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从分子角度研究阻尼材料的动态力学性能1) 刘双燕，李玉龙，邓琼 西北工业大学大学，航空学院，西安，中国 摘要：对结构进行阻尼处理是航空工业部门用来控制振动、噪声的一种有效方法。如何选择应用阻尼材料对约束 阻尼处理具有重要意义。本文从阻尼材料设计角度出发，着眼于分子官能团对不同阻尼材料性能的影响，通过对三大 类材料进行红外谱图测试鉴定材料的官能团振动峰，以及DMA实验测试了相应材料的动态力学性能，讨论不同的官能 团对材料的阻尼性能的影响。实验结果表明，丁基橡胶是一种高阻尼材料，它的分子链间存在相互作用较强的基团， 如氢键和极性基团等，这些强的相互作用能吸收振动能，当这些强的基团解离后，在重新缔合时，转化为热能耗散掉， 并且在分子链中引入侧基，材料中加入填料等，增加分子间的内摩擦，这些都能增加材料的阻尼效果，对于阻尼材料 的动态力学性能来说，拓展了它的使用温度，增大了它的阻尼大小。因此，从分子角度研究材料的动态力学性能，对 阻尼材料的选择和设计具有重要的影响。 关键词：官能团 阻尼 动态力学性能 引 言 随着现代工业、交通运输和航空航天业的飞速发展，机械设备趋于高速和自动化，随之引起的噪声和 振动问题日益严重。很多机械设备和构件由于振动会产生裂纹进而造成破坏或者报废，造成巨大的经济损 失，因而改善、控制由于振动产生的裂纹等损伤具有重大的意义。对结构进行阻尼处理是许多工业部门用 来控制振动、噪声的一种有效方法。阻尼减振降噪技术就是充分运用阻尼耗能的一般规律，发挥阻尼在消 振消声上的潜力，以提高机械结构的抗振性，降低机械产品的噪声，增强机械系统的动态稳定性，从而降 低对环境的影响，提高自身的安全(隐蔽性)以及保证居住的舒适性等等。 阻尼减振技术的研究，包括减振材料的研究和阻尼结构设计的研究两个方面。其中，阻尼减振材料是 阻尼减振技术的物质基础，因此它的研究就显得很重要。随着材料科学与工艺技术的迅速发展，人们研制 出来一些系列适用于不同环境要求的阻尼材料。如何选择适合工作环境，阻尼性能较好阻尼材料是减振降 噪的关键，粘弹性材料减振技术是近四五十年来迅速发展的一项新技术，由于粘弹性材料具有高阻尼特性， 能在一定的频带内起到抑制振动和噪声的作用，本文就是从三大类粘弹性材料的动态力学性能曲线与其红 外特征来探讨不同的官能团对材料的阻尼性能的影响。 1 粘弹性阻尼材料的阻尼机理 粘弹性阻尼材料一般是以聚合物形式存在的高分子材料，其阻尼作用机理直接与聚合物的动态力学松弛能力有关。粘弹 性材料在受到交变应力作用下，应变滞后于应力，应力-应变曲线为一椭圆形滞迟曲线。如图 1 应变滞后应力和图 2 粘弹性 ______________________________________ 1) 国家自然科学基金和高等学校学科创新引智计划 （B07050 ）资助项目 2) E-mail ：liyulong@nwpu.edu.cn 1 材料滞迟曲线所示。高分子材料分子量大，分子链段较长，易卷曲和相互缠结。拉伸时外力对高分子材料 做的功，一方面用来改变分子链段的构象，另一方面用来提供链段运动时克服链段间内摩擦所需要的能量。 回缩时，伸展的分子链重新卷曲起来，高分子体系对外做功，但分子链回缩时的链段运动仍需克服链段间 的摩擦阻力。这样，在拉伸一回缩过程中，有一部分功被损耗掉，转化为热。内摩擦能力愈大，滞后现象 愈严重，即阻尼性能愈好。 图 1 应变滞后应力 图 2 粘弹性材料滞迟曲线 常用来衡量材料阻尼特性的参数是材料的损耗因子(β或tanδ) 。其定义为: β= tanδ=E 〃/E= G 〃/G (1) E ﹡= E+iE 〃= E （1+iβ） (2) 式中，E 〃，G 〃分别为材料的杨氏损耗模量和剪切损耗模量; E ′，G ′分别为材料的杨氏储能模量和 剪切储能模量; δ为粘弹性材料受激励后，应变滞后于应力的相位角。阻尼材料在特定温度范围内有较高 的阻尼性能