粘弹阻尼减振降噪材料的阻尼性能及约束阻尼结构的研究（可编辑）

粘弹阻尼减振降噪材料的阻尼性能及约束阻尼结构的研究（可编辑） 粘弹阻尼减振降噪材料的阻尼性能及约束阻尼结构的 研究 国内图书分类号: 国际图书分类号: 硕士学位论文 粘弹阻尼减振降噪材料的阻尼性能及 约束阻尼结构研究 硕士研究生: 导师姓名: 申请学位级别: 学科、专业: 所在单位: 答辩日期: 学位授予单位:/ : ..:伊 血 : :.: 鲥 够: 廿: 够:哆粘弹阻青岛理工大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得青岛理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名:迢望垄日 青岛理工大学学位论文使用授权声明 青岛理工大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、和有权 保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档,可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的 保密论文外,允许论文被查阅和借阅,可以公布包括刊登论文的全部或部分 内容。论文的公布包括刊登授权青岛理工大学研究生处办理。 日 研究生签名:马望缝导师签名: 期:幽才青岛理工大学 目 录 摘 要旺。? 第章 绪论??“.引言.地铁振动产生机理及减振降噪措施一 ..地铁振动产生机理??. ..地铁阻尼减振降噪的重要性?. ..常规地铁减振降噪措施 .阻尼减振降噪材料研究进展? ..阻尼机理。 ..粘弹性阻尼材料 ..粘弹性阻尼材料研究进展?一 .阻尼性能测试方法?. .附加阻尼结构. .本课题的研究目的及研究内容..研究目的. ..研究内容 第章试验 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 .阻尼性能测试. ..动态力学测试.. ..复合结构振动测试.模量匹配试验 ..测试设备??一 ..测试方法??一 ..试件制备 ..振动分析的基本术语一 .基材处理系统附着力测试试验..试件制备?. ..模拟实验青岛理工大学工学硕士学位 ..试验方法??.. 阻尼性能及其影响因素研究??. 第章 .概述?. .硬段种类及其含量对阻尼性能的影响??. 频率对阻尼性能的影响??. .温度对阻尼性能的影响??. .气泡对阻尼性能的影响??.. .本章小结??一 第章 约束阻尼结构研究。 .概述?. .阻尼层厚度的影响..复合损耗因子?. ..振动加速度级?. ..时域波形 .阻尼材料种类的影响? ..复合损耗因子? ..振动加速度级? ..时域波形 .本章小结??.. 第章粘弹性阻尼材料基材处理系统粘结性能研究??. .概述.表观质量??.. .温度和湿度对基材附着力的影响?. ..环境温度的影响 ..环境湿度的影响??一 .本章小结??.. 第章 结论及下一步工作计划.. .结论?. .下一步工作计划??.. 参考文献? 研究成果及发表的学术论文 致 谢? 青岛理工大学工学硕士学位 摘 要 青岛市地质条件较为复杂,总体上地基属于岩浆岩花岗岩型硬路基结构, 使得地铁运营时的振动和噪声相比其它城市的软路基而言要强烈得多。针对 这一 问题,本文研究了一种粘弹阻尼材料,并将约束阻尼减振降噪机理引入轨道 交通, 主要研究内容及结果如下: 第一,动态粘弹谱仪研究提示出粘弹阻尼材料的硬段种类、硬段含量 和频率、温度、气泡等是影响其阻尼损耗因子、损耗模量、储能模量等阻尼 性能 的主要因素。通过调节粘弹性阻尼材料的硬段种类及含量可以调整阻尼损耗因子 峰值及阻尼温域。随预聚物硬段含量的增加,试样的峰值温度逐渐升高,阻尼损 耗因子略微下降,但阻尼温域变宽。阻尼材料在、.和三个频率 下的阻尼损耗因子变化规律显示,阻尼损耗因子随着温度升高呈现先增长后下降 的现象;随着频率的增大,损耗因子的峰值点向高温移动,损耗因子的峰值趋于 增大,阻尼温域也在加宽。粘弹材料的损耗因子在一?~?范围内随着温度 的升高材料的损耗因子由.上升到最大值., 在?~?范围内随着温 度的升高损耗因子下降到.,在?~?范围内保持.的稳定值,呈现 先增大后减小的趋势。气泡的存在会使得材料的阻尼损耗因子峰值向低温区域偏 移,但最大阻尼损耗因子并未有明显变化,脱泡后的阻尼材料损耗因子峰值会向 高温移动,但峰值变化不大。 第二,约束阻尼结构复合阻尼性能影响因素研究,包括阻尼层厚度、不同阻 尼材料对阻尼结构的影响。研究结果表明:约束阻尼结构层与层之间结合越密实, 复合损耗因子越高,减振效果越优。在一阶、二阶和三阶频率,相比于%密实 的结构,%密实结构的一阶、二阶和三阶频率复合损耗因子分别提高了 .、.和.。约束阻尼结构在.频率范围内具有优异 的减振性能,并且涂层越薄,其减振效果越好。与无阻尼结构、环氧树脂约束 阻 尼结构和粘弹性约束阻尼结构相比,在一阶、二阶和三阶频率下,粘弹性阻尼 结 构的复合损耗因子分别是无阻尼结构和环氧树脂阻尼结构的倍,粘弹性阻 尼结构具有最优的复合阻尼性能。在..频率范围内,粘弹性阻尼结 构减振性能最好。在时,粘弹性阻尼结构振动加速度级为.,相青岛理工大学 工学硕士学位 比环氧树脂结构降低了.,相比于环氧基阻尼结构降低了.,相比于 无阻尼结构降低了.。 粘弹性阻尼结构振动衰减最迅速,且持续时间短。由复合结构的时域波形可 以得出,粘弹阻尼结构最大振幅仅为为. 】“,比无阻尼结构和环氧树脂 结构要小,且振动衰减迅速,持续时间仅为.。 第三,粘弹性阻尼材料基材处理系统的粘结性能研究,包括表观质量和温湿 度对粘结性的影响。研究结果表明:.基材处理系统对混凝土表面的缺 陷具有良好的封闭作用;与混凝土的附着力随温度升高而升高,分别可达到 .、.和.;与混凝土的附着力随湿度变化较复杂,.和 一对混凝土的附着力随环境湿度的增加先升高后降低,先升高到.和 .,而后降低到.、.,而.对混凝土附着力则随着湿度 的增加持续升高,可达.。 通过上述试验研究和理论分析,为进行岩浆岩型硬路基结构的减振降噪问题 提供了理论依据。 关键词:地铁;阻尼性能;粘弹性;约束阻尼 ?青岛理工大学工学硕士学位 ,们锄 吼 枷. 孕 百 觚 砌黜? 舯 鲫一帅 酣. 弱 ,、, 锄 仃 弱们 仃. 孤 、析: , ,锄 呐卸, 也肌, 锄 蛋眙, 酗 髓 , 锄培 ., : 锄 , ,,.锄 锄 锄 由 咖 .廿雒,伊 嬲觚酗锄 锄 锄 既 ..觚 锄 , 仔 嬲 : 器, 锄 ;嬲 锄 , , 锄 越】 即.觚?觚犯甜 删 ?, 丘 . .. ? ?.啊 甜 饿嬲 .觚 馏?. .栅 西, 眦 触 锄 印丘 . 蠡 谢 锄 曲鹏谢 . . 缸 昀 缸 , , 锄 趾 胁 .面 时觚锄 青岛理工大学工学硕士学位. 咖 ,锄 仃 . ,缸 锄 姻%卸 % 饥】旧 %咖鹏,? . ., ,. .帆 仃 锄 鼬 .?衙 骶. 狱 、, 俩 ? 锄舳】旧 珈锄锄 .. , 锄 锄蛐. 仃 廿 妇睹. , .衄锄 锄硒 仃 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概念,把材料组成、阻尼结构设计、隧道结构设计紧密联系在一起,把阻尼技术 和地铁工程进行有机地结合【】。 根据目前的技术调研来看:国内外关于地铁用粘弹阻尼减振降噪材料的研究 和开发还是空白。因此,研究粘弹阻尼减振降噪材料的阻尼性能,并以约束阻尼青岛理工大学工学硕士学位 结构的形式应用于地铁减振降噪,具有重大意义。 .地铁振动产生机理及减振降噪措施 ..地铁振动产生机理 交通振动是指因交通车辆引起的结构振动通过周围地层地下或地面向外 传播,进一步诱发刚性地下结构以及邻近建筑物包括室内家具等的二次振动和 噪声。 地铁列车在不平顺的轨道上高速运行是振动产生的主要原因。主要影响方面 有:列车行驶时,对轨道的重力加载产生的冲击,造成车轮与轨道结构的振 动;地铁车辆运行时,众多车轮与钢轨同时作用所产生的作用力,造成车辆 与钢轨结构包括钢轨、构件、道床等上的振动;轨道的不平顺性和车轮的粗 糙损伤等随机性激励产生的振动;车轮的偏心等周期性激励导致的振动【。地 铁列车对轨道的冲击作用产生的振动及轮轨噪音,通过轨道结构、道床基础及隧 道结构衬砌传递到周边地层,进而通过土壤向四周传播。距振源越近,振动越 大, 振动随距振源距离的增大有较大的衰减【】。 影响地铁振动噪声的因素有:列车速度、车辆重量、隧道结构类型、隧道埋 深、轨道结构类型及列车与轨道的动力作用等。列车速度越高,振动干扰越强, 影响范围越大;隧道埋深越大,对地面环境的影响范围越小;轨道结构合理采 取了相应的减振措施,振动干扰小;轮轨间的结合好,则噪声小,反之钢轨表 面的短波浪型磨耗以及轮对踏面的磨耗会使轮轨产生不良的接触状态,使振动加 剧【。 ..地铁阻尼减振降噪的重要性 振动对建筑物的影响 一般而言,轨道交通引起的环境振动振幅和能量都比较小,从建筑物的安全 角度来讲,不会造成地震那样的剧烈损害。但是振动作用的长期存在和反复作用, 会对处在振动环境中的结构物造成损害。地铁列车运营时会对轨道产生冲击作 用,结构物在这种荷载作用下,会使结构产生动力疲劳和应力集中,出现墙皮剥 落、龟裂、地板裂缝等现象,严重时会引起结构整体或局部的动力失稳,地基产 生液化,基础下沉,墙体构件产生裂缝,建筑物倾斜甚至局部损坏【】。 青岛理工大学工学硕士学位 振动对人体的影响 对生活环境来说,环境振动一般不会对人造成直接的身体伤害,但它会干扰 人们的日常生活,使人感到极度不适和心烦,影响人们的睡眠、休息和学习。在 北京,西直门附近距地铁约 处一座五层楼内的居民,当列车通过时可感到 室内有较强的振动,门窗和家具的玻璃发出噪声。据日本建设省的调查,轨道交 通引起的振动影响人睡眠的投诉率最高,约占%。振动试验表明,振动对居住 在交通线附近居民的影响非常大,并且振动强度越高,对人们入睡和睡眠深度影 响越大。一般来说,刚刚可以感觉到的振动并不影响人们睡眠,但对较敏感的人 或患病者则会产生影响;当振动强度达到时,对睡眠有轻微影响;达到 时,所有轻睡的人将被惊醒;但达到时,除酣睡的人外,其他人将被惊 醒;达到 时,所有的人都被惊醒。 振动对人体健康的影响包括生理和心理上的,其影响因素主要包括:振 动频率。频率在振动对人体的不良影响中起着重要作用,不同频率的振动所引起 的感受和病变特征是不同的。人体所能感知的振动频率范围是~,但就 环境振动而言,人们所关心的是人体反应特别敏感的频率为~的振动,这 主要是由于各种组织的共振频率集中在这个范围。振幅。当频率一定时,振 幅越大,振动强度越大,对人体的影响也越大。人体感受的振动强度,目前国际 上趋于用振动速度和加速度来评价,尤其是用加速度。振动振源的加速度越大, 冲击力越大,对人体的危害也就越大。接触振动的时间。振动按时间特性可 分为稳态振动、间歇振动和冲击振动。人体无论受哪种振动作用的影响,接触振 动的时间愈长,对机体的不良影响就愈大。长期处于振动环境中的人,会由于长 时间接触不同频率的振动而受到不同程度的伤害【。 振动对地铁线路的影响 地铁剧烈的振动不仅会使人体产生不适、对周围建筑物产生破坏,也会对机 车、轨道及扣件等产生巨大破坏。地铁振动是纵波和横波的叠加振动,其产生的 能量如果未及时传递或损耗掉,将会作用到机车和线路上,使波磨现象加剧,严 重时会导致转向架断裂、扣件断裂及道床开裂。 ..常规地铁减振降噪措施 地铁减振降噪措施主要包括振源减振【】和振动传播途径的控制两个方面。 青岛理工大学工学硕士学位 振源减震措施 机车轻型化。减轻机车重量,进行机车轻型化设计,减少轮轨间的相互 作用,降低滚动噪声和冲击噪声【】。 采用径向转向架。径向转向架【 】是为提高机车曲线通过能力而设计的一 种转向架。地铁运行中的轰鸣噪声是短波波浪磨耗产生的,钢轨的这种磨耗是周 期性纵向、横向或空转蠕滑作用产生的,而在曲线段的轰鸣噪声尤为强烈】。然 而,地铁运行线路受城市街道和建筑物限制,曲线路段较多,这使得机车曲线通 过时会产生较大的冲角,增大轮轨力,加剧轮轨间的磨耗。因此,选取适宜的径 向转型架可一定程度的降低车轮和钢轨在转向处的轰鸣噪声。国内的刘振明、胡 用生等【】进行了自导向径向转向架的研究,年中国南车集团将纳米比亚机 。 车米轨径向转向架引入国内轨道交通【 弹性车轮设计。弹性车轮是在车轮轮心和轮箍之间加装橡胶防振车轮, 将原来属于簧下部分的轮心、车轴、轴箱及传动装置移到簧上。根据承受作用力 的不同,可分为压缩型弹性车轮、剪切型弹性车轮和压减复合型车轮【。弹性车 轮的防振橡胶为链状高分子结构,通过橡胶分子和分子及与填充剂产生的内摩擦 衰减作用,能显著降低谐振振幅,减小轮轨间的作用力,减小轨道的振动【”】。国 内的丁振宇等【】进行了弹性车轮与刚性车轮的对比研究,结果显示:剪切型弹性 车轮与刚性车轮相比,能显著降低混响时间,明显的降低车轮噪声。徐小强、赵 红伦等【】进行了轻轨车辆弹性车轮减噪特性的研究,研究结果表明:弹性车轮由 于弹性元件的衰减作用,能有效降低轮轨噪声的峰值;缩短噪声衰减时间;改善 轮轨噪声的频谱特性,消除或削弱高频、宽频噪声。日本佐藤洁等【】进行了弹性 车轮在降低高速机车噪声和振动方面的研究,研究结果表明:弹性车轮的轮重变 化率和轴箱垂直振动加速度较低,具有抑制钢轨激振的作用。在进行弹性车轮研 究的同时,消声车轮、声学优化车轮及复合材料车轮的研究也取得了一定进展, 为降低轨道交通噪音提供了新的思路【】。 另外,选择直线电机地铁系统、使用无缝钢轨/阻尼车轮及进行车轮踏面打 磨、重型钢轨等措施也可在一定程度上降低钢轨的振动,从而达到一定的减振降 噪效果。例如,把/钢轨改成/钢轨,钢轨的垂向刚度增加,大约可 降低列车冲击而发生的振动%。 ????。。。。。????。。。?? 青岛理工大学工学硕士学位 振动传播控制措施 钢轨与轨枕之间增设隔振材料,包括弹性整体道床和浮置板道床结构【】。 弹性整体道床是在长轨枕端部或短枕外包有横向和竖向的橡胶弹性套,弹性套内 长轨枕端部或短轨枕下设置橡胶垫板。弹性套变形与轨下、垫板下层橡胶垫板 共同作用,通过弹性垫板刚度和阻尼的不同组合,可获得接近或优于有碴轨道的 刚度和较好的减振效果。橡胶套提供的横向弹性可以弥补无碴轨道侧向刚度过大 的不足,减缓钢轨的侧磨。钢筋混凝土结构的长轨枕或短枕具有较大的惯性质量, 可以有效减振、隔振【。国内外多采用弹性支撑块轨道结构【埘,如秦岭 隧道、乌鞘岭隧道、香港西部铁路等。结构是由弹性支承块、道床板、混凝 土底座及配套扣件组成。弹性支撑块是预埋钢筋混凝土式支撑块,块下由橡胶套 靴、橡胶垫板构成。橡胶垫板和橡胶套靴的主要成分为氯丁橡胶或三元乙丙橡胶。 、,结构的垂向弹性由轨下和块下双层弹性橡胶垫板提供,该种结构使得轨道有 接近有砟轨道的刚度,并具有较好的减振、降噪、减磨等优越性能。同时,双层 弹性垫设置可使轨道保持几何稳定。支承块下的橡胶套靴提供了轨道纵、横向的 弹性变形,使轨道具有优异的承载能力及吸振性能。 浮置板轨道结构【】是一种质量一弹簧系统。该结构是将钢轨固定在一个重而 坚固的预制混凝土整体道床上,然后将其放在由橡胶或钢弹簧组成的隔振器上。 通过整体道床提供足够的惯性,利用惯性力吸收冲击载荷,只有静载荷和少量残 余动载荷通过弹性支承传到基础结构中去之】。调查表明,应用于德国、英国和 韩国等国地铁的浮置板道床一般减振效果为~【引。浮置板轨道设计自振 频率.~.,对中低频振动有良好的衰减作用。浮置板道床目前主要有橡 胶浮置板道床和钢弹簧浮置板道床两种。橡胶浮置板道床是通过设置在道床下面 及两侧的橡胶支座来吸收列车动荷载,从而达到减振的目的。根据广州地铁一号 线体育馆一体育馆西区间的测量结果,橡胶浮置板道床的减振效果较普通整 体道 床增加~。钢弹簧浮置板道床【】是将具有一定质量和刚度的混凝土道床 置放在由柔性弹簧构成的隔振器上,从而组成质量一弹簧隔振系统。隔振器内放 有螺旋钢弹簧和粘滞阻尼,钢弹簧隔振器内的粘滞阻尼使钢弹簧具有三维弹性, 增加了系统的各向稳定性和安全性,且能抑制和吸收固体声。在受力过程中,隔 振器具有调谐、滤波、吸收能量的作用。但浮置板道床也存在许多的问题,如施 青岛理工大学工学硕士学位 工程序多、进度慢,技术复杂,安装质量控制环节多,造价高,垂向支座养护维 修困难‘。 隧道埋深,增加隧道壁厚。地铁有浅埋和深埋之分,深埋地铁是指隧道 的埋深足以使隧道开挖引起的围岩扰动不危及地表。隧道埋深对衬砌环、周围地 层及地表的动力响应有明显的影响。埋深越浅则动力响应越强,横向受振范围越 广;埋深越大则地层动力响应越弱【。,地层横向和下部受振范围越窄。例如, 处在第四世纪覆盖层中的北京、上海,隧道埋深能在一定程度上降低振动的影响。 但是,并不是所有的地质结构进行隧道深埋都能显著降低地铁振动的,像基 岩潜 藏接近地表的重庆、青岛,很难通过隧道埋深的办法缓解振动。同时,隧道埋深 也在一定程度上增加了工程量。 铺设道碴垫。道碴垫主要是应用高分子材料的弹性来达到减振降噪目的 的。道碴垫既可应用于有碴轨道,又可应用于无碴轨道。有碴轨道中的道碴垫既 可增加轨道结构的弹性,又能对频率高于~的振动和噪音有良好的衰减 作用。无碴轨道中道碴垫主要有两种应用方式,铺设在混凝土底座板上和铺设在 压实的土基上。试验证明,前者具有较好的减振效果,相对有碴轨道可减小噪音 【。 屏障隔振。屏障隔振是一种常见的工程方法,用来阻碍或改变外围振动 波向屏蔽区的传播,从而减小屏蔽区的地面、结构振动。常见的屏蔽隔振有隔振 沟、消振壁、缓冲带和围栏桩,均可以降低地铁振动向地基的传递。其中隔振沟 是较好的方式,铁路隔振沟深度是影像隔振效果的主要因素,只要沟的深度足够, 它可以切断振动波的传播,取得理想的隔振效果。有研究表明隔振沟对高频振动, 减振效果尤为显著【。。另外,设置音壁墙、钢轨粘贴阻尼材料以及采用吸声材 料也能在一定程度上取得减振效果。 目前,从针对机车本身的弹性车轮减振、转向架减振到扣件减振、轨道减振, 再到针对地铁道床的浮置板道床减振,地铁减振措施可谓繁多,但仍未能从根本 上降低地铁振动。机车轻型化、减振转型架、弹性车轮只是局部对列车进行减振, 但是面对列车产生的巨大能量,减振效果仍显弱小;隧道埋深对软土结构具有一 定效果,但岩浆岩型硬基结构振动传播剧烈,埋深基本起不到减振作用,还增加 了土建成本;浮置板道床结构在一定频率段减振效果优异,但是其需要增加地下 青岛理工大学工学硕士学位 结构的直径,在一定程度上增加了土建施工工期和成本。 .阻尼减振降噪材料研究进展 根据机械振动理论【,机械结构在激振力作用下,当激励频率与结构的固有 频率相同时将会有谐振现象发生。阻尼是对谐振现象减振的唯一因素,阻尼减振 就是将振动能量转变成热能耗散出去,从而达到减振的目的。阻尼减振技术【】 主要就是阻尼材料的研制和阻尼结构的设计。 ..阻尼机理 振动阻尼产生的机理按其物理现象通常可分为:材料的内摩擦材料自身的 阻尼、摩擦接合面摩擦或介质的摩擦、能量转换和能量传输。材料的阻尼特性 通常由阻尼损耗因子来衡量,即耗损能量与机械振动能量的比值。 材料的内摩擦 材料的内摩擦是由材料内部分子或金属结晶晶体之间在运动中相互摩擦,损 耗能量产生阻尼效应。原则上,大多数材料运动时都能产生材料阻尼。但是,大 多数金属及建筑材料的损耗因子并不随振幅、频率和温度变化,其本身的阻尼是 很低的。而阻尼损耗因子较大的阻尼合金能够在机械振动的交变应力和应变作用 下耗散能量,耗能原因为:磁弹效应、晶界效应、涡流效应及热电效应。其在交 变应力作用下产生的阻尼均属弹性变形范围内的阻尼作用。 摩擦 摩擦阻尼又称材料外摩擦阻尼,包括两种应用方法:接合面摩擦和介质摩擦。 接合面阻尼是两个接合面之间在相对运动中摩擦耗能,从而产生阻尼作用。接合 面摩擦阻尼的一个必要条件是具有正向压力,其本质是在接触区的局部塑性 应变 作用下产生能量损耗,接触区是弹性形变和塑性变形共存的状态。介质摩擦阻尼 是依靠流体的摩擦产生阻尼。大部分流体具有粘滞性,在运动过程中会耗损能量, 如聚氨酯泡沫阻尼。 能量的转换 通过能量的转换产生阻尼效应有很多方式,如机械能与电能的转换、机械能 的频率转换和空气泵动等。机械能与电能的转换是通过机电能量转换器转换为电 能,再由电磁效应的磁滞损失耗散能量或由涡流的能量损失产生阻尼作用。频率 青岛理工大学工学硕士学位 转换是将机械振动能的频率转换为另一种频率,对机械产生的振动危害就有可能 被越过,而这种振动能量对原频率失效,更容易转换成热能。泵动阻尼是在两个 连接面之间留空气隙,当振动接近时,空气隙中的空气就会像气泵中的空气一样 做运动,由于空气具有一定的粘性,因此,空气泵动过程中就产生机械能到热能 的转换。总之,能量转换就是将机械能转换成其它任意可耗散的能量。 能量的传输 机械振动能量从结构向外传输同样具有一定的减振作用。能量既可以沿着结 构及相连部分以波的形式传输,也可以是结构与流体接触部由声辐射形式传输。 ..粘弹性阻尼材料 粘弹性阻尼材料四是一种高聚物,高分子材料形变性质的重要特征是粘弹 性。当高分子材料吸收振动能量时,将吸收的机械能部分地转变为热能耗散掉, 起到阻尼作用。高分子材料阻尼作用大小取决于滞后现象的大小,高分子阻尼材 料的应变滞后于应力,由于滞后现象,聚合物的拉伸一回缩循环变化均需克服链 段间内摩擦阻力而产生内耗。 ?? 通常用阻尼系数‖来衡量这个内耗。阻尼系数‖表示为:‖仃竺, ’ 其中仃为粘弹材料应变滞后于应力的相位角;、分别是储能模量和损耗模量。 由此可知‖与材料的模量是相关的。 随着温度的升高或时间的推移,高聚物呈现四个显著不同的状态或区域。? 低温的玻璃态,链段的运动处于“冻结”状态,只有侧基、链节、键长、键角等 的局部运动。具有虎克弹性行为,质硬而脆。?玻璃化转变区是对温度十分 敏感 的区域。在此范围内,链段已开始“解冻”,表现有明显的力学松弛行为。这是 材料具有高阻尼的区域。?高弹态,在以上,链段运动己充分发展,模量在 ~左右。?粘流态,温度高于,由于链段的剧烈运动,在外力作用下, 整个大分子链重心可发生相对位移,产生不可逆形变即粘性流动。综上所述,随 着时间和温度的不同,模量有显著的变化,这必然会导致阻尼系数的变化【柏。玻 璃化转变区与玻璃态的临界温度称之为玻璃化温度。这表明阻尼材料的使用 温度与重合时才能产生最好的阻尼效果。在以下,高聚物受外力作用形 变很小,主要是键长和键角的运动,完全可以跟得上应力的变化,相位差仃小,青岛理工大学工学硕士学位 所以内耗就小。温度升高向转变区过渡时,链段开始运动,体系的粘度很大,摩 擦阻力比较大,应变明显的滞后于应力,仃较大,内耗也就大。当温度进一步升 高,链段运动比较自由,仃小,内耗也就小。 另外高聚物的阻尼性能也与高聚物本身结构及频率有关。在外力作用下,大 分子的键长、键角、链节、链段、基团等各运动单元沿作用力方向克服内摩擦阻 力自由取向变形具有消耗机械能的能力。顺丁橡胶之所以内耗小就是因分子 链上 没有取代基,链段内摩擦阻力较小。丁苯橡胶和丁腈橡胶的内耗大,是由于丁苯 具有较大的侧基,丁腈橡胶有极性较强的侧氰基。同时,当频率很高时,链段运 动完全跟不上外力的变化呈玻璃态,内耗小。当频率很低是,链段完全跟得上外 力的变化,仃小,内耗也小。只有在特定的频率范围内,链段运动跟不上外力的 变化,使材料呈现为粘弹行为,从而出现内耗最大值。综上所述,高分子材料的 阻尼性能除与结构有关,还是温度和频率的函数‘。 虽然一些高聚物具有比较理想的阻尼性能,但是适用温度范围窄,因此必须 采取适宜的物理和化学方法,使其具有高阻尼和适宜的使用温度范围。归纳起来 主要有以下三类: 共混 用单一高分子材料作为阻尼材料,玻璃化转化区较狭窄,不适合宽温宽频阻 尼减振的使用要求,为增宽玻璃化转化区和改变玻璃化温度,共混【】是最常用的 方法。共混的组分必须是部分互溶的,部分互溶将使二组分或多组分的玻璃化 温度产生相对位移和靠近。使两个玻璃化转变区的凹谷上升为平坦区,呈现单一 组分的特性。另外共混高分子阻尼材料还具有较宽的有效阻尼范围。有价值的共 混聚合物有:聚苯乙烯一苯乙烯/丁二烯、聚氯乙烯一丙烯晴/丁二烯和聚氯乙烯 一乙烯/醋酸乙烯酯等。也可以采用共混填料来提高和增宽阻尼值。填料能使高 分子材料的玻璃化转变温度略微上升,阻尼峰宽温度略有增加。某些特殊填料, 如片状石墨和云母加入后可增加片层与高分子间的摩擦并转化为热,从而产生很 好的阻尼性能。 共聚 共聚又有接枝和嵌段之分: 接枝共聚:用化学方法把第二种单体接到另一高聚物主链上。如:环氧 青岛理工大学工学硕士学位 丙烷/苯乙烯接枝共聚物,通过聚环氧丙烷与顺丁烯二酸酐的反应,制成端乙烯 基大分子单体,再与苯乙烯接枝,固化即得产物。大分子单体起增塑剂作用,其 含量增加将增加接枝共聚物结构中支链数目,链与链之间缠结趋于加剧表现 出较 高的阻尼值。 嵌段共聚:把两种或多种不同链段按着尾一尾或头一头方式联接在一起。 如聚醋酸乙烯酯一丙烯酸酯类橡胶体系阻尼材料,它是第一成分、第二成分嵌段 共聚而成,它要求第一成分的玻璃化温度较低并有柔软性的酯类,第二成分是少 量的高并有硬性的酯类,必要时可加入高官能团的单体,加强分子链之间的 交联,使体系的损耗因子变大,阻尼性能改善。 互串网络体系 互串网络体系【可分互串网络,同步互串网络,半互串网络 ?。 互串网络:具有两种以上高聚物网络相互贯穿的结构,具有永久性 缠结或链结,从而限制了微区间的相尺寸和相分离。由于两相的混合较广泛而又 不完全使材料在横跨两组分的转变温度之间具有连续平坦、高的阻尼特性。 同步互穿网络:的合成指的是把两种聚合体的单体、预聚物、 线形聚合物、交联剂等混合形成均匀的液体,然后两种组分独立地互不干扰地同 时反应聚合。它可以:两种聚合物同时凝胶化;预聚物混合物的顺序聚 合;在两种聚合物间引入若干数量的接枝点。 半互串网络?口:在互串网络中仅一种高聚物交联,而另一种为线 形。如聚氨酯一丙烯酸酯半互串网络,在热塑性聚氨酯中贯穿缠绕具有高 分子量的丙烯酸酯,在这个过程中,可以使?与?.基团发生一定程 度的反应,以增加两组份分子间的互穿程度。改变不同的组成和用量,可以得 到 一系列不同性质的?高分子阻尼材料。 ..粘弹性阻尼材料研究进展 国外研究进展 目前,国外进行高分子阻尼材料研究的比较广泛。聚氨酯卜丙烯酸树脂 阻尼材料是研究最多的一类阻尼材料。主要种类有卜、 卜?、一聚丙烯酸叔丁酯及一乙烯基聚合物等。 青岛理工大学工学硕士学位 .等嘲研究了软链段和硬链段组成对阻尼性能和传输损耗的影 响,结果表明:的阻尼性能随扩链剂丁二醇含量的增加而降低并移向高温, 同时拉伸强度和硬度增加;?与?比值的减小有利于?完善程度的 提高和相畴尺寸的减小,从而增强了组分的混溶性,但是该值过小则不利于 产物 的迅速固化。 美国出大学..甜【】教授领导的试验室,长期从事阻尼材料的 理论研究工作,他们的研究重点是丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯系列乳胶口及聚 醚 聚氨酯。他将理论用于改善多组份体系的相容性。通过电镜、动态粘弹谱仪、 等仪器研究了材料的微相分离、强迫互容及阻尼性能等。甜教授建立 了关于各结构单元对材料宏观阻尼性能贡献大小的基团贡献分析理论? 曲 劝,它对于合成具有特定结构阻尼材料的主链及侧链 结构具有重要的理论指导意义。甜认为:提高材料的交联密度,增加硬段 含量,主链结构中引入大基团等措施,都会对聚醚聚氨酷材料总体阻尼性能 的提 高有贡献。 底特律大学的?一】等人研究了一步法与形成的同步即 即妒简称?叼。利用、、电镜等对影响/刀阻尼 性能的因素进行了分析,发现/口具有很好的相容性,表现出较宽的 采用不同软段表现出不同的阻尼性能,阻尼性优 单峰,并得出以下结论:? 劣排序为:聚环氧丙烷二醇含%丙烯睛改性的聚环氧乙烷一环氧丙烷 三醇聚四氢呋喃二醇聚,一己二醇碳酸醋;?种类对口的相 分离影响很大,双酚型与可以形成相容性较好的妒,表现出较宽的 峰,阻尼性好;?的扩链剂种类和用量对阻尼性能影响很大,增加扩 链剂用量即提高硬段含量,相分离增大、峰升高。另外使用含有侧基尤其是 含 苯环侧基的扩链剂有利于提高阻尼性。?填料有利于提高的阻尼性和模量, 玻璃纤维使阻尼性提高,云母使模量增加。 葫等【】对聚酯型刚的动态力学性能和振动阻尼性能的研究 表明,交联密度是影响聚酯型阻尼材料阻尼损耗因子的重要因素;增加主 链侧甲基含量有助于提高材料的仃并拓宽其阻尼温度范围;填充片状填料可 增强材料的剪切运动及界面间的耗散。青岛理工大学工学硕士学位 英国抽大学的..【】等人用线形聚氨酯与甲基丙烯酸酯或 苯乙烯生成一系列不同比例的材料。研究结果表明,即使形成一个很宽的损 耗峰,口内部仍存在微相分离。正是含有一定的微相分离才会在动态力学性能 中起很重要的作用,这与聚氨酯的软、硬嵌段共聚一样,适当的微相分离是必要 的,否则即成为均相材料,也就不存在损耗峰的温域。 趾 等‘采用动态力学分析研究了端羟基聚丁二烯 弹性体的固化率、增塑剂含量及各种辅助组分对 弹性体 动态力学性能的影响。结果表明,的图谱上有两个峰,其中低温峰 与连接成分的玻璃化转变有关,而高温峰与其硬链段的玻璃化转变相关, 高温峰的高度随固化率的增加而降低;添加癸二酸.乙基己酯使高温峰 移向低温区,但该峰的高度显著增加;添加抗氧剂使高温峰移向高温区且高 度显著增加。 国外还有人九研究了聚氨酯接枝聚丙烯酸网络的合成及性能,发现这种聚合 物在~?之间有较好的阻尼性能。有人合成了聚环氧氯丙烷氨酯阻尼材料, 研究了硬段浓度、软段的分子量及扩链剂等对阻尼性能的影响。有人研究用聚醚 氨基甲酸双丙烯酸酯与烯类单体或环氧树脂等第二组分在紫外光照射下生成共 聚网络或互穿网络,此类网络在?范围内均具有较高的损耗率和强度,为寻 找良好阻尼材料开辟了新的途径。 国内研究进展 国内高分子粘弹性阻尼材料较国外起步晚,但现在也有了不错的发展。从六 十年代开始研究自由阻尼材料,现在阻尼材料的研制和国外基本同步。长春应化 所多年从事阻尼材料的机理研究,合成了端羟基环氧丙烷聚醚聚氨酯、聚,丙 二醇醚聚氨酯一:羟乙酯等阻尼材料。研究认为,高分子材料的力学阻尼主要来 自以下三方面贡献:聚合物分子间的内摩擦;聚合物分子和填料之间的摩 擦运动;填料之间的相互摩擦。试验表明要增大高分子材料的力学阻尼性能, 应从以上三方面考虑其配方和工艺,如选用侧基含量较高的树脂基料,加入片状 填料等方法,才能使阻尼材料充分发挥其阻尼作用。 黄微波等人【跚研究了聚氨酯阻尼材料的制备及其性能,讨论了材料的硬段种 类、交联密度、填料种类等因素对动态力学性的影响。研究表明:?随着交联密 青岛理工大学工学硕士学位 度的降低,减少了分子链段的运动阻力,损耗因数增大;?侧甲基含量增加,损 耗因数增大;?片状填料比非片状填料对损耗因数贡献大;?软段的分子相对质 量低,损耗峰移向高温,同时损耗因数有所下降。 于杰、战风昌等人【】进行了阻尼涂料阻尼性能影响因素的研究,得出以下结 论:增加分子链中的侧甲基和分子链的柔性可以提高阻尼性能,并非所有片状填 料都能提高阻尼性能,片状云母粉效果较好;增加涂层与底材的厚度比和约束层 模量可提高复合结构的阻尼性能,不同底材有各自最优的厚度比,其随底材厚度 和模量的增大而增加;室温老化和浸水加压将导致阻尼性能下降。 北京化工大学吕冬等人【】采用本体聚合方法合成了一系列聚氨酯/聚甲基 丙烯酸甲酯一甲基丙烯酸丁酯/棚互穿聚合物网络聚合物,并 通过动态力学分析方法表征了其阻尼性能。研究结果表明,经高温后处理后,以 二月桂酸二丁基锡为催化剂、交联剂二乙烯基苯用量占和的摩尔分 数为.%、与?.的质量比接近或小于时, /??聚合物具有良好的阻尼性能。 朱金华,姚树人【】讨论了扩链剂的结构对聚氨酯弹性体的形态结构和动态力 学性能的影响。指出对于相分离严重的聚氨酯体系,在扩链剂中引入侧基会 有效 地降低微区尺寸,亦即改善软段和硬段之间的相容性。含脂肪环的扩链剂不但能 增加体系的相容性,而且脂肪环的构象变化也会增加聚氨酯的力学损耗。 文庆珍等人‘,合成了一系列含有不同硬段的聚氨酯弹性体,并对其进行了 动态力学分析和差热分析测试,结果表明,随着硬段合量的增加,仃峰 值降低并呈线性关系。硬段分布对该聚氨酯体系的相容性及阻尼性能有较大影 响。 田春蓉等人【,采用预聚体法合成了一系列聚氨酯/乙烯基树脂复合弹性体, 并用动态力学分析法研究了组成、异氰酸酯指数及是否计量中的仲羟基等 对复合弹性体的阻尼性能的影响。结果表明,当~的质量比例为/, 且异氰酸酯指数接近时,材料的阻尼性能最好;不计量中的仲羟基时, 所合成的肌厂表现为两个玻璃化转变温度。此外,用直接作为的 交联剂,二者共聚所形成的~的阻尼温域可达?以上,且在常温范围 有较高的阻尼因子。 青岛理工大学工学硕士学位 钟发春等人【】,室温催化合成了一系列不同结构的聚氨酯弹性体,研究了软 硬链段的化学结构对聚氨酯弹性体形态结构和力学性能的影响规律,结果表明, 由合成的弹性体的力学性能和阻尼性能优于相应的由合成的 弹性体,对称结构的易规整排列,提高了力学强度,软硬链段之间的相容 性和较强的相互作用有利于提高弹性体的力学性能。 赵培仲等人【,合成了聚氨酯阻尼材料,并且研究了其在~频率范 围内的阻尼性能。分别讨论了云母填料、环境温度以及气泡对阻尼性能的影响。 并制成两种粘弹性阻尼结构,分别测试了两种结构的加速导纳曲线。测定了不同 温度下结构上对应点的加速度导纳,研究结果表明,填料云母含量的增加有利于 提高材料的阻尼减振性能,随着温度的升高,材料的阻尼减振性能呈下降趋势。 赖强等人【删,制备了纳米增强的聚氨酯弹性体,研究了弹性体的 力学性能,用扫描电镜分析了纳米在中的分散情况,用差热分析仪研 究了复合材料的耐热性能,并用动态热机械分析仪研究了复合材料的阻尼性能。 结果表明:纳米颗粒可以较均匀地分散在基体中,提高了材料的力学 性能、耐热性能和阻尼性能。 杜楠等人【,研究了与聚氨酯含量对体系阻尼性能的影响,结合力 学性能优选出了采用和聚氨酯混合阻尼改性剂的适用于缠绕成型的结构 型树脂体系,优化了配方,拉伸强度达到. ,阻尼损耗因子为.,并且 黏度适宜,满足缠绕工艺要求。 刘其霞、丁新波等人【,综述了无机/有机小分子杂化对聚合物阻尼性能的 影响及作用机理,指出了高聚物阻尼材料在胶粘剂领域中的应用前景。 近几年的粘弹阻尼材料的研究重点依然在聚氨酯简称弹性体技术上, 广泛地研究了聚酯型、聚醚型等不同类型的弹性体的阻尼性能和力学性能。 .阻尼性能测试方法 正弦力激励法 正弦力激励法【】是将粘弹性阻尼材料制成一定尺寸规格的试样,把试样置于 机械系统中受正弦力激励,测定正弦力的频率、幅值及响应的频率、幅值,以及 力和响应的相位,然后再根据测得的这些参数值计算出粘弹阻尼材料的动态模量 和损耗因子。正弦力激励法包括正弦力扫频测量法、峰值共振法和半功率法。 青岛理工大学工学硕士学位 动态热机械分析就是基于此方法的一种分析方法。通过对材料样品 施加一个已知振幅和频率的振动,测量施加的位移和产生的力,用以精确 测定材料的粘弹性,杨氏模量木或剪切模量幸。测试过程中通常采用双 悬臂梁或单悬臂梁的测试方法。 振动杆法 振动杆法畔】的测量原理和正弦力激励法类似,但是试件承受的不是拉压或剪 切应变,而是受力后产生的弯曲振动。刚性金属杆被支承在与杆两端相连的软弹 簧片上,杆的一端受激振器激振,另一端与测振传感器相对,测量振动位移。 试 件置于隔热箱内可控制和调节温度,如图.所示。 .激振器;.振动杆;.隔热箱;.测振传感器; .工作台;.仪器基座;.试件;隔振垫; .支撑弹簧片 图振动杆法测量装置图 只要测量得到系统在不加试件时的共振频率及设置时间后的共振频率,以及 系统在设置时间后的系统损耗因子,就可求得材料的实杨氏模量及损耗因子。当 材料的尺寸改变,系统不加试件时的共振频率及设置时间后的共振频率均有变 化,这样可得到不同频率的实杨氏模量及损耗因子。改变隔热箱内的温度,可得 到温度和频率改变后的的实杨氏模量及损耗因子。 自由衰减法 自由衰减法【】是一种古典的方法,测试方法和仪器设备比较简单,用此方法 可迅速地对材料的性能优劣作出比较。 自由衰减法测试如图.所示。在底座顶面中心安装测力传感器,试样放在 测力环的预紧螺钉上,两边安放的支撑块用泡沫橡胶垫制成,应保证支撑块的刚 度和阻尼值比试样至少低一个数量级,还应保证其上面的压板在受力后不致歪 青岛理工大学工学硕士学位 斜。至于压板的质量应该进行试验选择,因为要保证试样具有一个合适的压缩量, 就应根据不同模量的材料选用不同质量的压板。在进行测试时,用装有加速度计 的力锤敲击压板中心部位,用示波器记录加速度和力随时间变化的曲线。 卜手锤;一加速度计;一电荷放大器: ?线示波器;一导杆;一支撑块;一压板; 一试样;测力环 图.自由衰减法测试示意图 振动梁法 振动梁法【鲫是一种简单测定方法。将粘弹材料制成约束阻尼梁,上下面为等 厚的金属层,一般可用合金铝作为材料,中间一层为需要测定性能的阻尼材料, 如图.所示。然后将振动梁一端固定于夹具中,梁的夹持段夹层需用铝金属片, 另一端进行激振,并在梁的适当位置测振。测振点要选择的不与最初几节振型的 节点重合。这样,可以通过测量得到振动梁的幅频曲线或传递函数曲线。可以得 到它的最初几阶模态的共振频率,并用半功率带宽求得相应模态的结构损耗 因 子。一 兰一 半盂重三王壹 二.一一??一 囟 .上下金属层;.粘弹材料;.试件;.测振传感器; .激振器;.夹具;.底座;泡沫隔振垫;铝垫片 图振动梁法测量装置图 青岛理工大学工学硕士学位 .附加阻尼结构 附加阻尼结构刀是提高机械结构阻尼的重要形式,是指在各种形状、用途的 结构件上直接粘附一种包括阻尼材料在内的结构层,增加结构件的阻尼性能,以 提高其抗振性、稳定性和降低其噪声辐射。直接粘附的阻尼结构主要有自由阻尼 结构和约束阻尼结构图.。 自由阻尼结构图.是将一层阻尼材料粘附于需要做减振处理的基本弹性 层简称基材上,这一层阻尼材料又称为自由阻尼层。当基材产生振动时,阻尼 层会随着基材产生弯曲形变,材料内部产生的交变拉伸、压缩应力和应变会损耗 机械能量,从而产生减振降噪的效果。 约束阻尼结构图.是在自由阻尼层上面再覆盖一层高模量的硬质材料, 称为约束层,使原先的阻尼层变为约束阻尼层。当基材受到弯曲振动而使阻尼层 伸长时,约束层的伸长远远小于阻尼层的伸长,即阻止阻尼层伸长;相反,当阻 尼层压缩时,约束层又会阻止阻尼层压缩。这样,阻尼层的伸长和压缩都会受到 约束层的阻碍,因而在阻尼层内部产生的剪切应变和剪切应力比在自由阻尼结构 中的拉压形变耗散的能量更多,所以约束阻尼结构具有更好的减振作用,不足之 处是结构比自由阻尼复杂。 阻尼层 //,.,//.,/,///////// 留 ,.??????、,?.?一 鼬阻尼 阻尼层约束层 圄圉 、 ???一 基材 约束阻尼 图自由阻尼和约束阻尼结构 本课题拟采用减振性能更优的约束阻尼结构,充分利用地铁建筑构造的特 点,巧妙地在地铁隧道周边开挖岩体表面,先施工一层“地铁阻尼减振降噪材料; 青岛理工大学工学硕士学位 再利用浇注混凝土道床和安装隧道加固混凝土的机会,在阻尼材料表面附加约束 层,从而实现约束阻尼结构的夹心结构图.,实现地铁的减振降噪,将振动能 转变成热能耗散。 图.地铁阻尼施工示意图 .本课题的研究目的及研究内容 ..研究目的 针对我市岩浆岩花岗岩型硬路基结构地铁振动和噪声强烈的问题,研究粘 弹阻尼减振降噪材料的阻尼性能及约束阻尼结构。将约束阻尼结构的概念引入轨 道减振应用,把材料组成、阻尼结构设计、隧道结构设计紧密联系,阻尼技术和 地铁工程进行有机结合,为轨道减振降噪提供一种新的方式和理论依据。 ..研究内容 研究粘弹性阻尼材料的阻尼损耗因子、损耗模量、储能模量等阻尼性能, 并根据粘弹性阻尼材料性能特点,研究硬段种类及含量、频率、温度和气泡等因 素对阻尼性能的影响规律; 研究阻尼层厚度对约束阻尼结构复合阻尼性能的影响规律; 研究阻尼材料种类对约束阻尼结构复合阻尼性能的影响规律; 模拟干燥高温、干燥低温、干燥高低温循环、干燥常温以及潮湿高温、 潮湿低温、潮湿高低温循环和潮湿常温等环境,研究温度、湿度等环境因子 对基 材处理系统粘结强度的影响规律; 青岛理工大学工学硕士学位 第章试验方案 .阻尼性能测试 目前,测试高分子阻尼材料的方法很多,在参考相关资料及国标 /?《声学材料阻尼性能的弯曲共振测试方法》和国标 / .《阻尼性能测试方法》,采用动态力学分析仪测试材料自 身损耗因子‖,制备板条梁结构,测试复合结构的阻尼损耗因子叩。 ..动态力学测试 动态力学分析可通过瞬态试验或动态试验测定材料的粘弹性。最常用的测试 是动态振荡测试,一个正弦变化的应力先施加在材料上,测量产生的正弦应 变, 同时也测量两个正弦波的相位偏移。并根据此计算出材料自身阻尼损耗因 子‖ 与温度、频率或振幅之间的函数关系。 试