减振材料的基础知识和有关材料数据

2017-03-08 01:06李汉堂编译

世界橡胶工业 2017年12期

李汉堂编译

(曙光橡胶工业研究设计院，广西桂林 541004)

0 前言

所谓减振材料是指将减振对象的振动能转变成热能，通过吸收振动能，使材料具有高衰减或高抑制振动能力的材料。如果从“隔音橡胶材料”这一角度来考虑减振材料，则把减振对象的振动作为一种声音传播到空气中，通过迅速衰减其振动来减小声音传播的能量，期望减振材料能具有这样的功能。

减振材料可分为高分子类减振材料、减振金属和合金、减振钢板等几大类，文中只涉及高分子减振材料。

1 隔振和减振

人们往往会提出有关隔振与减振之间的差异问题，因此在这里拟用振动传递率τ进行概述，图1示出了单自由度振动系统的模型。

图1 单自由度振动系统模型

在标准条件下，假设了一个具有100 Hz共振频率的模型，其横向轴为励振频率；纵向轴为振动传递率τ。如图2所示，在共振频率为100 Hz附近，可观察到由于损耗系数增大，而导致的振动衰减效果的提高，减小振动传递率是有可能的，这种效果被称为减振。再如图3所示，如果增大弹簧常数（提高材料硬度），则共振频率向高频一侧偏移；相反，如果减小弹簧常数（使材料变软），则共振频率移向低频一侧。又如图4所示，在减振对象的质量m增加的情况下，共振频率移向低频一侧。通过使共振频率移位来减小振动传递率，这被称为隔振。值得注意的是，虽然弹簧常数或减振对象的质量发生变化会使共振时的频率移位，但共振时振动传递率基本不变。

图2 损耗系数发生变化时的振动传递率

图3 弹簧常数发生变化时的振动传递率

也就是说，抑制由振动源向减振对象传递的振动时，是考虑衰减是由共振频率引起振动（吸收共振频率附近的振动能）的减振功能呢？还是考虑减少由共振频率引起振动（把共振频率移向其他频率带）的隔振功能呢？等考虑成熟后进行适宜的隔音设计，这是一种基本的思维方式。

图4 质量发生变化时的振动传递率

这样，最大限度地抑制共振频率下的振动，或者衰减减振对象的振动，这就是减振材料的功能。如图2所示，对于振动传递率τ为1以上的共振频率区域，使用损耗系数大的减振材料可有效地衰减振动。换言之，将振动着的弹簧看作是励振源，将减振对象看作是空气，此时将减振材料置于空气中，则可以衰减向空气中传递的振动。如果能从振动、噪声的角度解释减振功能，则可望衰减由于共振频率产生的振动，抑制放射噪声，减小冲击噪声，防止自激振动等。

另一方面，隔振（隔振橡胶）设计的基本点是根据弹簧常数与质量的关系，在实际使用环境中，使由励振源向减振对象传递的振动传递率τ小于1。也就是说，在掌握了实际使用环境中电动机或泵等设备的特定频率后，设计出比特定频率还要低的计算上所要求的共振频率，即可抑制由励振源向减振对象传递的振动。隔振技术就是隔绝振动所要求的功能。

但即使是优异的减振材料，如果使用不当也会导致振动和噪声加剧，所以必须注意这些材料的功能和作用。

图5 减振材料的结构分类

2 研究减振功能的机理

2.1 非约束式结构和约束式结构

采用高分子材料的减振结构，大体上可分为二层结构的非约束式和三层结构的约束式二类。这两种结构都是通过利用高分子材料的黏弹特性才获得振动衰减性的。

非约束式结构是将单层高分子材料粘贴在减振对象（振动基材）表面上，通过该高分子材料的伸缩来吸收振动能，并使之变换成热能。因此，在弯曲变形时，高分子材料层的拉伸变化量与其厚度成正比，如果高分子材料层纤薄，则变形小，获得的振动衰减性也小。高分子材料层越厚，振动衰减性越好，因此，在非约束式结构中，为了得到有效的振动衰减性，最好能确保高分子材料层的厚度大于减振对象的厚度。贴有减振材料的减振对象的整体组合损耗系数η可用式（1）的近似式表示。根据式（1），用于非约束式减振结构的高分子材料的黏弹特性，希望其损耗系数要大，且储能模量（纵向弹性模量或杨氏模量）也要大。

式中：E1为基材的储能模量；E2为减振材料的储能模量；H1为基材的厚度；H2为减振材料的厚度；η2为减振材料的损耗系数。

通过表面约束层使中间层的高分子材料，即黏弹性材料产生滑动变形或剪切变形，此时能够衰减其振动，这就是三层结构。贴有减振材料的整体结构的组合损耗系数与式（1）的近似式一样，减振材料的损耗系数、厚度和储能模量越高，振动衰减性也越大。然而，高分子材料的储能模量在玻璃化转变温度下显示出高值，但在玻璃化转变温度附近却急剧下降。也就是说，在高分子黏弹特性方面，储能模量与损耗系数无相关性。因此，就约束式减振材料而言，通过在约束层分配高模量，在中间层分配高损耗系数，就可以设计出更薄更轻的减振材料，这是约束式减振材料的优势。

2.2 高分子材料的黏弹特性

在设计高分子类减振材料时，掌握黏弹特性是基础而且很重要。图6示出了醋酸乙酯含量为33%（质量分数）的乙烯-醋酸乙酯共聚物（以下简称EVA）的固体黏弹特性与温度的关系；图7示出了黏弹特性与频率的关系。图7还通过式（2）所示的WLF式对图6中的黏弹特性参数进行了换算。以玻璃化转变温度为标准温度，C1和C2分别为17.4和51.6。

式中：α1为换算系数；T为测定温度；C1、C2为常数；T0为标准温度；换算频率fr=αt×fc；fc为试片的共振频率。

图6 EVA树脂的固体黏弹特性与温度的关系

图7 EVA树脂的固体黏弹特性与频率的关系

如图6和图7所示，高分子材料的黏弹特性与温度和频率之间存在着相关性，但最有效的减振功能是在损耗系数最大的玻璃化转移点附近。在玻璃化转移点上，主链的微布郎运动开始变得活跃起来，含碳原子数为10～50且含有共价键的分子链与减振效果的关系最密切。从事控制噪声和振动的技术人员在掌握了会产生减振功能的温度和频率范围后，必须选定适当的减振材料。

近年来，人们已掌握了通过换算频率计算图来表征减振特性的方法。对于遵循温度-频率换算法则的减振材料，可以预测其适宜的使用条件。图8为以图6为基础绘制的EVA换算频率计算图。图8中，横轴为换算频率，左纵轴为各物理参数，右纵轴为使用环境的频率。例如，图中在100 Hz处0 下的材料储能弹性模量可沿着A→C→E路线求得；损耗系数可沿着点A→B→D路线求得，此法可以模拟预测振动。

图8 EVA换算频率计算图

从设计减振材料的角度，研究了在极宽的温度和频率范围内损耗系数大的材料的设计问题。具有代表性的有天然橡胶、合成橡胶[丁苯橡胶、丁二烯橡胶、异戊二烯橡胶、丁基橡胶、丁腈橡胶、氢化丁腈橡胶、三元乙丙橡胶（EPDM）、氯丁橡胶、热固化聚氨酯、丙烯酸酯橡胶、硅橡胶、氟橡胶]、热塑性弹性体（聚烯烃类、EVA、苯乙烯类、聚氯乙烯类、热塑性聚氨酯类和聚酯类热塑性弹性体）。

为了提高减振材料的功能性，分别研究了高分子材料本身的分子结构设计、交联状态、增塑剂、软化剂、增量剂、补强剂、填充剂和高分子合金等各种设计因素。也有报道介绍了在高分子材料中配合电压材料和低分子有机极性物质，使由外力作用产生的位移变换成电能，通过电流的焦耳热来衰减振动的减振材料。

3 用配合技术控制EPDM的黏弹特性

用EPDM的配方例来介绍通过配合控制黏弹特性的技术，在EPDM中添加代表性补强剂——炭黑，通过炭黑之间的凝聚力和炭黑与高分子链之间的凝聚力来提高材料的硬度。同时，通过外来的振动和变形，使炭黑之间或炭黑与高分子链之间产生偏移和滑动。这种偏移和滑动可起到应力松弛和衰减振动的作用，将振动能作为热能吸收掉，从而起到减振的效果。

表1列出了分别将在EPDM中配合炭黑和石蜡油的量设定为200份、300份、400份和500份时的配方和具有代表性的物理性能。在研究中发现，当胶料邵尔A硬度为70左右时调整配方中的炭黑和石蜡油的配合量。随着填充量的增加，回弹率下降。有关这些硫化胶片的黏弹特性，图9示出了储能弹性模量（G'），图10示出了损耗弹性模量（G''），图11示出了损耗系数（tanδ=G''/G'）。填充量越多，损耗弹性模量越大，最终损耗系数也增大。这与炭黑配合量增加导致炭黑与炭黑之间或EPDM高分子链与炭黑之间相互作用部分的增大有关。可以认为，由外部作用产生的应变，会使相互作用部分的偏移和滑动更容易产生，结果损耗系数增大。