粘彈性阻尼材料及其阻尼結(jié)構(gòu)的研究進展

張志超 黃微波 李華陽 李向東 劉天鋮 張 銳 于 超

(青島理工大學功能材料研究所， 山東 青島 266033)

粘彈性阻尼材料及其阻尼結(jié)構(gòu)的研究進展

張志超 黃微波 李華陽 李向東 劉天鋮 張 銳 于 超

(青島理工大學功能材料研究所， 山東 青島 266033)

本文從阻尼產(chǎn)生的原理出發(fā)，闡述了粘彈性阻尼材料的阻尼機理和發(fā)展歷程，然后分別介紹了自由阻尼結(jié)構(gòu)、約束阻尼結(jié)構(gòu)、分段約束阻尼結(jié)構(gòu)和局部約束阻尼結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀，最后指出阻尼性能的改善要從提高阻尼材料本身的性能和對阻尼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計兩個方面入手，局部約束阻尼結(jié)構(gòu)和分段約束阻尼結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方法具有一定的研究價值。

粘彈性阻尼材料；阻尼結(jié)構(gòu)；分段約束阻尼結(jié)構(gòu)；局部約束阻尼結(jié)構(gòu)

工業(yè)的迅速發(fā)展在提升國民生活水平的同時也帶來了不可避免的負面影響，其中，工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生振動和噪聲不僅干擾人們?nèi)粘５墓ぷ骱蜕睿€對古建筑和精密儀器帶來了不同程度的影響。為了有效的減輕振動和噪聲的危害，人們相繼研發(fā)了許多減振降噪技術(shù)，阻尼技術(shù)以其簡單可靠、經(jīng)濟有效的優(yōu)點受到了相關(guān)行業(yè)的高度重視。

阻尼的產(chǎn)生可以在材料和結(jié)構(gòu)兩個方面來考慮：一方面可以依靠材料本身所具有的高阻尼特性達到減振降噪的目的[1]，另一方面可以利用不同材料之間所組成的宏觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生耗能機制。研究材料的阻尼行為，開發(fā)適宜高效的阻尼結(jié)構(gòu)對于阻尼材料綜合性能的發(fā)揮至關(guān)重要，也是材料與結(jié)構(gòu)工作者所面臨的重要課題[2]。

1 粘彈性阻尼材料

粘彈性阻尼材料由高分子聚合物組成，兼具粘性液體消耗能量和彈性固體儲存能量兩種特性，是目前應(yīng)用較為廣泛的阻尼材料[3]。當其受到外界應(yīng)力時，一部分能量轉(zhuǎn)化為熱能耗散掉，一部分能量以勢能的形式儲備起來，從而有效地減弱振動和噪聲[4]。

具體來講，粘彈性阻尼材料的阻尼性能是由分子鏈運動、內(nèi)摩擦力以及大分子鏈之間物理鍵的不斷破壞與再生三個方面的耗能組成的。當產(chǎn)生外力時，高分子聚合物分子間的鏈段會產(chǎn)生相對滑移、扭轉(zhuǎn)，曲折的分子鏈也會產(chǎn)生拉伸、扭曲等變形，從而通過摩擦做功耗散掉了部分能量；當外力消失后，變形的分子鏈將會恢復(fù)原位，在這一過程中，高分子聚合物克服其大分子鏈段之間的內(nèi)摩擦阻尼而產(chǎn)生了內(nèi)耗；由于高聚物的粘性，變形的分子鏈不能完全恢復(fù)原狀，用于變形的功以熱的形式耗散到環(huán)境中。這就是高分子阻尼材料利用其粘彈性耗能的機理。

粘彈性阻尼材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，產(chǎn)生耗能的環(huán)節(jié)也多，可以有效的減輕振動和噪聲的影響[5]。各類阻尼材料已廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域，隨著現(xiàn)代工業(yè)、交通運輸和宇航事業(yè)的發(fā)展，以及軍工、航天領(lǐng)域的迫切需要，粘彈性阻尼材料的應(yīng)用研究與性能改良越來越重要[6]。

阻尼材料的研究從1784年Coulamb等人發(fā)現(xiàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線滯后環(huán)到現(xiàn)在已經(jīng)經(jīng)歷了200多年，在這個長期復(fù)雜的發(fā)展歷程中，可以分為三個階段[7]。第一階段是在1784年到1920年，在此期間，Weber于1837年通過扭擺自由衰減法測量出了材料的阻尼，Rayleigh在1878年求出了粘性阻尼線性系統(tǒng)、離散系統(tǒng)微分方程的解，粘彈性阻尼材料的研究工作由此起步。第二個階段是在1920年到1940年，在這個工業(yè)革命繁盛期，高速運轉(zhuǎn)的器械在擴大生產(chǎn)的同時也帶來了振動問題：飛機因疲勞破壞墜毀，Tacoma Narrows大橋因水流振動遭受破壞，輪船等其他機器的發(fā)動機也飽受振動困擾，粘彈性阻尼材料的研究工作由此進入到工程領(lǐng)域。第三階段是從1940年至今，人們將粘彈性阻尼材料應(yīng)用到工程實際的過程中發(fā)現(xiàn)了其致命缺點。早期的粘彈性阻尼材料組分比較單一，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間比較窄，導(dǎo)致溫度和頻率使用范圍有限。因此，獲得優(yōu)異的性能和拓寬溫度頻率使用范圍成為當今阻尼材料學者們研究的重點。在諸多改良方法中，IPN技術(shù)(互穿聚合物網(wǎng)絡(luò))和加入無機填料成效最為顯著。

IPN技術(shù)經(jīng)Millar等人[8]首次提出后，1974年Sperlin等人[9]引進到阻尼領(lǐng)域。D.C.Klempner等人[10]通過把一定比例的不飽和聚酯(UP)和PU/EP IPN體系混合拓寬了PU/EP IPN體系的玻璃化溫度轉(zhuǎn)變區(qū)間。Kaneko等人[11]將功能小分子加入聚乙基丙烯酸酯(AR)/氯化聚乙烯(CPE)體后發(fā)現(xiàn)位于丙烯酸酯/氯化聚乙烯玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)間的凹谷區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)槠教箙^(qū)，產(chǎn)生了更好的阻尼效果。Li F等人[12]發(fā)現(xiàn)阻尼峰的位置可以通過苯乙烯和雙官能團單體二乙烯基苯嵌段共聚體系兩種單體的配比來調(diào)節(jié)。趙秋光等人[13]成功地將MMA-nBA引入到PMMA和 PnBA，從而合成了Cn-LIPN，拓寬了溫域的同時提高了阻尼的損耗因子。

加入無機填料是通過增加高分子之間的摩擦，使分子的運動受到限制，從而增大了原材料的損耗因子。Hajime等人[14]通過向環(huán)氧樹脂體系機體中添加碳纖維改善了環(huán)氧樹脂體系基體的阻尼效果，由此推出向高聚物中加入纖維類材料能夠有效增強阻尼性能。秦東奇等人[15]在IPN阻尼材料中加入云母，通過增大聚合物鏈與云母片的摩擦來提高了阻尼性能。吳軍玲等人[16]通過實驗分別研究了石墨200、玻璃鱗片、玻璃微珠5019N、云母100及其組合對阻尼材料性能的影響，動態(tài)力學分析表明，阻尼材料加以玻璃鱗片和云母各一半的填料時綜合性能最佳。

2 阻尼結(jié)構(gòu)

大多數(shù)粘彈性阻尼材料本身的模量過低，不能作為結(jié)構(gòu)材料來直接使用，因此必須將它們粘附于剛度較大的基層材料上，組成復(fù)合阻尼結(jié)構(gòu)，所以阻尼結(jié)構(gòu)的研究對于粘彈性阻尼材料性能的發(fā)揮至關(guān)重要。適宜高效的阻尼結(jié)構(gòu)往往能夠使材料的阻尼性能得到充分發(fā)揮，達到更有益的減振效果。

常用的阻尼結(jié)構(gòu)有自由阻尼結(jié)構(gòu)和約束阻尼結(jié)構(gòu)兩種，自由阻尼結(jié)構(gòu)主要通過阻尼層的拉伸變形耗能，約束阻尼結(jié)構(gòu)主要通過阻尼層的剪切變形耗能，其結(jié)構(gòu)布置如圖1、圖2所示。

圖1 自由阻尼結(jié)構(gòu)

圖2 約束阻尼結(jié)構(gòu)

2.1 自由阻尼結(jié)構(gòu)

自由阻尼結(jié)構(gòu)是將粘彈性阻尼材料直接粘貼或噴涂于基層表面上，當基層受力發(fā)生形變時，阻尼層也會產(chǎn)生變形，通過將機械能轉(zhuǎn)化為熱能達到耗散能量的目的。

自由阻尼結(jié)構(gòu)具有施工方便、適用范圍廣等優(yōu)點，但是研究表明這種結(jié)構(gòu)的減振效果不理想，尤其是在結(jié)構(gòu)低頻振動時的減振效果更差[17]，因而更多地被用于薄殼結(jié)構(gòu)上，如船舶艙壁、外殼等結(jié)構(gòu)。

2.2 約束阻尼結(jié)構(gòu)

在自由阻尼結(jié)構(gòu)上再附加一層約束層材料就是約束阻尼結(jié)構(gòu)。當基材受力形變而使阻尼層變形時，約束層會產(chǎn)生相反方向的變形。由于基層和約束層發(fā)生變形的不同步性，阻尼層在二者中間產(chǎn)生剪切應(yīng)力和應(yīng)變，與此同時阻尼層也會發(fā)生拉伸壓縮變形，而阻尼層剪切變形耗散的能量遠大于拉壓變形耗散的能量，從而消耗更多的能量。

20世紀60年代Kerwin等人[18]首次提出了約束阻尼結(jié)構(gòu)的概念，并對阻尼層的剪切變形做出分析。隨后，約束阻尼結(jié)構(gòu)得到迅速的發(fā)展。Ditaranto等人[19]于1959年通過將自由振動梁的荷載方程與粘彈性層剪切模量對結(jié)構(gòu)性能影響方程結(jié)合，得到六階微分齊次方程并推出了在有限長度下粘彈性夾層梁受到彎曲變形時產(chǎn)生的振動分析理論。Douglas等人[20]將橫向壓縮阻尼的理論模型與Mead等人[21]的剪切阻尼模型對比建立了橫向壓縮阻尼的數(shù)學理論模型并以實驗解析驗證了粘彈性層的阻尼效應(yīng)。

在國內(nèi)針對約束阻尼結(jié)構(gòu)的研究集中在利用有限元模型優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而獲得更好阻尼性能的結(jié)構(gòu)。鄧年春等人[22]基于虛功原理，采用層和理論推導(dǎo)出了約束阻尼板結(jié)構(gòu)的動力方程，并且通過實驗和ansys模擬驗證了其有效性與精確度。劉天雄等人[23]基于Hamilton原理建立了約束阻尼結(jié)構(gòu)板的動力方程，導(dǎo)出了標準二階定常線性系統(tǒng)模型，極大的簡化了粘彈性約束阻尼結(jié)構(gòu)的分析處理。萬浩川等人[24]通過建立約束阻尼板振動方程分析約束材料性能參數(shù)對結(jié)構(gòu)振動特性的影響，結(jié)論表明，泊松比對減振性能的影響很小，約束層材料應(yīng)盡量選擇密度較小、彈性模量較大的材料。呂平等人[25]通過應(yīng)用模態(tài)應(yīng)變能方法對約束阻尼結(jié)構(gòu)進行有限元分析來研究阻尼層厚度對阻尼結(jié)構(gòu)振動性能的影響規(guī)律，分析結(jié)果表明隨阻尼層厚度的增加，結(jié)構(gòu)的固有頻率降低，損耗因子提高。

目前對于自由阻尼結(jié)構(gòu)和約束阻尼結(jié)構(gòu)的研究已經(jīng)相對成熟。為了提高傳統(tǒng)阻尼結(jié)構(gòu)的綜合性能，人們相繼對分段約束阻尼結(jié)構(gòu)和局部約束阻尼結(jié)構(gòu)開展了研究。分段約束阻尼結(jié)構(gòu)通過利用邊緣效應(yīng)大大提高了耗能的效率，局部約束阻尼結(jié)構(gòu)通過減少約束阻尼層的覆蓋面積實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的減重增效，其結(jié)構(gòu)布置如圖3、圖4所示。

圖3 分段約束阻尼結(jié)構(gòu)

圖4 局部約束阻尼結(jié)構(gòu)

2.3 分段約束阻尼結(jié)構(gòu)

約束阻尼結(jié)構(gòu)耗能主要是通過阻尼層的剪切變形實現(xiàn)的。為了有效的利用阻尼層末端剪切變形最集中的原理，也就是邊緣效應(yīng)[26]，將阻尼層或約束層和阻尼層分段布置，由此增加阻尼層內(nèi)的剪切變形，從而增大了結(jié)構(gòu)的耗能效率，這就是分段約束阻尼的原理。

1970年P(guān)lunkett 等人[27]在對圓柱約束阻尼層結(jié)構(gòu)的研究中，首次提出了一種只切斷了約束層的方法并針對軸向拉伸時對切口位置進行了優(yōu)化。從此，人們相繼展開了對分段方法的研究。Al-Ajmi等人[28]通過遺傳算法對約束阻尼層的厚度與切口數(shù)目的關(guān)系進行了對比分析，得到隨著阻尼層厚度變大，切口的數(shù)目應(yīng)該盡量減少才能使得結(jié)構(gòu)阻尼最大化的結(jié)論。Chen 等人[29]對表面覆蓋條狀約束阻尼層(相當于在圓柱結(jié)構(gòu)的周向設(shè)置切口)的圓柱殼結(jié)構(gòu)進行了研究，結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)的阻尼特性隨著周向切口數(shù)目的增多而改善。TromPette等人[30]通過有限元模擬探究切口的位置與數(shù)量對粘彈性阻尼層內(nèi)剪切內(nèi)力場分布規(guī)律的影響，提出了切口的最佳布置方案并通過遺傳算法進行了優(yōu)化。

國內(nèi)的學者在對約束阻尼結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化時，更多的是通過拓撲優(yōu)化的方法優(yōu)化約束層和阻尼層的分布區(qū)域與大小，對于分段方法的研究較少。田士濤等人[31]通過實驗驗證了分段方法對于提高第一階模態(tài)阻尼始終是有效的，并且提出了一種可以提高高階模態(tài)阻尼的不完全切斷的切口形式。

2.4 局部約束阻尼結(jié)構(gòu)

在最初對約束阻尼結(jié)構(gòu)的研究中，大量的工作都是專注于全覆蓋約束阻尼，但在大多數(shù)工程中并不能完全覆蓋，同時也應(yīng)該考慮到阻尼材料的重量和耗能效率。為了增強工程實用性，人們想到在結(jié)構(gòu)的局部敷設(shè)約束阻尼，也就是局部約束阻尼結(jié)構(gòu)。

Moreira等人[32]基于應(yīng)變能分布理論提出了一個計算模型，并通過對兩種粘彈性阻尼材料不同覆蓋面積、敷設(shè)區(qū)域的實驗驗證該模型計算比較準確，為局部約束阻尼結(jié)構(gòu)的模擬與數(shù)值分析提供了必要的數(shù)據(jù)支持。Boubaker等人[33]研究了彎曲波在局部約束阻尼矩形板內(nèi)的傳播，通過建立解析模型和運動方程探究了邊界條件、約束層和阻尼層厚度、敲擊位置以及約束層和阻尼層的布置對彎曲波傳播的影響。陳彥明等人[34]將粘彈性阻尼材料的耗能理論與模態(tài)應(yīng)變理論結(jié)合，通過ansys有限元模型對局部約束阻尼梁進行了數(shù)值分析，得出在保證耗能的前提下應(yīng)盡量少的布置約束層以避免引入過大的質(zhì)量影響的結(jié)論。李明等人[35]對局部約束懸臂梁進行模型分析與求解，由此探究局部阻尼的敷設(shè)位置與寬度對阻尼耗能的影響，結(jié)論表明，結(jié)構(gòu)的損耗因子隨阻尼層由懸臂板的根部往自由端移動呈現(xiàn)增大的趨勢，阻尼層寬度的增加也能產(chǎn)生更好的阻尼效果。馮宇晨等人[36]通過ansys的模態(tài)分析對約束層和阻尼層進行了局部減振設(shè)計，通過只在變形劇烈的區(qū)域敷設(shè)局部阻尼的方法將結(jié)構(gòu)重量降低52%的同時得出了相同的減振效果。杜華軍等人[37]為了實現(xiàn)約束阻尼結(jié)構(gòu)在航天器上的減重增效，對約束阻尼結(jié)構(gòu)中阻尼層的覆蓋面積進行了優(yōu)化，后經(jīng)仿真驗證，在約束層面積不變的情況下，離散的阻尼層布置不僅能減輕結(jié)構(gòu)的重量，而且可以得到相同甚至更好的減振效果。石慧榮等人[38]應(yīng)用多目標遺傳算法對均勻敷設(shè)多阻尼段的柱殼結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化分析，結(jié)果表明，不同模態(tài)的損耗因子隨阻尼段數(shù)目變化幅度不同，合理敷設(shè)阻尼段能有效減少結(jié)構(gòu)的振動。陸靜等人[39]通過半解析半數(shù)值的方法分析了部分覆蓋約束阻尼梁的振動與阻尼性能，結(jié)果表明，在特定的頻率范圍內(nèi)，較大的面積覆蓋率并不一定能夠耗散更多的能量，在振動劇烈的區(qū)域敷設(shè)局部約束阻尼可以獲得較好的減振效果。

在目前對局部約束阻尼結(jié)構(gòu)的研究中，大多數(shù)是通過有限元模擬優(yōu)化約束阻尼層敷設(shè)區(qū)域的覆蓋面積和位置，從而在實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)減重增效的同時增強了在工程中的靈活性，局部約束阻尼結(jié)構(gòu)以其工程適用性強、布置靈活、質(zhì)量輕的優(yōu)點有望在軌道交通、航空航天等領(lǐng)域得到廣泛推廣和發(fā)展。

3 總結(jié)與展望

局部約束阻尼結(jié)構(gòu)可以靈活的應(yīng)用于各種工程中并能實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的減重增效，分段約束阻尼結(jié)構(gòu)極大的提高了耗能效率，將兩者應(yīng)用到同一結(jié)構(gòu)上在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中具有廣闊的發(fā)展前景，其結(jié)構(gòu)布置如圖5所示。

圖5 局部阻尼結(jié)構(gòu)與分段阻尼結(jié)構(gòu)相結(jié)合

粘彈性阻尼材料經(jīng)過長期不斷的改良使其阻尼性能顯著提升，阻尼結(jié)構(gòu)的設(shè)計也越來越適宜高效，但是，將優(yōu)異的材料應(yīng)用到合理的結(jié)構(gòu)上還是目前存在的一個難題。因此，在改良阻尼材料本身性能的同時優(yōu)化設(shè)計合理的阻尼結(jié)構(gòu)，根據(jù)具體情況選用特定的阻尼結(jié)構(gòu)，將是我們材料與結(jié)構(gòu)科學工作者接下來的重點研究內(nèi)容。

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Researchprogressontheapplicationofviscoelasticdampermaterialsanddampingstructure

Zhang Zhichao, Huang Weibo, Li Huayang, Li Xiangdong，Liu Tiancheng, Zhang Rui, Yu Chao

(Research Institute of Functional Materials, Qingdao University of Technology, Qingdao 266033, China)

The mechanism and development of viscoelastic damping materials based on damping principles are illustrated in this paper. Then the current status of extensional damping structure, constraint damping structure, segmented constrained damping structure and partial constraint damping structure is introduced. Finally, it is noted that the improving of damping properties includes performance improvement of damping materials and optimum design of damping structure and it's valuable for research to combine segmented constrained damping structure and partial constraint damping structure.

viscoelastic damping materials; damping structure; segmented constrained damping structure; partial constrained damping structure

X-1

A

2017-09-13; 2017-11-06修回

張志超(1993-)，男，在讀碩士。研究方向：新材料研究與應(yīng)用。E-mail:894891823@163.com