朱竑禎，王緯波，高存法

(1. 南京航空航天大學 機械結構力學及控制國家重點實驗室，江蘇 南京 210016；2. 中國船舶科學研究中心 船舶振動噪聲重點實驗室，江蘇 無錫 214082)

新型材料在船舶減振降噪方面的前景與應用

朱竑禎1，王緯波2，高存法1

(1. 南京航空航天大學 機械結構力學及控制國家重點實驗室，江蘇 南京 210016；2. 中國船舶科學研究中心 船舶振動噪聲重點實驗室，江蘇 無錫 214082)

目前艦船上仍大量使用傳統材料，而近年來新型材料的發(fā)展優(yōu)化了艦船的設計及性能。本文從材料的角度為船舶的減振降噪提供新策略。主要介紹新型阻尼材料、負泊松比材料、超磁致伸縮材料、功能梯度材料、聲子晶體和聲子玻璃這幾種當下熱門的新型材料，分別闡述其作用機理，目前國內外的發(fā)展現狀，并簡要分析它們在船舶減振降噪方面的應用前景，希望能為未來新材料在艦船上的應用提供參考。

新型材料；減振降噪；船舶；應用前景

0 引 言

船體結構振動及外界風浪拍打形成的噪聲，不僅會使船體結構產生疲勞破壞，而且降低了乘坐的安全性與舒適性。而對于軍用潛艇而言，噪聲更會嚴重影響其隱身效果，從而增加其暴露的危險性，降低戰(zhàn)斗力。傳統材料普遍笨重，減振降噪效果差。而新型材料立足于傳統材料，通過人為優(yōu)化其結構和特性性能更佳。未來的潛艇將向安靜型潛艇的方向發(fā)展，但是國內現有船舶噪聲控制技術落后，在材料的運用、制作工藝及噪聲控制手段上都與發(fā)達國家有一定的差距。本文主要介紹幾種新型材料在船舶減振降噪方面的發(fā)展現狀和應用前景，為未來的工程應用提供一些參考。

1 新型阻尼材料

通常將材料內部經受振動變形的過程中把振動機械能轉化為熱能耗散掉的能力稱為阻尼[1]。船舶上經常敷設阻尼材料達到減振降噪的效果。傳統阻尼材料還存在不少不足，如比重較大、成本高、易燃及污染嚴重等。最先發(fā)展的非傳統阻尼材料是高分子阻尼材料，高分子材料的分子鏈較長，結構復雜，耗能環(huán)節(jié)比較多，因此阻尼效果較好。然而高聚物的阻尼溫度和頻率范圍小，損耗系數低，難以發(fā)揮最好的效果[2]。Quest T.E.[3]研究表明，加入合適的填料可使高聚物硬度增加，也增大了填料和高分子間的摩擦，從而使能量耗散更多。因此國內外研究人員提出了許多種填充方案形成新型復合阻尼材料。

1.1 新型復合阻尼材料

1.1.1 壓電阻尼材料

壓電阻尼材料都含有壓電陶瓷、高聚物和導電填料3 種成分。壓電粒子可將振動能轉化為電能，電能通過導電網絡將其以熱能形式耗散。通過選擇性能優(yōu)良的基體材料，調節(jié)壓電陶瓷的含量與顆粒度，改變導電相的種類與含量可以使壓電阻尼材料的性能優(yōu)化[4]。

在 20 世紀 90 年代，日本學者 Sumita 最先將炭黑加入壓電陶瓷/聚合物復合材料中來達到減振的效果。最近幾年，國內學者也逐漸開始將壓電效應運用到阻尼材料中，成國祥[5]研究了含壓電陶瓷粉末復合膜的吸聲系數。蔡俊[6]將 PZT 壓電陶瓷粉末含量對PVC/PZT 復合材料吸聲能力的影響。秦巖[7]把壓電復合材料作為船舶承力軸承的阻尼層，發(fā)現試件比傳統鋼結構的損耗因子有大幅提升，達到 0.415 6，阻尼層發(fā)揮了很大作用。萬光兵[8]將壓電阻尼材料制成懸臂梁，并取得了較好的主動控制效果。通過機械能-電能-熱能的能量轉換方式，壓電阻尼材料的能量轉化率越高，其阻尼效果越好[9]，且在低頻范圍有高效的吸聲能力。

1.1.2 碳納米管增強型阻尼材料

碳納米管于 1991 年被首次發(fā)現，它是一種一維納米材料，微觀結構由六邊形的石墨片卷繞而成[10]，具有優(yōu)異的力學、電學、化學性能。2002 年 Koratkar[11]首次提出碳納米管能增加高聚物的阻尼性能，認為碳納米管的比表面積非常大，所以其與高聚物之間的界面摩擦很大，會吸收很大的能量，阻尼性能好。Kireitseu[12]實驗研究發(fā)現碳納米管的加入，會使材料在寬頻率寬溫域范圍內具有較高的阻尼性能。當碳納米管含量為 2% 時，材料結構阻尼提高了 200%，硬度提高了30%。

1.2 新型復合阻尼材料應用前景

對于阻尼材料的使用分為 2 類：一種是將其作為阻尼涂層覆蓋在原有結構之上，但受到結構和尺寸的限制，一般用于簡單的結構如梁、薄板等；另一種是直接將阻尼材料加入原有材料中共同成型，但可能會影響原構建的剛度和力學性能[13]。

壓電阻尼材料能量轉換率高，在低頻范圍有良好的吸聲效果，阻尼效果好。不過壓電材料本身質地較脆，對于雜質和缺陷較敏感，因此并不適宜用于直接制作某種構件。可考慮將壓電阻尼材料用于作為螺旋槳推進舵的葉片阻尼層，它能有效吸收振動能，并將熱量耗散到水中，也可將其用于一些設備的底座，防止振動向外輻射，達到降噪效果。顯然壓電材料若大幅使用，價格比較昂貴。不過已有學者[14]提出由于壓電阻尼材料中使用的是壓電粉末，可以用壓電陶瓷廢品取代，并不會影響其阻尼效果，只是取代后的效果還值得進一步商榷。

碳納米管增強型阻尼材料阻尼大，比剛度高，密度低，溫度和頻率極限區(qū)間寬，更因為有了 C-C 鍵的加入，大大提高了原材料的剛度，力學性能出色。因此可以借鑒美國在 90 年代開始將復合材料用于潛艇推進軸[15]的經驗，考慮將碳納米增強型阻尼材料用于制作推進軸，能起到高阻尼，低噪聲的效果，同時也并不會影響推進軸的剛度。不過這需要提高碳納米管/聚合物復合材料的制備工藝，使其性能發(fā)揮最優(yōu)。

2 負泊松比材料

2.1 概念與性能

泊松比表示橫向收縮應變與縱向伸長應變之比，用公式表示為[16]：

絕大多數材料的泊松比都是正數，在某方向受到拉伸時，與載荷方向垂直的方向會收縮。而負泊松比材料在受到拉伸時，與載荷垂直的方向上反而發(fā)生膨脹。理論上，泊松比取負值合理，但真實情況下天然的負泊松比材料十分少見，現在負泊松比材料大多由人工設計合成。與普通材料相比，其物理性能有很大的優(yōu)勢，如抗沖擊[17]、抗裂紋等。

2.2 負泊松比材料應用前景

在船舶減震降噪方面，負泊松比材料也有很好的應用前景，主要通過多孔固體材料來達到效果，多孔材料主要分為以下兩類：

1）蜂窩結構

其負泊松比效應主要源于單元構型。內凹蜂窩多孔結構具有負泊松比的效果，如圖 1 所示[18]。此類材料可以作為復合材料夾層板的夾芯材料，提升板的振動性能[19]，基于此類夾層板的浮筏隔振系統也能優(yōu)于常規(guī)隔振系統[20]。此外可以直接使用具有宏觀負泊松比效應的多孔蜂窩材料來制作新型船用隔振器[28]，通過仿真模擬正負泊松比效應的蜂窩結構隔振器，可以發(fā)現具有負泊松比效應的隔振器效果更優(yōu)。這類隔振器的效果與蜂窩胞元的寬度、高度及壁厚等構形元素有關，通過調節(jié)形狀參數可以使隔振器的效果優(yōu)化[21]。

2）泡沫材料

對于船舶的減振降噪研究中，公認為多孔材料可以有效地吸聲減噪。負泊松比多微孔泡沫也可以運用到這個領域中。Lakes[22]研究表明負泊松比泡沫材料比正泊松比泡沫材料吸收聲波的能力更強，且對于 630 Hz以上頻率[23]，小泡孔形負泊松比材料比大泡孔形負泊松比材料的吸收性能好。Alderson[24]的實驗結果顯示微孔負泊松比泡沫吸聲能力比微孔正泊松比泡沫材料高1.5 倍，比其他普通泡沫塑料高 3 倍。但是作為吸聲材料而言，多孔泡沫材料的強度難以保證，承載能力較差，如果非要增加其強度和剛度，卻又會破壞其負泊松比效應，因此目前的研究還只限于實驗室階段。如果利用強度高的其他材料仿造多孔泡沫材料的結構，使其具有負泊松比效應，可能會制成很好的隔聲吸聲材料。

3 超磁致伸縮材料

圖 1 正（左）負（右）泊松比蜂窩結構Fig. 1 Honeycomb structures of positive（left）and negative（right）

3.1 磁致伸縮效應與超磁致伸縮材料

鐵磁體在磁場作用下被磁化時，長度、體積會發(fā)生微小變化，去除磁場又恢復原長和原體積，這種現象被稱為磁致伸縮效應。其中在磁化作用下，材料沿著磁化方向伸長或縮短稱為線磁致伸縮；材料體積發(fā)生膨脹或收縮稱為體積磁致伸縮。體積磁致伸縮比線磁致伸縮微弱很多，而且通常發(fā)生在達到磁化飽和以后[25]，因此在實際應用中往往忽略體積磁致伸縮，只考慮線磁致伸縮，用沿磁場方向的伸長率表征，記為磁致伸縮系數 λ。當磁化飽和時，λ 達到最大，記為λs。具有磁致伸縮效應的材料即為磁致伸縮材料。鐵本身就是一種磁致伸縮材料，鐵磁體的 λs約為 10–6量級，應變量小。鎳、鈷、鐵氧體等材料也具有較明顯的磁致伸縮效應，稱為傳統磁致伸縮材料。傳統磁致伸縮材料 λs一般為 10–5量級。

超磁致伸縮材料（GMM）是一種新型材料，在室溫下就具有極大的磁致伸縮應變，一般 λs大于 3 × 10–5[26]。Clark 等[27]在傳統材料中添加了稀土元素如 Tb 和 Dy 等，開發(fā)出三元稀土合金 TbDyFe2等，發(fā)現其在室溫下磁致伸縮系數可達 10–3量級，其中 TbxDy1-xFey（x= 0.27～0.3，y = 1.9～1.95）合金具有最佳的室溫性能，被稱為 Terfenol-D 合金[28]。

傳統磁致伸縮材料居里溫度高，且機械性能好，只是磁致伸縮性能不夠好，而稀土磁致伸縮材料雖然磁致伸縮性能好，但是機械性能不強，尤其是抗拉伸能力弱，脆性大，且由于在鐵磁體中加入了稀土元素，因此成本很高。2000 年以后，Clark 等發(fā)現了 Fe-Ga，Fe-Be 等 Fe 基非稀土磁致伸縮材料，具有低場大磁致伸縮和良好的力學性能[39]。這種合金兼具了傳統磁致伸縮材料和稀土磁致伸縮材料的優(yōu)點，而且對環(huán)境的適應能力強，經濟適用性高。美國海軍也對磁致伸縮材料較感興趣，希望可以在工程領域上發(fā)揮其優(yōu)點。2012 年，美國海軍水面戰(zhàn)中心申請新型鐵鎵（Fe-Ga）合金磁致伸縮材料專利成功，稱為“Galfenol”，專利號 US8，308，874B1[2]。超磁致伸縮材料與傳統的磁致伸縮材料和壓電材料相比，能量轉換率大大提高，能量密度高，響應速度快，如表 1 所示[29]。

表 1 超磁致伸縮材料與金屬鎳、壓電陶瓷的比較Tab. 1 The comparison between giant magnetostrictive material, metal Ni and piezoelectric ceramic

3.2 超磁致伸縮材料的應用前景

在船舶的減振降噪方面，這些新型的超磁致伸縮材料有以下發(fā)展方向：

1）用于振動主動控制，例如制作作動器安裝在潛艇艇體表面以抵消艇體的振動。日本的 K.OhmateK 等[30]采用 Terfenol-D 設計了三連桿臂型半主動振動控制裝置，減緩由于地震、強風等產生的振動。美國 M.Anjanappa等[31]建立了超磁致伸縮材料制作的迷你作動器（MMA），其在靜態(tài)和動態(tài)都能有穩(wěn)定的狀態(tài)。與傳統的作動器相比，超磁致伸縮作動器靈敏度高、可靠性高，壽命大幅延長。

2）用于制作某些振動部件的支撐結構。如可以用于支撐發(fā)電機，在發(fā)電機工作時吸收其振動能量，防止能量向外傳遞，能有效減少聲輻射，此外采集到的振動能量轉化為電能還可以二次利用。日本的U.Toshiyuki等[32]利用鐵鎵合金制成懸臂梁結構，收集振動能量轉化為電能，反應比壓電材料更靈敏；美國的 Flatau 和 Staley 等[33]分別采用 Terfenol-D、Galfenol材料設計了低頻振動能量收集裝置。楊東利[34]設計了超磁致伸縮執(zhí)行器，證明其對于振動控制效果明顯，適合用于低頻的振動控制。超磁致伸縮材料用于制作振動能量采集器與常規(guī)材料和壓電陶瓷材料相比，不需要外加電壓源，輸出能量密度更大。

在材料的制備上，我國對于稀土磁致伸縮材料和Fe-Ga 合金磁致伸縮材料都已經達到了與國際相近的水平[35]，但超磁致伸縮材料的缺陷會大大影響其性能，因此限制了其發(fā)展。目前的研究大多將超磁致伸縮材料用于制作換能器和微位移控制方面。

4 功能梯度材料

4.1 功能梯度概念

功能梯度材料（Functionally graded material，FGM）是一種材料特性隨空間位置呈連續(xù)梯度變化的新型多相材料。在 20 世紀 80 年代日本科學家新野正之等就已經提出了這樣的概念。其實自然界中的竹子和動物的骨頭等就是典型的功能梯度材料，在顯微鏡下，它們的截面上分子的疏密程度由內向外逐漸均勻變化。

將梯度化的結構設計思想引入聲學領域，制造具有漸變聲阻抗的功能梯度聲學材料。1965 年中國科學院聲學所的尚爾昌[36]研究了尖劈的材料和形狀對于吸聲性能的影響，認為阻抗逐漸連續(xù)過渡能夠消除阻抗匹配引起的反射，并能夠配合以內部強烈的損耗。這應該是國內最早承認阻抗?jié)u進吸聲原理的理論依據，只不過當時需要通過均質材料結構的連續(xù)變化來實現阻抗的過渡，如今可制備出形狀不變化而內部阻抗連續(xù)變化的非均勻材料。

4.2 功能梯度材料的應用前景

潛艇敷設的消聲瓦要求滿足與外部抵抗匹配和內部衰減能力強的條件，均質材料一般難以同時滿足，而 FGM 材料可以通過人為設計使之外部阻抗相匹配，內部梯度滿足聲衰減要求，因此考慮用聲阻抗梯度材料來作為消聲覆蓋層使用。

不過這方面的研究涉及軍事，公開發(fā)表的研究比較少。王源升等[37]基于聚合物在溶解過程中會形成梯度高分子溶液，將水溶性聚合物粘貼在反射體上，在聲管中充滿水，如圖 2 所示，形成了濃度梯度分布的高分子溶液，水聲信號在其中存在多次反射和吸收，增大了聲衰減。還選用了密度和聲速不同的 3 種均一材料復合制成具有阻抗?jié)u變結構的梯度材料，有效地降低了航行體噪聲[38]。

在理論方面，若將 FGM 應用于艇體外表面，已有不少學者研究過功能梯度材料的聲輻射問題，這為將來的工程應用打下了基礎[39–41]。在材料制備方面，梯度材料多用多層粘接的方法，但是粘接會帶來明顯的界面效應，嚴重影響材料的質量。中船重工 725 所[42]用微波輻照法制備水聲功能梯度材料，克服了多層粘結的工藝質量問題，制備過程具有重復性和可控性，通過試驗證明制備所得的梯度材料明顯比均勻材料吸聲性能好，且聲波從填料多一側入射比從填料少一側入射吸聲系數高，這也為工程應用提供了參考價值。如今 3D 打印技術正在蓬勃發(fā)展，通過定義材料和其內部參數變化，可能會更有效地制作出功能梯度材料。

圖 2 聚合物形成的梯度高分子溶液及聲衰減實驗裝置Fig. 2 Gradient solution during polymer dissolving and equipment for testing sound attenuation

5 聲子晶體與聲子玻璃

5.1 聲子晶體的原理

1993 年，Kushwaha M.S.等[43]首次提出聲子晶體，聲波與周期結構的材料會形成一個聲子禁帶，當聲波的能量恰好處于聲子禁帶內，則聲波無法在該結構內傳播，將含有這種聲子禁帶的周期性彈性介質結構的材料稱為聲子晶體。當聲子晶體結構內部存在點缺陷或線缺陷時，聲波會局限在點缺陷處，或者沿著線缺陷的方向傳播。

根據聲波禁帶的不同機理，可以將聲子晶體分為布拉格散射型和局域共振型兩類[44]。

布拉格散射型的聲子晶體禁帶頻率隨晶體尺寸的增大而減小，因此若要能獲得低頻的禁帶頻率，必須使聲子晶體的尺寸足夠大，這顯然不符合實際工程應用的要求。2000 年，香港科技大學的劉正猷教授提出了局域共振機制，并論證了小尺寸局域共振聲子晶體獲得低頻禁帶的可能性[45]。用硅橡膠包裹半徑 5 mm的鉛球作為一個結構單元，排列放入環(huán)氧樹脂基體中形成三維聲子晶體，僅用 2 cm 厚的這種材料就能阻隔400 Hz 的聲波。圖 3 的左圖為結構單元，右圖為由結構單元和基體形成的 8×8×8 的聲子晶體。鉛球作為金屬高密度材料密封于質地較軟的橡膠中形成了共振組元，置于較硬的基體上，形成類似于彈簧振子的結構[46]。由于包覆層質地較軟，相當于彈簧的勁度系數 k小，內部的金屬材料密度大，相當于振子的質量 M大，因此共振頻率可以很低，再聯合硬質基體，便能產生低頻的聲頻能隙。局域共振型與布拉格散射型不同，禁帶由局域共振單元的共振特性決定，相同尺寸下，局域共振獲得的禁帶頻率低得多，因為其共振頻率不受材料尺寸的影響，所以能夠滿足“小尺寸控制大波長”[47]的工程要求。

圖 3 局域共振聲子晶體結構Fig. 3 Structure of locally resonant sonic crystal

5.2 聲子晶體的應用前景

聲子晶體存在聲子禁帶，禁帶頻率范圍內的聲波無法通過該物體，理論上聲子晶體有隔振降噪的作用[48]。1993 年， Kushwaha M.S.首次提出聲子晶體時，便指出這種材料在一定頻率范圍內可以能為精密機械加工創(chuàng)造一個無振環(huán)境[60]。

可以考慮利用聲子晶體制作艇體結構中的板件或傳動軸，不少學者已研究了聲子晶體制成的基本結構（桿、梁、板等），并認為聲子晶體結構對原結構的振動有減弱作用[49–52]。趙宏剛提出可以將局域共振型聲子晶體用于水下消聲覆蓋層[53–54]。當不考慮材料的粘彈性損失時，局域共振型聲子晶體表現出全反射的特性，實際情況中粘彈性是不可避免的，因此難以實現全反射。但是局域共振型聲子晶體的有效作用頻帶比較窄，難以實現寬頻吸收聲波，不能滿足水下復雜聲場對于材料的要求。

5.3 基于聲子晶體的聲子玻璃

2012 年，姜恒等[55]在局域共振聲子晶體結構基礎上，將局域共振單元引入互穿網絡結構中設計制造了聲子玻璃。將軟聚酯氨彈性體滲入到泡沫鋁中并形成大約 0.3～0.6 mm 厚度的包裹，再將硬聚酯氨彈性體包裹在最外層，產生粘彈性效應，在局域頻率范圍內能產生最大的聲吸收，且其聲阻抗與水相匹配，可以使聲波盡可能進入材料內部，其結構如圖 4 所示。姜恒等[56]對 1 cm 厚度的聲子玻璃水下吸聲能力實驗，在12～30 kHz，聲子玻璃的水下吸聲系數均在 0.9 以上。即使是 4.8 cm 厚的聲子玻璃吸聲系數仍能保持在 80%以上。從材料的角度而言，聚氨酯耐低溫，耐腐蝕，能夠適應水下環(huán)境，且由于含有金屬鋁泡沫，具有較好的力學性能，比普通高分子材料承受靜水壓力的能力大大提高，測試證明在 4.5 MPa 下，材料仍有較好的吸聲效果[57]，當然也可以用別的金屬材料替代泡沫鋁，如泡沫銅等[58]。由此可見，在制作水下覆蓋層實現吸聲效果方面，聲子玻璃可能會比聲子晶體有更好的效果。就目前的技術而言，聲子玻璃主要利用泡沫金屬的孔洞和高分子材料結合形成多種共振單元實現寬頻吸聲，畢竟孔洞的尺寸較難人工控制，因此對于材料的結構優(yōu)化及其對吸聲效果的影響還需進一步研究。

圖 4 聲子玻璃的結構Fig. 4 Structure of phonic glass

6 結 語

本文主要介紹了 6 種已有一定理論基礎的新型材料，并闡明了各自的發(fā)展情況和在船舶減振降噪方面的應用前景。新型材料確實具有傳統材料不能比擬的一些優(yōu)點，但是也會帶來一定的風險，還需要多次實踐，反復論證才能真正應用于工程。我國現在材料的制備技術已經比較成熟，但是與美國、德國等發(fā)達國家相比，對于新材料的研究與應用還有很多發(fā)展空間。

[1]王晏研, 陳喜榮, 黃光速. 復合阻尼材料最新研究進展[J]. 材料導報, 2004, 18(10): 54–56. WANG Yan-yan, CHEN Xi-rong, HUANG Guang-su. The lastest research progress of multiplex damping materials[J]. Materials Review, 2004, 18(10): 54–56.

[2]劉巧賓, 盧秀萍. 智能阻尼材料的研究進展[J]. 彈性體, 2007, 17(2): 76–80. LIU Qiao-bin, LU Xiu-ping. Progress of study on intellectual damping material[J]. China Elastomerics, 2007, 17(2): 76–80.

[3]QUESTD T E, GREER A L. The effect of the size distribution of inoculant particles on as-cast grain size in aluminium alloys[J]. Acta Materialia, 2004, 52(13): 3859–3868.

[4]何慧敏, 王雁冰, 沈強, 等. 壓電陶瓷/聚合物基新型阻尼復合材料的研究進展[J]. 材料導報, 2008, 22(1): 41–44, 52. HE Hui-min, WANG Yan-bing, SHEN Qiang, et al. Research Progress in piezoelectric ceramic/polymer advanced damping materials[J]. Materials Review, 2008, 22(1): 41–44, 52.

[5]成國祥, 沈鋒, 盧濤, 等. 鋯鈦酸鉛/高分子復合膜的吸聲特性[J]. 高分子材料科學與工程, 1999, 15(3): 133–135. CHENG Guo-xiang, SHEN Feng, LU Tao, et al. Acoustic absorption performance of lead Zirconate Titanate (PZT)/polymer composite films[J]. Polymer Materials Science & Engineering, 1999, 15(3): 133–135.

[6]蔡俊, 秦川麗, 徐菲, 等. 0-3型壓電復合材料的聲學性能研究[J]. 壓電與聲光, 2005, 27(3): 294–296. CAI Jun, QIN Chuan-li, XU Fei, et al. Study on acoustic property of 0-3 piezoelectric composites[J]. Piezoelectrics & Acoustooptics, 2005, 27(3): 294–296.

[7]秦巖, 黃志雄, 吳贊, 等. 壓電阻尼復合材料在船舶承力軸承減振中的應用研究[J]. 武漢理工大學學報, 2012, 34(9): 1–4. QIN Yan, HUANG Zhi-xiong, WU Zan, et al. Vibration reduction application of piezoelectric-damping composite on the hull loading capacity bearing[J]. Journal of Wuhan University of Technology, 2012, 34(9): 1–4.

[8]萬光兵. 壓電復合材料阻尼機理及其懸臂梁主動控制的研究[D]. 武漢: 武漢理工大學, 2014. WAN Guang-bing. Piezoelectric composite material damping mechanism and active controlling of the cantilever beam[D]. Wuhan: Wuhan University of Technology, 2014.

[9]陳沖, 岳紅, 張慧軍, 等. 高分子阻尼材料的研究進展[J]. 中國膠粘劑, 2009, 18(10): 57–61. CHEN Chong, YUE Hong, ZHANG Hui-jun, et al. Research progress of damping macromolecule materials[J]. China Adhesives, 2009, 18(10): 57–61.

[10]周春華, 吳麗麗, 張玉芳. 碳納米管-阻尼材料研究進展[J]. 濟南大學學報(自然科學版), 2009, 23(4): 429–433. ZHOU Chun-hua, WU Li-li, ZHANG Yu-fang. Research progress on carbon nanotube-damping materials[J]. Journal of University of Jinan (Sci & Tech), 2009, 23(4): 429–433.

[11]KORATKAR N, WEI B Q, AJAYAN P M. Carbon nanotube films for damping applications[J]. Advanced Materials, 2002, 14(13): 997–1000.

[12]KIREITSEU M, HUI D, TOMLINSON G. Advanced shockresistant and vibration damping of nanoparticle-reinforced composite material[J]. Composites Part B: Engineering, 2008, 39(1): 128–138.

[13]倪楠楠, 溫月芳, 賀德龍, 等. 結構-阻尼復合材料研究進展[J]. 材料工程, 2015, 43(6): 90–101. NI Nan-nan, WEN Yue-fang, HE De-long, et al. Process on the research of structure-damping composites[J]. Journal of Materials Engineering, 2015, 43(6): 90–101.

[14]梁瑞林, 常樂, 王黨朝, 等. 壓電復合阻尼減振材料和壓電復合吸聲降噪材料中壓電陶瓷應用形態(tài)研究[J]. 再生資源研究, 2004(6): 39–41. LIANG Rui-lin, CHANG Le, WANG Dang-chao, et al. The study of shape in application of piezoelectric ceramics to mechanical damping compound and sound absorptive compound[J]. Recycling Research, 2004(6): 39–41.

[15]張文毓. 阻尼材料發(fā)展現狀與應用進展[J]. 材料開發(fā)與應用, 2011, 26(2): 75–78. ZHANG Wen-yu. Progress in development and application of damping materials[J]. Development and Application of Materials, 2011, 26(2): 75–78.

[16]史煒, 楊偉, 李忠明, 等. 負泊松比材料研究進展[J]. 高分子通報, 2003(6): 48–57. SHI Wei, YANG Wei, LI Zhong-ming, et al. Advances in negative Poisson’s ratio materials[J]. Polymer Bulletin, 2003(6): 48–57.

[17]楊智春, 鄧慶田. 負泊松比材料與結構的力學性能研究及應用[J]. 力學進展, 2011, 41(3): 335–350. YANG Zhi-chun, DENG Qing-tian. Mechanical property and application of materials and structures with negative Poisson’s ratio[J]. Advances in Mechanics, 2011, 41(3): 335–350.

[18]張梗林, 楊德慶, 朱金文. 船用新型蜂窩隔振器減振性能分析[J]. 中國艦船研究, 2013, 8(4): 52–58. ZHANG Geng-lin, YANG De-qing, ZHU Jin-wen. Performance analysis of a novel marine honeycomb vibration isolator[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2013, 8(4): 52–58.

[19]RUZZENE M. Control of wave propagation in sandwich beams with auxetic core[J]. Journal of Intelligent Materials Systems and Structures, 2003, 14(7): 443–453.

[20]趙留平. 基于夾層板的浮筏隔振系統有限元分析[J]. 中國艦船研究, 2010, 5(3): 43–46. ZHAO Liu-ping. Finite element analysis of floating raft isolation system based on sandwich plate[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2010, 5(3): 43–46.

[21]張梗林, 楊德慶. 船舶宏觀負泊松比蜂窩夾芯隔振器優(yōu)化設計[J]. 振動與沖擊, 2013, 32(22): 68–72, 78.ZHANG Geng-lin, YANG De-qing. Optimization design of an auxetic honeycomb isolator in a ship[J]. Journal of Vibration and Shock, 2013, 32(22): 68–72, 78.

[22]LAKES R. Foam structures with a negative Poisson’s ration[J]. Science, 1987, 235(4792): 1038–1040.

[23]CHEN C P, LAKES R S. Holographic study of non-affine deformation in copper foam with a negative Poisson’s ratio-0.8[J]. Scripta Metallurgica et Materialia, 1993, 29(3): 395–399.

[24]ALDERSON K L, WEBBER R S, MOHAMMED U F, et al. An experimental study of ultrasonic attenuation in microporous polyethylene[J]. Applied Acoustics, 1997, 50(1): 23–33.

[25]張納. 超磁致伸縮/壓電層狀磁電復合材料的磁電效應研究[D]. 天津: 河北工業(yè)大學, 2011. ZHANG Na. Study on magnetoelectric effect on laminated giant magnetostrictive/piezoelectric composites[D]. Tianjin: Hebei University of Technology, 2011.

[26]劉楚輝. 超磁致伸縮材料的工程應用研究現狀[J]. 機械制造, 2005, 43(8): 25–27. LIU Chu-hui. Status quo of engineering application of giant magnetostrictive materials[J]. Machinery, 2005, 43(8): 25–27.

[27]宣振興, 鄔義杰, 王慧忠, 等. 超磁致伸縮材料發(fā)展動態(tài)與工程應用研究現狀[J]. 輕工機械, 2011, 29(1): 116–119. XUAN Zhen-xing, WU Yi-jie, WANG Hui-zhong, et al. Development and applications research on giant magnetostrictive materials[J]. Light Industry Machinery, 2011, 29(1): 116–119.

[28]劉敬華, 張?zhí)禧? 王敬民, 等. 巨磁致伸縮材料及應用研究進展[J]. 中國材料進展, 2012, 31(4): 1–12, 25. LIU Jing-hua, ZHANG Tian-li, WANG Jing-min, et al. Giant magnetostrictive materials and their applications[J]. Materials China, 2012, 31(4): 1–12, 25.

[29]劉成龍. 基于超磁致伸縮材料的能量收集裝置研究[D]. 杭州: 杭州電子科技大學, 2014. LIU Cheng-long. Research on vibration energy harvesting device based on GMM[D]. Hangzhou: Hangzhou Dianzi University, 2014.

[30]OHMATA K, ZAIKE M, KOH T. A three-link arm type vibration control device using magnetostrictive actuators[J]. Journal of Alloys and Compounds, 1997, 258(1/2): 74–78.

[31]ANJANAPPA M, BI J. A theoretical and experimental study of magnetostrictive mini-actuators[J]. Smart Materials and Structures, 1994, 3(2): 83–91.

[32]UENO T, YAMADA S. Performance of energy harvester using iron–gallium alloy in free vibration[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2011, 47(10): 2407–2409.

[33]STALEY M E, FLATAU A B. Characterization of energy harvesting potential of Terfenol-D and Galfenol[C]//Proceedings of SPIE 5764, smart structures and materials 2005: smart structures and integrated systems. San Diego, CA: SPIE, 2005: 630–640.

[34]楊東利. 超磁致伸縮執(zhí)行器及其在主動振動控制中的應用研究[D]. 杭州: 浙江大學, 2002.

[35]李擴社, 徐靜, 楊紅川, 等. 稀土超磁致伸縮材料發(fā)展概況[J].稀土, 2004, 25(4): 51–56. LI Kuo-she, XU Jing, YANG Hong-chuan, et al. Development of rare earth giant magnetostrictive materials[J]. Chinese Rare Earths, 2004, 25(4): 51–56.

[36]尚爾昌. 漸變吸收層反射率的近似式[J]. 聲學學報, 1965, 2(4): 192–197. SHANG Er-chang. An approximate formula for the wave reflection from gradual-transition absorbers[J]. Acta Acustica, 1965, 2(4): 192–197.

[37]王源升, 楊雪, 朱金華, 等. 梯度高分子溶液的聲衰減[J]. 高分子材料科學與工程, 2005, 21(5): 129–132. WANG Yuan-sheng, YANG Xue, ZHU Jin-hua, et al. The underwater sound attenuation of gradient polymer solutions[J]. Polymer Materials Science and Technology, 2005, 21(5): 129–132.

[38]朱金華, 劉巨斌, 姚樹人, 等. 分層高分子介質中的聲吸收[J].高分子材料科學與工程, 2001, 17(2): 34–38. ZHU Jin-hua, LIU Ju-bin, YAO Shu-ren, et al. The acoustic absorption in layered polymer materials[J]. Polymer Materials Science & Engineering, 2001, 17(2): 34–38.

[39]徐步青. 功能梯度材料板殼結構的聲學問題研究[D]. 北京:北京交通大學, 2010. XU Bu-qing. Acoustic investigation on functionally graded material’s plate and shell structures[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University, 2010.

[40]HASHEMINEJAD S M, AHAMDI-SAVADKOOHI A. Vibroacoustic behavior of a hollow FGM cylinder excited by on-surface mechanical drives[J]. Composite Structures, 2010, 92(1): 86–96.

[41]姚熊亮, 葉曦, 王獻忠. 熱環(huán)境中功能梯度圓柱殼聲輻射特性研究[J]. 工程力學, 2013, 30(6): 334–339. YAO Xiong-liang, YE Xi, WANG Xian-zhong. The acoustic radiation characteristics of functionally graded cylindrical sehlls in thermal environment[J]. Engineering Mechanics, 2013, 30(6): 334–339.

[42]魯先孝, 馬玉璞, 林新志. 環(huán)氧樹脂/填料功能梯度材料的微波固化及其水聲性能研究[J]. 材料開發(fā)與應用, 2007, 22(4): 22–26. LU Xian-xiao, MA Yu-pu, LIN Xin-zhi. Microwave curing and underwater sound absorption of epoxy resin/filler functional graded materials[J]. Development and Application of Materials, 2007, 22(4): 22–26.

[43]KUSHWAHA M S, HALEVI P, DOBRZYNSKI G, et al.Acoustic band structure of periodic elastic composites[J]. Physical Review Letters, 1993, 71(13): 2022–2025.

[44]姜恒. 多尺度結構功能材料在水下聲隱身中的應用基礎研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學, 2009. JIANG Heng. Underwater-acoustic-stealth-oriented studies on functional meaterials with multi-level microstructure[D]. Harbin: Harbin Engineering University, 2009.

[45]LIU Zheng-you, ZHANG Xi-xiang, MAO Yi-wei, et al. Locally resonant sonic materials[J]. Science, 2000, 289(5485): 1734–1736.

[46]計淘. 局域共振聲子晶體的振動模型與隔振效果研究[D]. 上海: 上海交通大學, 2008. JI Tao. Research on vibration model and vibration isolation effect of the locally resonant sonic crystal[D]. Shanghai: Shanghai Jiaotong University, 2008.

[47]溫熙森. 光子/聲子晶體理論與技術[M]. 北京: 科學出版社, 2006.

[48]何宇漾, 靳曉雄, 魏歡. 薄板聲子晶體的彎曲振動特性[J]. 噪聲與振動控制, 2012(6): 141–145. HE Yu-yang, JIN Xiao-xiong, WEI Huan. Bending vibration performance of sheet-shaped phononic crystals[J]. Noise and Vibration Control, 2012(6): 141–145.

[49]RICHARDS D, PINES D J. Passive reduction of gear mesh vibration using a periodic drive shaft[J]. Journal of Sound and Vibration, 2003, 264(2): 317–342.

[50]溫激鴻. 聲子晶體振動帶隙及減振特性研究[D]. 長沙: 國防科學技術大學, 2005. WEN Ji-hong. Vibration attenuation and band gap characteristics of phononic crystals[D]. Changsha: National University of Defense Technology, 2005.

[51]郁殿龍, 劉耀宗, 王剛, 等. 二維聲子晶體薄板的振動特性[J].機械工程學報, 2006, 42(2): 150–154. YU Dian-long, LIU Yao-zong, WANG Gang, et al. Vibration property of two dimension phononic crystals thin plate[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2006, 42(2): 150–154.

[52]沈禮, 吳九匯, 陳花玲. 聲子晶體結構在汽車制動降噪中的理論研究及應用[J]. 應用力學學報, 2010, 27(2): 293–297. SHEN Li, WU Jiu-hui, CHEN Hua-ling. Applications of the phononic crystal structures to the reduction of brake noise[J]. Chinese Journal of Applied Mechanics, 2010, 27(2): 293–297.

[53]ZHAO Hong-gang, LIU Yao-zong, WEN Ji-hong, et al. Sound absorption of locally resonant Sonic materials[J]. Chinese Physics Letters, 2006, 23(8): 2132–2134.

[54]ZHAO Hong-gang, LIU Yao-zong, WEN Ji-hong, et al. Tricomponent Phononic crystals for underwater anechoic coatings[J]. Physics Letters A, 2007, 367(3): 224–232.

[55]JIANG Heng, WANG Yu-ren. Phononic glass: a robust acoustic-absorption material[J]. The Journal of the Acoustical Society of America, 2012, 132(2): 694–699.

[56]王育人, 姜恒, 陳猛, 等. 聲子玻璃寬頻水下強吸聲材料研究[C]//第十四屆船舶水下噪聲學術討論會論文集. 重慶: 中國造船工程學會, 2013.

[57]姜恒, 陳猛, 王育人. 聲子玻璃: 一種水下寬頻強吸聲材料[C]//第六屆全國強動載效應及防護學術會議暨復雜介質/結構的動態(tài)力學行為創(chuàng)新研究群體學術研討會論文集. 北京:中國力學學會, 2014.

[58]姜恒, 陳猛, 王育人, 等. 聲子玻璃物理建模的探索研究[C]//第十四屆船舶水下噪聲學術討論會論文集. 重慶: 中國造船工程學會, 2013.

The prospect and application of new materials on vibration and sound reduction of ships

ZHU Hong-zhen1, WANG Wei-bo2, GAO Cun-fa1
(1. State Key Laboratory of Mechanics and Control of Mechanical Structures, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China; 2. National Key Laboratory on Ship Vibration and Noise, China Ship Scientific Research Center, Wuxi 214082, China)

Traditional materials are still widely used in ship manufacturing at present, but the development of new materials gradually brings in new inspirations of ship design and its performance optimizing recently. This paper aims to provide new strategies for vibration and sound reduction of ships from a material standpoint. Several kinds of popular new materials including new damping material, negative Poisson's ratio material, giant magnetostrictive material, functionally graded material, phononic crystal and phononic glass are introduced. Their working theories, current research progress worldwide and the prospects of application on vibration and sound reduction of ships are stated in detail. Hope this overview can be a reference to new materials' applications on the ship design in the near future.

new materials；vibration and sound reduction；ship；prospect of application

TB3

：A

1672–7619(2016)12–0001–08

10.3404/j.issn.1672–7619.2016.12.001

2016–03–02；

2016–04–05

朱竑禎(1991–)，女，博士研究生，主要研究方向為復合材料力學。