聚硼硅氧烷基黏滯阻尼器的力學性能研究

陳 倩，李 峰,2，高雙全

(1.西安理工大學 材料科學與工程學院，西安 710048；2.西安匹克玄鎧新材料有限公司，西安 710000；3.衡水中鐵建工程橡膠有限責任公司，河北 衡水 053000)

隨著城市現代化的發展，橋梁在整個城市生命線中的位置越來越重要，橋梁的減震工作是減小由于地震、臺風等造成橋梁損害的基本途徑。傳統橋梁抗震是通過提高橋梁自身強度與剛度來增加抗震能力，地震激起的能量靠自身結構消耗掉，其耗能結果是導致承重構件橋墩、柱的損傷[1]。黏滯阻尼器安置簡便、維護便利，成為減小大橋縱橫方向運動的一個重要選擇[2]。

依據速度指數α可將黏滯阻尼器分為線性黏滯阻尼器(α=1)與非線性黏滯阻尼器(0<α<1)[3]。在活塞相對運動速度較小時，非線性黏滯阻尼器產生的阻尼力大于線性黏滯阻尼器產生的阻尼力；隨著活塞相對運動速度的増大，非線性黏滯阻尼器阻尼力増加的幅度逐漸減小，而線性黏滯阻尼器阻尼力則按照比例不斷増大。線性黏滯阻尼器產生的阻尼力雖然能夠隨著速度一直増大，提高結構的抗震能力，但當速度超過某一值時，在很大阻尼力作用下，可能因為連接構件強度不夠而導致線性黏滯阻尼器失效，反而使橋梁結構遭到二次破壞。因此相比而言，非線性黏滯阻尼器更適應我國復雜的地震情況。

速度鎖定器屬于一種特殊的非線性黏滯阻尼器，其結構與耗能型黏滯阻尼器相似，但阻尼介質材料的工作原理有差異。阻尼材料屬于黏滯阻尼器的一部分，決定了黏滯阻尼器的性能[4]。目前應用在土木工程領域的黏滯阻尼材料主要有膠泥和硅油。膠泥由橡膠粉與硅液兩部分組成，導熱性差，受熱后局部熱量會使膠泥還原為固、液兩部分；在低溫下會變為固體，喪失活性；而受熱時，又會變得很稀，流動性較大，黏滯性能喪失，最終導致阻尼器失效[5]。直到硅油及密封材料出現，泰勒公司開始在液體彈簧和阻尼器中使用液體硅油，將其作為黏滯阻尼器中的主要阻尼介質，一直使用至今。國內從21世紀90年代末開始，將阻尼器應用在建筑橋梁領域[6]。主要以二甲基硅油作為黏滯阻尼器的阻尼介質，二甲基硅油為線性阻尼介質，需要閥門配合才能滿足橋梁減震對黏滯阻尼器的非線性要求[7]。閥門使阻尼器的使用壽命大幅降低，非線性阻尼材料的研發是非線性黏滯阻尼器發展的關鍵。

聚硼硅氧烷作為一種新型非線性黏滯阻尼材料受到廣泛關注。目前的研究主要集中在聚硼硅氧烷的合成方法。Soraru等[8]采用硼酸和烷氧基硅烷為原料合成聚硼硅氧烷(polyborosiloxane, PBDMS)。宋健等[9]采用硅樹脂預聚體的羥基與硼酸發生縮聚反應制備聚硼硅氧烷。Tang等[10]通過在甲苯中，于120 ℃下將硼酸(boric acid，BA)和羥基封端的聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)混合來合成一系列PBDMS。李春連等[11]以二苯基硅烷二醇、羥基硅油、甲基三乙氧基硅烷和硼酸為原料合成了具有各種Si/B比的聚硼硅氧烷。Rubinsztajn[12]報道了在三氟苯硼烷存在下，通過三甲基硼酸鹽與二苯基硅烷的縮合反應合成聚硼硅氧烷樹脂的一個實例。在常溫條件下在溶劑中進行縮合過程，最終形成Si-O-B鍵。西安匹克玄鎧新材料有限公司的PBDMS，因其分子中含有高鍵能化學鍵(Si-O鍵和B-O鍵)，比普通的聚硅氧烷更耐高溫，黏結性更好。但是直接將這種PBDMS作為非線性黏滯阻尼器的阻尼材料使用，其機械性能較差。

本課題組針對非線性黏滯阻尼器的要求，對PBDMS改性方法進行了研究，制備出一種新型增塑型PBDMS。通過測試材料的流變特性，研究材料黏度隨剪切速率的變化曲線；同時為了探索阻尼材料在阻尼器工作環境下的性能變化，對阻尼材料的熱力學性能進行測試分析。由于阻尼材料無法單獨使用，而是作為非線性黏滯阻尼器的介質存在，因此還需對阻尼器進行動力學測試，同時評估黏滯阻尼材料的耗能水平。

1 試驗方法

1.1 樣品制備

試驗中所使用的化學試劑及其生產廠家，如表1所示。

表1 試驗試劑

利用真空高溫捏合機合成PBDMS樣品。稱取一定量的羥基硅油(OH-terminated polydimethylsiloxane，PDMS-OH)和硼酸(H3BO3)倒入真空高溫捏合機中，將反應溫度調至250 ℃，封釜，抽真空并開啟攪拌，恒溫反應1.5 h。反應結束后自然冷卻，得到PBDMS樣品。由于此時制備的PBDMS力學性能較差，因此需對其進行增塑與補強。即在PBDMS中加入適量的二甲基硅油與質量分數分別為5%和7%的白炭黑顆粒，充分攪拌反應后，即可得到兩種白炭黑含量不同的增塑補強型PBDMS。

1.2 熱力學性能測試

德國耐馳DSC 200 F3 Maia?差示掃描量熱儀(differential scanning calorimetry，DSC)研究物質隨溫度的變化其物理量(ΔQ和ΔH)的變化。本文使用功率補償型DSC在-150℃～80℃范圍內對不同白炭黑含量的樣品與參比樣之間的熱流率進行測試。由此分析白炭黑含量對樣品熱力學性能的影響，以及樣品在黏滯阻尼器工作溫度范圍內的狀態變化。

1.3 流變性能測試

奧地利安東帕MCR302旋轉流變儀具有很高的瞬時響應能力：可以在同一臺流變儀上實現真實的應力控制和應變控制。本文使用旋轉流變儀在25 ℃溫度下進行材料黏度-剪切速率的變化趨勢曲線測試，依靠旋轉運動來產生簡單的剪切流動，可用于快速確定材料黏度與剪切速率之間的關系[13]。

1.4 黏滯阻尼器動力學性能測試

衡水中鐵建工程橡膠有限責任公司研制的300 t電液伺服阻尼器試驗機主要用于檢測橋梁板式支座、橋梁盆式支座、橋梁阻尼器的力學性能等。將增塑型PBDMS作為阻尼介質填充到黏滯阻尼器中，采用300 t電液伺服阻尼器試驗機在系統指標范圍內完成黏滯阻尼器減振性能試驗[14-15]。

試驗中所使用的阻尼器為雙出桿黏滯阻尼器，結構如圖1所示。其規格參數如表2所示。其與單出桿黏滯阻尼器最顯著區別在于活塞兩邊具有相同直徑的活塞桿，保證活塞左右運動時，主缸體積始終保持不變。油腔內的壓力不會發生太大的突變，避免了單出桿黏滯阻尼器使用一段時間后出現“頂死”的現象。其次，它的滯回曲線飽滿，能產生較大阻尼力，有效耗散地震輸入的能量[16-17]。

1.阻尼材料；2.主缸；3.副缸；4.導桿；5.活塞；6.阻尼孔。

表2 雙出桿型黏滯阻尼器規格

2 試驗結果與分析

黏滯阻尼材料研究的重點和關鍵在于對材料本構關系和動態性能的研究。因此對材料進行流變測試，并對黏滯阻尼器進行動力學性能測試。但同時黏滯阻尼材料的熱力學性能對評價材料自身特性以及黏滯阻尼器穩定性等方面也同樣重要，這關系到阻尼材料在工作溫度中，狀態是否會發生變化，對阻尼器工作的影響。

2.1 熱力學性能分析

制備不同白炭黑含量的增塑型PBDMS，進行DSC測試，得到熱流率-溫度曲線，如圖2所示。發現白炭黑含量為5%和7%的增塑型PBDMS的玻璃轉化溫區分別為-124 ℃～-119 ℃，-123 ℃～-119 ℃，冷結晶峰溫度分別為-95 ℃和-93 ℃，熔融峰溫度分別為-53 ℃和-51 ℃。玻璃轉化溫區與各個峰的溫度隨著白炭黑含量的增加而有所升高，不過溫度升高的幅度不是很大。說明白炭黑含量對材料的玻璃轉化溫區、冷結晶峰以及熔融峰的溫度雖有影響，但是影響程度不大。而白炭黑顆粒會阻礙PBDMS分子鏈的運動，因此可以提高材料的強度。所以可以使用白炭黑顆粒來改善PBDMS的機械性能，對材料的熱力學性能影響不大。

圖2 不同白炭黑含量的增塑型PBDMS的熱流率-溫度曲線

阻尼材料的性能是影響黏滯阻尼器性能優異的關鍵，增塑型PBDMS的性能又受溫度的影響。隨著溫度的升高，材料經歷了由玻璃態轉變為高彈態，最后又轉至黏流態的過程。體現在DSC曲線上為基線高度的變化。①材料處于玻璃態時，高聚物受外力作用的形變很小，這種形變主要通過鍵長和鍵角的改變所引起，速度很快，緊跟應力變化，所以處于玻璃態的材料內耗很小。②隨著溫度的升高，材料開始由玻璃態向高彈態轉變，此時高分子鏈段也開始運動。由于材料黏度較大，因此高分子鏈段運動受到的摩擦阻力較大。彈性形變明顯滯后于應力變化，造成較大內耗。③當材料處于高彈態時，分子鏈段整體運動能力很強，彈性形變滯后減小，內耗較小。④當高分子材料由高彈態轉變為黏流態時，此時分子鏈相互滑移，將外界傳遞的能量由動能大部分轉化為熱能耗散掉。內耗顯著，表現出良好的阻尼特性。

橋梁用黏滯流體阻尼器規定阻尼器適用環境溫度為-25 ℃～50 ℃。在此溫度范圍內，增塑型PBDMS一直處于黏流狀態。即阻尼器工作溫度范圍內，材料狀態不發生改變，從而保證了阻尼器性能的穩定性。

2.2 流變性能分析

黏度是表征高分子材料流變特性最重要的指標之一。由于阻尼器需要的動態剛度較大，因此后續測試選擇白炭黑含量為7%的增塑型PBDMS。使用旋轉流變儀對未進行阻尼器試驗與進行阻尼器試驗后的樣品進行表征，得到黏度-剪切速率曲線，如圖3所示。黏度與剪切速率呈非線性關系。兩個樣品的黏度隨著剪切速率的增大，先保持恒定值不變；直到剪切速率分別增大至4 s-1和2 s-1時，黏度開始急劇下降隨后又緩慢下降。該過程分別對應隨著黏滯阻尼器活塞相對運動速度的增大，阻尼器產生的阻尼力隨著速度的增加近似呈直線上升，此時阻尼器剛性的將力傳遞給橋梁結構，進行抗震；隨著黏滯阻尼器活塞運動速度繼續增加，此時阻尼器輸出阻尼力仍會增加，但增加的幅度較緩。這樣可以防止在較大振動速度下，產生過大阻尼力對橋梁結構造成二次破壞。樣品在黏滯阻尼器中工作一段時間后，其流變曲線趨勢未發生改變。即測試過程中對樣品造成的損傷不大，樣品具有較好的可逆性。樣品黏度稍微下降，黏度平臺向剪切速率減小的方向平移，分析原因可能是由于樣品在測試前靜置時間較長，導致密度分布不均勻，選取測試的部分樣品密度較低，因此測試的黏度值也稍微降低。或者說測試后小部分高分子鏈發生滑移，不過發生滑移的高分子鏈占總體比例不大，對材料的力學性能造成的影響較小。

圖3 增塑型PBDMS的黏度-剪切速率曲線

2.3 黏滯阻尼器動力學性能分析

將增塑型PBDMS作為阻尼介質，應用于黏滯阻尼器中。采用動態300 t電液伺服阻尼器試驗機對黏滯阻尼器進行動力學測試，得到不同速度下的阻尼力-位移曲線。阻尼力與位移包圍的部分為黏滯阻尼器在一個周期振動過程中耗散的能量，滯回環面積越大，阻尼器耗能能力越好。圖4中滯回曲線飽滿，近似成矩形，阻尼器耗能能力優良。并且隨著活塞速度的增加，阻尼器耗散的能量一直在增加，即該阻尼器具有較好的速度相關性。

圖4 不同速度下的黏滯阻尼器的阻尼力-位移曲線

黏滯阻尼器是一種速度相關型的阻尼器，綜合阻尼器在不同活塞運動速度下的阻尼力，擬合阻尼介質為增塑型聚硼硅氧烷條件下阻尼器阻尼力與活塞運動速度的關系曲線，如圖5所示。擬合曲線為冪指數函數曲線F=CVα[18]，其中C=382 kN·s/mm，α=0.15，R2=0.964(R2為擬合曲線的相關系數，相關系數越接近1，說明擬合的曲線越精確)，速度指數α遠遠小于1。速度鎖定器的速度指數一般在0.1～0.3，速度指數很低。因此在振動速度較小時，允許橋梁自由運動，如：橋梁的蠕變，熱膨脹等；當速度增大至臨界速度時，阻尼力急劇增加，阻尼器成剛性連接，將活動墩轉變為固定墩來分散力；當振動速度過大時，這種阻尼器的響應不會超過最大的設定力，防止結構的二次破壞。由于這種阻尼器對橋墩具有保護作用，因此可以將橋墩做得更小，降低橋的造價。國內使用二甲基硅油作為阻尼介質使用。但是由于硅油自身的特性，導致要想實現速度指數極低的非線性阻尼器，則需要閥門的配合來完成。但閥門的存在會降低阻尼器的壽命。而本材料僅通過材料的非線性與簡易的阻尼器結構，就能得到速度指數為0.15的非線性黏滯阻尼器，來滿足橋梁抗震要求。

圖5 黏滯阻尼器的阻尼力-速度曲線

由于測試所用黏滯阻尼器設定載荷為600 kN，因此，受黏滯阻尼器結構安全系數限制，振幅為50 mm的條件下，最大能實現的加載頻率為0.1 Hz。因此采用正弦波位移加載方式，分別在0.06 Hz與0.1 Hz的加載頻率下對黏滯阻尼器進行循環試驗，得到阻尼力-位移曲線，如圖6、圖7所示。隨著循環次數的增加，阻尼器輸出阻尼力逐漸下降，滯回環面積逐漸減小，耗能能力降低。在阻尼器進行5次往復循環加載后，阻尼器的出力降低約50%，并且隨著加載頻率的增加，阻尼力衰減的幅度也隨之增加。主要原因可能是由于阻尼器在工作過程中，活塞反復運動，導致阻尼材料摩擦生熱，溫度升高。尤其是阻尼孔處的材料，溫度會更高，而在0.1 Hz加載頻率下進行測試，阻尼器外缸壁溫度升高至40 ℃左右，表明隨著頻率的加快，熱量積聚現象更加明顯。一般而言高分子材料的黏度會受溫度的影響而降低，因此阻尼器工作一段時間后，會出現阻尼力下降現象。由于材料在高溫狀態下力學性能還是會出現變化，因此需在保證材料阻尼性能優異的同時繼續優化阻尼材料的耐溫性，以此來保證阻尼器的循環穩定性。

圖6 位移加載下的黏滯阻尼器的阻尼力-位移曲線

圖7 位移加載下的黏滯阻尼器的阻尼力-位移曲線

3 結 論

采用增塑型PBDMS作為黏滯阻尼器的阻尼介質，利用旋轉流變儀、差示掃描量熱儀和電液伺服阻尼器試驗機對樣品的流變性能、熱力學性能以及阻尼器的動力學性能進行測試分析，得到以下結論：

(1)白炭黑的含量對增塑型PBDMS的玻璃轉化溫區、冷結晶峰以及熔融峰的溫度影響較小。表明白炭黑能提升增塑型PBDMS的機械性能，不影響阻尼材料的熱力學性能。在阻尼器工作溫區，材料一直處于黏流態，有利于提高阻尼器工作過程的穩定性。

(2)增塑型PBDMS是一種非線性阻尼材料，黏度受剪切速率影響。經過阻尼器測試后，樣品流變曲線趨勢未變，即材料的力學性能幾乎不發生改變，表現出良好的可逆性和穩定性。

(3)將增塑型PBDMS作為黏滯阻尼器的阻尼介質使用，得到阻尼性能優良的黏滯阻尼器。阻尼器輸出阻尼力與活塞運動速度呈非線性關系。速度越大，阻尼力越大，而當速度達到臨界值時，阻尼力保持恒定，可避免速度沖擊產生的巨大阻尼力，對橋梁結構造成的二次破壞。但是在阻尼器進行5次往復循環加載后，其出力卻降低約50%，因此后續需繼續對其性能進行優化，以此來保證阻尼器的循環穩定性。