橡胶阻尼减振机理

陈爱志

橡胶阻尼减振机理

陈爱志

（海装驻沈阳地区军事代表局，沈阳，110000）

阻尼的方法主要有三种，即系统阻尼、结构阻尼和材料阻尼。阻尼材料是将固体机械振动能转变为热能而耗散的功能材料。研究高分子材料分子结构对其动态力学性能的影响，对于深化高分子材料减振降噪理论的研究及其工程应用具有重大的意义。

阻尼材料；减振；橡胶

1 概述

阻尼材料是将固体机械振动能转变为热能而耗散的功能材料。阻尼材料按特性分为高分子橡胶阻尼材料、复合阻尼材料、高阻尼合金、阻尼涂料等。各种材料的阻尼性能可根据耗散振动能的能力来衡量。高分子橡胶是一种理想的阻尼材料，可利用橡胶自身粘弹性，在振动过程中，把动能转化为热能消耗掉。而材料的阻尼性能或动态力学性能是与其分子结构密切相关的，因而研究高分子材料分子结构对其动态力学性能的影响，对于深化高分子材料减振降噪理论的研究及其工程应用具有重大的意义。

2 阻尼材料的类型

阻尼的方法主要有三种，即系统阻尼、结构阻尼和材料阻尼。系统阻尼是在系统中设置专用阻尼减振器，如减振弹簧、冲击阻尼器等；结构阻尼是在系统的某一振动结构上附加材料或形成附加结构，增加系统自身的阻尼能力；而材料阻尼是依靠材料本身所具有的高阻尼特性达到减振降噪的目的。

材料通常按其属性划分为金属材料、无机材料和有机高分子材料三大类。有机高分子材料分为橡胶、塑料和纤维。材料种类繁多，其阻尼特性相差甚远，阻尼作用的大小可用材料的动态力学特性包括储能模量和损耗因子来表征，损耗因子是表征阻尼的特征值，损耗因子又称损耗因数、阻尼因子或损耗角正切，是每周期耗散能量与在一周期内的最大贮能之比。橡胶粘弹性材料的损耗因子远远高于其他材料，这也是常用具有粘弹性特性的高分子聚合物制作阻尼材料的原因。

3 橡胶阻尼减振机理

高分子材料具有阻尼效果，但不是所有的高分子材料都具有阻尼作用，只有那些结晶度不高或交联度不高的材料在由玻璃态向弹性态的力学转变过程中才具有较高的内耗，即具有较大的阻尼作用，因此高分子粘弹性阻尼材料是其工作温度范围与玻璃化转变区温度范围重合的材料。橡胶属于高分子的粘弹性材料，具有高分子材料形变性质，因此橡胶阻尼作用机理直接与橡胶的动态力学松弛性质相关。当橡胶与振动物体相接触时，必然吸收一定量的振动能量，使之变成热能，结果使振动受到阻尼作用。橡胶阻尼作用大小取决于其滞后现象的大小，正是由于滞后现象，橡胶的拉伸回缩循环变化均需克服链段间内摩擦阻力而内耗。

高分子材料在交变应力作用下，产生的应变与应力不同步，落后一个相位角，这种形变落后于应力的现象称为“滞后”。由于高分子材料的滞后存在，就产生了内耗，消耗的功以热能形式散发掉，内耗越大，吸收的振动能也越多，这就是高分子材料阻尼作用机理。粘弹性材料的复数模量实模量和虚模量之间的关系如下图1所示。粘弹性材料应力—应变关系如图2所示。

图1 粘弹性材料复合模量的矢量

图2 粘弹性材料应力—应变关系

以振幅为零作为时间起点时称正弦曲线。若以应变的振幅作为时间的起点，应力应变与时间的关系可用下列三角函数表示：

σ(t)= σosin(ωt+δ) （1）

γ(t)= γosinωt （2）

式中： σ —随时间变化的交变应力；

σo—最大应力振幅；

γ —随时间变化的形变；

γo—最大形变振幅；

ω —应力变化的角频率，ω=2 ƒ(ƒ为频率)；

t —时间；

δ —形变落后于应力的相位差。

上式展开后，得式（3）：

σ=σosinωtcosδ+σocosωtsinδ (3)

应力可以认为由两部分组成，一部分与应变同相（σocosδ），另一部分是应变异相90º(σotsinδ)。将其分别除以应变，则可将模量变成同相模量（或实模量）和异相模量（虚模量）两部分，其关系：

E’= cosδ，E”= sinδ （4）

式中E’—模量的实部；E”—为模量的虚部。

根据复模量矢量关系图，复合模量表示如下：

E*=E’+ iE” (5)

β =tanδ = E”/ E’ (6)

式中δ称为损耗角，tanδ称损耗角正切，它表示材料的损耗能量与贮存能量之比，也称损耗因子β，即β=tanδ。如果δ=0，作用力完全有效地用于粘弹性材料分子变形；如果δ=π/2，作用力完全用于克服粘弹性材料的粘性阻力(也称内摩擦)，损耗角及其正切损耗因子表征橡胶材料在动态变形时耗能的大小。

由于各种粘弹性材料及其配方材料的动态力学参数各不相同，且变化范围很宽，tanδ为0.01～5，E’为106～1010Pa，因而可以适应很宽的动态力学性能要求，分别用于损耗很小、弹性模量很高的防振制品直至损耗很高、弹性模量变化很宽的阻尼制品。

粘弹性材料模量实部E’和损耗因子β随温度变化，在特定温度范围内具有较高的阻尼。模量实部E’和损耗因子β随温度变化曲线如图3所示。

图3 粘弹性材料弹性模量、损耗因子与温度的关系

1-玻璃态区；2-玻璃化转变区；3-高弹态区；4-黏流态区；Tg-玻璃化转变温度

从上图可以看到，随着温度从低温升到高温，粘弹性材料经历三种力学的变化。在不同温度下呈现三个不同的区域，分别称为玻璃态区、高弹态区和黏流态区，在玻璃态和高弹态之间称为玻璃化转变区。对于阻尼材料来说，其阻尼作用主要发生在玻璃化转变区。

在玻璃态区，粘弹性材料分子在外力作用下发生普弹形变，链段运动冻结，在此区域内粘弹性材料显示很高刚性，损耗因子相当低，并且模量和损耗因子随温度的变化也不明显。处在玻璃态区的粘弹性材料只有在很低的频率下才能出现大的能量损耗。

在玻璃化转变区，随着温度的升高，粘弹性材料分子链段开始解冻，分子链段运动导致内耗增加，因而其损耗因子也增大，因此，玻璃化转变区对粘弹性阻尼材料十分重要，是粘弹性阻尼材料的特征工作区。在转变区内，力学性能发生很大的变化，模量随温度升高而迅速降低，而损耗因子则达到阻尼峰值，此时所对应的温度称为玻璃化转变温度，简称玻璃化温度，通常以Tg表示，而后损耗因子迅速下降。转变区的宽度即发生玻璃化转变温度范围，就是有效阻尼的温度范围。

在高弹态区，温度继续升高粘弹性材料进入高弹态，这时分子链的运动更加自由，链段间的滑移绝大部分趋向恢复原状，出现高弹形变，形变率较大，模量值较低，材料是柔软的，损耗因子中等，在这个区域，材料的的刚性和最大能量损耗只有在较高频率下才能出现。

在黏流态区，不仅粘弹性材料的链段运动，而且分子链条也滑动，粘弹性材料开始出现流动，形变迅速增加且不可逆。处于黏流态的粘弹性材料虽有很高的损耗因子，但其力学强度很低，不能直接作为固态型阻尼材料使用。

粘弹性材料的阻尼特性除和温度有关外，还和外力作用的时间或频率有关。频率的影响和温度的影响正好相反。粘弹性材料的力学性能与频率的关系如下图4所示。

图4 粘弹性材料的力学性能与频率的关系

1-高弹态区；2-转变区；3-玻璃态区

从图中可以看到，在温度恒定时，粘弹性材料的模量实部随频率的增高总是增加，而其损耗因子在橡胶态区时随着频率的增加也增大，但在玻璃态区随着频率的增大而减小。

温度和频率可单独影响力学松弛现象，也可联合影响力学松弛现象。同一个力学松弛现象既可以在较高温度下，在较短时间内（较高频率）观察到，又可以在较低温度下较长时间（较低频率）内观察到。只有当温度和振动频率都处于粘弹性阻尼材料的玻璃化转变区时，才有可能具备最大的损耗因子，耗散更多的机械能。

4 橡胶阻尼材料

4.1 丙烯酸酯橡胶

丙烯酸酯橡胶阻尼材料在室温附近的阻尼性能优越，同时具有良好的黏接性能和力学性能以及耐热、耐老化等优点，在减振和吸声等领域逐渐受到关注。

丙烯酸酯橡胶作为综合性能优良的阻尼材料，在航空航天、航海和民用等领域有广阔的应用前景，但是，丙烯酸酯橡胶的玻璃化转变区只有 20～30℃，有效阻尼功能区狭窄，不能完全满足工程应用的需要，因此必须对其进行改性。

4.2 聚氨酯

聚氨酯材料自身具有大量氢键，表现出一定的微观相分离结构，有较高的tanδ，是适合用于消声、减震场所的阻尼材料，但单一成分的聚氨酯阻尼材料玻璃化转变温度单一，阻尼温域狭窄。目前常用聚氨酯和其他材料合成具有互穿聚合物网络结构的阻尼材料，该材料具有阻尼温域宽、种类多等特点。

4.3 丁基橡胶

丁基橡胶的玻璃化转变温度为-70℃，其损耗峰可以从-70℃一直持续到 20℃，是一种有效功能区相当宽的阻尼材料。并且硫化丁基橡胶具有低透气性和高减振性以及良好的耐热性能、耐臭氧性能和耐化学品性能。但丁基橡胶的玻璃化转变温度太低，决定了其高温阻尼性能不好，因此随着橡胶阻尼材料在军事领域和民用产品上的广泛应用，世界各国对拓展丁基橡胶材料的阻尼特性及其有效阻尼功能区进行了大量的研究工作。

4.4 丁腈橡胶

阻尼材料在实际应用中经常会遇到油污，为了提高阻尼材料的耐油性，可选用耐油性好的丁腈橡胶来制备阻尼材料。为了使材料得到更高阻尼性能和更宽的阻尼温域，必须对丁腈橡胶进行改性才能制得满足实际应用要求的阻尼材料。

5 总结

橡胶阻尼材料的研究开发已经取得了很大的进展，研制开发了许多品种的橡胶阻尼材料，在实际应用中解决了很多阻尼、减振问题。通常橡胶阻尼材料大多只具有单一的阻尼峰，但随着振动频率和振幅的增加，由于阻尼性能使得橡胶材料的内部生热问题严重，橡胶的工作温度逐渐升高，这就要求橡胶阻尼材料必须具备多阻尼峰、宽阻尼温域来满足不同温度下的阻尼要求。另外，随着不同使用环境对阻尼材料的要求，研制具有诸如导电、导热等性能的多功能橡胶阻尼材料也是今后橡胶阻尼材料的发展方向之一。

陈爱志（1974～），1994年毕业于海军工程大学，现为海装驻沈阳地区军事代表局副局长，技术六级，主要从事舰艇装备管理工作。