1-玻璃態(tài)區(qū)；2-玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)；3-高彈態(tài)區(qū)；4-黏流態(tài)區(qū)；Tg-玻璃化轉(zhuǎn)變溫度

從上圖可以看到，隨著溫度從低溫升到高溫，粘彈性材料經(jīng)歷三種力學(xué)的變化。在不同溫度下呈現(xiàn)三個不同的區(qū)域，分別稱為玻璃態(tài)區(qū)、高彈態(tài)區(qū)和黏流態(tài)區(qū)，在玻璃態(tài)和高彈態(tài)之間稱為玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)。對于阻尼材料來說，其阻尼作用主要發(fā)生在玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)。

在玻璃態(tài)區(qū)，粘彈性材料分子在外力作用下發(fā)生普彈形變，鏈段運動凍結(jié)，在此區(qū)域內(nèi)粘彈性材料顯示很高剛性，損耗因子相當(dāng)?shù)?，并且模量和損耗因子隨溫度的變化也不明顯。處在玻璃態(tài)區(qū)的粘彈性材料只有在很低的頻率下才能出現(xiàn)大的能量損耗。

在玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)，隨著溫度的升高，粘彈性材料分子鏈段開始解凍，分子鏈段運動導(dǎo)致內(nèi)耗增加，因而其損耗因子也增大，因此，玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)對粘彈性阻尼材料十分重要，是粘彈性阻尼材料的特征工作區(qū)。在轉(zhuǎn)變區(qū)內(nèi)，力學(xué)性能發(fā)生很大的變化，模量隨溫度升高而迅速降低，而損耗因子則達(dá)到阻尼峰值，此時所對應(yīng)的溫度稱為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，簡稱玻璃化溫度，通常以Tg表示，而后損耗因子迅速下降。轉(zhuǎn)變區(qū)的寬度即發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變溫度范圍，就是有效阻尼的溫度范圍。

在高彈態(tài)區(qū)，溫度繼續(xù)升高粘彈性材料進(jìn)入高彈態(tài)，這時分子鏈的運動更加自由，鏈段間的滑移絕大部分趨向恢復(fù)原狀，出現(xiàn)高彈形變，形變率較大，模量值較低，材料是柔軟的，損耗因子中等，在這個區(qū)域，材料的的剛性和最大能量損耗只有在較高頻率下才能出現(xiàn)。

在黏流態(tài)區(qū)，不僅粘彈性材料的鏈段運動，而且分子鏈條也滑動，粘彈性材料開始出現(xiàn)流動，形變迅速增加且不可逆。處于黏流態(tài)的粘彈性材料雖有很高的損耗因子，但其力學(xué)強(qiáng)度很低，不能直接作為固態(tài)型阻尼材料使用。

粘彈性材料的阻尼特性除和溫度有關(guān)外，還和外力作用的時間或頻率有關(guān)。頻率的影響和溫度的影響正好相反。粘彈性材料的力學(xué)性能與頻率的關(guān)系如下圖4所示。

圖4 粘彈性材料的力學(xué)性能與頻率的關(guān)系

1-高彈態(tài)區(qū)；2-轉(zhuǎn)變區(qū)；3-玻璃態(tài)區(qū)

從圖中可以看到，在溫度恒定時，粘彈性材料的模量實部隨頻率的增高總是增加，而其損耗因子在橡膠態(tài)區(qū)時隨著頻率的增加也增大，但在玻璃態(tài)區(qū)隨著頻率的增大而減小。

溫度和頻率可單獨影響力學(xué)松弛現(xiàn)象，也可聯(lián)合影響力學(xué)松弛現(xiàn)象。同一個力學(xué)松弛現(xiàn)象既可以在較高溫度下，在較短時間內(nèi)（較高頻率）觀察到，又可以在較低溫度下較長時間（較低頻率）內(nèi)觀察到。只有當(dāng)溫度和振動頻率都處于粘彈性阻尼材料的玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)時，才有可能具備最大的損耗因子，耗散更多的機(jī)械能。

4 橡膠阻尼材料

4.1 丙烯酸酯橡膠

丙烯酸酯橡膠阻尼材料在室溫附近的阻尼性能優(yōu)越，同時具有良好的黏接性能和力學(xué)性能以及耐熱、耐老化等優(yōu)點，在減振和吸聲等領(lǐng)域逐漸受到關(guān)注。

丙烯酸酯橡膠作為綜合性能優(yōu)良的阻尼材料，在航空航天、航海和民用等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，但是，丙烯酸酯橡膠的玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)只有 20～30℃，有效阻尼功能區(qū)狹窄，不能完全滿足工程應(yīng)用的需要，因此必須對其進(jìn)行改性。

4.2 聚氨酯

聚氨酯材料自身具有大量氫鍵，表現(xiàn)出一定的微觀相分離結(jié)構(gòu)，有較高的tanδ，是適合用于消聲、減震場所的阻尼材料，但單一成分的聚氨酯阻尼材料玻璃化轉(zhuǎn)變溫度單一，阻尼溫域狹窄。目前常用聚氨酯和其他材料合成具有互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的阻尼材料，該材料具有阻尼溫域?qū)?、種類多等特點。

4.3 丁基橡膠

丁基橡膠的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為-70℃，其損耗峰可以從-70℃一直持續(xù)到 20℃，是一種有效功能區(qū)相當(dāng)寬的阻尼材料。并且硫化丁基橡膠具有低透氣性和高減振性以及良好的耐熱性能、耐臭氧性能和耐化學(xué)品性能。但丁基橡膠的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度太低，決定了其高溫阻尼性能不好，因此隨著橡膠阻尼材料在軍事領(lǐng)域和民用產(chǎn)品上的廣泛應(yīng)用，世界各國對拓展丁基橡膠材料的阻尼特性及其有效阻尼功能區(qū)進(jìn)行了大量的研究工作。

4.4 丁腈橡膠

阻尼材料在實際應(yīng)用中經(jīng)常會遇到油污，為了提高阻尼材料的耐油性，可選用耐油性好的丁腈橡膠來制備阻尼材料。為了使材料得到更高阻尼性能和更寬的阻尼溫域，必須對丁腈橡膠進(jìn)行改性才能制得滿足實際應(yīng)用要求的阻尼材料。

5 總結(jié)

橡膠阻尼材料的研究開發(fā)已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，研制開發(fā)了許多品種的橡膠阻尼材料，在實際應(yīng)用中解決了很多阻尼、減振問題。通常橡膠阻尼材料大多只具有單一的阻尼峰，但隨著振動頻率和振幅的增加，由于阻尼性能使得橡膠材料的內(nèi)部生熱問題嚴(yán)重，橡膠的工作溫度逐漸升高，這就要求橡膠阻尼材料必須具備多阻尼峰、寬阻尼溫域來滿足不同溫度下的阻尼要求。另外，隨著不同使用環(huán)境對阻尼材料的要求，研制具有諸如導(dǎo)電、導(dǎo)熱等性能的多功能橡膠阻尼材料也是今后橡膠阻尼材料的發(fā)展方向之一。

陳愛志（1974～），1994年畢業(yè)于海軍工程大學(xué)，現(xiàn)為海裝駐沈陽地區(qū)軍事代表局副局長，技術(shù)六級，主要從事艦艇裝備管理工作。