2011年4月材 料 开 发 与 应 用文章编号:1003 1545(2011)02 0075 04阻尼材料发展现状与应用进展张文毓(中国船舶重工集团公司第七二五研究所,河南洛阳 471039)摘 要:综述了国外阻尼材料发展现状,对阻尼材料的发展趋势进行了展望。
关键词:阻尼材料;发展;应用中图分类号:TB34 文献标识码:A收稿日期:2010-06-22作者简介:张文毓,女,1968年生,高级工程师,现主要从事情报研究工作。
E -m a i:l Z W Y68218@163 com 。
阻尼材料是将固体机械振动能转变为热能而耗散的材料,主要用于振动和噪声控制。
阻尼材料按特性分为4类[1]: 橡胶和塑料阻尼板:用作夹芯层材料。
应用较多的有丁基、丙烯酸酯、聚硫、丁腈和硅橡胶、聚氨酯、聚氯乙烯和环氧树脂等。
这类材料可以满足-50-200 C 范围内的使用要求。
橡胶和泡沫塑料:用作阻尼吸声材料。
应用较多的有丁基橡胶和聚氨酯泡沫,以控制泡孔大小、通孔或闭孔等方式达到吸声的目的。
阻尼复合材料:用于振动和噪声控制。
它是将前两类材料作为阻尼夹芯层,再同金属或非金属结构材料组合成各种夹层结构板和梁等型材,经机械加工制成各种结构件。
高阻尼合金:阻尼性能在很宽的温度和频率范围内基本稳定。
应用较多的是铜 锌 铝系、铁 铬 钼系和锰 铜系合金。
下面对阻尼材料的发展、应用等进行分析、综述,以期对阻尼材料有一个全面的了解。
1 国外阻尼材料发展现状1.1 主要研究计划(1)美国先进研究项目局正在筹划复合材料壳体潜艇的研究工作。
复合材料壳体潜艇既吸收一部分艇的自噪声,又可吸收一部分敌方主动式声呐发出的声波,从而提高艇的隐蔽性。
(2)美国海军金属加工中心开展研究计划项目之一,旨在对一种备选的阻尼材料进行鉴定和验证,拟用于弗吉尼亚核潜艇(SSN 774),使海军能够更加有效使用阻尼材料,降低总成本。
(3)美国国家涡轮机高周疲劳计划,由美国空军、海军及国家宇航局合作,分7个专题,其中之一为被动阻尼技术。
(4)美国海军结构基础减震计划,采用层压复合材料用于减震。
(5)日本理工大学2002研究计划中有基于分子设计开发新型高阻尼材料的项目。
(6)英国剑桥大学CAVEND I S H 实验室承担的一项合同项目,利用液晶弹性体制作阻尼材料[2]。
(7)在美国TDSI (T e m asek Defence Syste m Institute)支持下[3],新加坡计划研究一种具有高阻尼和高刚性的潜艇螺旋桨材料,其目标是开发一种粘弹性复合材料,以减少水下武器和随艇设备的辐射噪声,实现隐身潜艇。
其内容是:开发各种超低噪声粘弹性复合材料以制备具有高阻尼和高刚性的潜艇螺旋桨;通过涂覆一种高阻尼、高刚性的颗粒增强复合材料,开发一种机械装置的被动减噪方法。
1.2 主要研究内容1.2.1 粘弹性阻尼材料(1)粘弹性材料应力 应变本构关系模型及性能预测研究;(2)粘弹性阻尼材料高频动态力学性能测试技术研究;(3)静压力条件下动态力学性能测试表征技术研究;(4)粘弹性材料阻尼微观设计技术研究;75材 料 开 发 与 应 用2011年4月(5)粘弹性阻尼材料产品系列化研究;(6)粘弹性阻尼材料复泊松比测试表征技术及温频依赖性研究。
1.2.2 阻尼复合材料(1)微观、细观阻尼机理及宏观性能关系研究;(2)内加阻尼层复合材料研究;(3)主动阻尼复合材料研究;(4)结构、功能一体化复合阻尼材料工艺技术研究;(5)模拟技术在阻尼复合材料性能预测中的应用研究[4]。
1.2.3 新型阻尼材料(1)小分子杂化、无机有机杂化阻尼材料研究;(2)电磁流变体及压电阻尼材料机理及应用技术研究;(3)智能阻尼材料工程化技术研究;(4)主被动阻尼材料复合技术研究;(5)新型阻尼材料能量耗散机理研究。
1.3 主要材料水平在压敏型胶和热塑性塑料类的材料中[5],典型的像美国3M公司的I SP系列阻尼材料,在使用温度范围为-45 7-121 ,频率为500H z条件下,阻尼因子 max达1 2,模量G=106N/m2。
EAR公司生产的C-1002和C-2003和GE公司空间中心研制S MRD阻尼材料,阻尼因子 max 高达2 0。
在泡沫塑料类阻尼材料中,美国的Soundcoat公司的Sound f o a m M和C abfoa m等材料,在温度为-43-107 范围内,1800-2000H z 频率下,厚度为2 54厘米的泡沫阻尼材料,其吸声系数几乎是100%。
EAR公司的C-3002泡沫阻尼材料,密度约0 11g/c m3,1000H z下> 35 时 m ax>1 0。
在复合材料类的阻尼材料中,美国Soudcoat公司生产的泡沫阻尼片,在1000-2000H z频率下厚度为2 54厘米时,吸声系数为92%-96%。
阻尼因子为0 35。
此外,目前国外开发的性能较好的阻尼材料还有加拿大研制的聚醚氨酯材料,英国研制的线性聚氨酯与甲基丙烯酸酯半I PN材料。
日本JSPS FY2002研究项目获得了强度大于等于1GPa的阻尼材料,例如:T i N i Cu金属间化合物、添加Co的Fe Cr M n钢、烧结的M g Cu M n合金以及加氢的金属玻璃体材料。
研制了高温高阻尼材料,它是一种含有超弹性的YNbO4的烧结氧化物陶瓷材料。
阻尼材料的温度范围可从室温到800 。
聚合物填充金属泡沫[6]:ZA27泡沫金属抗拉强度可达113 04MPa,抗压强度可达184 70M Pa。
在Z A27泡沫金属内渗入粘弹性材料,阻尼值最高可达Q-1=16 46 10-3,基本达到粘弹性材料的水平。
该类材料的有效阻尼频率可以在0 001-80kH z调节,精确的频率范围可以通过选择聚合物、金属孔径尺寸和泡沫密度来调节。
欧、美、苏等国先后生产了一种新颖复合高阻尼材料。
这类材料兼具钢铁材料的高强度和高阻尼材料的大内阻特性。
1.4 主要应用情况1.4.1 粘弹性阻尼材料目前,美国、俄罗斯、英国、法国、日本等发达国家在潜艇上广泛使用各类粘弹性阻尼材料。
涵盖不同的频段、温度范围、工作介质,针对典型应用部位如基座、管路、浮筏、声纳平台等均有对应的专用材料,已经形成了相应的材料体系并制订了一系列的军用标准。
形成了比较完整统一的粘弹性阻尼材料数据库。
1.4.2 阻尼复合材料早在上世纪80年代美国海军就成功地将碳纤维增强环氧推进轴用于YP 654级巡逻艇并进行了海试。
90年代初成功地将5000轴马力,外径0 68m、长10m的复合材料推进轴在军用运输船上进行海试,90年代末又成功地将复合材料推进轴应用到"孟菲斯"号潜艇进行海试,效果良好。
从美国海军对复合材料推进轴的研制推广应用过程来看,美国海军已完成安静型潜艇用低噪声高阻尼复合材料推进轴的材料研制、成型工艺研究、配套技术以及海试验证,且已进入实用阶段。
从效果看,采用低噪声高阻尼复合材料推进轴技术已成为安静型潜艇控制声目标强度的最为有效的措施之一。
国外,结构阻尼复合材料基座在舰船设备上已有应用,俄罗斯潜艇的设备基座所采用的阻尼复合材料的结构损耗因子为0 025 0 1,连接部位有金属加强筋。
另外,国外潜艇的减振浮筏的筏架也有部分采用结构阻尼76第26卷第2期张文毓:阻尼材料发展现状与应用进展复合材料制作,表现出优异的阻尼隔振效果。
1.4.3 新型阻尼材料20世纪50年代末,美国专家K er w i n和Un gar等人首次将约束阻尼结构应用于核潜艇壳体和主机机座上,取得了比自由阻尼更好的减振效果。
高阻尼复合材料应用研究近年来已成为国外研究的热点,材料阻尼性能的预测理论、性能评价方法、制造工艺、制品设计理论、应用研究等方面已经比较成熟。
很多国家都开展了电流变体智能减震器、隔振器、离合器等的研究工作。
比如美国Lubrizo l和Rheacti v e公司联合为Ford 汽车公司雷鸟型轿车设计减振器,其电场强度在0-5kV变化时,阻尼力变化范围在500-3000N,响应时间约5m s,安装在汽车上,使用专门的软件对汽车的减振系统进行智能控制。
目前,用于舰船的电流变体智能减震器尚处于试验阶段,未在实艇上得到应用[7]。
2 国外阻尼材料发展趋势国际海洋调查委员会(I CES)制定了有关舰船噪音水平的标准,要求限制噪音水平。
根据未来重大型号(中型航母、大潜深潜艇等)的设计要求,对声隐身的声学性能要求更高,应满足工作频率更宽(尤其是低频低至几十到几百赫兹)、压力更高(满足800米下潜深度)的需求。
随着减振降噪技术的不断发展,传统的被动型阻尼材料已经难以满足舰艇减振降噪对其日益苛刻的要求,因此,能够实时根据外界振动信号特性,自动调节材料参数以迅速适应环境变化的智能型阻尼材料成为必需。
近年来,智能化阻尼材料的发展日益受到重视,各种新型的阻尼减振理论和材料技术不断涌现。
压电阻尼材料、电磁流变阻尼材料等已经从理论层面不断转化为实际应用,对于智能化阻尼材料的发展必须给予充分的重视。
材料主要技术方向:(1)宽温宽频系列高性能阻尼材料[8]主要用于中型航母、大潜深潜艇等的各类机械的基座、浮筏、管路、铺板、齿轮箱体、设备壳体等部位,要求材料的阻尼性能优于现有材料,工艺性能良好,系列阻尼材料的工作温度范围从-10-300 ,工作频率从1-10k H z。
(2)多功能阻尼材料如阻尼隔热材料用于空调管路等,阻尼电磁屏蔽材料用于电子仪器密集的舱室。
(3)结构/阻尼功能一体化复合材料用于潜艇、水面舰船的基座、推进轴、设备壳体、筏架等,起到减振和减重的双重作用。
(4)主被动结合阻尼材料(5)阻尼合金目前国内外得到广泛应用的高阻尼材料[9]主要是以M n Cu系合金和T i N i合金等为代表的形状记忆合金类材料。
这类材料具有较高的阻尼本领,但由于它们多是有色金属,原材料较昂贵,加工工艺也较复杂。
今后的发展趋势将是原材料低廉的M g基、A l基和Fe基合金材料逐步占主导地位。
(6)阻尼材料和水声材料性能测试评估技术及性能预测技术国外智能阻尼材料尤其是压电阻尼材料已经开始应用,预计2015年左右电磁流变阻尼材料能够在舰船减振降噪工程上得到应用。
粘弹性材料静压力条件下参数提取技术目前处于实验室阶段,预计静压力条件下参数(如复动态力学参数和复泊松比)测试专用仪器将会在2015年左右出现。
3 国内外阻尼材料发展建议国外舰艇用阻尼材料已经形成系列化,涵盖不同的频段、温度范围、工作介质,针对典型应用部位如基座、管路、浮筏、声纳平台等均有对应的专用材料,已经形成了相应的材料体系并制订了一系列的军用标准。
另外,在材料的性能数据库建设方面比较完善,形成了比较完整统一的阻尼材料数据库。