苗志軍

（天津市橡膠工業(yè)研究所有限公司，天津，300384）

1 背景介紹

阻尼涂料是一種具有減振、降噪等功能的涂料，該涂料由高分子樹脂加入適量的填料以及輔助材料配制而成。通過特殊的涂層結構將振動機械能轉化為熱能耗散掉，即從聲（振）源上有效地控制振動和噪聲[1]。阻尼涂料按分散劑的不同分為油性阻尼涂料和水性阻尼涂料[2]，早期的阻尼涂料主要采用瀝青基體和特定填料組成，由于油性的瀝青基阻尼涂料以有機溶劑為分散介質，含有大量有機揮發(fā)物質（Volatile Organic Compound，VOC），在制造和使用過程中會嚴重污染環(huán)境，對人體健康造成較大傷害，已經(jīng)被逐漸淘汰，因此水性阻尼涂料替代油性阻尼涂料已成為阻尼涂料的必然發(fā)展趨勢。

水性阻尼涂料主要是以樹脂乳液為基質，加入大量片層結構的云母粉等功能填料，并添加適量的助劑而制成。水性阻尼涂料具有以下特點[3]：（1）生產(chǎn)和施工過程中對環(huán)境無污染。水性阻尼涂料以水作為分散介質，其含有的VOC非常少，符合國家的環(huán)保政策法規(guī)。（2）水性阻尼涂料不受施工基材形狀的限制，可在形狀復雜基面施工，在干濕界面上均可施工。由于水性阻尼涂料是厚漿型、高固體份涂料，因此單次成膜厚度高。水性阻尼涂料可采用噴涂、刮涂、滾涂等多種工藝進行施工，施工效率高。（3）水性阻尼涂料為高固體份涂料，粘度高?？珊裢渴┕?，干燥過程體積收縮率低，不會出現(xiàn)因體積收縮率過大而導致的開裂現(xiàn)象。（4）阻燃性能好，耐水性、耐候性、耐腐蝕性良好。（5）水性阻尼涂料具有很高的復合損耗因子，且生產(chǎn)成本相對于傳統(tǒng)的油性阻尼涂料低。（6）水性阻尼涂料也存在一些先天性的不足，主要表現(xiàn)在由于成分中存在大量的水分，當一次施工厚度過大時，其干燥速度比較慢。

2 水性阻尼涂料的應用領域

隨著我國“碳達峰、碳中和”戰(zhàn)略目標的提出和人們環(huán)保意識的增強以及對環(huán)境要求的提高，水性阻尼涂料已經(jīng)在汽車、軌道交通、艦船、航空航天、機械設備和建筑等領域內被廣泛應用。受篇幅所限，本文僅對水性阻尼涂料在汽車、軌道交通和艦船等三個具有代表性的行業(yè)的應用情況進行簡要總結。

2.1 汽車領域

在汽車領域中，由于水性阻尼涂料無毒、無異味、不污染環(huán)境，可以極大地改善汽車車內空氣質量，提高了NVH（噪聲Noise、振動Vibration、聲振粗糙度Harshness）性能。沃爾沃汽車成都工廠的楊波等[4]介紹了水性阻尼涂料在轎車領域的應用情況。文中介紹了水性阻尼涂料是由機器人噴涂在車身內部鋼板上來提高其結構阻尼、抑制共振等性能；水性阻尼涂料常常噴涂于車內地板和擋風等部位，噴涂膜厚度一般控制在2～4mm。

一汽公司的白揚等[5]介紹了水性阻尼涂料在汽車行業(yè)應用的優(yōu)勢，主要包括車身輕量化、環(huán)境友好性、阻尼性優(yōu)良、施工柔性強、運行成本低等。與傳統(tǒng)的瀝青阻尼墊片相比，在同等厚度下，水性阻尼涂料阻尼性能更優(yōu)且可調控，能夠滿足不同車型的需求；水性阻尼涂料使用機器人進行噴涂，可有效地規(guī)避錯裝/漏裝問題、多款車型共線生產(chǎn)時存在的瀝青墊片鋪設區(qū)域空間不足及混亂問題、切換流程復雜、成本高等問題。

上海蔚來汽車的雷蕾等[6]介紹了水性阻尼材料的優(yōu)勢、阻尼性能驗證、輕量化貢獻等。水性阻尼涂料可以滿足汽車輕量化的要求。由于水性阻尼涂料的密度比瀝青阻尼墊要低20%～40%，并且由于水性阻尼涂料是以水為分散介質，在烘干后重量再減輕20%～25%，因此相比瀝青阻尼墊，噴涂同樣厚度的水性阻尼涂料可以減重30%～50%。水性阻尼涂料在車身上的實際噴涂效果如圖1所示。

圖1 水性阻尼涂料在車身上的實際噴涂效果圖

2.2 軌道交通領域

軌道車輛運行時，車內產(chǎn)生的噪聲主要來源于輪軌噪聲、氣動噪聲及設備件噪聲向車內的傳播。噪聲的傳播主要通過車體和門窗上的縫隙直接傳入車內以及車外輪軌噪聲、設備件噪聲以振動的形式傳播到車體內部。降低這種振動噪聲普遍采用的方法是在振動構件上緊貼或噴涂一層高阻尼的材料。南車公司的戴惠新等[7]介紹了水性阻尼涂料的施工工藝（人員、設備、操作工藝等），并詳細介紹了水性阻尼涂料的環(huán)保安全優(yōu)勢、減振降噪優(yōu)勢、施工優(yōu)勢和其他如易維護等優(yōu)勢。

中車公司的劉曉等[8]介紹了目前在軌道交通車輛上使用的阻尼涂料一般為水性丙烯酸阻尼涂料，主要涂覆在車輛的車體內表面和底架的外表面。阻尼涂料的阻尼性能與環(huán)境溫度有著密切關系，為適應不同的環(huán)境溫度，動車組選用的阻尼涂料根據(jù)不同溫度下的復合損耗因數(shù)分為通用型和低溫型兩類。水性阻尼涂料在鋁合金車體內部應用如圖2所示。

圖2 水性阻尼涂料在鋁合金車體內部應用圖

2.3 艦船領域

艦船上的噪聲大部分來源于機械噪聲、推進器噪聲和水動力噪聲，噪聲會影響艦船的隱蔽性和船員的舒適性。阻尼涂料可以在不改變艦船原有設計和設備的情況下進行有效降噪，同時便于常溫下刮涂施工，以及在各種復雜面、拐角等處施工，因此在造船行業(yè)以框架結構為主的減振降噪處理方面廣泛應用。孫云[9]介紹了滬東船廠研制的HZ_1型新型高性能艦船用阻尼涂料，通過優(yōu)化阻尼層和約束層的組分體系，提高了約束-阻尼復合損耗因子，實現(xiàn)了該涂料的高性能、寬溫域和施工的方便性，對提高艦船的安靜性和舒適性具有重要作用，滿足現(xiàn)代化高科技戰(zhàn)爭對艦船的隱身性要求。

除了軍事上的作用外，在民用領域特別是高速船舶方向，由于追求輕量化的設計，因此其結構一般不會有太多的富余，而高速船舶又配備了大功率的主機，因此振動和噪音問題更為嚴重。在船體上噴涂水性阻尼涂料對于減輕船體振動、降低噪聲亦是一種行之有效的方法。此外，水性阻尼涂料還可用于水翼船的水翼減噪、艦艇底板、隔板、座椅的降噪等，因此近年來使用越來越多。謝光能[10]介紹了某高速豪華交通船的綜合減振降噪方案，其中在機艙的前壁、后壁、舷側、艙頂和主甲板的機艙進風口等位置使用了水性阻尼涂料，根據(jù)實船航行試驗各項指標均滿足設計要求。

3 水性阻尼涂料的阻尼原理及評價方法

3.1 高聚物的阻尼機理

高聚物在交變應力的作用下由于所特有的粘彈性，形變的變化落后于應力的變化，發(fā)生滯后現(xiàn)象，部分能量以熱或其他形式消耗掉，從而產(chǎn)生力學損耗并起到阻尼作用。高分子材料在玻璃化轉變溫度以下時，其在外力作用下的形變主要是由鍵長、鍵角的改變引起的小形變，這種變形速度很快，完全跟得上應力的變化，因此阻尼較??；在高彈態(tài)下，分子鏈段運動比較自由，內耗小，阻尼也不高；只有溫度從玻璃態(tài)向高彈態(tài)過渡時，應力以適中的頻率作用于高聚物，此時鏈段開始運動，但高聚物體系的粘度還很大，鏈段受到的摩擦阻力也較大，形變落后于應力變化，因此阻尼較大[11]。高聚物阻尼能力的大小與其使用溫度和頻率密切相關，圖3為高聚物的阻尼性能隨溫度變化的曲線。

圖3 高聚物的損耗因子與溫度的關系曲線。

人們將應變落后于應力的相角差δ稱為力學損耗角，常用力學損耗角正切tanδ來表示高聚物內耗/阻尼性能的大小。tanδ與模量的關系如式1和式2所示：

式中，E*——復合模量

E’——實數(shù)模量，或稱儲能模量，它反應高聚物變形時能量儲存的大小；

E’’——虛數(shù)模量，或稱損耗模量，它反應高聚物變形時能量損耗的大小。