試論高分子阻尼材料的制備及性能

摘 要：高分子阻尼材料最為顯著的特點便是減振降噪。由于性能優(yōu)越，在航天航空、船舶、汽車等領域應用廣泛。本文分析了高分子阻尼材料的工作機理、結(jié)構(gòu)性能以及發(fā)展應用前景，表明在未來的應用過程中高分子阻尼材料將會朝著環(huán)境友好、寬領域的方向發(fā)展。

關(guān)鍵詞：高分子阻尼材料；減振降噪；環(huán)保

一、高分子阻尼材料的工作機理

高分子阻尼材料的工作機理是在交變應力等作用到聚合物時，由于因鏈狀大分子必須花費一定時間去克服鏈段間的內(nèi)摩擦阻力才能繼續(xù)運動，在應力變化過程中，變形往往會更為緩慢，特別是在某種頻率或溫度下這種滯后表現(xiàn)的更為明顯。這種變形滯后必須消耗更多的能量所以減小了振動體動能，最終實現(xiàn)減震的效果。

現(xiàn)如今，阻尼材料已經(jīng)有了更多的發(fā)展，新型阻尼材料的出現(xiàn)讓高分子阻尼材料的工作機理變得更為復雜，因此用傳統(tǒng)的方式來解釋是遠遠不夠的。當代的學者為了更好的解釋高分子阻尼材料的工作機理，試圖從粘彈性性能和微觀分子結(jié)構(gòu)的關(guān)系來進行剖析。學者Fradlin是最早定義阻尼性能和分子結(jié)構(gòu)關(guān)系的，他認為互穿網(wǎng)絡聚合物具有協(xié)同效應，它可以使兩聚合物之間相互交聯(lián)而限制相區(qū)，促使分子水平混合，從而具有寬廣的阻尼峰。Thomas指出，聚合物中各個分子基團對阻尼的貢獻不僅與其分子結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且還與在聚合物分子中所處的位置有關(guān)，進而定量地提出了基團貢獻分子理論。相關(guān)學者的分析，加深了對高分子阻尼材料的研究，讓新型高分子阻尼材料能夠應用的更為廣泛，也擴寬了高分子阻尼材料的研發(fā)領域和設計水平。

二、高分子阻尼材料的結(jié)構(gòu)性能

傳統(tǒng)的高分子阻尼材料具有一定局限性，結(jié)構(gòu)上呆板和單一的特性約束了使用者的使用需求，其主要包括離散型、約束型和自由型阻尼結(jié)構(gòu)。最近這些年以來，隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，高分子阻尼材料已經(jīng)取得了更多的研究進展，在設計上取得了矚目的成就，其中最值得關(guān)注的便是復合型高分子阻尼材料。它主要是通過簡單物理組合來實現(xiàn)各種單一阻尼材料的混合，并轉(zhuǎn)換其中的性能和結(jié)構(gòu)從而衍生出具有更多性能的高分子阻尼材料。

（一）具有隔離層的復合阻尼結(jié)構(gòu)

具有隔離層的復合阻尼結(jié)構(gòu)在阻尼層和基本彈性層之間添加了一層隔離層，這是它和自由阻尼結(jié)構(gòu)最大的區(qū)別點。隔離層的主要材質(zhì)是鋁蜂窩、紙蜂窩、硬質(zhì)泡沫塑料等，具有高剛度、輕質(zhì)的性能特點。在彎曲振動力作用于基本彈性層時，這個隔離層將拉壓變形的力度增大，從而阻尼層材料的能效隨之增加，類似于杠桿放大的作用，所以也叫擴變層。具有隔離層的復合阻尼結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 具有隔離層的復合阻尼結(jié)構(gòu)

（二）吸收低頻振動的復合阻尼結(jié)構(gòu)

吸收低頻振動的復合阻尼結(jié)構(gòu)和具有隔離層的復合阻尼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)存在一定相似之處，但是中間的聚氨酯泡沫不具備高剛度的物理特性，它呈現(xiàn)出的是柔軟的特性。因此，吸收低頻振動的復合阻尼結(jié)構(gòu)往往在低頻震動上具有更好的效果，如圖2所示。

圖2 吸收低頻振動的復合阻尼結(jié)構(gòu)

為適應低頻振動，增加了泡沫層，該泡沫層就相當于一根很軟的彈簧，而普通阻尼層就相當于一個質(zhì)量塊，故其本身就構(gòu)成質(zhì)量彈簧減振系統(tǒng)，根據(jù)隔振理論，其有效隔振頻率k的范圍為k≥ 2 P，式中P為質(zhì)量彈簧系統(tǒng)的固有頻率，可由下式求出：

式中m為上層普通阻尼材料的質(zhì)量，k為泡沫層的剛度，只要泡沫層很軟，就意味著P很小，有效隔振頻率就更低。適當選擇質(zhì)量及彈簧，便可控制有效隔振頻率范圍。

（三）消聲復合阻尼結(jié)構(gòu)

消聲復合阻尼結(jié)構(gòu)的組成材料是對聲音具有特定作用的，纖維型或是泡沫型阻尼材料內(nèi)部有著空洞結(jié)構(gòu)，在聲波進入到這些空隙中時，孔壁和空氣之間具備摩擦力，伴隨空氣間的粘性力，材料細纖維和空氣產(chǎn)生振動，振動能隨之降低，因此消聲復合阻尼結(jié)構(gòu)的消聲效果較為明顯。

（四）用于隔離地震的復合阻尼結(jié)構(gòu)

用于隔離地震的復合阻尼結(jié)構(gòu)，顧名思義是運用到地震災害中去的阻尼材料。把建筑物同地震運動相隔離的主要條件，一是支承座既能確保建筑物和其地基在水平方向上柔性連接，又能在垂直方向上提供足夠的支承剛度，二是支承座具有吸收振動能量的能力，圖6即為其原理圖。

圖5 用于隔離地震的復合阻尼結(jié)構(gòu)原理圖

三、應用及發(fā)展趨勢

隨著社會的不斷發(fā)展，高分子阻尼材料也得以展開深入研究，并應用到越來越多的領域中去。現(xiàn)如今的高分子阻尼材料主要呈現(xiàn)如下發(fā)展趨勢。

一是高分子阻尼材料的寬溫域和高性能。高性能阻尼材料的要求主要為材料在寬溫域內(nèi)應具備高損耗因子（tanδ）。互穿聚合物網(wǎng)絡（IPN）由于網(wǎng)絡間的相互貫穿、強迫互容、協(xié)同效應及特殊的細胞狀結(jié)構(gòu)、雙相連續(xù)等形態(tài)特征，可有效拓寬高聚物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg），這已成為目前制備此類材料頗具前景的方法。

二是高分子阻尼材料需要對環(huán)境的負面影響小。由于當前社會環(huán)境壓力不斷增大，因此對于任何新型材料都要求具備較好的環(huán)保性能，因此高分子阻尼材料也朝著無溶劑型材料、高固體分、水性材料方向發(fā)展，從而具備環(huán)境友好性。

三是高分子阻尼材料的精細化和智能化。隨著科技的發(fā)展，高分子阻尼材料已經(jīng)朝著智能方向不斷發(fā)展，也表現(xiàn)出更多的應用前景。在未來的研究工作中，改進智能材料成為了重中之重，只有這樣才能符合科學技術(shù)不斷發(fā)展的需要。

四、結(jié)語

現(xiàn)如今，高分子阻尼材料已經(jīng)在全世界各地廣泛應用開來，也形成了一定的產(chǎn)業(yè)規(guī)模，德國漢高便是行業(yè)里的重要代表。在未來的發(fā)展過程中，高分子阻尼材料已經(jīng)朝著寬溫域、高性能、環(huán)境友好型、精細化和智能化的方向不斷發(fā)展，也成為了各個生產(chǎn)廠家研發(fā)的重要考慮因素，特別是在開發(fā)環(huán)保型材料，水性材料和無溶劑材料方面成為了該領域研究中的重中之重。相信只要加快材料的綠色化進程，高分子阻尼材料將會表現(xiàn)出更為重要的應用作用，逐步縮小我國同國外材料發(fā)展的距離。

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作者簡介：劉賢輝，男，1995年八月九日，安徽合肥人，池州學院，247000。