軟物質阻尼減震材料減震原理及發展趨勢

吳廣

摘要：文章介紹了3種典型軟物質阻尼材料：粘彈性阻尼材料、電流變體和磁流變體智能阻尼材料，并對阻尼機理和發展趨勢進行了研究。

關鍵詞：軟物質；粘彈性阻尼材料；電流變體；磁流變體

軟物質是處于固體和理想流體之間的物質，一般由大分子或基團組成，如液晶、高分子、膠體等，它對物質組成或結構的微小變化、施加于物質之上的瞬間或微弱的刺激等相對弱的外界影響能做出顯著的強響應。當前，機械設備正向高速、高效、自動化方向發展，但其工作時產生的振動會嚴重破壞設備的精確度、可靠性和穩定性，產生的噪音也會危害人們的身心健康。阻尼材料是內阻尼高，彈性模量較大，將振動體的機械能轉換為熱能而耗散，用于控制振動和噪聲的材料。阻尼材料中，粘彈性阻尼材料、電流變體和磁流變體智能阻尼材料是典型的軟物質阻尼材料。粘彈性阻尼材料因其本身的結構使其成為一種最為有效的阻尼材料，其阻尼性能比高阻尼合金高出1～2個數量級。電流變體和磁流變體等智能阻尼材料因其對環境的自感知、自判斷、自適應的智能性而成為未來的研究熱點。

1 粘彈性阻尼材料

粘彈性阻尼材料是既具有彈性機理形變又具有粘性機理形變的阻尼材料，一般為高分子聚合物。粘彈性阻尼材料一般不作為結構材料，通常將其敷設在金屬材料表面制備復合阻尼結構，此時由金屬材料提供剛度，粘彈性材料提供阻尼，從而增加材料的使用溫度范圍和頻率范圍。廣泛用于航天、航空、造船、汽車、鐵路、紡織、電子、機械等行業。

聚合物結構中既存在著分子與分子間的相對運動，也存在著單個分子內部化學單元的自由旋轉，在受到外力作用時，彎曲的分子鏈就會產生拉伸、扭曲等形變，分子之間的鏈段也會產生相對滑移、扭轉等現象；在外力除去后，形變后的分子鏈和分子之間的相對運動都需要恢復原位，因此會釋放外力而做功，這就是粘彈性材料的彈性。倘若分子鏈間的滑移、扭轉等形變不能夠完全復原了就會導致永久性的變形，這就是粘彈性材料的粘性。交變應力作用狀態下的高分子材料，其鏈狀分子運動需要一定的時間來克服阻力，在這個過程中，應變的變化通常會滯后于應力的變化。當外界的溫度與高聚物的玻璃化溫度Tg接近時，高聚物處于玻璃態轉化區內，一定頻率范圍內這種滯后現象表現得尤為明顯，滯后的形變運動因克服較大的阻力從而將外力做的功轉化為熱能而耗散掉，從而形成聚合物粘彈性阻尼。在阻尼過程中，拉伸時，聚合物體系通過改變分子鏈段的構象以及鏈段運動時的摩擦來消耗外力所做的功；回縮時，鏈段運動仍需克服鏈段間的摩擦阻力使伸展的分子鏈重新蜷曲起來。這樣一個拉伸回縮循環中，就將部分振動能轉化為熱能。

聚合物粘彈性阻尼材料需滿足以下條件：具有較高的材料損耗因子；具有較寬的損耗因子溫度范圍，能適應振動構件變化的工作環境溫度；具有適當的材料儲能剪切模量或楊氏模量；具有不易老化的特性，能匹配振動構件的工作壽命；具有良好的工藝性、耐油、耐腐蝕、耐高溫及較好的阻燃性等。

粘彈性阻尼材料還需要在以下兩方面進一步突破：（1）大幅度地提高材料的阻尼損耗因子；（2）大幅度地拓寬材料的玻璃化轉變溫度范圍。現有的使用較多的粘彈性阻尼材料均屬于振動的被動控制技術范疇，不能自動響應外界環境的變化，因此減震效果不夠理想。今后應大力開展主動控制技術研究，使阻尼材料智能化、神經網絡化，能根據振動環境的變化，實時自動地調節自身的參數。如將壓電材料或壓磁材料加入到粘彈性聚合物中，制成減震性能優良的阻尼材料，使機械能轉化成電能，再由電能轉化成熱能，達到阻尼減震的目的。此外，仿生阻尼材料的研究也受到世人的關注，預計聲子晶體亦將在阻尼材料中發揮應有的作用。這些新型阻尼材料的減震原理不能用傳統的粘彈性阻尼理論作出解釋，需要對其阻尼減震機理、各種因素的影響以及提高阻尼作用的途徑等進行深入研究。

2 智能型軟物質阻尼材料

智能阻尼材料能滿足功能結構一體化的要求，且能適應各種復雜環境（環境溫度變化較大、振動頻率復雜等），可通過優化設計材料的結構實現對外界環境的自感知、自判斷和自適應，滿足不同領域的要求，發展極為迅速。電流變體和磁流變體就是兩種典型的智能軟物質阻尼材料。

2.1 電流變體材料

電流變液是由納米至微米尺度的介電顆粒與絕緣液體混合而成的復雜流體，按其體系結構可分為粒子分散型和均一溶液型兩大類，粒子分散型電流變液是指粒徑在0.1-10μm的固體粒子在分散介質如氯化石蠟油、硅油等絕緣油類中所形成的懸浮式分散液，均一溶液型電流變液是指一些強極性有機及高分子聚合物溶液。其特點是可通過外加電場而使液體中的固體顆粒極化，極化顆粒通過相互間的靜電作用排列成三維鏈狀結構而使流體的表觀黏度增大。鏈狀結構的力學強度隨電場的增大而增加，從而使電流變體的表觀黏度依電場強度不同而不同。由此，可以通過調節電場強度而在毫秒級的時間內可逆、連續地改變電流變體的黏度，使其呈現為流體、半固體、甚至固體狀態，其阻尼損耗因子可由0急劇增至18。在以電流變體制作阻尼器中，外加振動能量通過電流變體傳遞時，將因克服流體黏度造成的阻力而被消耗。微機系統接收到該結構的振動響應信號后會及時對結構所需的外加電場發出指令，通過控制外加電場調節電流變體的黏度便可控制其對能量的衰減。

電流變技術在結構振動控制領域的應用，主要可歸結為兩大類：一是將電流變液直接充填于結構內，形成含有電流變液的夾層結構，按照一定的控制律對外加電場的調節，來控制阻尼和附加剛度的變化，從而控制結構的振動。這類應用中電流變液在結構中的充填分布形式受到了實際結構的許多限制。二是在結構中設計可控的電流變阻尼器，對結構振動進行半主動或主動的控制，按照相應的控制律控制阻尼器的外加電場，實現對結構振動的有效控制。

要實現電流變液在阻尼減震中的應用，仍需解決以下4個關于基礎理論和應用技術方面的問題：（1）非電場下的電流變液黏度過高，有電場時屈服強度又不夠，導致不能傳輸出足夠的力矩的問題；（2）應用在離合器和減震器中時，會存在因磨損或吸收沖擊熱量而引起電流變液溫度升高的問題；（3）因電流變液中的懸浮顆粒易發生凝聚、沉降、分層及至放置一段時間后，會出現電流變液屈服應力大幅下降、穩定性不好的問題；（4）目前電流變器件的輔助裝置在體積小、重量輕、可調高壓電源等性能方面均存在有待提高的問題。隨著這些問題的解決，電流變液的剪切屈服應力和表觀黏度可隨外加電場改變的特性將使得電流變液成為一種理想的阻尼因子可控的阻尼材料，因此可以設計出具有特定結構形式的、用于結構減震和振動抑制的電流變液阻尼構件，這己成為如今振動控制工程領域的一個熱點方向。

2.2 磁流變體阻尼材料

磁流變液材料是磁場可控的智能材料，通常由微米級的磁性顆粒（含鐵鈷鎳元素的顆粒或其合金）、非磁性載液（水或各種油類物質）和添加劑構成。在沒有外部磁場作用時，磁流變體符合牛頓流體的特征，具有較低的黏度。當磁流變液受到磁場作用時，磁性微粒克服熱運動而沿磁場方向結成鏈狀結構，同一條極化鏈中各相鄰粒子間的吸引力隨外加磁場強度的增強而增大。當磁場增至臨界值時，磁偶極子的相互作用超過熱運動，則磁性微粒熱運動受縛，其表觀粘滯系數增加兩個數量級以上，此時磁流變液呈現固體特性，而磁場去掉時又變成液體。通過控制電磁線圈電流的大小來調整磁場強度進而改變磁流變液的黏度，實現阻尼可調的目的。

磁流變液阻尼材料的特點：（1）具有連續性，阻尼力可以通過控制磁場的大小進行調節；（2）具有可逆性，去掉磁場后磁流變液由具有一定剪切強度的粘塑性體恢復為自由流動的液體狀態；（3）具有毫秒級時間的響應速度。磁流變液因其響應速度快、調節范圍寬、結構簡單等獨特的優勢，在振動控制等眾多領域有極大的發展前景，能有效地減小實際應用中的各種振動對建筑、汽車、航空航天等領域的損害。

3 結語

隨著高新技術的發展，軟物質阻尼材料的應用越來越廣泛，對其性能的要求日益提高，研究和開發具備優異阻尼性能的材料和提出其發展方向具有十分重要的意義。未來軟物質型阻尼減震材料的研究主要是集中在新型材料和結構方面。阻尼機理及制備具有高阻尼性能和物理性能的軟物質阻尼材料需要繼續深入研究。以高分子為基體進行改性，研制和開發具有綠色、經濟、長壽命、寬溫域、高性能、智能化的軟物質阻尼材料是未來最重要的發展方向，尤其是智能型阻尼材料將為阻尼材料的寬溫域、高性能、智能化、功能結構一體化提供廣闊的發展前景。