高阻尼材料的研究与应用前景

编号(2009021111)毕业论文（2013届本科）论文题目：高阻尼材料在减震降噪工程中作用的研究学院：电气工程学院专业：物理学班级：09级物理本科一班作者姓名：李永福指导教师：陈海军职称：讲师完成日期：2013年4月20日目录诚信声明 (1)论文题目 (2)中文摘要 (2)英文摘要 (2)1引言 (2)2减振降噪的机理、方法、措施 (3)3阻尼材料的物理化学性质及其评价方法 (3)4高阻尼合金的阻尼机理及其分类 (5)4.1复合型 (6)4.2超塑性型 (7)4.3铁磁型 (7)4.4位错型 (8)4.5双晶型 (8)5阻尼合金的应用 (8)5.1应用要求与现状 (8)5.2阻尼合金的应用实例与展望 (9)6结论 (10)参考文献 (10)致谢 (11)陇东学院本科生毕业论文诚信声明本人郑重声明：所呈交的本科毕业论文，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议，除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

作者签名：二O一年月日高阻尼材料在减振降噪工程中作用的研究李永福，陈海军(陇东学院电气工程学院，甘肃庆阳745000）摘要：对减振降噪的方法做了详细的介绍；引入阻尼材料，对阻尼材料的分类、性能评价标准进行了阐述；着重对阻尼合金的分类、阻尼机理和性能做了详尽的论述；对阻尼合金在军事、工业、建筑和日常生活中的应用做出了全面的介绍和展望。

关键词：阻尼材料；减振降噪；高阻尼合金；阻尼机理；阻尼合金的应用The Study on the E ffect of H igh D amping M aterials in V ibrationand N oise C ontrol E ngineeringLI Yong-fu,CHEN Hai-jun(Electrical Engineering College,Longdong University,Qingyang745000,Gansu)Abstract:The vibration and noise reduction method is introduced;The damping material classification and performance evaluation standards are discussed;The classification of damping alloy,damping properties and mechanism are discussed in detail;The application of damping alloys is comprehensively introduced and prospected in military affairs,industry and daily life.Key wordwords s:Damping materials;Vibration and noise reduction;High damping alloy; Damping mechanism;The application of damping materials.1引言随着科学技术的发展，我们的生活环境也正发生着日新月异的变化，而这些变化基本都是以使用大功率机械为基础的。

在享受现代生活的种种便利时，不难发现一个很严重的问题：噪声污染正影响着每一个人的生活，它不仅会危害人体健康，使人疲倦、耳鸣，严重者甚至还会丧失工作能力。

一个人、一个群体在便利的现代社会中难以找到一片属于自己的宁静空间，将是一件多么可悲的事情。

在生活中，长期处于80db的工作环境下，可以使人完全丧失听力；在军事中，外界激励产生的振动和谐振响应会使机械产生严重疲劳，影响机械的工作寿命，潜艇和飞行器减低噪声可以防止被敌人的声纳发现；在工业中，降低噪声可以创设良好的工作环境[1]。

噪声的产生是由于构件振动引起的，因此,解决构件的振动问题，不仅可以降低噪声，而且可以提高构件的使用寿命，拓宽某些电子器件的使用领域、测量精度，提高机械、建筑物的安全性[2]。

长久以来，人们在生产中也发现了许多减振降噪的方法，主要有增加重量提高刚性、安装减振装置、屏蔽装置等。

虽然这些方法在一定程度上都可以减小振动和噪声，但与现代社会的高速化、小型化、轻量化要求大有不符[3]。

减振合金兼有机械性能和减振性能，不仅可以满足强度要求，而且减振降噪性能优异。

综合各方面考虑，研究高阻尼合金减振降噪技术意义重大。

2减振降噪的机理、方法、措施所谓减振降噪就是将系统产生的振动和噪声通过某种方式加以阻尼，使其不至于向周围空间传播；或指通过某种方式将外界传递的振动和噪声耗散掉，使其不至于影响系统的各项性能。

减低材料或结构振动的方法有三种[4]：（1）将结构设计得足够庞大和坚固，以降低振动振幅；（2）巧妙设计结构件，使其避开共振条件；（3）使振动能够很快的衰减下来（阻尼）[5]。

其中第一种方法从成本和重量上考虑是不可取的，第二种方法对于复杂的振动，效果不是很明显，只有第三种将能量耗散掉（阻尼）的方法可以较好的达到减振的目的。

在现实应用中，对于第三种方法的实现通常有四种措施：①简单的力学阻尼，②电磁阻尼，③介质阻尼，④结构阻尼。

由于引起构件振动的原因很多也很复杂，单纯的考虑某一种因素的作用和采用以上四种方法中的某一种都难以很好的达到减振降噪的良好效果，所以在设计时应该综合考虑多种引起振动的因素，将以上四种措施结合使用，才能达到良好的阻尼效果。

而在以上四种措施中，起基础性作用的当属阻尼材料的研究，阻尼材料是一种能吸收振动机械能并将之转化为热能而耗散掉的新型功能材料，它利用阻尼材料在变形时将动能变成热能的原理，降低结构的共振振幅，增加疲劳寿命和降低结构噪声[6]。

提高了阻尼材料的各项性能，再配以其他巧妙设计，则可大大提高系统的减振降噪能力。

例如：日本新干线“希望号”列车，其设计的双层地板结构，采用减振弹簧、吸声材料、空气层及防振橡胶，对由于地面质量、发动机转动、空气激励等因素引起的振动和噪声有比一般不锈钢车体好的多的阻尼效果[7]；再如，美国先进研究局正在筹建的复合材料壳体潜艇，其壳体不仅可以吸收自身噪音，而且对敌方声纳发出的声波也有部分吸收作用，从而提高潜艇的隐蔽性[2]。

3阻尼材料的物理化学性质及其评价方法阻尼材料的内部化学结构一般比较复杂，例如，橡胶——塑料混合型粘弹性阻尼材料，这种高分子聚合物是由小而简单的化学单元（链节）构成长链分子，分子与分子间依靠物理键相互联合起来，在三维分子网中，是由成千上万个分子缩聚而成，一个分子由1000个以上的原子构成，分子量超过10000，整个分子显现出不规则的曲折状，从而使分子两端的距离大大小于伸长的长度，当受到外界应力作用时曲折状的分子就会产生拉伸、弯曲等变形，分子之间的链端会产生相对滑移、扭转，从而起到减振降噪的作用。

阻尼材料的物理性能一般表现为温度、频率、应力振幅、外加电场或磁场的函数，通过这些参量所确定的一系列分离的或连续的谱，称为内耗谱或机械振动能谱。

在阻尼材料性能评价和应用中，如果能确切知道各种阻尼材料的内耗谱，则能根据具体工程实际的需要，选用不同的阻尼材料，达到良好的阻尼效果。

所以绘制各种阻尼材料的内耗谱并建立相应的数据库，对阻尼材料的开发和应用意义重大。

分析各种阻尼材料的阻尼性能，即判断其阻尼本领的大小是很重要的。

阻尼本领是指利用材料内部特殊结构将外部振动不可逆的转变为热能或其他形式的能量而耗散掉的一种能力。

阻尼材料一般可分为粘弹性阻尼材料、复合阻尼材料、高阻尼合金材料、陶瓷类耐高温材料和智能阻尼材料等。

按测量时外加交变应力的频率不同，测量阻尼本领的方法可分为：（1）次共振法，（2）共振法，（3）波传播法[5]。

评价其阻尼本领的大小可用损耗因子β，应变滞后于应力的相位差ϕ，材料内耗Q -1，阻尼本领p ，超声衰减α，对数减缩量δ，比衰减量SDC （%）等等，它们的相互关系如下[5，6,8,9]：11=tan /2//Q P a Qβαπλπδπ−=====其中：比阻尼本领wp w∆=（w ∆和w 分别为材料振动一周所损耗的能量和最大弹性储能）超声衰减11221ln ux x u α=−（u 1和u 2分别为波传播法中波在x 1和x 2处的振幅）品质因数Q =f ∆为共振法中共振频率为r f 的共振峰的半宽度）材料内耗12P Q π−=对数减缩量nn+1=lnA A δ（n A 和n+1A 分别是在自由衰变法测量中相邻两周的振幅）比衰减量22-2n n+12nw (%)100%100-e w A A SDC A δ−∆=×=×=×（1）100以上各种评价阻尼材料阻尼性能的参数虽然定义不同，但它们之间的相互关系却很明了。

对于适用不同测量方法的阻尼不同的阻尼材料，通过以上参量之间的转化关系可以很容易的比较各种材料阻尼本领的大小。

一般来说比衰减量SDC （%）越大，则表明材料的阻尼本领越强。

4高阻尼合金的阻尼机理及其分类在衡量高阻尼合金的阻尼本领时，一般采用应力振幅为材料屈服强度10%时的比阻尼本领P 0.1 作为材料阻尼本领的量度，将阻尼合金分为三类[5]：低阻尼（0.1<P 0.1<1）中阻尼(1<P 0.1<10)高阻尼(P0.1>10)。

常见阻尼合金的阻尼本领如下表（表1）所示，一般来讲材料的比阻尼本领越高则说明材料的阻尼性能越好，下表亦可反映不同阻尼材料的强度，为不同强度要求的领域适当选取阻尼材料提供了科学依据。

表1高阻尼合金按阻尼本领大小的分类示意图[5]正如前言中所讲，在要求小型化、轻量化、高速化的现代社会，研发并使用阻尼本领高、材料强度好、适用范围广、阻尼性能稳定的高阻尼合金前景广阔，所以下面就阻尼合金的不同类型、阻尼机理及其加工工艺做进一步的介绍。

阻尼合金大致可分为复合型、超塑性型、铁磁型、位错型、位错双晶型和双晶型[8]，下表（表2）中详细列出了不同阻尼合金的组成成份，对外界温度、振幅的依赖程度，处理工艺及强度。

表2高衰减金属和减振合金的主要特征[8]合金热处理机械性能（kgf/mm 衰减量的变化名称组成拉伸强度杨氏模量温度依赖关系振幅依赖关系复合型片状石墨铸铁3.0~3.5C 2.0~2.5Si 铸态或铁素体化退火10~1510000~1500030~34Ni-4~6Co -26-0..2Mn铸态10~205000~10000超塑性型Al-Zn 22AI-78Zn250℃,2小时↓水冷150℃,26小时↓水冷305000铁磁性型高纯度Fe -900℃,2小时炉冷20.21000Tc=780℃T C居里温度高纯度Ni -900℃,2小时炉冷2019000360℃12Cr 刚12Cr-88Fe 900℃,2小时炉冷8020000410℃Silen talloy 12Cr-2Al -86Fe 1000℃,2小时炉冷4220000350℃Gentalloy 12Cr-2Al-3Mb-83Fe 1000℃,2小时炉冷4520000890℃NIVCO-1075.5Co-22Ni-2Ti-0.25Al---470℃位错型高纯度铜-300℃，1小时炉冷38~401300高纯度Mg -铸态74500KIXI Mg-0.6Zr 铸态174000Mg-Mg Ni Mg-5.8-19.0Ni 铸态204000-4500位错.双晶型MCM 0.5~7Cu-0.1~3Mn ，余Mg 铸造/压铸17~224000~4300MT0.04-99.96Ti,余Mg 烧结10~554200~7000双晶型Sonostone54Mn-37Cu-4Al-3Fe-2Ni 580℃，2小时→水冷450℃，4小时→水冷50~607000~9000Tc=40-90℃T C 马氏体相变温度IncramuteI 40~48Mn-1.42.5Al,余Cu 750℃，0.5小时→水冷50~608000~900075℃IncramuteII 同上，添加1.5~2.5Sn 400℃，8小时→水冷50~608000~9000125℃13~21Zn-2-8Al ，余Cu600~850℃→水冷40~604000~5000170℃Nitinol 49Ti-51Ni600~1000℃→水冷60700020℃Cu-Al-Ni13-14Al-4Ni ，余Cu750℃，0.5小时→水冷60~70700080℃4.1复合型[3,5,8]复合型即两种或两种以上的型态重合或融合在一起形成的新型态。