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阻尼材料的阻尼特性

1.  阻尼减振的基本概念

  在工程中,常见一些动力机械的外罩、管道、船体、车体等,它们大多是金属薄板制成的,这些薄板受到激振后,能辐射出强烈的噪声。这类由金属薄板结构振动引起的噪声称为结构噪声。控制结构噪声一般有三种方法:第一种是减小激励力;其次是通过修改结构的参数,以错开结构固有频率和激励力频率;第三则是增加系统的阻尼,以抑制结构振动减小噪声,这种措施称为阻尼减振。相比较而言,在大多数工程实际中,阻尼减振技术是上述三种方案中最经济、最简单以及最有效的办法。

  粘弹性阻尼材料的主要成分是高分子化合物,通常也被称之为高聚物或聚合物,由于它同时具有黏性液体和弹性固体的特征,故又称之为粘弹性材料。凡是以聚合物作为基体材料的阻尼材料,习惯上称之为粘弹性阻尼材料。粘弹性阻尼材料是能量蓄积能力(弹性部分)和能量损耗能力(黏性部分)以不同比例结合的材料。在经受交变应力的作用时,作用到弹性成分的机械能像位能那样存储起来,然后再返回外界,材料表现为弹性。而作用到黏性成分的另一部分能量则不返回外界,由于材料的内耗,转化为热能而被耗散掉,振动的幅值随时间迅速衰减,从而起到减振作用,辐射的噪声也因此而降低。

  粘弹性阻尼材料的阻尼能力用它的动态力学性能表征,有:

        M*=M+jM'    β=M'/M                                                                                                                              (1)

式中:M*为复数模量,如杨氏模量、弯曲模量等;M为复数模量实部,称为储能模量;M'为复数模量虚部,称为耗能模量;β(tanδ)为损耗因子;δ为相位角,也称损耗角。

2.  阻尼的温度变化特性

  在外力不变的情况下,随着温度从低到高,分子的流动性增加,微观上呈现出不同的分子运动形式,宏观上,聚合物将经历玻璃态、橡胶态和黏流态三种力学状态。下图为聚合物的温度形变曲线。

阻尼设计

  当温度较低时,分子处于“冻结”状态,几乎不能运动,只有链内原子的键长、键角改变,以及某些侧基、支链和小链节的运动,即只有分子链构型的变化而没有构象的变化,链段运动的松弛时间几乎为无穷大。因此这时的材料,质硬而脆,类似于坚硬的玻璃,故名玻璃态。材料处于玻璃态,不能耗散能量,而将能量作为位能储存起来,外力除去后,储存的能量释放出去,重新返回外界。

  随着温度的升高,进入玻璃态和橡胶态(高弹态)之间的过渡区,称玻璃化转变区。玻璃化转变不是热力学的相变而是一个松弛过程,在玻璃化转变区,分子链开始“解冻”。分子的运动空间变大,运动变得活跃起来,出现了链段的运动,这是产生阻尼作用的运动

形式。因为体系的黏度还很大,分子内摩擦力仍然较大,机械能通过分子的内摩擦而转化为热能,因此链段的运动具有不可逆性,除去外力之后,链段无法完全恢复到原来的状态,产生永久形变,聚合物表现出黏性行为。外力作用到黏性成分上的那一部分机械能不能返

回外界,转化为热能而被耗散掉,这就是材料的内耗或阻尼。本质上来说,内耗指的是高分子的键角、键长、基团、链节、链段等各运动单元沿力的作用方向取向为克服内摩擦阻力而耗散掉的能力。在这个区域内,聚合物的松弛特性比较显著,分子基团具有一定的自由度,能够大量吸收振动能量。同时在该区域,材料的模量随温度升高而迅速降低,损耗因子则达到一个极大值,即阻尼峰值,此时所对应的温度称为玻璃化转变温度,通常用Tg来表示,而后损耗因子迅速下降。玻璃化转变区形变虽然迅速增加,但高聚物由坚硬的固体变得柔软而有韧性,虽然链段的滑移会永久变形,但整个分子链并未滑动,因此材料仍保持宏观完整的形态。通常而言,玻璃化转变区的温度范围就是材料有效阻尼的温度范围。因而玻璃化转变区在阻尼材料研究中非常重要,作为理想的粘弹性阻尼材料应该有较宽的转变区和较高的内耗峰,而且,转变区的温度范围应和材料的工作温度范围一致。

  继续升高温度,进入橡胶态,也称高弹态。在橡胶态,分子链的运动更加自由,不断改变其构象,从蜷曲状态变为伸展状态,但仍以链段运动为主,不是整个分子链的运动,未出现分子链的滑移,形变具有可逆性。处于橡胶态的高聚物柔软而有弹性,宏观上变形很大,受较小的力就可以发生很大的形变,外力除去之后分子链又重新恢复到原来的蜷曲状态,形变可恢复,无永久变形。

  从以上讨论可知,粘弹阻尼材料的阻尼作用主要发生在玻璃化转变区。这是由于只有温度与Tg 重合才能产生最佳的阻尼效果。阻尼作用产生需要两个条件:一是大分子的链段运动,二是分子运动的内摩擦阻力。没有链段的运动,分子运动的内摩擦阻力就无法显示;

有了内摩擦阻尼,分子链段的运动就不能完全恢复,才能产生能量的损耗。在玻璃化转变区,既有较为明显的链段运动,又有较大的分子内摩擦阻尼,这才会出现显著地阻尼作用。因此在设计阻尼材料时,就是调节阻尼材料的玻璃化温度,使其与工作温度吻合。聚合物玻璃化温度是链段开始运动的温度,玻璃化温度与高分子链的柔顺性和分子之间的作用力有关。影响玻璃化温度主要因素有:

   1)分子结构的影响。这是影响高聚物玻璃化温度的最主要因素。

   2)共聚与共混。共聚与共混通常用来调节玻璃化温度,获得所需要的玻璃化温度范围。例如可以由高Tg 的聚合物与低Tg 的聚合物共聚或共混,得到合适的Tg 范围较宽的阻尼材料配方。

   3)增塑剂的影响。加入增塑剂会使分子间作用力僐弱,增大分子链段运动的空间,因此玻璃化温度Tg 下降,玻璃化温度转变区变宽,硫化胶的硬度和模量下降。

   4)外界条件。外界条件主要包括升温速率、外压力和频率。一般而言,玻璃化温度随着升温速率的增加、受压缩以及频率的升高而增大。

3.  阻尼的频率变化特性

  高分子的运动除了与温度有关外,还与外界条件有关。其中频率的影响和温度影响正好相反。在某一温度下,随着频率由低到高,聚合物经历黏流态、橡胶态和玻璃态。同样存在着类似于玻璃化转变和黏流转变的区域,但频率对分子运动的影响与上图给出的温度影响正好相反。当频率较低时,材料完成一个周期的振动时间较长,超过了大分子的松弛时间,链段运动时间比较充裕,能够跟上振动力的变换。因此在所有时间内,链段运动能够与振动力变化保持一致,处于平衡状态。同时分子链之间的局部相互作用(内摩擦)阻止了链段的远程运动,使整条分子链并未出现相对滑动。由于大分子运动与外力变化同步,因此模量变化不大,滞后较小,内耗也较小,材料呈橡胶弹性,处于这一频率范围的力学状态称为橡胶态。随着频率的增加,聚合物的刚性逐渐增大,当频率足够高时,聚合物完成一个周期的振动时间很短,小于大分子的松弛时间。由于时间不充裕,大分子链来不及做构象的调整而振动力的作用已经过去,在所有时间内,分子的运动都无法保持与应力的变化方向保持一致。这时的链段运动已经很小,应变振幅也很小,材料形变很小,表现出很高的刚性,这与温度低时的玻璃态是相似的。从高弹态向玻璃态转变时出现转变区,此时振动频率与大分子的松弛时间接近,出现了大分子的链段运动,应变振幅较大,大分子链段运动跟不上外力的变化,滞后较大,因此材料呈现粘弹性,模量大幅上升,表现出了最大程度的变化速率,而损耗因子则随着频率升高而出现一个最大值。温度和频率可单独影响力学松弛现象,也可以同时影响力学松弛现象。同一个力学松弛现象既可以在较高温度下,在较高频率下观察到;也可以在较低温度下较低频率内观察。只有当温度和振动频率都处于粘弹性阻尼材料的玻璃化转变区时,材料才有可能具有最大的损耗因子,耗散更多的机械能。一般而言,温度对损耗因子的影响是第一位的,频率是第二位的。同时如果恒频率下损耗模量的温度跨度大;那么它在恒温度下频率跨度也大。

  如前所述,同一高聚物的各力学状态可以在恒定频率下不同温度范围内表现出来,也可以在恒定温度下不同频率范围内表现出来。这种温度与频率的等效关系也可以从不同频率下测得的动态力学温度谱(DMTA Dynamic Mechanical Thermal Analysis)和不同温度下测得的DMTA 频率谱中体现出来。

阻尼材料的应用

  阻尼材料主要有橡胶基阻尼材料、沥青基阻尼材料(热熔型)和阻尼涂料以及灌注阻尼浆等形式。下图为一种常用的高性能塑化聚氯乙烯阻尼片及其阻尼性能。

阻尼设计   阻尼设计阻尼应用

阻尼的优化设计

对于结构振动沿船舶舱室构件船舶,并直接辐射到舱室的噪声,一般采用阻尼减振的办法加以控制。附加阻尼结构主要包括自阻尼结构和约束阻尼结构。对于自由阻尼材料,其损耗因子βD计算公式为

式中:

对于约束阻尼结构,其复合损耗因子的计算公式为:

 

式中:

以上两式表明,在局部阻尼处理时,应选择⊿较大的位置进行。因此自由阻尼处理,应选择最大应变处,而对于约束阻尼处理,则应选择最大弯矩处进行。因此开展阻尼优化设计,应该首先计算结构模态特性和振动响应,根据振动响应情况,由以上两式得到相应的阻尼设计方案。


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