高阻尼材料的研究及发展方向

高阻尼材料的研究及发展方向班级：化学1001 学号：100900071 姓名：张为栋摘要：高阻尼材料作为一类新型功能材料，在吸能、减振、缓冲等领域有着广泛的应用。

本文简述了常见的高阻尼材料，评述了高阻尼机理，并提出该领域今后的主要研究方向是发现新的阻尼机理，开发具有优异性能的新型高阻尼材料。

关键词：高阻尼材料阻尼机制特点性能展望1.前言：阻尼(或内耗)是指：振动着的物体，即使与外界完全隔绝，其振动也会逐渐衰减下来，这种机械能耗散为热能的现象，叫做内耗，即固体在振动当中由于内部的原因而引起的能量消散，在工程上称之为阻尼，常用内耗值来表征[1]。

众所周知，机械构件受到外界激发将产生振动和噪声，这些振动和噪声一方面恶化工作环境，危害工作人员的身心健康，另一方面，影响仪器设备的精确性、稳定性，使灵敏度降低甚至失效、失灵旧[2-4]。

随着工业化进程的日益加快，振动和噪声的问题越来越突出，对防噪减振提出了更高的要求。

传统的措施已不能满足人们的需要，人们希望有一个根本解决问题的方法，即寻找高阻尼材料。

将振动和噪声抑制在发生源处。

2 高阻尼机理2．1 复合型复合型阻尼材料一般具有两相或两相以上复合组织，通常是在基体中分布成较软第二相。

在外界振动作用下，基体组织发生弹性变形，第二相在界面处发生塑性流动,使振动能转化为摩擦热能而消耗。

复合型阻尼材料的阻尼性能随温度的升高而提高（如石墨铸铁和减振钢板），可在高温下使用[5-8]。

2．2 孪晶型或界面型在外加应力下，通过界面的运动而耗散能量。

界面阻尼对温度十分敏感，随温度的上升，阻尼能力增强，但在高温下，材料的力学性能较差。

所以，该类阻尼机制适合的温度较低。

2．3 位错型由析出物和杂质原子所钉扎的位错，在外加的振动应力作用下松开后，由表观的位移增大而引起静态滞后，从而产生能量损耗。

如Mg系合金等。

其特点是阻尼本领高，密度低，主要缺点是强度偏低，耐腐蚀性以及压力和切削加工性能都较差[9]。

2．4 铁磁性型该类机制主要适用于铁基合金，伴随着由变形而引起的磁畴的非可逆运动而产生磁力学的静态滞后，产生能量损耗，从而形成阻尼。

该类合金的优点是成本低，加工性能好，具有一定的耐磨性和耐腐蚀性，受频率的影响较小，使用极限温度高，性能稳定，并且可以用合金化和表面处理来提高性能；缺点是受应变振幅的影响较大，要求的热处理温度较高。

2．5 表面裂纹型高阻尼材料的阻尼机制除以上机制外，还有表面裂纹型等其它阻尼机制。

表面裂纹型主要是由于裂纹面的相对滑动(摩擦) 而产生的弹性能的损耗，使结构衰减发生于材料内部。

在软钢表面轧出微细的摩擦界面也具有减振作用。

以上就是高阻尼材料的阻尼机制，下面简要介绍一下高阻尼材料的分类及各自的特点。

3 高阻尼材料的分类及特点高阻尼材料主要包括粘弹性高阻尼材料和金属合金高阻尼材料。

3. 1 粘弹性材料为了在很宽的温度范围内获得较高的阻尼系数，复合型高阻尼材料芯层所选用的粘弹性材料是橡胶—塑料混合型材料[22]。

这种高分子聚合物是由小而简单的化学单元(链节) 构成长链分子，分子与分子间依靠物理键相互联结起来，在三维分子网，成千上万个分子缩聚而成。

高分子聚合物的1个分子由1000 个以上原子组成，分子量超过10000。

整个分子显现出不规则的曲折状，从而使分子两端距离大大小于伸长的长度。

一块未被拉伸的高分子聚合物好像是一团不规则的长链分子缠绕物。

高分子聚合物的分子之间很容易产生相对运动，分子内部的化学单位也能自由旋转，因此在受到交变应力时，曲折状的分子链就会产生拉伸、弯曲等变形。

另一方面，分子之间的链段会产生相对滑移、扭转。

当交变应力解除后，变形的分子链要恢复原位，分子之间的相对运转也要部分复原，释放外力所做的功，这就是粘弹性材料的弹性。

但是,分子链节之间的滑移、扭转不能完全复原，产生永久变形,这就是粘弹性材料的粘性，这部分所做的功转变为热能，耗散于周围环境中。

总之，粘弹性材料产生阻尼将一部分机械能变为热能，从而起到减振降噪的作[16]。

其特点是具有很高的阻尼损耗因子，但其弹性模量低，不适宜单独用作结构材料[14]。

3. 2 金属合金材料(1) 形状记忆合金形状记忆合金是近些年来伴随着航空航天事业飞速发展而出现的一种特殊功能材料[15]，其突出特点是可以在低温下通过应变诱发马氏体相变，发生变形，而在应力除去后，可在稍高的温度下恢复到原来形状。

这类合金还具有极高的阻尼特性，其比阻尼特性可达到40 %以上。

此外，形状记忆合金的输出应变大、耐腐蚀、性能稳定、复合性能好。

形状记忆合金的阻尼性能与振幅有关而与振动频率无关，即随应变量的增大而增大，直至达到某一峰值，出现阻尼饱和，随后则随应变的增大而下降。

此外，这类合金的阻尼性能对工作温度相当敏感。

(2) Cu2Mn 系高阻尼合金Cu2Mn系高阻尼合金是应用较广的阻尼合金，属热弹性马氏体相变范畴。

这类合金在300～600 ℃进行时效热处理时，合金组织向正马氏体孪晶组织转变，而正马氏体孪晶组织极不稳定，当受到交振动应力时将发生重新排列运动，从而吸收大量的能量，表现出阻尼效果[10]。

Cu2Mn系高阻尼合金的特点是:Mn含量越高( > 50 %) ，应变量越大；高温时效时间越长，阻尼性能越高。

但这些倾向各有一极限，当超越这一极限时，反而出现阻尼性能下降的趋势。

另外，这类阻尼合金对工作温度非常敏感，当温度为Neel 点温度时，每2个相邻Mn原子构成的原子磁偶将呈反磁性有序排列，形成反磁性磁畴。

在受到外界运动时，磁畴产生运动，形成内耗，这是Cu2Mn系合金特有的一种阻尼机制。

当温度超过Neel点时，这种磁畴有序排列受到破坏，阻尼性能下降。

(3) Mg 基合金Mg基合金是一种阻尼性能极高的合金材料。

其阻尼机理主要在于外界应力是钉扎原子与位错脱离产生位错运动，而且在交变应力作用下会产生弹性孪晶，从而使振动机械能迅速耗散，实现阻尼[9]。

Mg基合金的阻尼性能与振幅有关，应力越大，阻尼效果越好[13]。

对于纯Mg，虽然其阻尼性能很高，但其机械性能太差，因而无法用于工程制造。

而Mg合金的比强度接近钢，是一种极好的阻尼结构材料，现已广泛用于航空航天工具部件的制造。

Mg合金材料具有很高的热稳定性和时效稳定性，远优于Cu2Mn基合金。

4 新型高阻尼材料的发展途径阻尼材料的开发已有30多年，并取得了很大的进展。

目前，高阻尼材料的研究主要集中在三个方面：(1)高阻尼材料新品种的开发及现有阻尼材料性能的改良；(2)高阻尼材料阻尼机制及阻尼特性的研究；(3)高阻尼材料的应用研究。

目前，高阻尼材料中得到广泛应用的是Mn—Cu系和Ti—Ni系形状记忆合金，镁基高阻尼材料在军事领域和民用领域也得到了一定的应用。

但形状记忆合金多为有色属，价格昂贵，加工工艺复杂。

因此，发展价格低廉，兼顾高阻尼和高强度的阻尼材料是高阻尼材料发展的趋势，而金属基复合材料和泡沫金属材料则较好的满足这一要求。

4．1 金属基复合材料在两块或多块母体金属材料之间加以很薄的粘弹性芯层材料，通过高分子的剪切变形，发挥其阻尼特性，不仅阻尼因子大，而且在很宽的温度范围内保持着良好的减振性能。

它的强度由所选的母体金属材料确保，阻尼性能由粘弹性材料这种约束结构加以保证。

多项实验表明，复合高阻尼材料是最理想的减振降噪材料之一，又因其母体可选用普通钢、不锈钢、高强钢、铜及铜合金、铝及铝合金等多种金属材料，阻尼层数可多可少，且厚度可在一定范围内调整。

因此，该类材料使用方便，技术性能容易确保，有广阔的应用前景[19-21]。

4．2 泡沫金属材料泡沫金属材料是新近发展起来的一种新型高阻尼材料，它既保留了金属具有一定的强度，同时也具有类似于泡沫塑料的高阻尼性能，其阻尼能力比致密块体高出3—10倍[17-18]，同时还具有良好的吸声性能。

一般认为，泡沫金属材料的高阻尼性能与金属骨架和孔洞之间的动力学模量差异较大有关，当应力作用于这一结构不均匀的材料上时，泡沫金属材料中的应变强烈地滞后于应力，在应力与应变之间引起较大的位相差，因而在孔洞和金属基体界面处部分机械能转化为热能；同时，来源于孔洞周围高密度的缺陷(主要指位错)。

泡沫金属材料具有优异的物理性能特别是阻尼性能，可望在消声、减振、过滤分离和电磁屏蔽等多种领域获得广泛的应用。

目前，泡沫金属材料在军事和航天领域中的应用已获得突破。

5 结论高阻尼材料在多种领域有着广泛的应用，兼顾高强度和高阻尼的金属基复合材料和泡沫金属材料是很有前途的研究发展方向，随着这方面研究的进一步拓展和深入，可望推出一系列结构功能一体化的高阻尼材料。

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