淺談艦船用高分子阻尼材料的現(xiàn)狀及應(yīng)用

陳憲剛

（海裝北京局，北京，100000）

1 引言

隨著造船技術(shù)的快速發(fā)展，艦船的功率和速度大大提高，艦船上存在多種振動(dòng)源，其產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲會(huì)造成嚴(yán)重的危害，不僅影響艦艇隱蔽性和船員舒適性，還會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞、儀表失靈等。對(duì)軍船而言，振動(dòng)和噪聲還會(huì)降低聲納、雷達(dá)的作用距離，不利于隱身而招致打擊。常用減振降噪技術(shù)包括隔振、阻尼、隔聲、吸聲等，其中采用高性能阻尼涂層材料能夠在不改變艦船原有設(shè)計(jì)和設(shè)備的情況下進(jìn)行減振降噪，是降低設(shè)備振動(dòng)、阻止噪聲傳播、提高艦船隱身能力的最經(jīng)濟(jì)、最有效的手段之一。

目前國(guó)內(nèi)阻尼減振材料在艦船中的應(yīng)用雖然取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，顯著降低了艦船的輻射噪聲，但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍有一定差距，主要表現(xiàn)在：復(fù)合阻尼因子低，不能滿足高效阻尼場(chǎng)合的使用要求；使用溫域窄，多為-10℃～+50℃，與國(guó)軍標(biāo)中“軍事裝備使用溫度要求”-43～80℃相差甚遠(yuǎn)；阻尼材料密度大，施工工藝復(fù)雜等。新一代艦船要求阻尼降噪涂層具有適用溫域?qū)挕?fù)合損耗因子高、與基材附著力強(qiáng)、快速固化、施工方便、輕量化、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，而且要求材料滿足艦艇比較苛刻的使用環(huán)境，應(yīng)具有環(huán)保、阻燃、無(wú)毒、耐海水、耐鹽霧、耐油、耐老化等特殊性能。

目前研究最多、應(yīng)用最廣的是聚氨酯高分子粘彈性阻尼材料，其具有顯著的粘彈性、內(nèi)耗大，可以根據(jù)不同要求進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，添加功能填料，能夠?qū)崿F(xiàn)高阻尼、高強(qiáng)度。因此，本文重點(diǎn)對(duì)高分子阻尼材料的減振降噪機(jī)理、性能影響因素、研究與應(yīng)用進(jìn)展三個(gè)方面進(jìn)行簡(jiǎn)單論述。

2 高分子阻尼材料減振降噪機(jī)理

阻尼是指系統(tǒng)損耗能量的能力。從減振的角度上看，就是將機(jī)械振動(dòng)的能量轉(zhuǎn)化為熱能或其他形式可以損耗的能量，從而達(dá)到減振的目的。阻尼技術(shù)就是充分地利用阻尼消耗的一般規(guī)律，從材料、工藝、設(shè)計(jì)等技術(shù)問(wèn)題上發(fā)揮阻尼在減振方面的潛力，以提高機(jī)械結(jié)構(gòu)的抗振性、降低機(jī)械產(chǎn)品的振動(dòng)，增強(qiáng)機(jī)械與機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。

粘彈性是高分子材料的一個(gè)重要特性，高分子材料在受到交變力場(chǎng)的作用下發(fā)生的位移滯后現(xiàn)象，產(chǎn)生的力學(xué)損耗是其產(chǎn)生阻尼作用的根本原因。阻尼材料按結(jié)構(gòu)可以分為自由阻尼結(jié)構(gòu)和約束阻尼結(jié)構(gòu)。

自由阻尼結(jié)構(gòu)是直接將阻尼材料粘附到需要作減振處理的基材表面，當(dāng)基材發(fā)生彎曲振動(dòng)時(shí)，通過(guò)阻尼層的拉伸形變來(lái)消耗能量。采用自由阻尼時(shí)，要求高分子阻尼材料具有高而寬的損耗模量值，減小被減振部件的厚度，對(duì)提高阻尼系數(shù)有利，這時(shí)可用加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)來(lái)彌補(bǔ)因厚度減小而引起的被振部件強(qiáng)度的下降。

約束阻尼結(jié)構(gòu)即在阻尼層表面再粘附一層高模量的剛性約束層材料，當(dāng)基材發(fā)生彎曲振動(dòng)時(shí)，阻尼層受到上下表面各自產(chǎn)生的壓縮和拉伸的不同變形，使阻尼層受到剪切應(yīng)力和應(yīng)變，從而耗散更多的能量。在約束阻尼結(jié)構(gòu)中，要求高而寬阻尼系數(shù)的阻尼材料，對(duì)材料的剛性和蠕變性的要求不像自由阻尼型那樣嚴(yán)格。因此，約束阻尼結(jié)構(gòu)具有更好的減振降噪效果。

3 阻尼性能的影響因素

高分子阻尼材料的制備方法很多，主要有共混、共聚、互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)、有機(jī)小分子雜化等，其中影響材料阻尼性能的因素主要有以下5個(gè)方面。

（1）材料本身分子結(jié)構(gòu)的影響

高分子材料的阻尼性能與其材料本身的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。大分子鏈上含有龐大的側(cè)基、強(qiáng)極性取代基、側(cè)基數(shù)目多、分子間氫鍵多、相互間作用強(qiáng)等都會(huì)使鏈段運(yùn)動(dòng)的內(nèi)摩擦阻力顯著增加，從而使阻尼作用顯著增加。另外，聚氨酯類高分子具有微相分離結(jié)構(gòu)特性，分子內(nèi)存在軟、硬段聚集態(tài)，軟硬段的微相分離程度對(duì)材料的阻尼性能與力學(xué)性能影響較大，需要合理的調(diào)控軟硬段的比例，控制微相分離程度，進(jìn)而獲得阻尼性能與力學(xué)性能的平衡。

（2）使用溫度和振動(dòng)頻率的影響

只有在特定的溫度范圍內(nèi)，即材料的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變區(qū)，高分子材料才會(huì)呈現(xiàn)出高阻尼能力。這個(gè)特定的溫度范圍，在頻率恒定的條件下，僅取決于材料的本身。高分子阻尼材料的模量在恒定溫度下，總是隨著頻率的增加而增加。然而其損耗因子隨頻率的變化關(guān)系卻取決于一定的溫度范圍，這就是說(shuō)根據(jù)材料的物理狀態(tài)不同而異。當(dāng)材料處于玻璃態(tài)區(qū)域溫度范圍內(nèi)時(shí)，材料的損耗因子隨著頻率的降低而增高，但是在高彈態(tài)區(qū)域溫度范圍內(nèi)，材料的損耗因子卻隨著頻率的降低而降低。因此頻率對(duì)粘彈性阻尼材料性能的影響是重要因素。

使用條件不同，阻尼材料的適合振動(dòng)頻率范圍不同。振動(dòng)頻率的影響與溫度相似。低頻與較高溫度、高頻與較低溫度對(duì)材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響一致。實(shí)際工程中，阻尼材料分為低頻高阻尼材料和高頻高阻尼材料，對(duì)于不同的使用環(huán)境，可采用不同振動(dòng)頻率的高阻尼材料。

（3）交聯(lián)度的影響

適當(dāng)?shù)慕宦?lián)可以增加聚合物鏈段間的摩擦力，增大阻尼值；但交聯(lián)過(guò)高則會(huì)由于鏈段的活動(dòng)能力降低而使阻尼值下降。試驗(yàn)表明，交聯(lián)度增大，材料的阻尼溫域變大。因此通過(guò)選擇合適的交聯(lián)度，可以在較寬的溫域內(nèi)獲得較高的阻尼性能。也有試驗(yàn)表明，交聯(lián)度減小，大分子鏈活動(dòng)性增強(qiáng)，大分子鏈段間、填料與填料間、大分子鏈段與填料間的摩擦機(jī)會(huì)增多，有利于振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，從而提高材料的阻尼性能。但交聯(lián)度對(duì)阻尼性能的影響是較復(fù)雜的，不同配方阻尼材料的適合交聯(lián)度范圍還有待進(jìn)一步的研究。

（4）填料的影響

填料的主要作用是：增加材料應(yīng)變及損耗能量的能力；限制分子運(yùn)動(dòng)，增加應(yīng)力和應(yīng)變之間的相位滯后；擴(kuò)大阻尼溫域和所需的玻璃化溫度。片狀石墨填料可增加材料內(nèi)摩擦與損耗能量，顆粒狀填料具有增強(qiáng)效應(yīng)，限制分子長(zhǎng)鏈相互轉(zhuǎn)換過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)，從而增強(qiáng)能量的轉(zhuǎn)化，也增加了阻尼性能。在增強(qiáng)阻尼性能方面，研究表明片狀云母優(yōu)于超細(xì)石墨，超細(xì)石墨優(yōu)于普通石墨。

（5）增塑劑的影響

用作阻尼材料的增塑劑，除了具有降低玻璃化溫度和改善加工性能的作用外，還可以使阻尼轉(zhuǎn)變區(qū)增寬，這種增寬作用主要取決于增塑劑的特性及其與基體的相互作用。如果增塑劑在基體中只有一定限度的溶解度，或增塑劑根本不相溶而純屬機(jī)械混合，則阻尼轉(zhuǎn)變區(qū)就會(huì)變寬。通過(guò)調(diào)節(jié)增塑劑的用量，可以靈活調(diào)節(jié)阻尼溫域。在阻尼材料中添加增塑劑，雖然能改善材料的低溫性能和耐疲勞性能，但同時(shí)也會(huì)使蠕變和應(yīng)力松弛速度增加，影響阻尼材料的阻尼特性和使用可靠性，因此增塑劑的用量不宜過(guò)多。

4 研究及應(yīng)用進(jìn)展

德國(guó)在20世紀(jì)50年代首先研制了自由阻尼結(jié)構(gòu)；美國(guó)從20世紀(jì)50年代初首先開(kāi)始研制約束阻尼結(jié)構(gòu)，并應(yīng)用于核潛艇艇殼和主機(jī)基座上。我國(guó)自20世紀(jì)70年代開(kāi)始阻尼材料的研究工作，先后有10多個(gè)單位的20多種產(chǎn)品應(yīng)用于主機(jī)、輔機(jī)、浮筏、管路、艙室、螺旋漿及船體等需要減振降噪的部位。國(guó)內(nèi)多采用約束阻尼結(jié)構(gòu)，阻尼層一般是雙組份無(wú)溶劑聚氨酯樹(shù)脂體系，添加阻尼、阻燃類功能填料，物料比較稠厚，采用刮涂施工。約束層多為高模量環(huán)氧材料或金屬材料。國(guó)外產(chǎn)品則較多采用自流平阻尼層+自流平約束層的復(fù)合結(jié)構(gòu)，或自流平阻尼與浮動(dòng)地板相結(jié)合的結(jié)構(gòu)型式。

聚氨酯因分子結(jié)構(gòu)中具有大量的氫鍵、一定程度的微相分離結(jié)構(gòu)，可通過(guò)調(diào)節(jié)軟硬鏈段比例，獲得在寬溫度范圍內(nèi)具有較高阻尼損耗因子，是國(guó)內(nèi)外研究較多且最具有實(shí)用價(jià)值的高分子阻尼材料。自上世紀(jì)90年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究主要集中在以下方面。

（1）研究聚氨酯/聚酯共混體系不同組分比的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，并探討不同種類、不同含量填料對(duì)體系阻尼性能的影響。結(jié)果表明，10%石墨對(duì)兼顧體系的阻尼性能和模量效果最佳。

（2）采用兩步法合成了一系列—NCO/—OH(摩爾比)不大于1的聚醚型聚氨酯，用動(dòng)態(tài)黏彈譜儀研究了硬段類型、交聯(lián)密度、硬段質(zhì)量分?jǐn)?shù)、軟段相對(duì)分子質(zhì)量、擴(kuò)鏈劑類型和結(jié)構(gòu)、填料種類等因素對(duì)其動(dòng)態(tài)黏彈性能的影響。結(jié)果表明，減小交聯(lián)密度、增加硬段質(zhì)量分?jǐn)?shù)和軟段相對(duì)分子質(zhì)量、采用二醇類擴(kuò)鏈劑、增加擴(kuò)鏈劑的側(cè)基數(shù)以及使用片狀填料均可改善聚醚型聚氨酯的阻尼性能。

（3）討論擴(kuò)鏈劑的結(jié)構(gòu)對(duì)聚氨酯彈性體的形態(tài)結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明對(duì)于微相分離嚴(yán)重的聚氨酯體系，在擴(kuò)鏈劑中引入側(cè)基會(huì)有效地降低微區(qū)尺寸，亦即改善軟段和硬段之間的相容性。含脂肪環(huán)的擴(kuò)鏈劑不但能增加體系的相容性，而且脂肪環(huán)的構(gòu)象變化也會(huì)增加聚氨酯的力學(xué)損耗。

（4）合成了一系列含有不同硬段的聚氨酯彈性體，并對(duì)其進(jìn)行了動(dòng)態(tài)力學(xué)性能和差熱分析測(cè)試，結(jié)果表明硬段含量不影響玻璃態(tài)溫度。隨著硬段合量的增加，tanδ峰值降低并呈線性關(guān)系。硬段分布對(duì)該聚氨酯體系的相容性及阻尼性能有較大影響。

（5）針對(duì)聚氨酯高聚物的阻尼溫度和頻率范圍小、損耗系數(shù)低等問(wèn)題進(jìn)行系列實(shí)驗(yàn)。研究表明，加入合適的填料可使高聚物硬度增加，也可增大填料和高分子間的摩擦，從而使能量耗散更多。因此國(guó)內(nèi)外研究人員提出了多種填充方案形成新型復(fù)合阻尼材料，比如壓電阻尼材料及碳納米管增強(qiáng)型阻尼材料。

（6）將壓電阻尼材料制成懸臂梁，并取得了較好的主動(dòng)控制效果。通過(guò)機(jī)械能-電能-熱能的能量轉(zhuǎn)換方式，壓電阻尼材料的能量轉(zhuǎn)化率越高，其阻尼效果越好，且在低頻范圍有高效的阻尼能力。但存在質(zhì)地較脆、對(duì)于雜質(zhì)和缺陷較敏感、價(jià)格比較昂貴的問(wèn)題。碳納米管增強(qiáng)型阻尼材料阻尼大、比剛度高、密度低、溫度和頻率極限區(qū)間寬，力學(xué)性能出色。但需要優(yōu)化碳納米管/聚合物復(fù)合材料的制備工藝，使其性能發(fā)揮最優(yōu)。

綜前所述，近幾年國(guó)內(nèi)對(duì)阻尼材料主要側(cè)重于已有材料的應(yīng)用研究及材料性能影響因素的研究，對(duì)于機(jī)理的研究并不夠深入，新型的高性能阻尼材料輸出極少。但隨著新型艦船、潛艇的出現(xiàn)，對(duì)阻尼材料的要求越來(lái)越高，急需開(kāi)發(fā)出寬溫、寬頻、功能復(fù)合化的PU高分子阻尼材料才能滿足更高的使用要求。

5 展望

隨著技術(shù)裝備的高速發(fā)展，艦船對(duì)阻尼材料提出了更高的要求，未來(lái)的高分子阻尼材料將向著高阻尼性能、寬溫域、高強(qiáng)度、輕量化、耐老化和低污染的方向以及結(jié)構(gòu)/智能一體化的方向發(fā)展。今后，應(yīng)根據(jù)阻尼材料應(yīng)用場(chǎng)合及性能要求，開(kāi)展阻尼材料系列化研究，重視新型材料理論研究與結(jié)構(gòu)研究，突破阻尼減振性能、力學(xué)性能的協(xié)調(diào)等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)材料的結(jié)構(gòu)功能一體化理念。只有將設(shè)計(jì)、材料、工藝和試驗(yàn)形成一個(gè)有機(jī)的整體，才能有效地解決減振、降噪問(wèn)題，研制出高性能的艦船高技術(shù)產(chǎn)品，共同促進(jìn)我國(guó)高分子阻尼材料的發(fā)展和應(yīng)用。