试论高分子阻尼材料的制备及性能

摘 要：高分子阻尼材料最为显著的特点便是减振降噪。由于性能优越，在航天航空、船舶、汽车等领域应用广泛。本文分析了高分子阻尼材料的工作机理、结构性能以及发展应用前景，表明在未来的应用过程中高分子阻尼材料将会朝着环境友好、宽领域的方向发展。

关键词：高分子阻尼材料；减振降噪；环保

一、高分子阻尼材料的工作机理

高分子阻尼材料的工作机理是在交变应力等作用到聚合物时，由于因链状大分子必须花费一定时间去克服链段间的内摩擦阻力才能继续运动，在应力变化过程中，变形往往会更为缓慢，特别是在某种频率或温度下这种滞后表现的更为明显。这种变形滞后必须消耗更多的能量所以减小了振动体动能，最终实现减震的效果。

现如今，阻尼材料已经有了更多的发展，新型阻尼材料的出现让高分子阻尼材料的工作机理变得更为复杂，因此用传统的方式来解释是远远不够的。当代的学者为了更好的解释高分子阻尼材料的工作机理，试图从粘弹性性能和微观分子结构的关系来进行剖析。学者Fradlin是最早定义阻尼性能和分子结构关系的，他认为互穿网络聚合物具有协同效应，它可以使两聚合物之间相互交联而限制相区，促使分子水平混合，从而具有宽广的阻尼峰。Thomas指出，聚合物中各个分子基团对阻尼的贡献不仅与其分子结构有关，而且还与在聚合物分子中所处的位置有关，进而定量地提出了基团贡献分子理论。相关学者的分析，加深了对高分子阻尼材料的研究，让新型高分子阻尼材料能够应用的更为广泛，也扩宽了高分子阻尼材料的研发领域和设计水平。

二、高分子阻尼材料的结构性能

传统的高分子阻尼材料具有一定局限性，结构上呆板和单一的特性约束了使用者的使用需求，其主要包括离散型、约束型和自由型阻尼结构。最近这些年以来，随着科学技术的不断发展，高分子阻尼材料已经取得了更多的研究进展，在设计上取得了瞩目的成就，其中最值得关注的便是复合型高分子阻尼材料。它主要是通过简单物理组合来实现各种单一阻尼材料的混合，并转换其中的性能和结构从而衍生出具有更多性能的高分子阻尼材料。

（一）具有隔离层的复合阻尼结构

具有隔离层的复合阻尼结构在阻尼层和基本弹性层之间添加了一层隔离层，这是它和自由阻尼结构最大的区别点。隔离层的主要材质是铝蜂窝、纸蜂窝、硬质泡沫塑料等，具有高刚度、轻质的性能特点。在弯曲振动力作用于基本弹性层时，这个隔离层将拉压变形的力度增大，从而阻尼层材料的能效随之增加，类似于杠杆放大的作用，所以也叫扩变层。具有隔离层的复合阻尼结构如图1所示。

图1 具有隔离层的复合阻尼结构

（二）吸收低频振动的复合阻尼结构

吸收低频振动的复合阻尼结构和具有隔离层的复合阻尼结构结构存在一定相似之处，但是中间的聚氨酯泡沫不具备高刚度的物理特性，它呈现出的是柔软的特性。因此，吸收低频振动的复合阻尼结构往往在低频震动上具有更好的效果，如图2所示。

图2 吸收低频振动的复合阻尼结构

为适应低频振动，增加了泡沫层，该泡沫层就相当于一根很软的弹簧，而普通阻尼层就相当于一个质量块，故其本身就构成质量弹簧减振系统，根据隔振理论，其有效隔振频率k的范围为k≥ 2 P，式中P为质量弹簧系统的固有频率，可由下式求出：

式中m为上层普通阻尼材料的质量，k为泡沫层的刚度，只要泡沫层很软，就意味着P很小，有效隔振频率就更低。适当选择质量及弹簧，便可控制有效隔振频率范围。

（三）消声复合阻尼结构

消声复合阻尼结构的组成材料是对声音具有特定作用的，纤维型或是泡沫型阻尼材料内部有着空洞结构，在声波进入到这些空隙中时，孔壁和空气之间具备摩擦力，伴随空气间的粘性力，材料细纤维和空气产生振动，振动能随之降低，因此消声复合阻尼结构的消声效果较为明显。

（四）用于隔离地震的复合阻尼结构

用于隔离地震的复合阻尼结构，顾名思义是运用到地震灾害中去的阻尼材料。把建筑物同地震运动相隔离的主要条件，一是支承座既能确保建筑物和其地基在水平方向上柔性连接，又能在垂直方向上提供足够的支承刚度，二是支承座具有吸收振动能量的能力，图6即为其原理图。

图5 用于隔离地震的复合阻尼结构原理图

三、应用及发展趋势

随着社会的不断发展，高分子阻尼材料也得以展开深入研究，并应用到越来越多的领域中去。现如今的高分子阻尼材料主要呈现如下发展趋势。

一是高分子阻尼材料的宽温域和高性能。高性能阻尼材料的要求主要为材料在宽温域内应具备高损耗因子（tanδ）。互穿聚合物网络（IPN）由于网络间的相互贯穿、强迫互容、协同效应及特殊的细胞状结构、双相连续等形态特征，可有效拓宽高聚物的玻璃化转变温度（Tg），这已成为目前制备此类材料颇具前景的方法。

二是高分子阻尼材料需要对环境的负面影响小。由于当前社会环境压力不断增大，因此对于任何新型材料都要求具备较好的环保性能，因此高分子阻尼材料也朝着无溶剂型材料、高固体分、水性材料方向发展，从而具备环境友好性。

三是高分子阻尼材料的精细化和智能化。随着科技的发展，高分子阻尼材料已经朝着智能方向不断发展，也表现出更多的应用前景。在未来的研究工作中，改进智能材料成为了重中之重，只有这样才能符合科学技术不断发展的需要。

四、结语

现如今，高分子阻尼材料已经在全世界各地广泛应用开来，也形成了一定的产业规模，德国汉高便是行业里的重要代表。在未来的发展过程中，高分子阻尼材料已经朝着宽温域、高性能、环境友好型、精细化和智能化的方向不断发展，也成为了各个生产廠家研发的重要考虑因素，特别是在开发环保型材料，水性材料和无溶剂材料方面成为了该领域研究中的重中之重。相信只要加快材料的绿色化进程，高分子阻尼材料将会表现出更为重要的应用作用，逐步缩小我国同国外材料发展的距离。

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作者简介：刘贤辉，男，1995年八月九日，安徽合肥人，池州学院，247000。