減振材料的基礎(chǔ)知識(shí)和有關(guān)材料數(shù)據(jù)

李漢堂 編譯

(曙光橡膠工業(yè)研究設(shè)計(jì)院，廣西 桂林 541004)

0 前 言

所謂減振材料是指將減振對(duì)象的振動(dòng)能轉(zhuǎn)變成熱能，通過吸收振動(dòng)能，使材料具有高衰減或高抑制振動(dòng)能力的材料。如果從“隔音橡膠材料”這一角度來考慮減振材料，則把減振對(duì)象的振動(dòng)作為一種聲音傳播到空氣中，通過迅速衰減其振動(dòng)來減小聲音傳播的能量，期望減振材料能具有這樣的功能。

減振材料可分為高分子類減振材料、減振金屬和合金、減振鋼板等幾大類，文中只涉及高分子減振材料。

1 隔振和減振

人們往往會(huì)提出有關(guān)隔振與減振之間的差異問題，因此在這里擬用振動(dòng)傳遞率τ進(jìn)行概述，圖1示出了單自由度振動(dòng)系統(tǒng)的模型。

圖1 單自由度振動(dòng)系統(tǒng)模型

在標(biāo)準(zhǔn)條件下，假設(shè)了一個(gè)具有100 Hz共振頻率的模型，其橫向軸為勵(lì)振頻率；縱向軸為振動(dòng)傳遞率τ。如圖2所示，在共振頻率為100 Hz附近，可觀察到由于損耗系數(shù)增大，而導(dǎo)致的振動(dòng)衰減效果的提高，減小振動(dòng)傳遞率是有可能的，這種效果被稱為減振。再如圖3所示，如果增大彈簧常數(shù)（提高材料硬度），則共振頻率向高頻一側(cè)偏移；相反，如果減小彈簧常數(shù)（使材料變軟），則共振頻率移向低頻一側(cè)。又如圖4所示，在減振對(duì)象的質(zhì)量m增加的情況下，共振頻率移向低頻一側(cè)。通過使共振頻率移位來減小振動(dòng)傳遞率，這被稱為隔振。值得注意的是，雖然彈簧常數(shù)或減振對(duì)象的質(zhì)量發(fā)生變化會(huì)使共振時(shí)的頻率移位，但共振時(shí)振動(dòng)傳遞率基本不變。

圖2 損耗系數(shù)發(fā)生變化時(shí)的振動(dòng)傳遞率

圖3 彈簧常數(shù)發(fā)生變化時(shí)的振動(dòng)傳遞率

也就是說，抑制由振動(dòng)源向減振對(duì)象傳遞的振動(dòng)時(shí)，是考慮衰減是由共振頻率引起振動(dòng)（吸收共振頻率附近的振動(dòng)能）的減振功能呢？還是考慮減少由共振頻率引起振動(dòng)（把共振頻率移向其他頻率帶）的隔振功能呢？等考慮成熟后進(jìn)行適宜的隔音設(shè)計(jì)，這是一種基本的思維方式。

圖4 質(zhì)量發(fā)生變化時(shí)的振動(dòng)傳遞率

這樣，最大限度地抑制共振頻率下的振動(dòng)，或者衰減減振對(duì)象的振動(dòng)，這就是減振材料的功能。如圖2所示，對(duì)于振動(dòng)傳遞率τ為1以上的共振頻率區(qū)域，使用損耗系數(shù)大的減振材料可有效地衰減振動(dòng)。換言之，將振動(dòng)著的彈簧看作是勵(lì)振源，將減振對(duì)象看作是空氣，此時(shí)將減振材料置于空氣中，則可以衰減向空氣中傳遞的振動(dòng)。如果能從振動(dòng)、噪聲的角度解釋減振功能，則可望衰減由于共振頻率產(chǎn)生的振動(dòng)，抑制放射噪聲，減小沖擊噪聲，防止自激振動(dòng)等。

另一方面，隔振（隔振橡膠）設(shè)計(jì)的基本點(diǎn)是根據(jù)彈簧常數(shù)與質(zhì)量的關(guān)系，在實(shí)際使用環(huán)境中，使由勵(lì)振源向減振對(duì)象傳遞的振動(dòng)傳遞率τ小于1。也就是說，在掌握了實(shí)際使用環(huán)境中電動(dòng)機(jī)或泵等設(shè)備的特定頻率后，設(shè)計(jì)出比特定頻率還要低的計(jì)算上所要求的共振頻率，即可抑制由勵(lì)振源向減振對(duì)象傳遞的振動(dòng)。隔振技術(shù)就是隔絕振動(dòng)所要求的功能。

但即使是優(yōu)異的減振材料，如果使用不當(dāng)也會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)和噪聲加劇，所以必須注意這些材料的功能和作用。

圖5 減振材料的結(jié)構(gòu)分類

2 研究減振功能的機(jī)理

2.1 非約束式結(jié)構(gòu)和約束式結(jié)構(gòu)

采用高分子材料的減振結(jié)構(gòu)，大體上可分為二層結(jié)構(gòu)的非約束式和三層結(jié)構(gòu)的約束式二類。這兩種結(jié)構(gòu)都是通過利用高分子材料的黏彈特性才獲得振動(dòng)衰減性的。

非約束式結(jié)構(gòu)是將單層高分子材料粘貼在減振對(duì)象（振動(dòng)基材）表面上，通過該高分子材料的伸縮來吸收振動(dòng)能，并使之變換成熱能。因此，在彎曲變形時(shí)，高分子材料層的拉伸變化量與其厚度成正比，如果高分子材料層纖薄，則變形小，獲得的振動(dòng)衰減性也小。高分子材料層越厚，振動(dòng)衰減性越好，因此，在非約束式結(jié)構(gòu)中，為了得到有效的振動(dòng)衰減性，最好能確保高分子材料層的厚度大于減振對(duì)象的厚度。貼有減振材料的減振對(duì)象的整體組合損耗系數(shù)η可用式（1）的近似式表示。根據(jù)式（1），用于非約束式減振結(jié)構(gòu)的高分子材料的黏彈特性，希望其損耗系數(shù)要大，且儲(chǔ)能模量（縱向彈性模量或楊氏模量）也要大。

式中：E1為基材的儲(chǔ)能模量；E2為減振材料的儲(chǔ)能模量；H1為基材的厚度；H2為減振材料的厚度；η2為減振材料的損耗系數(shù)。

通過表面約束層使中間層的高分子材料，即黏彈性材料產(chǎn)生滑動(dòng)變形或剪切變形，此時(shí)能夠衰減其振動(dòng)，這就是三層結(jié)構(gòu)。貼有減振材料的整體結(jié)構(gòu)的組合損耗系數(shù)與式（1）的近似式一樣，減振材料的損耗系數(shù)、厚度和儲(chǔ)能模量越高，振動(dòng)衰減性也越大。然而，高分子材料的儲(chǔ)能模量在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度下顯示出高值，但在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度附近卻急劇下降。也就是說，在高分子黏彈特性方面，儲(chǔ)能模量與損耗系數(shù)無相關(guān)性。因此，就約束式減振材料而言，通過在約束層分配高模量，在中間層分配高損耗系數(shù)，就可以設(shè)計(jì)出更薄更輕的減振材料，這是約束式減振材料的優(yōu)勢(shì)。

2.2 高分子材料的黏彈特性

在設(shè)計(jì)高分子類減振材料時(shí)，掌握黏彈特性是基礎(chǔ)而且很重要。圖6示出了醋酸乙酯含量為33%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的乙烯-醋酸乙酯共聚物（以下簡(jiǎn)稱EVA）的固體黏彈特性與溫度的關(guān)系；圖7示出了黏彈特性與頻率的關(guān)系。圖7還通過式（2）所示的WLF式對(duì)圖6中的黏彈特性參數(shù)進(jìn)行了換算。以玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為標(biāo)準(zhǔn)溫度，C1和C2分別為17.4和51.6。

式中：α1為換算系數(shù)；T為測(cè)定溫度；C1、C2為常數(shù)；T0為標(biāo)準(zhǔn)溫度；換算頻率fr=αt×fc；fc為試片的共振頻率。

圖6 EVA樹脂的固體黏彈特性與溫度的關(guān)系

圖7 EVA樹脂的固體黏彈特性與頻率的關(guān)系

如圖6和圖7所示，高分子材料的黏彈特性與溫度和頻率之間存在著相關(guān)性，但最有效的減振功能是在損耗系數(shù)最大的玻璃化轉(zhuǎn)移點(diǎn)附近。在玻璃化轉(zhuǎn)移點(diǎn)上，主鏈的微布郎運(yùn)動(dòng)開始變得活躍起來，含碳原子數(shù)為10～50且含有共價(jià)鍵的分子鏈與減振效果的關(guān)系最密切。從事控制噪聲和振動(dòng)的技術(shù)人員在掌握了會(huì)產(chǎn)生減振功能的溫度和頻率范圍后，必須選定適當(dāng)?shù)臏p振材料。

近年來，人們已掌握了通過換算頻率計(jì)算圖來表征減振特性的方法。對(duì)于遵循溫度-頻率換算法則的減振材料，可以預(yù)測(cè)其適宜的使用條件。圖8為以圖6為基礎(chǔ)繪制的EVA換算頻率計(jì)算圖。圖8中，橫軸為換算頻率，左縱軸為各物理參數(shù)，右縱軸為使用環(huán)境的頻率。例如，圖中在100 Hz處0 下的材料儲(chǔ)能彈性模量可沿著A→C→E路線求得；損耗系數(shù)可沿著點(diǎn)A→B→D路線求得，此法可以模擬預(yù)測(cè)振動(dòng)。

圖8 EVA換算頻率計(jì)算圖

從設(shè)計(jì)減振材料的角度，研究了在極寬的溫度和頻率范圍內(nèi)損耗系數(shù)大的材料的設(shè)計(jì)問題。具有代表性的有天然橡膠、合成橡膠[丁苯橡膠、丁二烯橡膠、異戊二烯橡膠、丁基橡膠、丁腈橡膠、氫化丁腈橡膠、三元乙丙橡膠（EPDM）、氯丁橡膠、熱固化聚氨酯、丙烯酸酯橡膠、硅橡膠、氟橡膠]、熱塑性彈性體（聚烯烴類、EVA、苯乙烯類、聚氯乙烯類、熱塑性聚氨酯類和聚酯類熱塑性彈性體）。

為了提高減振材料的功能性，分別研究了高分子材料本身的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、交聯(lián)狀態(tài)、增塑劑、軟化劑、增量劑、補(bǔ)強(qiáng)劑、填充劑和高分子合金等各種設(shè)計(jì)因素。也有報(bào)道介紹了在高分子材料中配合電壓材料和低分子有機(jī)極性物質(zhì)，使由外力作用產(chǎn)生的位移變換成電能，通過電流的焦耳熱來衰減振動(dòng)的減振材料。

3 用配合技術(shù)控制EPDM的黏彈特性

用EPDM的配方例來介紹通過配合控制黏彈特性的技術(shù)，在EPDM中添加代表性補(bǔ)強(qiáng)劑——炭黑，通過炭黑之間的凝聚力和炭黑與高分子鏈之間的凝聚力來提高材料的硬度。同時(shí)，通過外來的振動(dòng)和變形，使炭黑之間或炭黑與高分子鏈之間產(chǎn)生偏移和滑動(dòng)。這種偏移和滑動(dòng)可起到應(yīng)力松弛和衰減振動(dòng)的作用，將振動(dòng)能作為熱能吸收掉，從而起到減振的效果。

表1列出了分別將在EPDM中配合炭黑和石蠟油的量設(shè)定為200份、300份、400份和500份時(shí)的配方和具有代表性的物理性能。在研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)膠料邵爾A硬度為70左右時(shí)調(diào)整配方中的炭黑和石蠟油的配合量。隨著填充量的增加，回彈率下降。有關(guān)這些硫化膠片的黏彈特性，圖9示出了儲(chǔ)能彈性模量（G'），圖10示出了損耗彈性模量（G''），圖11示出了損耗系數(shù)（tanδ=G''/G'）。填充量越多，損耗彈性模量越大，最終損耗系數(shù)也增大。這與炭黑配合量增加導(dǎo)致炭黑與炭黑之間或EPDM高分子鏈與炭黑之間相互作用部分的增大有關(guān)?？梢哉J(rèn)為，由外部作用產(chǎn)生的應(yīng)變，會(huì)使相互作用部分的偏移和滑動(dòng)更容易產(chǎn)生，結(jié)果損耗系數(shù)增大。

表1 EPDM的配方例

(續(xù)前表)

圖9 EPDM固體黏彈特性（儲(chǔ)能彈性模量）

圖10 EPDM固體黏彈特性（損耗彈性模量）

圖11 EPDM固體黏彈特性（損耗系數(shù)）

用文中介紹的配方控制黏彈特性的技術(shù)，盡管是采用同一種EPDM原材料，但通過填充炭黑可控制損耗系數(shù)這一點(diǎn)意味深長(zhǎng)。

4 結(jié) 語

人們正在為創(chuàng)立更舒適的生活空間而革新噪聲和振動(dòng)的控制技術(shù)。文中雖只提到了減振，但與隔音、吸音、減振技術(shù)一樣，綜合性的空間設(shè)計(jì)也是重要的。因此，關(guān)鍵是從事空間和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的技術(shù)人員，以及從事減振和隔振材料設(shè)計(jì)的技術(shù)人員，從設(shè)計(jì)之初就應(yīng)該建立協(xié)商所要求性能的制度。

[1]竹內(nèi)文人. 制振材料に関する一般知識(shí)と材料データ[J]. 日本ゴム協(xié)會(huì)誌，2016（08）：249-253.