任小逆，洪 玲，高琛琪，李晟昊，陳棟梁

(1. 上海大學(xué) 理學(xué)院 化學(xué)系，上海 200444；2. 上海火克新材料有限公司，上海 200438)

船用阻尼材料研究進(jìn)展

任小逆1，洪 玲1，高琛琪1，李晟昊1，陳棟梁2

(1. 上海大學(xué) 理學(xué)院 化學(xué)系，上海 200444；2. 上?；鹂诵虏牧嫌邢薰荆虾?200438)

介紹船用阻尼材料的常用結(jié)構(gòu)，提出阻尼材料的阻尼機(jī)理以及評定阻尼效果的方法，對國內(nèi)外船用阻尼材料的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，明確國內(nèi)阻尼材料未來的研究方向。

船舶；阻尼；約束阻尼；損耗因子

0 引 言

艦船航行中產(chǎn)生的振動與噪聲不僅嚴(yán)重降低乘坐的舒適性，影響船員休息，更加降低艦船的技術(shù)性能，使機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞損壞、儀器儀表工作發(fā)生異常等。由于艦船制造工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的特殊要求，設(shè)法降低艦船的振動和噪聲是研究的一個重點(diǎn)[1-4]。

減振降噪采取的技術(shù)措施一般有2種：一是設(shè)法降低噪聲源本身的噪聲和振動強(qiáng)度，二是用阻尼和吸收材料使振動和噪聲能量耗散，從而限制振動和噪聲在結(jié)構(gòu)和空氣中的傳遞。相比而言，采用阻尼材料治理振動和噪聲實(shí)施起來比較方便，是目前普遍應(yīng)用的減振降噪手段[5]。

艦船減振降噪可以通過阻尼材料本身、阻尼結(jié)構(gòu)形式和阻尼系統(tǒng)等予以實(shí)現(xiàn)。艦船上阻尼材料常以自由阻尼結(jié)構(gòu)和約束阻尼結(jié)構(gòu)2種結(jié)構(gòu)形式存在，自由阻尼材料通過將其直接粘貼或噴涂在需要減振降噪處理的結(jié)構(gòu)物上以達(dá)到減振降噪的目的。約束阻尼材料則是在自由阻尼材料的外面再附加一層模量較高的約束層材料。

1 阻尼機(jī)理

從減振降噪的角度考慮，阻尼是指損耗振動能量的能力，也就是將機(jī)械振動及聲振的能量，轉(zhuǎn)變成熱能或其他可耗損的能量，從而實(shí)現(xiàn)減振降噪[6-7]。

一般來說，復(fù)合材料的阻尼主要貢獻(xiàn)來自基體，聚合物材料在交變應(yīng)力的作用下由于所特有的粘彈性，形變會落后于應(yīng)力的變化，發(fā)生滯后現(xiàn)象，有一部分功（機(jī)械能）以熱或其他形式消耗掉，從而產(chǎn)生力學(xué)損耗并起到阻尼作用。阻尼值的大小通常用形變落后于應(yīng)力的相位角正切tanδ或β表征，tanδ與模量E的關(guān)系如式（1） 所示。

其中實(shí)部E'表示儲能模量；虛部Equot;表示耗能模量。

材料損耗因子的影響因素除了基體本身的結(jié)構(gòu)外，復(fù)合材料中填料的本征阻尼，填料和基體之間的摩擦阻尼等也為耗散能量提供了前提。

2 阻尼材料效果評定

2.1 阻尼材料損耗因子的測試方法

GB/T 16406-1996規(guī)定了采用懸臂梁和自由梁方法測試阻尼樣條或者復(fù)合試樣樣條的阻尼損耗因子tanδ的測量方法。ASTM E756-04則采用懸臂梁方法測量均勻阻尼樣條或者復(fù)合試樣樣條的阻尼損耗因子tanδ[8-9]。

2.2 薄板復(fù)合試樣阻尼性能測試方法

雖然阻尼損耗因子在頻域上描述了阻尼材料的性能，但由于阻尼損耗因子的各種測量方法都存在一定局限性，且工程中實(shí)際最關(guān)心的是“采取阻尼措施后，能夠降低多少振動響應(yīng)”。因此，阻尼材料應(yīng)用效果的最終評價一般采用類似隔振裝置插入損失的評定方法，即比較評估點(diǎn)在阻尼材料敷設(shè)前后的振動級或聲級。

板件阻尼測試方法沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，目前在實(shí)際工程中采用的是一種在薄板上復(fù)合各種阻尼型式進(jìn)行測試的方法。通過激振，并拾取薄板或復(fù)合結(jié)構(gòu)的響應(yīng)來獲得其減振性能參數(shù)。測量阻尼處理前以及阻尼處理后薄板結(jié)構(gòu)的阻尼損耗因子、減振效果（即振動響應(yīng)插入損失）[10-11]。

式中：Δfi為結(jié)構(gòu)的第i階共振峰的半功率寬度； fi為結(jié)構(gòu)的第i階共振頻率。

式中：n為薄板上響應(yīng)測點(diǎn)數(shù)； Li為第i點(diǎn)振動加速級，dB。

這種測量方法主要優(yōu)點(diǎn)是能夠進(jìn)一步明確結(jié)構(gòu)的不同板厚以及阻尼-基板不同厚度比情況下，阻尼處理的實(shí)際效果，并且能夠在較高的動態(tài)應(yīng)變水平下描述復(fù)合結(jié)構(gòu)的阻尼特性。

2.3 空氣隔聲性能的實(shí)驗(yàn)室測試

工程中還常采用空氣噪聲級的衰減量作為阻尼技術(shù)應(yīng)用效果的評估參數(shù)[12-13]。例如，西卡的阻尼甲板通過測量阻尼處理前以及阻尼處理后的隔聲量評估材料的降噪效果。

3 船用阻尼材料的研究現(xiàn)狀

3.1 船用阻尼材料的結(jié)構(gòu)形式與特點(diǎn)

艦船上阻尼材料常以自由阻尼結(jié)構(gòu)和約束阻尼結(jié)構(gòu)2種結(jié)構(gòu)形式使用，相應(yīng)的材料可分別稱作自由阻尼材料和約束阻尼材料。自由阻尼材料直接粘貼或噴涂在需要減振降噪處理的結(jié)構(gòu)物上，它可以是單面，也可以是雙面。約束阻尼材料則是在自由阻尼材料的外面再附加一層約束層材料共同構(gòu)成，約束層材料一般為模量較高的金屬等。

浮動甲板能減少從船體結(jié)構(gòu)到艙室甲板結(jié)構(gòu)間結(jié)構(gòu)噪音或振動的傳播，阻尼層與浮動地板結(jié)合，可以達(dá)到一個非常好的降噪效果。

3.2 國內(nèi)外的研究應(yīng)用現(xiàn)狀

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國船用阻尼材料的型號眾多。有做自由阻尼材料使用的阻尼板，阻尼膏；還有在阻尼層外再涂覆環(huán)氧或水泥基約束層的約束型阻尼涂料或甲板輔料；最近麻城通達(dá)和湖北海風(fēng)還推出了將阻尼材料鋪設(shè)在浮動甲板下方或浮動甲板層間的構(gòu)造。阻尼層基本均用雙組份無溶劑聚氨酯做基料，填以阻尼、阻燃類填料，一般阻尼層比較稠厚，需要刮涂。表1列出了艦船使用的部分阻尼材料品種及性能。

典型的國產(chǎn)阻尼材料應(yīng)用示意圖如圖4～圖5所示。

表 1 國內(nèi)船用阻尼材料匯總Tab. 1 A collection of domestic marine damping materials

國外產(chǎn)品較多采用自流平阻尼層+自流平約束層的復(fù)合結(jié)構(gòu)，或自流平阻尼與浮動地板相結(jié)合的結(jié)構(gòu)型式，施工便捷，降噪效果好，最高可達(dá)40～60 dB，阻燃效果很好，有些結(jié)構(gòu)可通過A60的耐火認(rèn)證。

表 2 國外船用阻尼材料匯總Tab. 2 A summary of foreign Marine damping materials

典型的國外阻尼材料應(yīng)用示意圖如圖6所示。

4 船用阻尼材料的發(fā)展方向和目標(biāo)

艦船制造工業(yè)的迅速發(fā)展，使得船體設(shè)計中的噪聲控制越來越被人們重視。噪聲控制是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，需要各項(xiàng)技術(shù)的同步發(fā)展，隨著新材料的不斷涌現(xiàn)、新技術(shù)的不斷進(jìn)步，阻尼材料正朝著寬溫、寬頻、功能復(fù)合化的方向發(fā)展，阻尼的合理運(yùn)用將會對高性能船的降噪減振有著非常好的實(shí)用前景。

[1]蔡國棟. 船用阻尼材料應(yīng)用概況及施工工藝探討[J]. 材料開發(fā)與應(yīng)用, 2009, 24(6): 76-79.CAI Guo-dong. Application and process technolgy of damping material for naval vessels[J]. Development and Application of Materials, 2009, 24(6): 76-79.

[2]王晏研, 陳喜榮, 黃光速. 復(fù)合阻尼材料最新研究進(jìn)展[J]. 材料導(dǎo)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.

[3]張忠明, 劉宏昭, 王錦程. 材料阻尼及阻尼材料的研究進(jìn)展[J]. 功能材料, 2001, 32(3): 227-230.ZHANG Zhong-ming, LIU Hong-zhao, WANG Jin-cheng.Damping of materials and progress in the damping materials[J]. Functional Materials, 2001, 32(3): 227-230.

[4]顧健, 武高輝. 新型阻尼材料的研究進(jìn)展[J]. 材料導(dǎo)報, 2006,20(12): 53-61.GU Jian, WU Gao-hui. Research progress in novel damping materials[J]. Materials Review, 2006, 20(12): 53-61.

[5]黃其柏. 噪聲控制工程學(xué)[M]. 武漢: 華中理工大學(xué)出版社,1990.

[6]譚亮紅. 阻尼材料和隔聲材料的開發(fā)及應(yīng)用研究[D]. 長沙:中南大學(xué), 2013.

[7]SHAMIR D, SIEGMANN A, NARKIS M. Vibration damping and electrical conductivity of styrene-butyl acrylate random copolymers filled with carbon black[J]. Journal of Applied Polymer Science, 2010, 115(4): 1922-1928.

[8]聲學(xué)材料阻尼性能的彎曲共振測試方法[S]. 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 16406-1996).

[9]Standard test method for measuring vibration-damping properties of materials [S]. 美國材料與測試學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)(ASTM E756-04).

[10]SERGE T. Viscous-flow calculations for bare hull DARPA SUBOFF submarine at incidence[J]. International Shipbuilding Progress, 2008(55): 227-251.

[11]汪浩, 肖邵予. 阻尼材料減振性能試驗(yàn)研究[J]. 中國艦船研究, 2009, 4(1): 38-42.WANG Hao, XIAO Shao-yu. Experimental study on damping properties of acoustical materials[J]. Chinese Journal of Ship Reaserch, 2009, 4(1): 38-42.

[12]劉海. 阻尼材料在水面艦船的應(yīng)用[J]. 船舶與海洋工程,2016, 32(1): 74-78.LIU Hai. Application of damping material on surface vessels[J]. Naval Architecture and Ocean Engineering, 2016,32(1): 74-78.

[13]李寧, 龍宇飛, 石崇. 粘彈性阻尼材料阻尼處理及在船體振動控制中的應(yīng)用[J]. 材料開發(fā)與應(yīng)用, 2015, 30(3): 47-52.LI Ling, LONG Yu-fei, SHI Chong. Optimized design of viscoelastic damping treatments and its application on hull vibration contral[J]. Development and Application of Materials, 2015, 30(3): 47-52.

The research progress of marine damping materials

REN Xiao-ni1, HONG Ling1, GAO Chen-qi1, LI Sheng-hao1, CHEN Dong-liang2
(1. Shanghai University, Shanghai 200444, China; 2. Shanghai Huoke New Materials Co., Ltd., Shanghai 200438, China)

This paper introduced the common structure of damping materials used on ships. Then put forward the damping mechanism of damping materials and the methods to evaluate the damping effect. At the same time, the paper analyzed the current research status of domestic and international marine damping materials. At last, it present research direction of domestic damping materials in the future.

marine；damping；constrained damping；loss factor

U661.44

A

1672-7649(2017)11-0001-04

10.3404/j.issn.1672-7649.2017.11.001

2017-02-22

任小逆(1992-)，女，碩士研究生，主要從事防火密封膠、船用甲板阻尼材料等研究。