新型高性能阻尼涂料的開發及應用研究

孫 巍,孫 云,毛 亮

（海裝上海局 上海200083）

船舶結構受到激勵會產生振動及噪聲，不僅損害船員的健康，妨礙船員的正常工作，并使一些設備儀器不能正常運轉，而且容易造成船體結構的疲勞、破壞，嚴重的甚至會導致結構的失效。因此在現代船舶的設計建造中，減振降噪已成為一項非常重要的考核指標。

阻尼技術能夠有效地控制結構振動和噪聲傳遞，是解決工程中的振動和噪聲問題的一種十分有效的技術。使用黏彈性阻尼材料用于船舶減振降噪是近五十年來迅速發展起來的一項新技術，由于黏彈性阻尼材料具有高阻尼特性，能在較寬的頻段范圍內起到抑制振動的作用，因此被廣泛地應用于船舶結構的噪聲和振動控制［1～3］。

1 黏彈性阻尼材料的減振降噪原理

所謂黏彈性是指綜合體現黏性流體和彈性固體兩者的形變特點，同時具有彈性和黏性兩種不同機理的形變特性。高分子材料分子之間依靠化學鍵或物理纏結相連，分子間易產生相對運動，分子內部的化學基團也能自由旋轉，受外力會產生拉伸、扭曲變形，分子鏈間鏈段會產生相對滑移、扭轉。外力消除后，變形的分子鏈要恢復原位，分子間的相對運動也會部分復原，釋放外力所做的功，這就是黏彈材料的彈性；而不能完全復原產生永久變形的即是黏彈材料的黏性。這一部分所做的功轉變為熱能，耗散于周圍環境中，這就是黏彈材料產生阻尼的機理。當在基板上粘貼黏彈性阻尼材料后，阻尼層會隨基板的振動而產生拉伸與壓縮的交變作用，使機械振動能量轉化為熱能而耗損，從而起到減振和降噪的作用［4～6］。

2 高性能黏彈性阻尼涂料的研發

2.1 高性能阻尼涂料的研究概述

阻尼涂料作為一種新型阻尼材料，因其制造工藝簡單，施工方便且性能優異，近年來發展極為迅速。自20世紀50年代原西德首先研制成功高聚物黏彈性阻尼涂料以來，阻尼技術在國外就被列為高新技術領域，國外很多研究單位都投入了大量人力、物力開展基礎研究和應用研究，主要應用于航空、航天、固體火箭推進及船舶等的減振降噪。

20世紀80年代后，隨著對振動降噪的日益重視，國內開始了高聚物黏彈阻尼涂料的研制和生產。目前研究最深入，最具實用價值的是聚氨酯類阻尼涂料，但依然存在如下主要問題：（1）涂料阻尼性能不夠高；（2）涂料約束阻尼涂層厚度較厚，質量偏大；（3）品種不夠多；（4）功能阻尼涂料品種較少；（5）阻尼性能測試條件和方法較落后且不統一。

基于上述分析，本節嘗試研制適于船舶結構減振降噪需要的新型高性能聚氨酯基阻尼涂料，并對復合阻尼涂層結構進行優化設計。

2.2 涂層試樣的研制及性能測試

按相應的測試標準制備阻尼涂層試樣和約束阻尼復合涂層試樣。通過改變制樣過程中的原料配比和涂層厚度，可以得到一系列試樣，然后進行阻尼性能、力學性能的測試和分析。自由阻尼涂層損耗因子（tanδ）、約束阻尼層復合損耗因子hc、力學性能和物化性能測試的結果表明：黏彈性材料的阻尼性能與使用溫度和頻率有密切關系。約束－阻尼結構中的復合損耗因子hc既與阻尼層有關，也與約束層有關，hc值大小與材料的剛度、幾何參數和損耗因子成正比。實驗證明，對于鋼質底材，復合損耗因子（hc）隨涂層厚度增加而增大，但當涂層與底材的厚度比大于2時，hc值增加緩慢。設計涂層最佳厚度比為2.0。另外實驗發現，無論涂層總厚度如何變化，阻尼層始終以1mm厚的阻尼效果最佳。

引進聚脲成分，使材料固化后形成一定數量的脲鍵，大大提高了阻尼涂料的附著力、耐介質性能。阻尼層材料本身固化后附著力達到0級，一般涂料附著力僅達到1級水平。耐各種介質性能也十分優異，已達到重防腐涂料的要求。這對于船舶長期在鹽霧腐蝕性較強的海洋環境中行駛十分重要。

3 黏彈性阻尼涂料H Z-1的應用研究

目前造船行業要求作為工程應用的阻尼材料應具備以下幾個基本條件：

（1）材料的使用溫度-20～60℃；

（2）具備一定的力學性能（如附著力、強度、柔韌性等）；

（3）阻燃、無毒、耐介質，耐老化；

（4）施工方便，可帶底漆施工，滿足不同部位的施工要求。

本節將所研制的新型阻尼涂料用于實船涂敷，并對應用結果進行分析研究。

3.1 模型試驗

阻尼材料的自身性能指標測試是針對細長的薄鋼板進行的，必須通過結構模型試驗加以驗證和考核。針對某船的具體情況，我們使用所研制的阻尼涂料進行了相應的模型測試。

包括模型裸結構激振試驗及模型結構1、模型結構2激振試驗，并間隔半年后，對結構2進行相同的激勵試驗。

在白噪聲激勵下，裸結構、結構1、結構2在10Hz～6.4kHz頻率下的振動加速度傳遞損失值如表1所示。

表1 白噪聲激勵下振動加速度傳遞損失值（dB）Table 1 The loss value ofvibration acceleration under white noise condition

從上述模型實驗數據可以看出，使用阻尼涂料后減振效果明顯，同時采用厚度比2：1時的減振效果比厚度比1.5：1好很多。間隔半年后，對結構2又進行了相同的測試，其結果基本未變，說明阻尼涂料的減振性能是穩定的。

3.2 實船應用

目前國內船用阻尼材料主要分為片狀型材和涂料這二種類型。表2為新型涂料與一種阻尼板的實船應用性能參數的對比。

實船應用表明：無溶劑型阻尼涂料的研制成功克服了以往船用阻尼材料在阻尼性、工藝性和實用性方面的諸多不足。該新型船用阻尼涂料具有可常溫固化、附著力好、易于厚涂等優點，解決了傳統橡膠型阻尼片材不宜在復雜曲面施工、與甲板敷料配套差的難題。經航行測試，使用阻尼涂料的部位振動明顯下降，艙室的空氣噪聲也下降顯著。

4 結論

隨著造船工業的日益發展，減振降噪技術已成為新的熱門學科。新型阻尼涂料的研究應用大大改善了船舶的安靜性和舒適性。

新型高性能阻尼涂料附著力好，耐各種介質性能優異，無毒阻燃防腐性能好。其減振降噪性能優異，施工方便，解決了傳統橡膠型阻尼片材不宜在復雜曲面施工、與甲板敷料配套差的難題；且固化時間可調，成型表面平整光滑，面型美觀。實船應用研究表明，使用阻尼涂料的部位振動明顯下降，有廣闊應用前景。

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