新型高性能阻尼涂料的开发及应用研究

孙 巍,孙 云,毛 亮

（海装上海局 上海200083）

船舶结构受到激励会产生振动及噪声，不仅损害船员的健康，妨碍船员的正常工作，并使一些设备仪器不能正常运转，而且容易造成船体结构的疲劳、破坏，严重的甚至会导致结构的失效。因此在现代船舶的设计建造中，减振降噪已成为一项非常重要的考核指标。

阻尼技术能够有效地控制结构振动和噪声传递，是解决工程中的振动和噪声问题的一种十分有效的技术。使用黏弹性阻尼材料用于船舶减振降噪是近五十年来迅速发展起来的一项新技术，由于黏弹性阻尼材料具有高阻尼特性，能在较宽的频段范围内起到抑制振动的作用，因此被广泛地应用于船舶结构的噪声和振动控制［1～3］。

1 黏弹性阻尼材料的减振降噪原理

所谓黏弹性是指综合体现黏性流体和弹性固体两者的形变特点，同时具有弹性和黏性两种不同机理的形变特性。高分子材料分子之间依靠化学键或物理缠结相连，分子间易产生相对运动，分子内部的化学基团也能自由旋转，受外力会产生拉伸、扭曲变形，分子链间链段会产生相对滑移、扭转。外力消除后，变形的分子链要恢复原位，分子间的相对运动也会部分复原，释放外力所做的功，这就是黏弹材料的弹性；而不能完全复原产生永久变形的即是黏弹材料的黏性。这一部分所做的功转变为热能，耗散于周围环境中，这就是黏弹材料产生阻尼的机理。当在基板上粘贴黏弹性阻尼材料后，阻尼层会随基板的振动而产生拉伸与压缩的交变作用，使机械振动能量转化为热能而耗损，从而起到减振和降噪的作用［4～6］。

2 高性能黏弹性阻尼涂料的研发

2.1 高性能阻尼涂料的研究概述

阻尼涂料作为一种新型阻尼材料，因其制造工艺简单，施工方便且性能优异，近年来发展极为迅速。自20世纪50年代原西德首先研制成功高聚物黏弹性阻尼涂料以来，阻尼技术在国外就被列为高新技术领域，国外很多研究单位都投入了大量人力、物力开展基础研究和应用研究，主要应用于航空、航天、固体火箭推进及船舶等的减振降噪。

20世纪80年代后，随着对振动降噪的日益重视，国内开始了高聚物黏弹阻尼涂料的研制和生产。目前研究最深入，最具实用价值的是聚氨酯类阻尼涂料，但依然存在如下主要问题：（1）涂料阻尼性能不够高；（2）涂料约束阻尼涂层厚度较厚，质量偏大；（3）品种不够多；（4）功能阻尼涂料品种较少；（5）阻尼性能测试条件和方法较落后且不统一。

基于上述分析，本节尝试研制适于船舶结构减振降噪需要的新型高性能聚氨酯基阻尼涂料，并对复合阻尼涂层结构进行优化设计。

2.2 涂层试样的研制及性能测试

按相应的测试标准制备阻尼涂层试样和约束阻尼复合涂层试样。通过改变制样过程中的原料配比和涂层厚度，可以得到一系列试样，然后进行阻尼性能、力学性能的测试和分析。自由阻尼涂层损耗因子（tanδ）、约束阻尼层复合损耗因子hc、力学性能和物化性能测试的结果表明：黏弹性材料的阻尼性能与使用温度和频率有密切关系。约束－阻尼结构中的复合损耗因子hc既与阻尼层有关，也与约束层有关，hc值大小与材料的刚度、几何参数和损耗因子成正比。实验证明，对于钢质底材，复合损耗因子（hc）随涂层厚度增加而增大，但当涂层与底材的厚度比大于2时，hc值增加缓慢。设计涂层最佳厚度比为2.0。另外实验发现，无论涂层总厚度如何变化，阻尼层始终以1mm厚的阻尼效果最佳。

引进聚脲成分，使材料固化后形成一定数量的脲键，大大提高了阻尼涂料的附着力、耐介质性能。阻尼层材料本身固化后附着力达到0级，一般涂料附着力仅达到1级水平。耐各种介质性能也十分优异，已达到重防腐涂料的要求。这对于船舶长期在盐雾腐蚀性较强的海洋环境中行驶十分重要。

3 黏弹性阻尼涂料H Z-1的应用研究

目前造船行业要求作为工程应用的阻尼材料应具备以下几个基本条件：

（1）材料的使用温度-20～60℃；

（2）具备一定的力学性能（如附着力、强度、柔韧性等）；

（3）阻燃、无毒、耐介质，耐老化；

（4）施工方便，可带底漆施工，满足不同部位的施工要求。

本节将所研制的新型阻尼涂料用于实船涂敷，并对应用结果进行分析研究。

3.1 模型试验

阻尼材料的自身性能指标测试是针对细长的薄钢板进行的，必须通过结构模型试验加以验证和考核。针对某船的具体情况，我们使用所研制的阻尼涂料进行了相应的模型测试。

包括模型裸结构激振试验及模型结构1、模型结构2激振试验，并间隔半年后，对结构2进行相同的激励试验。

在白噪声激励下，裸结构、结构1、结构2在10Hz～6.4kHz频率下的振动加速度传递损失值如表1所示。

表1 白噪声激励下振动加速度传递损失值（dB）Table 1 The loss value ofvibration acceleration under white noise condition

从上述模型实验数据可以看出，使用阻尼涂料后减振效果明显，同时采用厚度比2：1时的减振效果比厚度比1.5：1好很多。间隔半年后，对结构2又进行了相同的测试，其结果基本未变，说明阻尼涂料的减振性能是稳定的。

3.2 实船应用

目前国内船用阻尼材料主要分为片状型材和涂料这二种类型。表2为新型涂料与一种阻尼板的实船应用性能参数的对比。

实船应用表明：无溶剂型阻尼涂料的研制成功克服了以往船用阻尼材料在阻尼性、工艺性和实用性方面的诸多不足。该新型船用阻尼涂料具有可常温固化、附着力好、易于厚涂等优点，解决了传统橡胶型阻尼片材不宜在复杂曲面施工、与甲板敷料配套差的难题。经航行测试，使用阻尼涂料的部位振动明显下降，舱室的空气噪声也下降显著。

4 结论

随着造船工业的日益发展，减振降噪技术已成为新的热门学科。新型阻尼涂料的研究应用大大改善了船舶的安静性和舒适性。

新型高性能阻尼涂料附着力好，耐各种介质性能优异，无毒阻燃防腐性能好。其减振降噪性能优异，施工方便，解决了传统橡胶型阻尼片材不宜在复杂曲面施工、与甲板敷料配套差的难题；且固化时间可调，成型表面平整光滑，面型美观。实船应用研究表明，使用阻尼涂料的部位振动明显下降，有广阔应用前景。

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