粘弹性阻尼材料及其阻尼结构的研究进展

张志超 黄微波 李华阳 李向东 刘天铖 张 锐 于 超

(青岛理工大学功能材料研究所， 山东 青岛 266033)

粘弹性阻尼材料及其阻尼结构的研究进展

张志超 黄微波 李华阳 李向东 刘天铖 张 锐 于 超

(青岛理工大学功能材料研究所， 山东 青岛 266033)

本文从阻尼产生的原理出发，阐述了粘弹性阻尼材料的阻尼机理和发展历程，然后分别介绍了自由阻尼结构、约束阻尼结构、分段约束阻尼结构和局部约束阻尼结构的研究现状，最后指出阻尼性能的改善要从提高阻尼材料本身的性能和对阻尼结构优化设计两个方面入手，局部约束阻尼结构和分段约束阻尼结构相结合的方法具有一定的研究价值。

粘弹性阻尼材料；阻尼结构；分段约束阻尼结构；局部约束阻尼结构

工业的迅速发展在提升国民生活水平的同时也带来了不可避免的负面影响，其中，工业生产产生振动和噪声不仅干扰人们日常的工作和生活，还对古建筑和精密仪器带来了不同程度的影响。为了有效的减轻振动和噪声的危害，人们相继研发了许多减振降噪技术，阻尼技术以其简单可靠、经济有效的优点受到了相关行业的高度重视。

阻尼的产生可以在材料和结构两个方面来考虑：一方面可以依靠材料本身所具有的高阻尼特性达到减振降噪的目的[1]，另一方面可以利用不同材料之间所组成的宏观结构产生耗能机制。研究材料的阻尼行为，开发适宜高效的阻尼结构对于阻尼材料综合性能的发挥至关重要，也是材料与结构工作者所面临的重要课题[2]。

1 粘弹性阻尼材料

粘弹性阻尼材料由高分子聚合物组成，兼具粘性液体消耗能量和弹性固体储存能量两种特性，是目前应用较为广泛的阻尼材料[3]。当其受到外界应力时，一部分能量转化为热能耗散掉，一部分能量以势能的形式储备起来，从而有效地减弱振动和噪声[4]。

具体来讲，粘弹性阻尼材料的阻尼性能是由分子链运动、内摩擦力以及大分子链之间物理键的不断破坏与再生三个方面的耗能组成的。当产生外力时，高分子聚合物分子间的链段会产生相对滑移、扭转，曲折的分子链也会产生拉伸、扭曲等变形，从而通过摩擦做功耗散掉了部分能量；当外力消失后，变形的分子链将会恢复原位，在这一过程中，高分子聚合物克服其大分子链段之间的内摩擦阻尼而产生了内耗；由于高聚物的粘性，变形的分子链不能完全恢复原状，用于变形的功以热的形式耗散到环境中。这就是高分子阻尼材料利用其粘弹性耗能的机理。

粘弹性阻尼材料内部结构复杂，产生耗能的环节也多，可以有效的减轻振动和噪声的影响[5]。各类阻尼材料已广泛应用于许多领域，随着现代工业、交通运输和宇航事业的发展，以及军工、航天领域的迫切需要，粘弹性阻尼材料的应用研究与性能改良越来越重要[6]。

阻尼材料的研究从1784年Coulamb等人发现应力-应变曲线滞后环到现在已经经历了200多年，在这个长期复杂的发展历程中，可以分为三个阶段[7]。第一阶段是在1784年到1920年，在此期间，Weber于1837年通过扭摆自由衰减法测量出了材料的阻尼，Rayleigh在1878年求出了粘性阻尼线性系统、离散系统微分方程的解，粘弹性阻尼材料的研究工作由此起步。第二个阶段是在1920年到1940年，在这个工业革命繁盛期，高速运转的器械在扩大生产的同时也带来了振动问题：飞机因疲劳破坏坠毁，Tacoma Narrows大桥因水流振动遭受破坏，轮船等其他机器的发动机也饱受振动困扰，粘弹性阻尼材料的研究工作由此进入到工程领域。第三阶段是从1940年至今，人们将粘弹性阻尼材料应用到工程实际的过程中发现了其致命缺点。早期的粘弹性阻尼材料组分比较单一，玻璃化转变温度区间比较窄，导致温度和频率使用范围有限。因此，获得优异的性能和拓宽温度频率使用范围成为当今阻尼材料学者们研究的重点。在诸多改良方法中，IPN技术(互穿聚合物网络)和加入无机填料成效最为显著。

IPN技术经Millar等人[8]首次提出后，1974年Sperlin等人[9]引进到阻尼领域。D.C.Klempner等人[10]通过把一定比例的不饱和聚酯(UP)和PU/EP IPN体系混合拓宽了PU/EP IPN体系的玻璃化温度转变区间。Kaneko等人[11]将功能小分子加入聚乙基丙烯酸酯(AR)/氯化聚乙烯(CPE)体后发现位于丙烯酸酯/氯化聚乙烯玻璃化转变区间的凹谷区转变为平坦区，产生了更好的阻尼效果。Li F等人[12]发现阻尼峰的位置可以通过苯乙烯和双官能团单体二乙烯基苯嵌段共聚体系两种单体的配比来调节。赵秋光等人[13]成功地将MMA-nBA引入到PMMA和 PnBA，从而合成了Cn-LIPN，拓宽了温域的同时提高了阻尼的损耗因子。

加入无机填料是通过增加高分子之间的摩擦，使分子的运动受到限制，从而增大了原材料的损耗因子。Hajime等人[14]通过向环氧树脂体系机体中添加碳纤维改善了环氧树脂体系基体的阻尼效果，由此推出向高聚物中加入纤维类材料能够有效增强阻尼性能。秦东奇等人[15]在IPN阻尼材料中加入云母，通过增大聚合物链与云母片的摩擦来提高了阻尼性能。吴军玲等人[16]通过实验分别研究了石墨200、玻璃鳞片、玻璃微珠5019N、云母100及其组合对阻尼材料性能的影响，动态力学分析表明，阻尼材料加以玻璃鳞片和云母各一半的填料时综合性能最佳。

2 阻尼结构

大多数粘弹性阻尼材料本身的模量过低，不能作为结构材料来直接使用，因此必须将它们粘附于刚度较大的基层材料上，组成复合阻尼结构，所以阻尼结构的研究对于粘弹性阻尼材料性能的发挥至关重要。适宜高效的阻尼结构往往能够使材料的阻尼性能得到充分发挥，达到更有益的减振效果。

常用的阻尼结构有自由阻尼结构和约束阻尼结构两种，自由阻尼结构主要通过阻尼层的拉伸变形耗能，约束阻尼结构主要通过阻尼层的剪切变形耗能，其结构布置如图1、图2所示。

图1 自由阻尼结构

图2 约束阻尼结构

2.1 自由阻尼结构

自由阻尼结构是将粘弹性阻尼材料直接粘贴或喷涂于基层表面上，当基层受力发生形变时，阻尼层也会产生变形，通过将机械能转化为热能达到耗散能量的目的。

自由阻尼结构具有施工方便、适用范围广等优点，但是研究表明这种结构的减振效果不理想，尤其是在结构低频振动时的减振效果更差[17]，因而更多地被用于薄壳结构上，如船舶舱壁、外壳等结构。

2.2 约束阻尼结构

在自由阻尼结构上再附加一层约束层材料就是约束阻尼结构。当基材受力形变而使阻尼层变形时，约束层会产生相反方向的变形。由于基层和约束层发生变形的不同步性，阻尼层在二者中间产生剪切应力和应变，与此同时阻尼层也会发生拉伸压缩变形，而阻尼层剪切变形耗散的能量远大于拉压变形耗散的能量，从而消耗更多的能量。

20世纪60年代Kerwin等人[18]首次提出了约束阻尼结构的概念，并对阻尼层的剪切变形做出分析。随后，约束阻尼结构得到迅速的发展。Ditaranto等人[19]于1959年通过将自由振动梁的荷载方程与粘弹性层剪切模量对结构性能影响方程结合，得到六阶微分齐次方程并推出了在有限长度下粘弹性夹层梁受到弯曲变形时产生的振动分析理论。Douglas等人[20]将横向压缩阻尼的理论模型与Mead等人[21]的剪切阻尼模型对比建立了横向压缩阻尼的数学理论模型并以实验解析验证了粘弹性层的阻尼效应。

在国内针对约束阻尼结构的研究集中在利用有限元模型优化结构参数，从而获得更好阻尼性能的结构。邓年春等人[22]基于虚功原理，采用层和理论推导出了约束阻尼板结构的动力方程，并且通过实验和ansys模拟验证了其有效性与精确度。刘天雄等人[23]基于Hamilton原理建立了约束阻尼结构板的动力方程，导出了标准二阶定常线性系统模型，极大的简化了粘弹性约束阻尼结构的分析处理。万浩川等人[24]通过建立约束阻尼板振动方程分析约束材料性能参数对结构振动特性的影响，结论表明，泊松比对减振性能的影响很小，约束层材料应尽量选择密度较小、弹性模量较大的材料。吕平等人[25]通过应用模态应变能方法对约束阻尼结构进行有限元分析来研究阻尼层厚度对阻尼结构振动性能的影响规律，分析结果表明随阻尼层厚度的增加，结构的固有频率降低，损耗因子提高。

目前对于自由阻尼结构和约束阻尼结构的研究已经相对成熟。为了提高传统阻尼结构的综合性能，人们相继对分段约束阻尼结构和局部约束阻尼结构开展了研究。分段约束阻尼结构通过利用边缘效应大大提高了耗能的效率，局部约束阻尼结构通过减少约束阻尼层的覆盖面积实现了结构的减重增效，其结构布置如图3、图4所示。

图3 分段约束阻尼结构

图4 局部约束阻尼结构

2.3 分段约束阻尼结构

约束阻尼结构耗能主要是通过阻尼层的剪切变形实现的。为了有效的利用阻尼层末端剪切变形最集中的原理，也就是边缘效应[26]，将阻尼层或约束层和阻尼层分段布置，由此增加阻尼层内的剪切变形，从而增大了结构的耗能效率，这就是分段约束阻尼的原理。

1970年Plunkett 等人[27]在对圆柱约束阻尼层结构的研究中，首次提出了一种只切断了约束层的方法并针对轴向拉伸时对切口位置进行了优化。从此，人们相继展开了对分段方法的研究。Al-Ajmi等人[28]通过遗传算法对约束阻尼层的厚度与切口数目的关系进行了对比分析，得到随着阻尼层厚度变大，切口的数目应该尽量减少才能使得结构阻尼最大化的结论。Chen 等人[29]对表面覆盖条状约束阻尼层(相当于在圆柱结构的周向设置切口)的圆柱壳结构进行了研究，结果表明，结构的阻尼特性随着周向切口数目的增多而改善。TromPette等人[30]通过有限元模拟探究切口的位置与数量对粘弹性阻尼层内剪切内力场分布规律的影响，提出了切口的最佳布置方案并通过遗传算法进行了优化。

国内的学者在对约束阻尼结构进行优化时，更多的是通过拓扑优化的方法优化约束层和阻尼层的分布区域与大小，对于分段方法的研究较少。田士涛等人[31]通过实验验证了分段方法对于提高第一阶模态阻尼始终是有效的，并且提出了一种可以提高高阶模态阻尼的不完全切断的切口形式。

2.4 局部约束阻尼结构

在最初对约束阻尼结构的研究中，大量的工作都是专注于全覆盖约束阻尼，但在大多数工程中并不能完全覆盖，同时也应该考虑到阻尼材料的重量和耗能效率。为了增强工程实用性，人们想到在结构的局部敷设约束阻尼，也就是局部约束阻尼结构。

Moreira等人[32]基于应变能分布理论提出了一个计算模型，并通过对两种粘弹性阻尼材料不同覆盖面积、敷设区域的实验验证该模型计算比较准确，为局部约束阻尼结构的模拟与数值分析提供了必要的数据支持。Boubaker等人[33]研究了弯曲波在局部约束阻尼矩形板内的传播，通过建立解析模型和运动方程探究了边界条件、约束层和阻尼层厚度、敲击位置以及约束层和阻尼层的布置对弯曲波传播的影响。陈彦明等人[34]将粘弹性阻尼材料的耗能理论与模态应变理论结合，通过ansys有限元模型对局部约束阻尼梁进行了数值分析，得出在保证耗能的前提下应尽量少的布置约束层以避免引入过大的质量影响的结论。李明等人[35]对局部约束悬臂梁进行模型分析与求解，由此探究局部阻尼的敷设位置与宽度对阻尼耗能的影响，结论表明，结构的损耗因子随阻尼层由悬臂板的根部往自由端移动呈现增大的趋势，阻尼层宽度的增加也能产生更好的阻尼效果。冯宇晨等人[36]通过ansys的模态分析对约束层和阻尼层进行了局部减振设计，通过只在变形剧烈的区域敷设局部阻尼的方法将结构重量降低52%的同时得出了相同的减振效果。杜华军等人[37]为了实现约束阻尼结构在航天器上的减重增效，对约束阻尼结构中阻尼层的覆盖面积进行了优化，后经仿真验证，在约束层面积不变的情况下，离散的阻尼层布置不仅能减轻结构的重量，而且可以得到相同甚至更好的减振效果。石慧荣等人[38]应用多目标遗传算法对均匀敷设多阻尼段的柱壳结构进行了优化分析，结果表明，不同模态的损耗因子随阻尼段数目变化幅度不同，合理敷设阻尼段能有效减少结构的振动。陆静等人[39]通过半解析半数值的方法分析了部分覆盖约束阻尼梁的振动与阻尼性能，结果表明，在特定的频率范围内，较大的面积覆盖率并不一定能够耗散更多的能量，在振动剧烈的区域敷设局部约束阻尼可以获得较好的减振效果。

在目前对局部约束阻尼结构的研究中，大多数是通过有限元模拟优化约束阻尼层敷设区域的覆盖面积和位置，从而在实现了结构减重增效的同时增强了在工程中的灵活性，局部约束阻尼结构以其工程适用性强、布置灵活、质量轻的优点有望在轨道交通、航空航天等领域得到广泛推广和发展。

3 总结与展望

局部约束阻尼结构可以灵活的应用于各种工程中并能实现结构的减重增效，分段约束阻尼结构极大的提高了耗能效率，将两者应用到同一结构上在结构优化设计中具有广阔的发展前景，其结构布置如图5所示。

图5 局部阻尼结构与分段阻尼结构相结合

粘弹性阻尼材料经过长期不断的改良使其阻尼性能显著提升，阻尼结构的设计也越来越适宜高效，但是，将优异的材料应用到合理的结构上还是目前存在的一个难题。因此，在改良阻尼材料本身性能的同时优化设计合理的阻尼结构，根据具体情况选用特定的阻尼结构，将是我们材料与结构科学工作者接下来的重点研究内容。

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Researchprogressontheapplicationofviscoelasticdampermaterialsanddampingstructure

Zhang Zhichao, Huang Weibo, Li Huayang, Li Xiangdong，Liu Tiancheng, Zhang Rui, Yu Chao

(Research Institute of Functional Materials, Qingdao University of Technology, Qingdao 266033, China)

The mechanism and development of viscoelastic damping materials based on damping principles are illustrated in this paper. Then the current status of extensional damping structure, constraint damping structure, segmented constrained damping structure and partial constraint damping structure is introduced. Finally, it is noted that the improving of damping properties includes performance improvement of damping materials and optimum design of damping structure and it's valuable for research to combine segmented constrained damping structure and partial constraint damping structure.

viscoelastic damping materials; damping structure; segmented constrained damping structure; partial constrained damping structure

X-1

A

2017-09-13; 2017-11-06修回

张志超(1993-)，男，在读硕士。研究方向：新材料研究与应用。E-mail:894891823@163.com