2.2.1　黏弹性阻尼材料的机理

黏弹性阻尼材料应用广泛，一般为高分子聚合物。

高分子聚合物具有黏弹性是由高分子化合物的分子结构特性所决定的。所谓聚合物，就是由许多分子聚合成大分子（或称高分子）而构成的一类物质。聚合物的分子形状基本上是由小分子连接起来的一条“链条”，在主链上可能还有支链，链与链之间也可能连接起来，甚至可以交织成网，如图2.3所示。聚合物材料黏弹性的由来可以从链状大分子受力后发生形变的情况作出解释。

一般材料在通常情况下受到不太大的拉伸力或压缩力作用时，会发生弹性形变，当作用力撤除后，材料立刻恢复原状，这个过程称为普弹性形变，可以解释为在外力作用下材料内原子间距离的可回弹变化。

对于聚合物材料，除了同样具有普弹性形变之外，还会发生所谓的高弹性形变，即在外力作用下，聚合物材料可发生较大的形变。这是由于材料中的大分子链段在外力作用下，原来卷曲的大分子链被伸展起来，而当外力除去时又趋向恢复原状。这种形变比原子间距离的变化要大得多，因此能引起更大的形变。

材料的超弹性形变需要两个基本条件：一是内部形成大分子链，二是大分子链之间实现交联。所谓交联就是分子链之间以共价键连接成网状或体型高分子的过程。如果分子链之间没有交联，链段不断运动的结果使整个分子链发生位移，这样造成的形变是不能恢复的，这种位移的发生称为黏性流动。由于分子链与分子链之间即使没有交联也有相当大的作用力，链的位移要克服相当大的阻力，这是黏性二字的由来。

如果大分子链之间交联不足，那么就可能表现出黏性和弹性的特点，而交联度越高，则黏性流动越受到限制，材料的高弹性越好。例如，橡胶是硫化过程实现交联的，因此，生橡胶要经过硫化才能具有足够的弹性。

对于在交变应力作用下的情况。链状大分子的链段运动要克服阻力，需要一定的时间，因此形变往往滞后于应力的变化。如果应力的往复变化频率过高，链段就根本来不及响应而实际上不会发生形变。而温度对聚合物材料链段间的作用效果有显著的影响，因此，黏弹性阻尼材料存在一定的频率和温度适用范围。

2.2.2　影响黏弹性阻尼材料性能的外界因素

大多数黏弹性阻尼材料的损耗因子、剪切模量或杨氏模量等参数随外界条件变化很大，呈现出典型的非线性特征，特别是温度、频率和应变幅值等因素。

2.2.2.1　温度对阻尼性能的影响

阻尼材料一般随温度变化呈现3种力学状态，即玻璃态、转变态及橡胶态。其损耗因子 β 和剪切模量 G （或杨氏模量 E ）随温度变化的典型曲线如图2.4所示。

从图2.4可以看出：在低温时，阻尼材料的模量很高，损耗因子 β 较小，且随温度的变化不大，这一段称为玻璃态区。在玻璃态区时，材料内的分子几乎不能运动，当材料受到外力作用时，只能改变分子间的键长和键角，以及某些侧基、支链和小链节的运动，材料形变很小。由于分子几乎不能运动，机械能不能散发，能量以位能形式储存，并不耗散转变成热能，因此，损耗因子较小。

当温度上升到某一特征值附近时，材料的模量急剧下降，可下降100～1000倍，同时损耗因子迅速上升，经历最大值（一般在0.5～2.0之间）后又回降到较低的数值，这个性能发生急剧变化的区域称为转变态区（也称为玻璃化转移区），其损耗因子 β 的最大值所对应的温度称为玻璃化转变温度 T _g ，而 β ＞ 0.7的温度范围则为阻尼材料的适用温度区域，即转变态区的边界，记为Δ T _0.7 。

在转变态区内，材料的分子链段开始运动，而体系的黏度还很大，链段运动时受到的摩擦阻尼比较大，从而出现了明显的力学阻尼特性，因此，这时的材料具有很大的损耗因子，能大量吸收振动能量。由此可见，当材料处于转变态区时，其耗能效率最高。工程上选取阻尼材料时，要求其转变态区与使用温度范围相重合。

当温度继续上升时，阻尼材料的模量只有很小的变化，损耗因子 β 也保持在较低的水平上，这时黏弹性阻尼材料处在橡胶态区。材料处于橡胶态区时，分子运动变得很容易，且整体富有弹性，不能吸收足够的机械能，储能能力很小，因此，损耗因子较小。

玻璃化转变温度 T _g 是黏弹性阻尼材料最重要的性能参数之一。但是，一般材料，尤其是单组分材料，其 T _g 多数出现在负温的情况，如氯化丁基硫化橡胶（硬度为30HA时）的 T _g =-9℃（ β =1.47），氯丁硫化橡胶（硬度为60HA时）的 T _g =-16.3℃（ β =1.01），天然硫化橡胶（硬度为70HA时）的 T _g =-47℃（ β =1.22）。而实际使用环境的温度一般在室温附近，故它们很难直接在室温条件下使用。可以说，研制阻尼材料，实际上是使其 T _g 符合工程上的环境使用温度。

2.2.2.2　频率对阻尼性能的影响

从图2.5可以看出，黏弹性阻尼材料在转变态区内，在某一温度下，损耗因子 β 随频率 f 的升高逐渐增大，达到最大值后缓慢减小。剪切模量 G 或杨氏模量 E 则随频率升高而增大。因此，频率对阻尼性能的影响也是显著的。

但是，与温度的影响相比，频率的影响往往只占次要地位。

2.2.2.3　应变幅值对阻尼性能的影响

周期动态应变幅值对阻尼材料的阻尼特性有一定的影响，这是因为大的应变幅值常会导致阻尼材料大的能量损失，这就会引起阻尼材料很快地升温，所以，这时应是温度和应变幅值两者的综合影响。尤其在转变态区，阻尼值很高，这一现象更为突出。但是，在橡胶态区，由于模量和损耗因子随温度变化很慢，所以这时温度的影响相对于应变幅值变得次要了。因此，应变幅值对材料阻尼特性的影响多是在橡胶态区中研究。图2.6所示为在某一频率下，阻尼材料的实模量 和损耗因子 β 随应变幅值变化的曲线图。模量随应变幅值的变化取决于阻尼材料的成分，阻尼材料中如有大量炭黑作为填充料，则其非线性将大大增强。

1—线性区；2—转变区；3—平衡区

2.2.2.4　其他环境因素对阻尼性能的影响

除了上述的温度、频率与应变振幅，其他一些环境因素，如静态预载、老化、油浸、真空和压力等对黏弹性材料的阻尼性能影响也很大。例如，静态预载对材料的阻尼动态特性的影响通常在转变态区，随静态预载增加，模量实部 增加，而阻尼损耗因子 β 下降。

对于每一种材料，都需要考虑其可能应用的场合，并通过试验或计算来确定这些因素的影响。但是，在大多数工程应用条件下，实际发生的应变幅值比较小，且其他环境因素的影响也比较小，所以，阻尼材料的性能主要受温度和频率的影响。

2.2.2.5　温频等效关系

定性地比较黏弹性阻尼材料的杨氏模量 E 随温度和随频率变化的曲线，可以发现， E-T 曲线与 E-f 曲线的形状正好相反，也就是说，材料的低温特性对应于其高频特性，而高温特性对应于其低频特性。这一现象称为材料的温频等效关系，即低温对阻尼材料性能的影响与高频的影响等效，而高温的影响又与低频的影响等效，这是黏弹性阻尼材料的一个最重要的特性。

将温度 T 和频率 f 综合为一个折算量 f _R ，并定义一个温频转换系数 α _T ，它是温度 T 的函数，满足下式：

（2.17）

式中， f 为实际频率。那么，一定温度和频率下，材料的模量可由下式表达：

（2.18）

式中， T ₀ 、 ρ ₀ 为基准温度和密度； T 、 ρ 为材料的实际温度和密度。一般地，温度与密度的乘积变化不大，可以忽略，因此有

（2.19）

对于损耗因子 β ，也有

（2.20）

这样，根据温频等效原理，就可以把阻尼材料模量 E 或 G 和损耗因子 β 相对于频率 f 及温度 T 的关系转化为仅仅与 f _R 的关系。这非常方便在工程上应用，人们可以仅用一条曲线来表示阻尼性能与温度和频率的关系，如图2.7所示，该图称为材料阻尼特性的诺模图。现在市场上有许多专门绘制阻尼材料诺模图的软件，可以方便地将测试数据拟合成 E ' - f _R 或 β - f _R 曲线。

2.2.2.6　使用黏弹性阻尼材料达到良好效果的条件

不同的黏弹性阻尼材料有不同的性能曲线，它们将适用于不同的使用环境。若要使阻尼材料达到良好的阻尼效果，必须满足以下4个条件：

1）材料最大损耗因子的峰值要高，对应的峰值温度 T _g 要和工作温度相符；

2）材料损耗因子大于0.7的温度范围要宽，Δ T _0.7 要适应工作环境的温度变化范围；

3）材料的剪切模量 G 或杨氏模量 E 要适量；

4）具有良好的工艺性能，易于粘贴，不易老化，有阻燃性、耐油、耐腐蚀等。

2.2.3　高阻尼黏弹性材料的改性方法

黏弹性阻尼材料种类很多，但真正在工程上有应用价值的不多。一般工程应用，要求损耗因子大于0.3的温度范围为60～80℃，但是普通橡胶类材料的转变态区Δ T _0.7 大部分位于室温以下，而塑料类的则往往过高。只有少数聚合物能工作在该范围内，但转变态区温度范围往往很窄，性能不稳定。因此，工程上使用的黏弹性阻尼材料，通常是在聚合物中加入某些添加剂，通过共混改性、嵌段和接枝共聚、互穿聚合物网络IPN等方法，如图2.8所示，使其转变态区满足使用温度范围的要求，并且有足够大的损耗因子。

2.2.3.1　共混改性

共混改性的方法是将两种转变温度分别为 T _g1 和 T _g2 的材料共混，合成的共混材料的转变温度将介于 T _g1 和 T _g2 之间。

以氯化丁基橡胶为例，其玻璃化转变温度较低（ T _g =-56℃），有效的阻尼温度范围在 T _g ±(10～15℃)之间，现采用阻尼性能较好的PVC糊树脂（ T _g =90℃）来通过共混改性氯化丁基橡胶，提高其阻尼性能。图2.9是PVC/CIIR共混材料损耗因子与测试温度关系曲线，在80～120℃温度区域，材料的损耗因子随着PVC含量的增加不断升高，当PVC含量达到90份时，阻尼性能达到最好，损耗因子为0.44。伴随着峰值的上升，阻尼曲线峰宽略有增大。

2.2.3.2　共聚改性

嵌段和接枝共聚的方法是将两种转变温度分别为 T _g1 和 T _g2 的高分子材料的单体进行嵌段共聚和接枝共聚，使 T _g1 和 T _g2 搭接起来，使转变温度范围显著加宽。

以聚氧化乙烯（PEO）和聚己二酸乙二醇酯（PES）合成的嵌段型聚氨酯为例，图2.10为不同PEO/PES质量占比的聚氨酯嵌段共聚物的损耗因子曲线。从图中可以看出，该体系的聚氨酯共聚物的损耗因子都是单峰，而且玻璃化转变温度随着PEO预聚物含量的增加而升高。同时还可以看到，虽然此类聚氨酯的损耗因子都是单峰，可它们的峰宽却不相同。当PEO预聚物和PES预聚物的含量相同时，峰最宽，这说明共聚改性的方法有效增加了材料的温度适用范围。

m _PEO / m _PES ∶ a .0/100； b . 25/75； c . 50/50； d . 75/25； e . 100/0

共混与共聚这两种方法虽可拓宽阻尼温度使用范围，但由于分布不均等原因， T _g 相距较远，材料的协同作用差，往往表现为转变温度范围中间部分不能形成有效的平台区，导致改性效果不佳。

2.2.3.3　互穿网络聚合

互穿网络聚合物IPN是指由两种或两种以上的交联聚合物相互贯穿而形成的网络聚合物。与前述两种方法不同，IPN是形成一种大分子环连体。IPN方法最早可追溯到1951年，Staudinger在一篇英国专利中首先提到用这类材料改进塑料制品表面的光滑性。而1960年，Millar J.R首先使用互穿聚合物网络的概念，研究了聚苯乙烯的均相IPN结构，制成了具有互穿聚合物网络结构的离子交换树脂。

图2.11所示是不同组成的聚氨酯（PU）与聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）半互穿网络体系的阻尼性能。纯PU通常只有一个阻尼峰，与PMMA互穿网络聚合后，形成了两个阻尼峰，温度适用范围明显加宽。当PMMA相由20 （质量份数）增加至30时，其转变态区变化不大，但是当PMMA相增加至40时，PMMA相的转变态区明显向高温区移动，峰强度增大。

互穿网络聚合物具有独特的强迫互容、界面互穿、双相连续、微观相形态不均一性等形态特征，可明显地拓宽高聚物的 T _g ，使材料在较宽的使用温度范围内保持玻璃化转变态，从而保持良好的阻尼性能。同时，由于聚合物网链间的摩擦，进一步增加了材料的阻尼性能。互穿网络聚合物是目前高聚物阻尼材料的研究热点，也是商用黏弹性阻尼材料的一种重要制备方法。

2.2.4　常见的黏弹性阻尼材料

2.2.4.1　橡胶阻尼材料

橡胶自身具有良好的弹性，而且可天然获取，因此，传统上是阻尼减振应用的首选材料。橡胶阻尼材料种类繁多，不同组分构成，其阻尼性能不同。一般地，用于制备橡胶阻尼材料的聚合物基体中，丁基橡胶和丁腈橡胶的阻尼系数较大，是制作阻尼减振材料的常用原料。丁苯橡胶、氯丁橡胶、硅橡胶、聚氨酯橡胶等的阻尼系数中等，而天然橡胶和顺丁橡胶的阻尼系数最小。图2.12为9050型橡胶阻尼材料的诺谟图，该材料是目前应用较为广泛的一种阻尼材料，其最大损耗因子为1.5，200Hz对应的剪切模量为6.5MPa，最佳使用温度为10℃，最佳使用频率为100～5000Hz。表2.3是若干橡胶的阻尼特性。

2.2.4.2　沥青阻尼材料

沥青阻尼材料是目前常见的一种黏弹性阻尼材料，大多以沥青和再生橡胶为主体材料，辅以填料及特种助剂制备而成。但是沥青阻尼材料由于模量过低，一般不能单独成为工程中的结构材料，它必须要黏附于机械结构或工程结构件上，形成结构阻尼层，当机械振动时，沥青阻尼层随着机械结构产生弯曲振动，产生拉伸与压缩的交变应力与应变，使沥青阻尼耗损机械振动能量，从而起到减振和降噪的效果。在机械结构中，增大机械结构阻尼损耗因子是抑制振动响应，特别是共振响应的主要因素和重要途径。

沥青阻尼材料在工程上的应用主要分为四大类，即自黏型、热熔型、复合型和磁性型。表2.4列举了某牌子汽车用沥青阻尼材料的一些典型性能要求。

注：1． A 为用户自定义厚度，一般 A 取1～6mm；

2．表中数据在 A =2mm情况下给出；

3．表中数据2cm、5cm为试样宽度。

但是，由于沥青在长期使用中会释放出大量含硫、氮化合物等对人有害的物质，因此，无沥青阻尼材料越来越受重视。例如，一些汽车公司采用的无沥青阻尼材料主要成分是聚丙烯酸酯和聚醋酸乙烯酯类。

2.2.4.3　聚氨酯阻尼材料

聚氨酯是一类重要的功能性高分子阻尼材料，材料内存在着所谓的软段相区和硬段相区，是一种多相体系，如图2.13所示。组成聚氨酯的组分是具有极性的官能基（如有机二异氰酸酯或多异氰酸酯与二羟基或多羟基化合物），使高分子长链之间不但可形成极有效的物理氢键现象，且彼此有较高的相容性、高弹性和耐磨性。同时，聚氨酯的氢键还表现出一定的微相分离特性，即在微观尺度形成两相结构，这有助于获得较高的损耗因子。

聚氨酯是极具应用价值的阻尼材料，也是IPN阻尼材料最常用的基材之一。通常来说，聚氨酯基IPN主要包括聚氨酯和另外一种高分子，后者主要包括有聚甲基丙烯酸酯、聚苯乙烯、不饱和聚酯、环氧基树脂、丙烯基酚醛树脂和各种丙烯酸高聚物。此种聚合物不仅具有较好的阻尼性能，还具有优良的耐老化性能和耐油性能。另外，聚甲基丙烯酸酯还具有较宽的玻璃化转变温度选择范围，如表2.5所示。

除高阻尼性能外，聚氨酯阻尼材料还具有良好的力学性能和加工性能，因此被广泛用于商业生产中，而且应用形式多样，如胶黏剂、涂料、泡沫材料和弹性体等。但是，其低刚度和高热膨胀系数的特点制约了其作为工程结构材料的应用。

2.2.4.4　阻尼涂料

阻尼涂料是以天然或合成的高分子树脂为基料，通过加入适量的填料及各种助剂、辅助材料，经一定工艺配制而成，是一种涂覆在各种金属板状结构表面上，具有减振、隔声、绝热和一定密封性能的特种涂料。它是黏弹性阻尼材料的一种特殊形式，所用聚合物与普通黏弹性阻尼材料没有本质的差别。

工程上，有时会用到灌注型阻尼涂料和阻尼腻子，灌注型阻尼涂料用于腔体结构的减振，阻尼腻子用于填充阻尼胶板间的缝隙，使阻尼处理部位连成整体，防止外来介质如水、油等从缝隙间渗入而对阻尼胶板造成侵蚀。

阻尼涂料可广泛应用于飞机、船舶、车辆和各种机械的曲面或不规则的结构表面，起到减振和降噪作用，也可用于各种隔声罩。涂料可直接喷涂在结构表面上，施工方便，尤其对结构复杂的表面，如舰艇、飞机等，更体现出它的优越性。 Ow+9aT6zDdkcmLO+KKzLRcaEdlAzS3Zvumk9BPXt67GJwVHpRRwQJDYbQqRmZeo+