浅谈舰船用高分子阻尼材料的现状及应用

陈宪刚

（海装北京局，北京，100000）

1 引言

随着造船技术的快速发展，舰船的功率和速度大大提高，舰船上存在多种振动源，其产生的振动和噪声会造成严重的危害，不仅影响舰艇隐蔽性和船员舒适性，还会导致结构破坏、仪表失灵等。对军船而言，振动和噪声还会降低声纳、雷达的作用距离，不利于隐身而招致打击。常用减振降噪技术包括隔振、阻尼、隔声、吸声等，其中采用高性能阻尼涂层材料能够在不改变舰船原有设计和设备的情况下进行减振降噪，是降低设备振动、阻止噪声传播、提高舰船隐身能力的最经济、最有效的手段之一。

目前国内阻尼减振材料在舰船中的应用虽然取得了长足的进步，显著降低了舰船的辐射噪声，但与发达国家相比仍有一定差距，主要表现在：复合阻尼因子低，不能满足高效阻尼场合的使用要求；使用温域窄，多为-10℃～+50℃，与国军标中“军事装备使用温度要求”-43～80℃相差甚远；阻尼材料密度大，施工工艺复杂等。新一代舰船要求阻尼降噪涂层具有适用温域宽、复合损耗因子高、与基材附着力强、快速固化、施工方便、轻量化、使用寿命长等特点，而且要求材料满足舰艇比较苛刻的使用环境，应具有环保、阻燃、无毒、耐海水、耐盐雾、耐油、耐老化等特殊性能。

目前研究最多、应用最广的是聚氨酯高分子粘弹性阻尼材料，其具有显著的粘弹性、内耗大，可以根据不同要求进行分子结构设计，添加功能填料，能够实现高阻尼、高强度。因此，本文重点对高分子阻尼材料的减振降噪机理、性能影响因素、研究与应用进展三个方面进行简单论述。

2 高分子阻尼材料减振降噪机理

阻尼是指系统损耗能量的能力。从减振的角度上看，就是将机械振动的能量转化为热能或其他形式可以损耗的能量，从而达到减振的目的。阻尼技术就是充分地利用阻尼消耗的一般规律，从材料、工艺、设计等技术问题上发挥阻尼在减振方面的潜力，以提高机械结构的抗振性、降低机械产品的振动，增强机械与机械系统的动态稳定性。

粘弹性是高分子材料的一个重要特性，高分子材料在受到交变力场的作用下发生的位移滞后现象，产生的力学损耗是其产生阻尼作用的根本原因。阻尼材料按结构可以分为自由阻尼结构和约束阻尼结构。

自由阻尼结构是直接将阻尼材料粘附到需要作减振处理的基材表面，当基材发生弯曲振动时，通过阻尼层的拉伸形变来消耗能量。采用自由阻尼时，要求高分子阻尼材料具有高而宽的损耗模量值，减小被减振部件的厚度，对提高阻尼系数有利，这时可用加强筋结构来弥补因厚度减小而引起的被振部件强度的下降。

约束阻尼结构即在阻尼层表面再粘附一层高模量的刚性约束层材料，当基材发生弯曲振动时，阻尼层受到上下表面各自产生的压缩和拉伸的不同变形，使阻尼层受到剪切应力和应变，从而耗散更多的能量。在约束阻尼结构中，要求高而宽阻尼系数的阻尼材料，对材料的刚性和蠕变性的要求不像自由阻尼型那样严格。因此，约束阻尼结构具有更好的减振降噪效果。

3 阻尼性能的影响因素

高分子阻尼材料的制备方法很多，主要有共混、共聚、互穿聚合物网络、有机小分子杂化等，其中影响材料阻尼性能的因素主要有以下5个方面。

（1）材料本身分子结构的影响

高分子材料的阻尼性能与其材料本身的结构密切相关。大分子链上含有庞大的侧基、强极性取代基、侧基数目多、分子间氢键多、相互间作用强等都会使链段运动的内摩擦阻力显著增加，从而使阻尼作用显著增加。另外，聚氨酯类高分子具有微相分离结构特性，分子内存在软、硬段聚集态，软硬段的微相分离程度对材料的阻尼性能与力学性能影响较大，需要合理的调控软硬段的比例，控制微相分离程度，进而获得阻尼性能与力学性能的平衡。

（2）使用温度和振动频率的影响

只有在特定的温度范围内，即材料的玻璃态转变区，高分子材料才会呈现出高阻尼能力。这个特定的温度范围，在频率恒定的条件下，仅取决于材料的本身。高分子阻尼材料的模量在恒定温度下，总是随着频率的增加而增加。然而其损耗因子随频率的变化关系却取决于一定的温度范围，这就是说根据材料的物理状态不同而异。当材料处于玻璃态区域温度范围内时，材料的损耗因子随着频率的降低而增高，但是在高弹态区域温度范围内，材料的损耗因子却随着频率的降低而降低。因此频率对粘弹性阻尼材料性能的影响是重要因素。

使用条件不同，阻尼材料的适合振动频率范围不同。振动频率的影响与温度相似。低频与较高温度、高频与较低温度对材料动态力学性能的影响一致。实际工程中，阻尼材料分为低频高阻尼材料和高频高阻尼材料，对于不同的使用环境，可采用不同振动频率的高阻尼材料。

（3）交联度的影响

适当的交联可以增加聚合物链段间的摩擦力，增大阻尼值；但交联过高则会由于链段的活动能力降低而使阻尼值下降。试验表明，交联度增大，材料的阻尼温域变大。因此通过选择合适的交联度，可以在较宽的温域内获得较高的阻尼性能。也有试验表明，交联度减小，大分子链活动性增强，大分子链段间、填料与填料间、大分子链段与填料间的摩擦机会增多，有利于振动能转化为热能，从而提高材料的阻尼性能。但交联度对阻尼性能的影响是较复杂的，不同配方阻尼材料的适合交联度范围还有待进一步的研究。

（4）填料的影响

填料的主要作用是：增加材料应变及损耗能量的能力；限制分子运动，增加应力和应变之间的相位滞后；扩大阻尼温域和所需的玻璃化温度。片状石墨填料可增加材料内摩擦与损耗能量，颗粒状填料具有增强效应，限制分子长链相互转换过程中的运动，从而增强能量的转化，也增加了阻尼性能。在增强阻尼性能方面，研究表明片状云母优于超细石墨，超细石墨优于普通石墨。

（5）增塑剂的影响

用作阻尼材料的增塑剂，除了具有降低玻璃化温度和改善加工性能的作用外，还可以使阻尼转变区增宽，这种增宽作用主要取决于增塑剂的特性及其与基体的相互作用。如果增塑剂在基体中只有一定限度的溶解度，或增塑剂根本不相溶而纯属机械混合，则阻尼转变区就会变宽。通过调节增塑剂的用量，可以灵活调节阻尼温域。在阻尼材料中添加增塑剂，虽然能改善材料的低温性能和耐疲劳性能，但同时也会使蠕变和应力松弛速度增加，影响阻尼材料的阻尼特性和使用可靠性，因此增塑剂的用量不宜过多。

4 研究及应用进展

德国在20世纪50年代首先研制了自由阻尼结构；美国从20世纪50年代初首先开始研制约束阻尼结构，并应用于核潜艇艇壳和主机基座上。我国自20世纪70年代开始阻尼材料的研究工作，先后有10多个单位的20多种产品应用于主机、辅机、浮筏、管路、舱室、螺旋浆及船体等需要减振降噪的部位。国内多采用约束阻尼结构，阻尼层一般是双组份无溶剂聚氨酯树脂体系，添加阻尼、阻燃类功能填料，物料比较稠厚，采用刮涂施工。约束层多为高模量环氧材料或金属材料。国外产品则较多采用自流平阻尼层+自流平约束层的复合结构，或自流平阻尼与浮动地板相结合的结构型式。

聚氨酯因分子结构中具有大量的氢键、一定程度的微相分离结构，可通过调节软硬链段比例，获得在宽温度范围内具有较高阻尼损耗因子，是国内外研究较多且最具有实用价值的高分子阻尼材料。自上世纪90年代以来，国内外研究主要集中在以下方面。

（1）研究聚氨酯/聚酯共混体系不同组分比的动态力学性能，并探讨不同种类、不同含量填料对体系阻尼性能的影响。结果表明，10%石墨对兼顾体系的阻尼性能和模量效果最佳。

（2）采用两步法合成了一系列—NCO/—OH(摩尔比)不大于1的聚醚型聚氨酯，用动态黏弹谱仪研究了硬段类型、交联密度、硬段质量分数、软段相对分子质量、扩链剂类型和结构、填料种类等因素对其动态黏弹性能的影响。结果表明，减小交联密度、增加硬段质量分数和软段相对分子质量、采用二醇类扩链剂、增加扩链剂的侧基数以及使用片状填料均可改善聚醚型聚氨酯的阻尼性能。

（3）讨论扩链剂的结构对聚氨酯弹性体的形态结构和动态力学性能的影响。结果表明对于微相分离严重的聚氨酯体系，在扩链剂中引入侧基会有效地降低微区尺寸，亦即改善软段和硬段之间的相容性。含脂肪环的扩链剂不但能增加体系的相容性，而且脂肪环的构象变化也会增加聚氨酯的力学损耗。

（4）合成了一系列含有不同硬段的聚氨酯弹性体，并对其进行了动态力学性能和差热分析测试，结果表明硬段含量不影响玻璃态温度。随着硬段合量的增加，tanδ峰值降低并呈线性关系。硬段分布对该聚氨酯体系的相容性及阻尼性能有较大影响。

（5）针对聚氨酯高聚物的阻尼温度和频率范围小、损耗系数低等问题进行系列实验。研究表明，加入合适的填料可使高聚物硬度增加，也可增大填料和高分子间的摩擦，从而使能量耗散更多。因此国内外研究人员提出了多种填充方案形成新型复合阻尼材料，比如压电阻尼材料及碳纳米管增强型阻尼材料。

（6）将压电阻尼材料制成悬臂梁，并取得了较好的主动控制效果。通过机械能-电能-热能的能量转换方式，压电阻尼材料的能量转化率越高，其阻尼效果越好，且在低频范围有高效的阻尼能力。但存在质地较脆、对于杂质和缺陷较敏感、价格比较昂贵的问题。碳纳米管增强型阻尼材料阻尼大、比刚度高、密度低、温度和频率极限区间宽，力学性能出色。但需要优化碳纳米管/聚合物复合材料的制备工艺，使其性能发挥最优。

综前所述，近几年国内对阻尼材料主要侧重于已有材料的应用研究及材料性能影响因素的研究，对于机理的研究并不够深入，新型的高性能阻尼材料输出极少。但随着新型舰船、潜艇的出现，对阻尼材料的要求越来越高，急需开发出宽温、宽频、功能复合化的PU高分子阻尼材料才能满足更高的使用要求。

5 展望

随着技术装备的高速发展，舰船对阻尼材料提出了更高的要求，未来的高分子阻尼材料将向着高阻尼性能、宽温域、高强度、轻量化、耐老化和低污染的方向以及结构/智能一体化的方向发展。今后，应根据阻尼材料应用场合及性能要求，开展阻尼材料系列化研究，重视新型材料理论研究与结构研究，突破阻尼减振性能、力学性能的协调等关键技术，实现材料的结构功能一体化理念。只有将设计、材料、工艺和试验形成一个有机的整体，才能有效地解决减振、降噪问题，研制出高性能的舰船高技术产品，共同促进我国高分子阻尼材料的发展和应用。