材料阻尼及阻尼合金的研究现状_李沛勇

材料阻尼及阻尼合金的研究现状

Statu s of R esearch on M aterial D am p ing and D am p ing A lloys

李沛勇,戴圣龙,刘大博,柴世昌,李裕仁(北京航空材料研究院,北京100095)

L I Pei2yong,DA I Sheng2long,L I U D a2bo,CHA I Sh i2chang,L I Yu2ren

(In stitu te of A eronau tical M aterials,B eijing100095,Ch ina)

[摘要]　介绍了材料的阻尼特性及其表征参数,综述了近年来在阻尼性能测试方法、阻尼合金及其阻尼机制等方面的研究现状,并指出了传统阻尼合金在应用方面存在的问题。

[关键词]　材料阻尼;阻尼性能;阻尼机制;阻尼合金

[中图分类号]T G14612　[文献标识码]A　[文章编号]100124381(1999)0820044205

Abstract:T he m aterial dam p ing characteristic and its m easu ring param eters w ere in troduced1T he statu s of research on the testing m ethods of dam p ing capacity,dam p ing alloys and their dam p ing m echan is m s w ere also review ed1In additi on,the p rob lem s ex isting in the app licati on s of conven2 ti onal dam p ing alloys w ere po in ted ou t1

Key words:m aterial dam p ing;dam p ing cap acity;dam p ing m echan is m s;dam p ing alloys

航空、航天和航海等领域均存在不同程度的振动和噪音问题。火箭、卫星失效分析表明,约2 3的故障与振动和噪音有关[1]。飞机在长期使用过程中由于振动的影响,常出现方向舵、机尾罩萌生裂纹、空速管断裂以及座舱噪音等问题,影响着它们的可靠性和寿命。飞机和舰船上的各种仪器仪表也常因此发生故障。另外,振动和噪音也严重危害人们的身心健康,是环境工程急需解决的重要课题之一。为此,人们不断在探索减小振动和降低噪音的途径。在减振方面,目前已出现了两种可能途径:一是设计和采用减振结构。例如,采用树脂和铝板制成双层或多层铝 树脂复合板。该复合板的减振性能明显优于传统的单一铝板。二是研制和采用阻尼材料。阻尼材料本身即具有良好的减振功能,如树脂基复合材料和高阻尼金属材料等。本文综述材料阻尼机制、阻尼性能的表征与测试方法以及实用阻尼合金等的研究现状。

1　材料的阻尼特性及其表征

在循环载荷作用下,理想的弹性材料的应力Ρ与应变Ε之间存在单值函数关系,即应力与应变同位相;而

[收稿日期]1998211228;[修回日期]1999203228实际固体材料却往往表现出不同程度的非弹性行为,引起应变落后应力的现象,即存在[2]:

Ρ=Ρ0expΞt(1) Ε=Ε

0exp(

Ξt-<)(2)式中Ρ0,Ε0分别为应力幅和应变幅,Ξ为角频率,t为时间,<为应变与应力之间的相位差。这样,振动一周后,则形成一滞后回线,引起机械振动能消耗。阻尼(damp2 ing),又称内耗(internal fricti on),即是指材料在振动中由于内部原因引起机械振动能消耗的现象[2,3],它是材料的三大功能特性(超塑性,阻尼特性和形状记忆特性)之一[4]。这种能量消耗通常指材料将机械振动能转化为热能而耗散于材料和环境中。材料的阻尼特性通常用阻尼性能(damp ing capacity)来度量,是指材料消耗外界机械振动能的能力,它常用下列一些参数来表征[2,4～7]:

倒质量系数或内耗值Q-1

Q-1=(f2-f1) f r(3)式中f r为材料的共振频率,f2和f1为其强迫振动时的A2-f(A为振幅,f为频率)谱上

1

2A

2对应的频率。 对数衰减率∆

∆=n21ln(A i A i+n)(4)

式中A i,A i+n分别为材料自由振动下在t1,t2时刻分别对应的第i和(i+n)周对应的振幅。

损失角正切tg<

tg<=Γ=k E″ k E′(5)式中Γ为损失系数,k为材料试样的几何系数,E″,E′分别为其强迫振动下的损失模量和动态模量。

比阻尼SDC,或减振系数Ω

SDC=Ω=∃W W(6)式中∃W为材料振动一周耗散的能量,W为给材料加载至最大时储存的能量。

对衰减能较小的场合,例如tg<<011,通常用tg<, Q-1或∆来表征材料的阻尼性能;它们之间可以互换,即存在[2,6,7]:

tg<=<=Γ=Q-1=Ω 2Π=∆ Π(7) 对衰减能较大的场合,例如Ω≥40◊,通常用Ω来表征材料的阻尼性能,此时存在[2]:

Ω=1-exp(-2∆)(8) 2　材料阻尼性能的测量方法

以式(3)～(6)为依据,出现了多种测量材料阻尼性能的方法。

211　低频扭摆法

低频扭摆法(the low2frequency pendulum technique)是由我国葛庭燧于40年代首先建立的,又称为葛氏扭摆法[2]。这种方法采用丝状(直径015～115mm,长100mm)或片状试样,在自由振动下,通过测量振幅衰减谱,运用式(4)和式(7)获得试样的阻尼性能。为了减小轴向拉力的影响(因在高温下丝材试样容易产生蠕变现象),实际测量时通常采用倒置扭摆仪[2,7]。这种方法适用的频率范围为015～20H z,振幅范围10-7～10-4。

212　共振棒法

共振棒法(resonant2bar techniques)包括单悬臂弯曲或双悬臂弯曲法,三点弯曲法,纵向法和扭转法等[2,7]。其中,常用的有单、双悬臂弯曲法和三点弯曲法。单悬臂弯曲法适用于较软的材料(弹性模量E<1010 Pa),而双悬臂弯曲法和三点弯曲法适用于较硬的材料(E>1010Pa)。在强迫振动下,这些方法通过测量应变与应力之间存在的相位差<,运用式(5)测量材料的阻尼性能,并可同时给出材料试样的E″,E′和tg<[8,9]。至于纵向法和扭转法,它们运用式(4)和式(7)测量材料的阻尼性能,其测量频率可达40kH z[7]。

目前推出的共振棒法测材料阻尼性能的仪器有两类:一类是由美国的D u Pont仪器公司开发的动态力学分析仪(DM A)系列。该仪器采用单悬臂法测阻尼性能,测量的温度范围-150～150℃,频率范围2～85H z,振幅011～110mm,加热速率011～50℃ m in。另一类是动态力学热分析仪(DM TA)系列[6]。该类仪器最初由英国树脂实验有限公司研制,后来由美国流变测量科技有限公司推出,目前已发展到DM TA I V型。该仪器可运用单、双悬臂法和三点弯曲法测材料的阻尼性能,测量的温度范围为室温至500℃或-150～500℃(当用液氮冷却时),频率116×10-6～200H z,阻尼敏感度10-4,阻尼分辨率10-5。运用这种仪器,可以很方便地获得tg<的频率谱、温度谱和振幅谱,并可同时改变频率和温度,从而模拟材料的工作状态。

213　复合振荡器法

复合振荡器法(compo site o scillato r)又称为超声波脉冲法,实质上是共振棒法中的纵向法、扭转法在超声频率的推广[10,11]。待测试样(典型尺寸65mm×3mm×3mm)粘贴到熔石英上(置于加热炉中),再先后通过其石英晶体侧粘贴到第二探测石英晶体上和第三驱动石英晶体上,组成一个四元复合振荡器。通过粘贴在驱动和探测晶体上的电极导线来施加驱动信号和获取采集信号。阻尼性能运用式(4)来测量,通常在自由振动衰减、恒定振幅和共振峰频率等条件下进行。该法适用的频率范围为30～200kH z。

3　材料阻尼机制

311　阻尼机制分类

根据阻尼谱的特征,材料阻尼机制大体可分为四大类型:动滞后型,静滞后型,共振型和相变机制型[2,7]。动滞后型阻尼,又称为弛豫型或滞弹性阻尼,其特点是阻尼性能与振幅(Ρ或Ε)无关,而与频率f、温度T有关。静滞后型阻尼,其特点是阻尼性能与振幅有关,而与频率、温度无关。共振型阻尼与动滞后型阻尼相似,但材料的固有频率随温度的变化较小。相变机制型阻尼指材料发生相变时,其阻尼性能明显改善;其特点是阻尼性能与振幅无关,而与T f(T为加热或冷却速率)成正比。

312　基本阻尼机制

31211　热弹性阻尼

Zener[12～14]首次分析了热弹性阻尼机制。当材料处于不均匀变形时,如采用DM TA仪测试材料的阻尼性