張安桂 李明俊 徐泳文 苗明東

(1.南昌航空大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，江西 南昌 330063； 2.南昌航空大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西 南昌 330063)

0 引言

隨著社會的發(fā)展，機械設(shè)備趨于高速、高效和自動化，隨之引起的振動、噪聲和疲勞斷裂問題亦越來越突出。振動和噪聲限制機械設(shè)備性能的提高，嚴(yán)重破壞機械設(shè)備運行的穩(wěn)定性和可靠性，并污染環(huán)境，危害人們的身心健康，因此減振降噪，改善人機工作環(huán)境是一個亟待解決的問題。將損耗振動與噪聲能量的能力稱為阻尼，即是指在振動系統(tǒng)中，將系統(tǒng)受迫振動時的機械能轉(zhuǎn)化為其他形式能量的能力，其本質(zhì)意義是能量的衰減和耗散[1-2]。

根據(jù)耗能途徑可以分為系統(tǒng)阻尼，材料阻尼，結(jié)構(gòu)阻尼[3]。按照阻尼材料的耗能方式，又可以將材料分為主動耗能與被動耗能[4]兩種方式。按其材料的類型不同，可以將阻尼材料分為：粘彈性阻尼材料，顆粒阻尼材料，高阻尼合金，復(fù)合阻尼材料等[5]。其材料類型不同，也有著不同的耗能方式。現(xiàn)今的各種技術(shù)都是圍繞著如何更有效的進(jìn)行耗能，通常使用損耗因子(tanδ)表征材料的阻尼性能大小。其損耗因子的定義可以理解為材料粘滯性能與彈性性能的比值，即與損耗模量成正比與儲能模量的比值成反比，當(dāng)其比值為1時損耗因子最大，材料的阻尼性能越好[6]。

1 粘彈性阻尼材料

粘彈性阻尼材料通常是一種高分子聚合物材料，同時具有粘性液體和彈性固體的性質(zhì)，具有耗能減振作用[7]。隨著環(huán)境溫度的升高和變形頻率的減小，粘彈性阻尼材料的貯能剪切模量和損耗因子減小。應(yīng)變幅值的變化對粘彈性阻尼材料的力學(xué)性能無顯著影響。當(dāng)應(yīng)變幅值較小時，加載循環(huán)次數(shù)對粘彈性材料動力特性的影響較小。過去多年來已經(jīng)開發(fā)了幾種不同類型的粘彈性阻尼材料。根據(jù)其物理特性和應(yīng)用，粘彈性阻尼材料可分為瀝青基粘彈性阻尼材料，水基涂層粘彈性阻尼材料，丁基橡膠粘彈性阻尼材料，壓電粘彈性阻尼材料[8-11]。每種類型的粘彈性阻尼材料都有其自己的應(yīng)用領(lǐng)域以及特定的環(huán)境和操作條件。

近年來，汽車行業(yè)不斷投資開發(fā)減少噪音和振動的方法，并改善車內(nèi)舒適性。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)粘彈性阻尼材料在車輛部件和子系統(tǒng)中有許多應(yīng)用，諸如間隔件，穩(wěn)定劑，排氣系統(tǒng)衣架，和發(fā)動機支架系統(tǒng)。譚亮紅等人[12]討論了粘彈性阻尼材料在汽車噪聲、振動和磨損(NVH)問題中的應(yīng)用[12]。其結(jié)果表明對于汽車NVH問題，使用粘彈性阻尼材料對車體進(jìn)行阻尼處理后，結(jié)構(gòu)振動的能量得到明顯控制，車內(nèi)噪聲明顯改善。

Wen Fei Wang等人[13]證明了一種新型的粘彈性的減振材料具有高阻尼性能在200之間的高的溫度范圍內(nèi)100℃至250℃的溫度范圍內(nèi)使用具有更高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的特殊聚合物樹脂，這些樹脂具有與應(yīng)用溫度范圍相對應(yīng)的更高的掛件組，并提供更高的能量消耗效率此外，用玻璃纖維增強的散裝材料的阻尼特性將被顯著改善，其中峰值黃褐色tanδ值可以達(dá)到0.7。介紹了這種新型材料的制備工藝和性能表征，并試圖為制備可用于高溫減振領(lǐng)域的粘彈性阻尼材料提供一種新的方法，使得材料與環(huán)境溫度高于100℃時衰減性能會急劇衰減的傳統(tǒng)衰減器相反。

粘彈性阻尼材料是具有很多應(yīng)用實例的一種阻尼材料。雖然具有較高的阻尼性能，并有少量研究可提供具有200℃以上較高溫度的使用范圍，但自身仍是以高分子聚合物為原材料制作，具有一個相對較低的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，而一旦使用的環(huán)境溫度超過了其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度之后，將不再具有阻尼性能，甚至變形后的材料會對主體造成破壞。

2 顆粒阻尼材料

顆粒阻尼材料多結(jié)合顆粒阻尼器一同使用在主體表面或者內(nèi)部構(gòu)成一個耗能整體[14]。顆粒阻尼器是一種受迫振動控制裝置。傳統(tǒng)的顆粒阻尼器可以分為四種主要類型：沖擊阻尼器，多單元沖擊阻尼器，顆粒阻尼器，和多單元顆粒阻尼器[15]。都由主系統(tǒng)以及位于主系統(tǒng)空腔內(nèi)的顆粒材料組成。一旦主系統(tǒng)受迫振蕩，顆粒材料也開始在空腔中移動并與空腔壁碰撞。這導(dǎo)致顆粒與顆粒之間以及顆粒與主系統(tǒng)空腔之間發(fā)生動量傳遞與空腔壁與顆粒之間的摩擦以減小振動幅度。相對于傳統(tǒng)阻尼裝置來說，顆粒阻尼器的結(jié)構(gòu)十分簡單。并且由于其不受溫度影響，具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，可以在對其他方法過于苛刻的環(huán)境中運行[16]。顆粒阻尼的有效性已經(jīng)在實驗中得到了廣泛的研究和分析。

Harris和Crede[17]描述了沖擊阻尼最早用于控制切削工具，銑削徑向鉆頭，滾齒機和其他機械振動的應(yīng)用。

Kai Zhang等人[18]對顆粒阻尼器的最佳阻尼性能與顆粒運動方式的關(guān)系進(jìn)行了實驗研究。通過懸臂系統(tǒng)實驗研究了某一初始條件下顆粒阻尼器的阻尼性能。然后，通過將實驗數(shù)據(jù)擬合為等效單自由度(SDOF)系統(tǒng)，在無阻尼粒子狀態(tài)下，對PDs的有效質(zhì)量和有效阻尼進(jìn)行了簡單的評價。最后，通過振動臺試驗，確定了阻尼顆粒在懸臂系統(tǒng)實驗中所使用的控制參數(shù)，確定了阻尼粒子的運動方式。研究結(jié)果表明，當(dāng)獲得顆粒阻尼器的最佳阻尼性能時，在顆粒阻尼器中觀察到顆粒狀的Leidenfrost效應(yīng)，即所有阻尼粒子懸浮在振動基上。顆粒阻尼器的最優(yōu)阻尼性能主要是由于Leidenfrost阻尼粒子耗散特性的影響。

Friend和Kinra[19]進(jìn)行了一個關(guān)于懸臂梁自由衰減情況下的顆粒阻尼的實驗研究，懸臂梁的自由端附著在垂直平面上振動。他們研究了振動幅度和顆粒填充率(或間隙)對阻尼的影響。觀察到顆粒阻尼是高度非線性的，即與幅度有關(guān)。在實驗中觀察到極高的最大阻尼比能力為50%。

3 高阻尼合金

所謂高阻尼合金，系指對機械和結(jié)構(gòu)可起減振和降噪作用的金屬材料的總稱。日前已經(jīng)遍及鐵基、銅基、欽基、鎂基和錳銅墓等合金，其中，最有前途和研究較多的是Mn-Cu基合金。根據(jù)合金的阻尼機理，可把已出現(xiàn)的高阻尼含金分成下面四種類型：復(fù)合型、鐵磁性型、錯位型、雙晶型。其中復(fù)合型的阻尼機理是振動時在母相和第二相的界面引起塑性流動使能量耗損，鐵磁性型的阻尼機理是磁疇壁的非可逆移動的同時而產(chǎn)生磁一機械遲滯使能量耗損。錯位型的阻尼機理是晶體中的滑移位錯和雜質(zhì)原子間的相互作用而發(fā)生的機械靜遲滯使能量耗損。雙晶型的阻尼機理是熱彈性馬氏體的轉(zhuǎn)變雙晶的界面移動或母相與馬氏體相界的移動使能量耗損[20]。

HuiWang等人[21]采用動態(tài)力學(xué)熱分析儀測試了合金的阻尼性能，研究了不同冷卻速度對合金相，顯微組織，矯頑力和阻尼性能的影響。結(jié)果表明，冷卻速率對Fe-15Cr-3Mo-0.5Si合金的晶相和晶粒尺寸沒有影響。經(jīng)過處理的合金的相是單一的α-Fe。此外，在爐冷合金的合金晶界上檢測到含Cr和Mo的碳化物沉淀，而在空冷和水冷合金的合金晶界上沒有沉淀相。此外，與空冷合金相比，爐冷的合金顯示出最小的矯頑力，并且水冷合金顯示出最大的矯頑力。爐冷，風(fēng)冷和水冷合金的tanδ分別為0.209，0.188和0.175。隨著合金冷卻速度的增加，阻尼容量逐漸減小的主要原因是它們的微內(nèi)應(yīng)力存在差異。

王乃亮等人[22]利用動態(tài)熱機械分析儀、有限元分析軟件和振動測試設(shè)備，研究了M2052合金的阻尼性能及應(yīng)用在支撐底座中的減振性能。振動測試結(jié)果與有限元分析結(jié)果比較吻合。結(jié)果表明：在頻率響應(yīng)分析中，M2052的應(yīng)用能夠有效降低振動，經(jīng)支撐底座傳遞的振動明顯減??；在瞬態(tài)響應(yīng)分析中，通過振動衰減曲線對比看出，阻尼合金應(yīng)用到工字型支座能更快的耗散振動能量，在一定范圍內(nèi)阻尼合金的應(yīng)變越大，阻尼性能越好，所以S型支座能提供更大的減振性能；同時，通過力錘敲擊實驗驗證了M2052合金在結(jié)構(gòu)件中的應(yīng)用能有效降低機械振動，且應(yīng)變越大支座的減振效果越好。

張文芹等人[23]研究了高阻尼銅合金板材用于艦船后傳動系統(tǒng)的研制過程，并對影響阻尼特性的關(guān)鍵熱處理工藝對其組織性能的影響進(jìn)行了試驗研究。試驗表明，材料在820～850℃淬火和420℃×12h時效后，組織顯示為清晰、整齊的孿晶馬氏體組織，這些孿晶界面在交變應(yīng)力的作用下，可以移動或滑移，從而吸收振動能量，達(dá)到減振降噪的功能。

4 復(fù)合阻尼材料

阻尼功能復(fù)合材料按材料種類不同可以分為高聚物基體型和金屬板夾層型。前者系在橡膠、塑料等基體中加人各種適當(dāng)?shù)奶盍?顆粒、纖維)復(fù)合成型，在受到振動時，由于高聚物基體與填料之問的界面上發(fā)生摩擦以及高聚物基體內(nèi)的分子內(nèi)摩擦、耗散了振動能達(dá)到阻尼的目的。后者系在鋼板或鋁板間夾有很薄的高聚物，這樣的復(fù)合材料強度由金屬夾板提供。而阻尼性能則由粘彈性高聚物的高內(nèi)耗和金屬夾板的約束性來提供，因此即使在較高的溫度下也能保證良好的阻尼減振作用[24]。同時，相比于顆粒阻尼材料具有高剛度，一體性的優(yōu)點。

YanLi等人[25]提出了一種利用亞麻纖維和碳納米管的多尺度方法來增強碳纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的阻尼性能。通過自由振動試驗測量阻尼性能，并通過拉伸和彎曲試驗獲得強度和模量。研究了亞麻纖維堆垛順序和碳納米管添加對碳纖維增強復(fù)合材料阻尼性能和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，通過在復(fù)合材料的最外層上鋪設(shè)亞麻纖維，碳纖維增強復(fù)合材料的阻尼性能大大提高。隨著碳納米管的添加，阻尼性能進(jìn)一步增強。借助于掃描電子顯微鏡和理論分析，分析了通過與亞麻纖維雜交以及添加碳納米管而阻尼修飾機制。結(jié)果表明，混雜復(fù)合材料的阻尼性能改善是由于纖維獨特的多尺度微結(jié)構(gòu)和碳納米管的粘滑作用引起亞麻纖維內(nèi)部的滑動摩擦。

Julien Meaud等人[26]證明了碳納米管工程桁架在耗散聚合物中的明智組合可以導(dǎo)致復(fù)合材料同時表現(xiàn)出高剛度和阻尼。以使用于汽車，航空，建筑和其他結(jié)構(gòu)元件暴露于動態(tài)載荷的技術(shù)中需要高剛度和機械能耗結(jié)合的場合。通過碳納米管微結(jié)構(gòu)和新穎的三維桁架拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形成這些納米復(fù)合材料的骨架。碳納米管桁架涂有陶瓷和納米結(jié)構(gòu)的聚合物薄膜，用軟聚氨酯填充桁架的裂縫。與聚合物相比，所得復(fù)合材料表現(xiàn)出高得多的剛度(80倍)和類似的阻尼(比阻尼容量為0.8)。

5 總結(jié)

阻尼材料的開發(fā)和應(yīng)用雖已有三四十年的歷史，但從理論上形成新的學(xué)科，應(yīng)用上形成新的技術(shù)只有十多年的時間，研制與開發(fā)綜合性能優(yōu)異的阻尼材料已成為研究熱點。雖然國內(nèi)外對于阻尼的研究相對較完善，但是阻尼材料的種類卻一直局限于現(xiàn)有的幾種常見阻尼材料。隨著工業(yè)不斷發(fā)展，對于阻尼材料的使用環(huán)境依然突出了許多的要求，而新型阻尼開發(fā)卻仍然處于一個起步階段。

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