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阻尼材料的研究进展与分析

更新时间:2009-03-28

0 引言

随着社会的发展,机械设备趋于高速、高效和自动化,随之引起的振动、噪声和疲劳断裂问题亦越来越突出。振动和噪声限制机械设备性能的提高,严重破坏机械设备运行的稳定性和可靠性,并污染环境,危害人们的身心健康,因此减振降噪,改善人机工作环境是一个亟待解决的问题。将损耗振动与噪声能量的能力称为阻尼,即是指在振动系统中,将系统受迫振动时的机械能转化为其他形式能量的能力,其本质意义是能量的衰减和耗散[1-2]

根据耗能途径可以分为系统阻尼,材料阻尼,结构阻尼[3]。按照阻尼材料的耗能方式,又可以将材料分为主动耗能与被动耗能[4]两种方式。按其材料的类型不同,可以将阻尼材料分为:粘弹性阻尼材料,颗粒阻尼材料,高阻尼合金,复合阻尼材料等[5]。其材料类型不同,也有着不同的耗能方式。现今的各种技术都是围绕着如何更有效的进行耗能,通常使用损耗因子(tanδ)表征材料的阻尼性能大小。其损耗因子的定义可以理解为材料粘滞性能与弹性性能的比值,即与损耗模量成正比与储能模量的比值成反比,当其比值为1时损耗因子最大,材料的阻尼性能越好[6]

1 粘弹性阻尼材料

粘弹性阻尼材料通常是一种高分子聚合物材料,同时具有粘性液体和弹性固体的性质,具有耗能减振作用[7]。随着环境温度的升高和变形频率的减小,粘弹性阻尼材料的贮能剪切模量和损耗因子减小。应变幅值的变化对粘弹性阻尼材料的力学性能无显著影响。当应变幅值较小时,加载循环次数对粘弹性材料动力特性的影响较小。过去多年来已经开发了几种不同类型的粘弹性阻尼材料。根据其物理特性和应用,粘弹性阻尼材料可分为沥青基粘弹性阻尼材料,水基涂层粘弹性阻尼材料,丁基橡胶粘弹性阻尼材料,压电粘弹性阻尼材料[8-11]。每种类型的粘弹性阻尼材料都有其自己的应用领域以及特定的环境和操作条件。

近年来,汽车行业不断投资开发减少噪音和振动的方法,并改善车内舒适性。已经发现粘弹性阻尼材料在车辆部件和子系统中有许多应用,诸如间隔件,稳定剂,排气系统衣架,和发动机支架系统。谭亮红等人[12]讨论了粘弹性阻尼材料在汽车噪声、振动和磨损(NVH)问题中的应用[12]。其结果表明对于汽车NVH问题,使用粘弹性阻尼材料对车体进行阻尼处理后,结构振动的能量得到明显控制,车内噪声明显改善。

Wen Fei Wang等人[13]证明了一种新型的粘弹性的减振材料具有高阻尼性能在200之间的高的温度范围内100℃至250℃的温度范围内使用具有更高玻璃化转变温度的特殊聚合物树脂,这些树脂具有与应用温度范围相对应的更高的挂件组,并提供更高的能量消耗效率此外,用玻璃纤维增强的散装材料的阻尼特性将被显著改善,其中峰值黄褐色tanδ值可以达到0.7。介绍了这种新型材料的制备工艺和性能表征,并试图为制备可用于高温减振领域的粘弹性阻尼材料提供一种新的方法,使得材料与环境温度高于100℃时衰减性能会急剧衰减的传统衰减器相反。

Harris和Crede[17]描述了冲击阻尼最早用于控制切削工具,铣削径向钻头,滚齿机和其他机械振动的应用。

这一切,天空中的青辰看得十分清楚。他不明白,白鹫这类生物,一向以尸体为食,除非生命受到威胁,否则不会攻击活物。即使它处于饥饿中,而面前恰巧有一只濒死的猎物,它也要等,直到对方的最后一丝气息断绝。

粘弹性阻尼材料是具有很多应用实例的一种阻尼材料。虽然具有较高的阻尼性能,并有少量研究可提供具有200℃以上较高温度的使用范围,但自身仍是以高分子聚合物为原材料制作,具有一个相对较低的玻璃化转变温度,而一旦使用的环境温度超过了其玻璃化转变温度之后,将不再具有阻尼性能,甚至变形后的材料会对主体造成破坏。

所谓高阻尼合金,系指对机械和结构可起减振和降噪作用的金属材料的总称。日前已经遍及铁基、铜基、钦基、镁基和锰铜墓等合金,其中,最有前途和研究较多的是Mn-Cu基合金。根据合金的阻尼机理,可把已出现的高阻尼含金分成下面四种类型:复合型、铁磁性型、错位型、双晶型。其中复合型的阻尼机理是振动时在母相和第二相的界面引起塑性流动使能量耗损,铁磁性型的阻尼机理是磁畴壁的非可逆移动的同时而产生磁一机械迟滞使能量耗损。错位型的阻尼机理是晶体中的滑移位错和杂质原子间的相互作用而发生的机械静迟滞使能量耗损。双晶型的阻尼机理是热弹性马氏体的转变双晶的界面移动或母相与马氏体相界的移动使能量耗损[20]

2 颗粒阻尼材料

颗粒阻尼材料多结合颗粒阻尼器一同使用在主体表面或者内部构成一个耗能整体[14]。颗粒阻尼器是一种受迫振动控制装置。传统的颗粒阻尼器可以分为四种主要类型:冲击阻尼器,多单元冲击阻尼器,颗粒阻尼器,和多单元颗粒阻尼器[15]。都由主系统以及位于主系统空腔内的颗粒材料组成。一旦主系统受迫振荡,颗粒材料也开始在空腔中移动并与空腔壁碰撞。这导致颗粒与颗粒之间以及颗粒与主系统空腔之间发生动量传递与空腔壁与颗粒之间的摩擦以减小振动幅度。相对于传统阻尼装置来说,颗粒阻尼器的结构十分简单。并且由于其不受温度影响,具有优异的耐腐蚀性能,可以在对其他方法过于苛刻的环境中运行[16]。颗粒阻尼的有效性已经在实验中得到了广泛的研究和分析。

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Kai Zhang等人[18]对颗粒阻尼器的最佳阻尼性能与颗粒运动方式的关系进行了实验研究。通过悬臂系统实验研究了某一初始条件下颗粒阻尼器的阻尼性能。然后,通过将实验数据拟合为等效单自由度(SDOF)系统,在无阻尼粒子状态下,对PDs的有效质量和有效阻尼进行了简单的评价。最后,通过振动台试验,确定了阻尼颗粒在悬臂系统实验中所使用的控制参数,确定了阻尼粒子的运动方式。研究结果表明,当获得颗粒阻尼器的最佳阻尼性能时,在颗粒阻尼器中观察到颗粒状的Leidenfrost效应,即所有阻尼粒子悬浮在振动基上。颗粒阻尼器的最优阻尼性能主要是由于Leidenfrost阻尼粒子耗散特性的影响。

张文芹等人[23]研究了高阻尼铜合金板材用于舰船后传动系统的研制过程,并对影响阻尼特性的关键热处理工艺对其组织性能的影响进行了试验研究。试验表明,材料在820~850℃淬火和420℃×12h时效后,组织显示为清晰、整齐的孪晶马氏体组织,这些孪晶界面在交变应力的作用下,可以移动或滑移,从而吸收振动能量,达到减振降噪的功能。

3 高阻尼合金

赣南灯彩文化具有浓厚的地域气息,在发展过程中,既存在独特的优势,同时又存在难以被认可的劣势。因此,应对赣南灯彩歌舞的市场需求进行分析,准确了解消费者的需求方向和需求量,基于此进行旅游项目开发定位,包括产品的开发、旅游门票的定价等。在发展中,赣南灯彩歌舞项目要与区域经济发展向吻合,实现产品的创新,寻找和开发具有明显特色的、市场化操作性强的旅游产品,实现灯彩歌舞与现代歌舞或其他形式艺术之间的结合,实现其现代化过程,促进其发展。

HuiWang等人[21]采用动态力学热分析仪测试了合金的阻尼性能,研究了不同冷却速度对合金相,显微组织,矫顽力和阻尼性能的影响。结果表明,冷却速率对Fe-15Cr-3Mo-0.5Si合金的晶相和晶粒尺寸没有影响。经过处理的合金的相是单一的α-Fe。此外,在炉冷合金的合金晶界上检测到含Cr和Mo的碳化物沉淀,而在空冷和水冷合金的合金晶界上没有沉淀相。此外,与空冷合金相比,炉冷的合金显示出最小的矫顽力,并且水冷合金显示出最大的矫顽力。炉冷,风冷和水冷合金的tanδ分别为0.209,0.188和0.175。随着合金冷却速度的增加,阻尼容量逐渐减小的主要原因是它们的微内应力存在差异。

阻尼功能复合材料按材料种类不同可以分为高聚物基体型和金属板夹层型。前者系在橡胶、塑料等基体中加人各种适当的填料(颗粒、纤维)复合成型,在受到振动时,由于高聚物基体与填料之问的界面上发生摩擦以及高聚物基体内的分子内摩擦、耗散了振动能达到阻尼的目的。后者系在钢板或铝板间夹有很薄的高聚物,这样的复合材料强度由金属夹板提供。而阻尼性能则由粘弹性高聚物的高内耗和金属夹板的约束性来提供,因此即使在较高的温度下也能保证良好的阻尼减振作用[24]。同时,相比于颗粒阻尼材料具有高刚度,一体性的优点。

Friend和Kinra[19]进行了一个关于悬臂梁自由衰减情况下的颗粒阻尼的实验研究,悬臂梁的自由端附着在垂直平面上振动。他们研究了振动幅度和颗粒填充率(或间隙)对阻尼的影响。观察到颗粒阻尼是高度非线性的,即与幅度有关。在实验中观察到极高的最大阻尼比能力为50%。

4 复合阻尼材料

王乃亮等人[22]利用动态热机械分析仪、有限元分析软件和振动测试设备,研究了M2052合金的阻尼性能及应用在支撑底座中的减振性能。振动测试结果与有限元分析结果比较吻合。结果表明:在频率响应分析中,M2052的应用能够有效降低振动,经支撑底座传递的振动明显减小;在瞬态响应分析中,通过振动衰减曲线对比看出,阻尼合金应用到工字型支座能更快的耗散振动能量,在一定范围内阻尼合金的应变越大,阻尼性能越好,所以S型支座能提供更大的减振性能;同时,通过力锤敲击实验验证了M2052合金在结构件中的应用能有效降低机械振动,且应变越大支座的减振效果越好。

考虑水岩化学反应的复杂性,很难确定反应条件,因此,煤样中碳酸盐矿物质化学反应动力学控制方程可写成[15-17]:

YanLi等人[25]提出了一种利用亚麻纤维和碳纳米管的多尺度方法来增强碳纤维增强环氧树脂复合材料的阻尼性能。通过自由振动试验测量阻尼性能,并通过拉伸和弯曲试验获得强度和模量。研究了亚麻纤维堆垛顺序和碳纳米管添加对碳纤维增强复合材料阻尼性能和力学性能的影响。结果表明,通过在复合材料的最外层上铺设亚麻纤维,碳纤维增强复合材料的阻尼性能大大提高。随着碳纳米管的添加,阻尼性能进一步增强。借助于扫描电子显微镜和理论分析,分析了通过与亚麻纤维杂交以及添加碳纳米管而阻尼修饰机制。结果表明,混杂复合材料的阻尼性能改善是由于纤维独特的多尺度微结构和碳纳米管的粘滑作用引起亚麻纤维内部的滑动摩擦。

另外,APA与表层沉积物pH值显著负相关(r=-0.634,p=0.036)。说明对于碱性磷酸酶而言,并非碱度越高其活性越强,保持其活性的碱度存在一定的阈值。

Julien Meaud等人[26]证明了碳纳米管工程桁架在耗散聚合物中的明智组合可以导致复合材料同时表现出高刚度和阻尼。以使用于汽车,航空,建筑和其他结构元件暴露于动态载荷的技术中需要高刚度和机械能耗结合的场合。通过碳纳米管微结构和新颖的三维桁架拓扑结构形成这些纳米复合材料的骨架。碳纳米管桁架涂有陶瓷和纳米结构的聚合物薄膜,用软聚氨酯填充桁架的裂缝。与聚合物相比,所得复合材料表现出高得多的刚度(80倍)和类似的阻尼(比阻尼容量为0.8)。

5 总结

阻尼材料的开发和应用虽已有三四十年的历史,但从理论上形成新的学科,应用上形成新的技术只有十多年的时间,研制与开发综合性能优异的阻尼材料已成为研究热点。虽然国内外对于阻尼的研究相对较完善,但是阻尼材料的种类却一直局限于现有的几种常见阻尼材料。随着工业不断发展,对于阻尼材料的使用环境依然突出了许多的要求,而新型阻尼开发却仍然处于一个起步阶段。

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张安桂,李明俊,徐泳文,苗明东
《江西化工》 2018年第02期
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