聚硼硅氧烷基黏滞阻尼器的力学性能研究

陈 倩，李 峰,2，高双全

(1.西安理工大学 材料科学与工程学院，西安 710048；2.西安匹克玄铠新材料有限公司，西安 710000；3.衡水中铁建工程橡胶有限责任公司，河北 衡水 053000)

随着城市现代化的发展，桥梁在整个城市生命线中的位置越来越重要，桥梁的减震工作是减小由于地震、台风等造成桥梁损害的基本途径。传统桥梁抗震是通过提高桥梁自身强度与刚度来增加抗震能力，地震激起的能量靠自身结构消耗掉，其耗能结果是导致承重构件桥墩、柱的损伤[1]。黏滞阻尼器安置简便、维护便利，成为减小大桥纵横方向运动的一个重要选择[2]。

依据速度指数α可将黏滞阻尼器分为线性黏滞阻尼器(α=1)与非线性黏滞阻尼器(0<α<1)[3]。在活塞相对运动速度较小时，非线性黏滞阻尼器产生的阻尼力大于线性黏滞阻尼器产生的阻尼力；随着活塞相对运动速度的増大，非线性黏滞阻尼器阻尼力増加的幅度逐渐减小，而线性黏滞阻尼器阻尼力则按照比例不断増大。线性黏滞阻尼器产生的阻尼力虽然能够随着速度一直増大，提高结构的抗震能力，但当速度超过某一值时，在很大阻尼力作用下，可能因为连接构件强度不够而导致线性黏滞阻尼器失效，反而使桥梁结构遭到二次破坏。因此相比而言，非线性黏滞阻尼器更适应我国复杂的地震情况。

速度锁定器属于一种特殊的非线性黏滞阻尼器，其结构与耗能型黏滞阻尼器相似，但阻尼介质材料的工作原理有差异。阻尼材料属于黏滞阻尼器的一部分，决定了黏滞阻尼器的性能[4]。目前应用在土木工程领域的黏滞阻尼材料主要有胶泥和硅油。胶泥由橡胶粉与硅液两部分组成，导热性差，受热后局部热量会使胶泥还原为固、液两部分；在低温下会变为固体，丧失活性；而受热时，又会变得很稀，流动性较大，黏滞性能丧失，最终导致阻尼器失效[5]。直到硅油及密封材料出现，泰勒公司开始在液体弹簧和阻尼器中使用液体硅油，将其作为黏滞阻尼器中的主要阻尼介质，一直使用至今。国内从21世纪90年代末开始，将阻尼器应用在建筑桥梁领域[6]。主要以二甲基硅油作为黏滞阻尼器的阻尼介质，二甲基硅油为线性阻尼介质，需要阀门配合才能满足桥梁减震对黏滞阻尼器的非线性要求[7]。阀门使阻尼器的使用寿命大幅降低，非线性阻尼材料的研发是非线性黏滞阻尼器发展的关键。

聚硼硅氧烷作为一种新型非线性黏滞阻尼材料受到广泛关注。目前的研究主要集中在聚硼硅氧烷的合成方法。Soraru等[8]采用硼酸和烷氧基硅烷为原料合成聚硼硅氧烷(polyborosiloxane, PBDMS)。宋健等[9]采用硅树脂预聚体的羟基与硼酸发生缩聚反应制备聚硼硅氧烷。Tang等[10]通过在甲苯中，于120 ℃下将硼酸(boric acid，BA)和羟基封端的聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)混合来合成一系列PBDMS。李春连等[11]以二苯基硅烷二醇、羟基硅油、甲基三乙氧基硅烷和硼酸为原料合成了具有各种Si/B比的聚硼硅氧烷。Rubinsztajn[12]报道了在三氟苯硼烷存在下，通过三甲基硼酸盐与二苯基硅烷的缩合反应合成聚硼硅氧烷树脂的一个实例。在常温条件下在溶剂中进行缩合过程，最终形成Si-O-B键。西安匹克玄铠新材料有限公司的PBDMS，因其分子中含有高键能化学键(Si-O键和B-O键)，比普通的聚硅氧烷更耐高温，黏结性更好。但是直接将这种PBDMS作为非线性黏滞阻尼器的阻尼材料使用，其机械性能较差。

本课题组针对非线性黏滞阻尼器的要求，对PBDMS改性方法进行了研究，制备出一种新型增塑型PBDMS。通过测试材料的流变特性，研究材料黏度随剪切速率的变化曲线；同时为了探索阻尼材料在阻尼器工作环境下的性能变化，对阻尼材料的热力学性能进行测试分析。由于阻尼材料无法单独使用，而是作为非线性黏滞阻尼器的介质存在，因此还需对阻尼器进行动力学测试，同时评估黏滞阻尼材料的耗能水平。

1 试验方法

1.1 样品制备

试验中所使用的化学试剂及其生产厂家，如表1所示。

表1 试验试剂

利用真空高温捏合机合成PBDMS样品。称取一定量的羟基硅油(OH-terminated polydimethylsiloxane，PDMS-OH)和硼酸(H3BO3)倒入真空高温捏合机中，将反应温度调至250 ℃，封釜，抽真空并开启搅拌，恒温反应1.5 h。反应结束后自然冷却，得到PBDMS样品。由于此时制备的PBDMS力学性能较差，因此需对其进行增塑与补强。即在PBDMS中加入适量的二甲基硅油与质量分数分别为5%和7%的白炭黑颗粒，充分搅拌反应后，即可得到两种白炭黑含量不同的增塑补强型PBDMS。

1.2 热力学性能测试

德国耐驰DSC 200 F3 Maia®差示扫描量热仪(differential scanning calorimetry，DSC)研究物质随温度的变化其物理量(ΔQ和ΔH)的变化。本文使用功率补偿型DSC在-150℃～80℃范围内对不同白炭黑含量的样品与参比样之间的热流率进行测试。由此分析白炭黑含量对样品热力学性能的影响，以及样品在黏滞阻尼器工作温度范围内的状态变化。

1.3 流变性能测试

奥地利安东帕MCR302旋转流变仪具有很高的瞬时响应能力：可以在同一台流变仪上实现真实的应力控制和应变控制。本文使用旋转流变仪在25 ℃温度下进行材料黏度-剪切速率的变化趋势曲线测试，依靠旋转运动来产生简单的剪切流动，可用于快速确定材料黏度与剪切速率之间的关系[13]。

1.4 黏滞阻尼器动力学性能测试

衡水中铁建工程橡胶有限责任公司研制的300 t电液伺服阻尼器试验机主要用于检测桥梁板式支座、桥梁盆式支座、桥梁阻尼器的力学性能等。将增塑型PBDMS作为阻尼介质填充到黏滞阻尼器中，采用300 t电液伺服阻尼器试验机在系统指标范围内完成黏滞阻尼器减振性能试验[14-15]。

试验中所使用的阻尼器为双出杆黏滞阻尼器，结构如图1所示。其规格参数如表2所示。其与单出杆黏滞阻尼器最显著区别在于活塞两边具有相同直径的活塞杆，保证活塞左右运动时，主缸体积始终保持不变。油腔内的压力不会发生太大的突变，避免了单出杆黏滞阻尼器使用一段时间后出现“顶死”的现象。其次，它的滞回曲线饱满，能产生较大阻尼力，有效耗散地震输入的能量[16-17]。

1.阻尼材料；2.主缸；3.副缸；4.导杆；5.活塞；6.阻尼孔。

表2 双出杆型黏滞阻尼器规格

2 试验结果与分析

黏滞阻尼材料研究的重点和关键在于对材料本构关系和动态性能的研究。因此对材料进行流变测试，并对黏滞阻尼器进行动力学性能测试。但同时黏滞阻尼材料的热力学性能对评价材料自身特性以及黏滞阻尼器稳定性等方面也同样重要，这关系到阻尼材料在工作温度中，状态是否会发生变化，对阻尼器工作的影响。

2.1 热力学性能分析

制备不同白炭黑含量的增塑型PBDMS，进行DSC测试，得到热流率-温度曲线，如图2所示。发现白炭黑含量为5%和7%的增塑型PBDMS的玻璃转化温区分别为-124 ℃～-119 ℃，-123 ℃～-119 ℃，冷结晶峰温度分别为-95 ℃和-93 ℃，熔融峰温度分别为-53 ℃和-51 ℃。玻璃转化温区与各个峰的温度随着白炭黑含量的增加而有所升高，不过温度升高的幅度不是很大。说明白炭黑含量对材料的玻璃转化温区、冷结晶峰以及熔融峰的温度虽有影响，但是影响程度不大。而白炭黑颗粒会阻碍PBDMS分子链的运动，因此可以提高材料的强度。所以可以使用白炭黑颗粒来改善PBDMS的机械性能，对材料的热力学性能影响不大。

图2 不同白炭黑含量的增塑型PBDMS的热流率-温度曲线

阻尼材料的性能是影响黏滞阻尼器性能优异的关键，增塑型PBDMS的性能又受温度的影响。随着温度的升高，材料经历了由玻璃态转变为高弹态，最后又转至黏流态的过程。体现在DSC曲线上为基线高度的变化。①材料处于玻璃态时，高聚物受外力作用的形变很小，这种形变主要通过键长和键角的改变所引起，速度很快，紧跟应力变化，所以处于玻璃态的材料内耗很小。②随着温度的升高，材料开始由玻璃态向高弹态转变，此时高分子链段也开始运动。由于材料黏度较大，因此高分子链段运动受到的摩擦阻力较大。弹性形变明显滞后于应力变化，造成较大内耗。③当材料处于高弹态时，分子链段整体运动能力很强，弹性形变滞后减小，内耗较小。④当高分子材料由高弹态转变为黏流态时，此时分子链相互滑移，将外界传递的能量由动能大部分转化为热能耗散掉。内耗显著，表现出良好的阻尼特性。

桥梁用黏滞流体阻尼器规定阻尼器适用环境温度为-25 ℃～50 ℃。在此温度范围内，增塑型PBDMS一直处于黏流状态。即阻尼器工作温度范围内，材料状态不发生改变，从而保证了阻尼器性能的稳定性。

2.2 流变性能分析

黏度是表征高分子材料流变特性最重要的指标之一。由于阻尼器需要的动态刚度较大，因此后续测试选择白炭黑含量为7%的增塑型PBDMS。使用旋转流变仪对未进行阻尼器试验与进行阻尼器试验后的样品进行表征，得到黏度-剪切速率曲线，如图3所示。黏度与剪切速率呈非线性关系。两个样品的黏度随着剪切速率的增大，先保持恒定值不变；直到剪切速率分别增大至4 s-1和2 s-1时，黏度开始急剧下降随后又缓慢下降。该过程分别对应随着黏滞阻尼器活塞相对运动速度的增大，阻尼器产生的阻尼力随着速度的增加近似呈直线上升，此时阻尼器刚性的将力传递给桥梁结构，进行抗震；随着黏滞阻尼器活塞运动速度继续增加，此时阻尼器输出阻尼力仍会增加，但增加的幅度较缓。这样可以防止在较大振动速度下，产生过大阻尼力对桥梁结构造成二次破坏。样品在黏滞阻尼器中工作一段时间后，其流变曲线趋势未发生改变。即测试过程中对样品造成的损伤不大，样品具有较好的可逆性。样品黏度稍微下降，黏度平台向剪切速率减小的方向平移，分析原因可能是由于样品在测试前静置时间较长，导致密度分布不均匀，选取测试的部分样品密度较低，因此测试的黏度值也稍微降低。或者说测试后小部分高分子链发生滑移，不过发生滑移的高分子链占总体比例不大，对材料的力学性能造成的影响较小。

图3 增塑型PBDMS的黏度-剪切速率曲线

2.3 黏滞阻尼器动力学性能分析

将增塑型PBDMS作为阻尼介质，应用于黏滞阻尼器中。采用动态300 t电液伺服阻尼器试验机对黏滞阻尼器进行动力学测试，得到不同速度下的阻尼力-位移曲线。阻尼力与位移包围的部分为黏滞阻尼器在一个周期振动过程中耗散的能量，滞回环面积越大，阻尼器耗能能力越好。图4中滞回曲线饱满，近似成矩形，阻尼器耗能能力优良。并且随着活塞速度的增加，阻尼器耗散的能量一直在增加，即该阻尼器具有较好的速度相关性。

图4 不同速度下的黏滞阻尼器的阻尼力-位移曲线

黏滞阻尼器是一种速度相关型的阻尼器，综合阻尼器在不同活塞运动速度下的阻尼力，拟合阻尼介质为增塑型聚硼硅氧烷条件下阻尼器阻尼力与活塞运动速度的关系曲线，如图5所示。拟合曲线为幂指数函数曲线F=CVα[18]，其中C=382 kN·s/mm，α=0.15，R2=0.964(R2为拟合曲线的相关系数，相关系数越接近1，说明拟合的曲线越精确)，速度指数α远远小于1。速度锁定器的速度指数一般在0.1～0.3，速度指数很低。因此在振动速度较小时，允许桥梁自由运动，如：桥梁的蠕变，热膨胀等；当速度增大至临界速度时，阻尼力急剧增加，阻尼器成刚性连接，将活动墩转变为固定墩来分散力；当振动速度过大时，这种阻尼器的响应不会超过最大的设定力，防止结构的二次破坏。由于这种阻尼器对桥墩具有保护作用，因此可以将桥墩做得更小，降低桥的造价。国内使用二甲基硅油作为阻尼介质使用。但是由于硅油自身的特性，导致要想实现速度指数极低的非线性阻尼器，则需要阀门的配合来完成。但阀门的存在会降低阻尼器的寿命。而本材料仅通过材料的非线性与简易的阻尼器结构，就能得到速度指数为0.15的非线性黏滞阻尼器，来满足桥梁抗震要求。

图5 黏滞阻尼器的阻尼力-速度曲线

由于测试所用黏滞阻尼器设定载荷为600 kN，因此，受黏滞阻尼器结构安全系数限制，振幅为50 mm的条件下，最大能实现的加载频率为0.1 Hz。因此采用正弦波位移加载方式，分别在0.06 Hz与0.1 Hz的加载频率下对黏滞阻尼器进行循环试验，得到阻尼力-位移曲线，如图6、图7所示。随着循环次数的增加，阻尼器输出阻尼力逐渐下降，滞回环面积逐渐减小，耗能能力降低。在阻尼器进行5次往复循环加载后，阻尼器的出力降低约50%，并且随着加载频率的增加，阻尼力衰减的幅度也随之增加。主要原因可能是由于阻尼器在工作过程中，活塞反复运动，导致阻尼材料摩擦生热，温度升高。尤其是阻尼孔处的材料，温度会更高，而在0.1 Hz加载频率下进行测试，阻尼器外缸壁温度升高至40 ℃左右，表明随着频率的加快，热量积聚现象更加明显。一般而言高分子材料的黏度会受温度的影响而降低，因此阻尼器工作一段时间后，会出现阻尼力下降现象。由于材料在高温状态下力学性能还是会出现变化，因此需在保证材料阻尼性能优异的同时继续优化阻尼材料的耐温性，以此来保证阻尼器的循环稳定性。

图6 位移加载下的黏滞阻尼器的阻尼力-位移曲线

图7 位移加载下的黏滞阻尼器的阻尼力-位移曲线

3 结 论

采用增塑型PBDMS作为黏滞阻尼器的阻尼介质，利用旋转流变仪、差示扫描量热仪和电液伺服阻尼器试验机对样品的流变性能、热力学性能以及阻尼器的动力学性能进行测试分析，得到以下结论：

(1)白炭黑的含量对增塑型PBDMS的玻璃转化温区、冷结晶峰以及熔融峰的温度影响较小。表明白炭黑能提升增塑型PBDMS的机械性能，不影响阻尼材料的热力学性能。在阻尼器工作温区，材料一直处于黏流态，有利于提高阻尼器工作过程的稳定性。

(2)增塑型PBDMS是一种非线性阻尼材料，黏度受剪切速率影响。经过阻尼器测试后，样品流变曲线趋势未变，即材料的力学性能几乎不发生改变，表现出良好的可逆性和稳定性。

(3)将增塑型PBDMS作为黏滞阻尼器的阻尼介质使用，得到阻尼性能优良的黏滞阻尼器。阻尼器输出阻尼力与活塞运动速度呈非线性关系。速度越大，阻尼力越大，而当速度达到临界值时，阻尼力保持恒定，可避免速度冲击产生的巨大阻尼力，对桥梁结构造成的二次破坏。但是在阻尼器进行5次往复循环加载后，其出力却降低约50%，因此后续需继续对其性能进行优化，以此来保证阻尼器的循环稳定性。