阻尼材料的研究状况及进展

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2 阻尼材料的发展历史
第一阶 段 是 1784 ~ 1920 年, 在 1784 年 Cou
收稿日期 : 2010 05 20 作者简介 : 蒋鞠慧 ( 1968 ) , 女, 高级工程师 , 硕士研究生 , 主要从事新型材料方面的研究。
FRP /C M
2010 No 4
2010 年第 4 期
玻璃钢 /复合材料
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当前, 机械设备正向高速、 高效、 自动化方向发 展 , 但机械仪器工作时产生的振动会严重破坏设备 的精确度、 可靠性和稳定性 , 产生的噪音也会危害人 们的身心健康。阻尼材料是一种 能吸收振动机 械 能、 声能并可将它们转化为热能、 电能、 磁能或其他 形式能量而消耗掉的一种功能材料, 可应用于减振、 吸声器件 。 通常把系统损耗 振动能或声能 的能力称为 阻 尼 , 阻尼越大 , 输人系统的能量便能在较短时间内损 耗完毕 , 因而系统从受激振动到重新静止所经历的 时间就越短 , 所以阻尼也可理解为系统受激后迅速 恢复到受激前状态的一种能力
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阻尼材料的研究状况及进展
2010 年 7 月
阻尼材料的研究状况及进展
蒋鞠慧 , 尹冬梅 , 张雄军
( 1 中国中材集团有限公司 , 北京 100035 ; 1 2 2 102101 ) 2 北京玻钢院复合材料有限公司, 北京
摘要 : 阐述了阻 尼材料的基本概念和阻尼作用的基本原理 , 回 顾了阻尼 材料发展的 三个阶段 , 简 单介绍了 阻尼材 料的性 能评价方法和大致分 类 , 并分别对粘弹性阻尼材料 、 复合阻尼材料和智 能型阻尼材 料的研究 状况及进 展进行了 详细的 评述和 分析 。 关键词 : 阻尼材料 ; 粘弹性阻尼材 料 ; 复合 阻尼材料 ; 智能型阻尼材料 中图分类号 : T B34 文献标识码 : A 文章编号 : 1003- 0999( 2010) 04- 0076- 05
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IPN 技术是当前制备高性能阻尼材料最有发展 前景的方法。尤其将第二种单体, 交联剂不均匀溶 胀到第一种高聚物网络中 , 再聚合得到的所谓 ! 梯 度 IPN( G rad ient IPN ) 是获得宽温域高性能阻尼材 FRP /CM 2010 N o 4
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阻尼材料的研究状况及进展
2010 பைடு நூலகம் 7 月
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, 从而使得振动控制成为工业生产的主要话题
之一 , 人们开始就这一问题进行工程应用研究。 第三个阶段是 1940 年至今, 这一时期, 有关阻 尼的文献逐年增加, 如 1945 年有 500 篇 , 1965 年则 超过了 2500 篇。这一阶段 , 人们开始定量描述阻尼 对动态系统的影响 , 并于上世纪六七十年代发展起 了一门涉及材料学、 力学、 机械学和环境科学等多学 科的新技术, 即阻尼技术 3 1 评价方法 评价阻尼性 能的 实 验方 法
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T、 G ~ T 和 tan ~ T 的关系曲线。分析这些曲线变 化的情况能得到许多与阻尼性能有关的信息 , 曲线 越平坦 , tan 值越高 , T 的范围越大, 则阻尼性 能越 好。对于阻尼结构, 常用振幅衰减的方法来测试其 阻尼比随时间变化的曲线
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ENR 共混体系在 0~ 100 内 tg > 0. 3 , 具有比未填 充体系更好的阻尼性能
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阻尼的基本原理是损耗能量 , 各种阻尼技术都 是围绕如何把受激振动能转化为其它形式的能 ( 如 热能、 变形能等 ) 而使系统尽快恢复到受激前的状 态。阻尼的方法主要有 3种 , 即系统阻尼、 结构阻尼 和材料阻尼。系统阻尼是在系统中设置专用阻尼减 振器, 如减振弹簧、 冲击阻尼器等 ; 结构阻尼是在系 统的某一振动结构上附加材料或形成附加结构 , 增 加系统自身的阻尼能力, 这类方法包括接合面阻尼、 库仑摩擦阻尼和复合结构阻尼等 ; 而材料阻尼是依 靠材料本身所具有的高阻尼特性达到减振降噪的目 的。研究材料的阻尼行为, 开发具有较高阻尼性能 的结构材料对于解决由振动造成的问题具有十分重 要 的 意 义, 也 是 材 料 科 学 工 作 者 所 面 临 的 重 要 课题
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3 阻尼材料的评价方法和分类
有: 动态 扭摆 法
TBA ( T rsional bra id ana ly sis) 、 受迫共振法和受迫振 动非共振法 , 即动 态粘 弹实 验 DMA ( Dynam ic M e chan ical A na ly sis) 以 及 差示 扫 描量 热 分析 法 DSC ( D ifferentia l Scann ing C aleri m erty)。其中以 DMA 应 用最为广泛, 因为它能 直接给出阻尼材料的 G ~
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内部的能量损耗主要是靠振动机械能 ∀ 电能 ∀ 热能 的转换损耗来实现的。 作为优良的阻尼材料, 在应用的温度和频率范 围内要 有较 大 的阻 尼 损耗 模 量和 阻 尼 损耗 因 子 ( tan ) 的峰面积, 而互穿网络结构则对阻尼损耗模 量的峰宽增加并不明显。研究表明 , 一般填料能使 高聚物的阻尼温域增加 , 而复合阻尼材料则可兼顾 两者的优点, 因此有望具有更高的阻尼性能 。唐 [ 18 ] 冬雁 等采用原位分散聚合法, 通过表面处理和超 声分散等手段 , 得到了分散均匀的 BT i O 3 / IPNs复合 材料 , 且极化后的复合材料具有更高的阻尼损耗模 量和阻尼损耗因子值。材料的介电性能和阻尼性能 密切相关 , 介电损耗和介电常数极值对应温区, 材料 tan 、 E# 增大 , 阻尼性能提高。 4 2 2 金属基阻尼材料的研究现状 在金属基体中加入增强相制成复合材料能使材 料同时具有较好的阻尼性能和较强的力学性能。在 制备复合材料中一般选择颗粒、 晶须和纤维作为增 强相。与颗粒或晶须相比, 连续纤维可较大程度地 提高复合材料的阻尼。目前研究较多的阻尼金属基 复合材料主要 是 M g 基阻 尼复合材料和 A l基阻尼 复合材 料。 R. Scha ller
等采用苯乙烯和双官能
团单体二乙烯基苯嵌段共聚的方法 , 调节两种单体 的配比来调节 材料阻尼峰的 位置。进一步 研究表 明, 加入第三种单体二乙醚进行三元嵌段共聚, 可以 扩大材料的高阻尼温域。 其中 , 共混改性是一门比较成熟的橡胶阻尼改 性方法, 在工业生产中已被广泛使用, 而且改性方法 简单、 可操作性强。目前 , 共混改性包括橡胶并用共 混改性、 橡胶 与树 脂共混 改性 以及 与填 料的共 混 改性
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早期的聚合物阻尼材料主要是单一组分的均聚 物 , 其玻璃化转变温度区间比较窄, 只能在有限的温 度与频率范围内使用。为了拓宽粘弹性阻尼材料的 使用温度与频率范围, 相继发展了将两种以上的高 聚物以共聚、 共混或互穿网络的方式复合 , 通过拓宽 其玻璃化转变区间, 从而达到拓宽阻尼材料的使用 温域与频 率范 围的 目的 。在诸 多制 备方 法中 , IPN 技术是当前制备宽温域高效阻尼材料最有发展 前景的方法之一
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4 1 1 共混、 共聚改性方法 将两种聚合物进行共混是制备高聚物阻尼材料 最常用的方法。通常要求共混组 分高聚物部分 相 容。 Y a m ada 等
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研究了 PVC /氯 化聚乙烯 ( CPE ) /
环氧化天然橡胶 ( ENR) 3 组分体系, 发现 CPE 的含 氯量、 ENR 的种类对共混材料的阻尼性能有很大的 影响。用适量含氯的无定形 CPE、 ENR50和 PVC 可 以制得高性能的阻尼材料, 同时还发现具有不同形 状的填料可对混合体系的阻尼行 为产生不同的 影 响。片状填料 (如石墨 ) 可以增大温度范围, 提高材 料阻尼性能。实验结果表明 , 云母填充 PVC /CPE /
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4 阻尼材料的研究进展
4 1 粘弹性阻尼材料的研究现状 粘弹性阻尼材料是应用较为广泛的一种高分子 聚合物材料 , 它在一定受力状态下, 既具有粘性液体 消耗能量的特性 , 又具有弹性固体材料存贮能量的 特性。当它产生动态应力或应变时 , 有一部分能量 被转化为热能而耗散掉, 而另一部分能量以势能的 形式储备起来, 粘弹阻尼材料通过将振动机械能转 变为 其 它 能 量 而 达 到 衰 减 振 动 和 降 低 噪 声 的 目的
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4 . 1 . 2 互穿聚合物网络 互穿聚合物网络 ( IPN ) 是由两种或多种聚合物 相互贯穿而成的一种特殊结构, 也是重要的高聚物 加工技术之一。自 1974 年 Sperling 发展了 IPN 新 型阻尼材料以来 , 这一领域一直是阻尼材料研究的 热点。 胶乳 IPN 体系近年来引起了人们的极大兴趣。 用乳液聚合方法合成聚合物网络 , 可获得特有的芯 皮结构, 具有宽温域的阻尼特性。部分相容的聚甲 基丙烯酸甲酯 ( PMMA ) /聚丙烯酸丁酯 ( PnBA ) L IPN 在 50 ~ 60 温 度范 围 内 呈 现 良 好 的 阻 尼 性 能。 Sperling 等在研究 P ( Bd / s) SAN ( 苯乙烯 /丙烯腈无 规共聚物 ) 的核 /壳 体系 时发现, 不 同种类的核 /壳 L IPN 的 阻尼性能受到 两相相容性的影 响, 在 分散 核 /壳 、 多层核 /壳、IPN 核 /壳等聚合物中, 相的形态 也是影响材料阻尼性能的一个重要因素。反相核 / 壳聚合物由于其双相连续结构, 材料的阻尼性能比 普通的 核 /壳 聚合 物更 优, 内耗 值更 高。 PU /环 氧 ( EP ) IPN 体系是另外一类用作阻尼材料 的 IPN 体 系, 通常, 随 着环氧含量的 增加, 聚氨 酯 /环 氧 / IPN 和接枝 IPN 体系的 tg 增大、 玻璃 化转变温度范围 增宽 , 表现出良好的阻尼性能 , 可以用来制备减振降 噪的阻尼材料
料的好方法。梯度 IPN 材料是目前 IPN 研究领域的 一个热点。 L ip atov 等通过实验发现在 0~ 100 内 梯度 IPN 材料具有很高的阻尼值。除了对粘弹材料 本身采用 IPN 技术外, 还加以结构的设计获得梯度 IPN 材料, 即采用约束阻尼系统及梯次涂层方式, 再 对约束层施以特殊工艺来提高材料的阻尼性能。但 目前这方面的研究工作处于探索阶段 4 2 复合阻尼材料的研究现状 这类材料包括聚合物基阻尼复合材料和金属基 阻尼复合材料。聚合物基阻尼复合材料是用纤维增 强具有一定力学强度和较高损耗因子的聚合物而形 成的复合材料; 金属基阻尼复合材料包括在金属基 体中添加第二相粒子形成的金属基复合材料、 两种 不同的金属板叠合在一起或由金属板和树脂粘合在 一起而形成的复合阻尼金属板等。 4 2 1 聚合物基阻尼材料的研究现状 自上世纪中期开始, 美国和日本等国家就不断 研制出新的高聚物阻尼材料。到 90 年代初, 发达国 家约有十几家专业厂商生产很多品种的阻尼材料。 国内的聚合物基阻尼材料研究及工程应用的发展也 很迅速。 传统聚合物阻尼 材料的吸振机 理基于粘弹 阻 尼 , 所以其适用温度和阻尼性能强烈依赖于聚合物 的玻璃化转变温度。 20 世纪 90 年代, 日本东 京工 业大学住田雅夫教授提出将导电炭黑与压电陶瓷粒 子填充到聚合物基体中, 制备导电压电型阻尼复合 材料的设想。由于该类复合材料的吸振机理基于振 动机械能 ∀ 电能 ∀ 热能的转换损耗而非传统的粘弹 阻尼, 故不依赖于聚合物基体的玻璃化转变, 这将大 大拓展其应用温度范围。因为该类阻尼复合材料理 论上可以用任何一种聚合物作为基体, 具有传统聚 合物吸振材料无可比拟的优越性 , 引起了广大阻尼 材料研究者的兴趣 H ori等
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H ill D 等 在甲基丙烯 酸甲酯中接枝 聚乙二 醇酯碳酸盐, 动态力学分析表明, 随着甲基丙烯酸甲 酯接枝含量和接枝率的提高, 共聚物的阻尼峰位置 会向高温方向移动 , 从而使材料能适合不同的场合 和环境条件。 L i fengku i
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3 2 分 类 阻尼材料大致可分为粘弹性阻尼材料、 高阻尼 合金材料、 复合阻尼材料和智能型阻尼材料, 其中复 合阻尼材料包括聚合物基阻尼复合材料和金属基阻 尼复合材料 , 智能型阻尼材料主要包括压电阻尼材 料和电流变流体阻尼材料。本文主要介绍粘弹性阻 尼材料、 复合阻 尼材 料和 智能型 阻尼 材料 的研 究 进展。
1 引
言
lom b 便指出金属经受循环应变时, 应力 应变曲线 将形成 滞后环, 并 有能量耗散。 1837 年, W eber 首 次用扭摆的自由衰减测量了材料的 阻尼。从 1850 年开始, 声学家 们对有阻尼的 振动系统进行 研究。 Ray le ig h于 1878 年给出了线性、 粘性阻尼离散系统 和连续介质力学、 声学等系统的微分方程及一些方 程的解, 在此阶段阻尼材料的研究才刚刚起步。 第二阶段是 1920~ 1940 年, 这一时期机器的运 转速度越来越高, 振动问题成为高速旋转机械、 飞机 及大型工程结构等的主要困扰。振动使得螺旋桨曲 轴和水轮机叶片出现疲劳破坏, 轮船的舱口产生疲 劳裂纹, 疲劳破坏使得第一架商务飞机坠毁 , 美国的 T acom a N arrow s 大 桥也由 于水流 导致的 振动而 损 坏