吴广

摘要：文章介绍了3种典型软物质阻尼材料：粘弹性阻尼材料、电流变体和磁流变体智能阻尼材料，并对阻尼机理和发展趋势进行了研究。

关键词：软物质；粘弹性阻尼材料；电流变体；磁流变体

软物质是处于固体和理想流体之间的物质，一般由大分子或基团组成，如液晶、高分子、胶体等，它对物质组成或结构的微小变化、施加于物质之上的瞬间或微弱的刺激等相对弱的外界影响能做出显著的强响应。当前，机械设备正向高速、高效、自动化方向发展，但其工作时产生的振动会严重破坏设备的精确度、可靠性和稳定性，产生的噪音也会危害人们的身心健康。阻尼材料是内阻尼高，弹性模量较大，将振动体的机械能转换为热能而耗散，用于控制振动和噪声的材料。阻尼材料中，粘弹性阻尼材料、电流变体和磁流变体智能阻尼材料是典型的软物质阻尼材料。粘弹性阻尼材料因其本身的结构使其成为一种最为有效的阻尼材料，其阻尼性能比高阻尼合金高出1～2个数量级。电流变体和磁流变体等智能阻尼材料因其对环境的自感知、自判断、自适应的智能性而成为未来的研究热点。

1 粘弹性阻尼材料

粘弹性阻尼材料是既具有弹性机理形变又具有粘性机理形变的阻尼材料，一般为高分子聚合物。粘弹性阻尼材料一般不作为结构材料，通常将其敷设在金属材料表面制备复合阻尼结构，此时由金属材料提供刚度，粘弹性材料提供阻尼，从而增加材料的使用温度范围和频率范围。广泛用于航天、航空、造船、汽车、铁路、纺织、电子、机械等行业。

聚合物结构中既存在着分子与分子间的相对运动，也存在着单个分子内部化学单元的自由旋转，在受到外力作用时，弯曲的分子链就会产生拉伸、扭曲等形变，分子之间的链段也会产生相对滑移、扭转等现象；在外力除去后，形变后的分子链和分子之间的相对运动都需要恢复原位，因此会释放外力而做功，这就是粘弹性材料的弹性。倘若分子链间的滑移、扭转等形变不能够完全复原了就会导致永久性的变形，这就是粘弹性材料的粘性。交变应力作用状态下的高分子材料，其链状分子运动需要一定的时间来克服阻力，在这个过程中，应变的变化通常会滞后于应力的变化。当外界的温度与高聚物的玻璃化温度Tg接近时，高聚物处于玻璃态转化区内，一定频率范围内这种滞后现象表现得尤为明显，滞后的形变运动因克服较大的阻力从而将外力做的功转化为热能而耗散掉，从而形成聚合物粘弹性阻尼。在阻尼过程中，拉伸时，聚合物体系通过改变分子链段的构象以及链段运动时的摩擦来消耗外力所做的功；回缩时，链段运动仍需克服链段间的摩擦阻力使伸展的分子链重新蜷曲起来。这样一个拉伸回缩循环中，就将部分振动能转化为热能。

聚合物粘弹性阻尼材料需满足以下条件：具有较高的材料损耗因子；具有较宽的损耗因子温度范围，能适应振动构件变化的工作环境温度；具有适当的材料储能剪切模量或杨氏模量；具有不易老化的特性，能匹配振动构件的工作寿命；具有良好的工艺性、耐油、耐腐蚀、耐高温及较好的阻燃性等。

粘弹性阻尼材料还需要在以下两方面进一步突破：（1）大幅度地提高材料的阻尼损耗因子；（2）大幅度地拓宽材料的玻璃化转变温度范围。现有的使用较多的粘弹性阻尼材料均属于振动的被动控制技术范畴，不能自动响应外界环境的变化，因此减震效果不够理想。今后应大力开展主动控制技术研究，使阻尼材料智能化、神经网络化，能根据振动环境的变化，实时自动地调节自身的参数。如将压电材料或压磁材料加入到粘弹性聚合物中，制成减震性能优良的阻尼材料，使机械能转化成电能，再由电能转化成热能，达到阻尼减震的目的。此外，仿生阻尼材料的研究也受到世人的关注，预计声子晶体亦将在阻尼材料中发挥应有的作用。这些新型阻尼材料的减震原理不能用传统的粘弹性阻尼理论作出解释，需要对其阻尼减震机理、各种因素的影响以及提高阻尼作用的途径等进行深入研究。

2 智能型软物质阻尼材料

智能阻尼材料能满足功能结构一体化的要求，且能适应各种复杂环境（环境温度变化较大、振动频率复杂等），可通过优化设计材料的结构实现对外界环境的自感知、自判断和自适应，满足不同领域的要求，发展极为迅速。电流变体和磁流变体就是两种典型的智能软物质阻尼材料。

2.1 電流变体材料

电流变液是由纳米至微米尺度的介电颗粒与绝缘液体混合而成的复杂流体，按其体系结构可分为粒子分散型和均一溶液型两大类，粒子分散型电流变液是指粒径在0.1-10μm的固体粒子在分散介质如氯化石蜡油、硅油等绝缘油类中所形成的悬浮式分散液，均一溶液型电流变液是指一些强极性有机及高分子聚合物溶液。其特点是可通过外加电场而使液体中的固体颗粒极化，极化颗粒通过相互间的静电作用排列成三维链状结构而使流体的表观黏度增大。链状结构的力学强度随电场的增大而增加，从而使电流变体的表观黏度依电场强度不同而不同。由此，可以通过调节电场强度而在毫秒级的时间内可逆、连续地改变电流变体的黏度，使其呈现为流体、半固体、甚至固体状态，其阻尼损耗因子可由0急剧增至18。在以电流变体制作阻尼器中，外加振动能量通过电流变体传递时，将因克服流体黏度造成的阻力而被消耗。微机系统接收到该结构的振动响应信号后会及时对结构所需的外加电场发出指令，通过控制外加电场调节电流变体的黏度便可控制其对能量的衰减。

电流变技术在结构振动控制领域的应用，主要可归结为两大类：一是将电流变液直接充填于结构内，形成含有电流变液的夹层结构，按照一定的控制律对外加电场的调节，来控制阻尼和附加刚度的变化，从而控制结构的振动。这类应用中电流变液在结构中的充填分布形式受到了实际结构的许多限制。二是在结构中设计可控的电流变阻尼器，对结构振动进行半主动或主动的控制，按照相应的控制律控制阻尼器的外加电场，实现对结构振动的有效控制。

要实现电流变液在阻尼减震中的应用，仍需解决以下4个关于基础理论和应用技术方面的问题：（1）非电场下的电流变液黏度过高，有电场时屈服强度又不够，导致不能传输出足够的力矩的问题；（2）应用在离合器和减震器中时，会存在因磨损或吸收冲击热量而引起电流变液温度升高的问题；（3）因电流变液中的悬浮颗粒易发生凝聚、沉降、分层及至放置一段时间后，会出现电流变液屈服应力大幅下降、稳定性不好的问题；（4）目前电流变器件的辅助装置在体积小、重量轻、可调高压电源等性能方面均存在有待提高的问题。随着这些问题的解决，电流变液的剪切屈服应力和表观黏度可随外加电场改变的特性将使得电流变液成为一种理想的阻尼因子可控的阻尼材料，因此可以设计出具有特定结构形式的、用于结构减震和振动抑制的电流变液阻尼构件，这己成为如今振动控制工程领域的一个热点方向。

2.2 磁流变体阻尼材料

磁流变液材料是磁场可控的智能材料，通常由微米级的磁性颗粒（含铁钴镍元素的颗粒或其合金）、非磁性载液（水或各种油类物质）和添加剂构成。在没有外部磁场作用时，磁流变体符合牛顿流体的特征，具有较低的黏度。当磁流变液受到磁场作用时，磁性微粒克服热运动而沿磁场方向结成链状结构，同一条极化链中各相邻粒子间的吸引力随外加磁场强度的增强而增大。当磁场增至临界值时，磁偶极子的相互作用超过热运动，则磁性微粒热运动受缚，其表观粘滞系数增加两个数量级以上，此时磁流变液呈现固体特性，而磁场去掉时又变成液体。通过控制电磁线圈电流的大小来调整磁场强度进而改变磁流变液的黏度，实现阻尼可调的目的。

磁流变液阻尼材料的特点：（1）具有连续性，阻尼力可以通过控制磁场的大小进行调节；（2）具有可逆性，去掉磁场后磁流变液由具有一定剪切强度的粘塑性体恢复为自由流动的液体状态；（3）具有毫秒级时间的响应速度。磁流变液因其响应速度快、调节范围宽、结构简单等独特的优势，在振动控制等众多领域有极大的发展前景，能有效地减小实际应用中的各种振动对建筑、汽车、航空航天等领域的损害。

3 结语

随着高新技术的发展，软物质阻尼材料的应用越来越广泛，对其性能的要求日益提高，研究和开发具备优异阻尼性能的材料和提出其发展方向具有十分重要的意义。未来软物质型阻尼减震材料的研究主要是集中在新型材料和结构方面。阻尼机理及制备具有高阻尼性能和物理性能的软物质阻尼材料需要继续深入研究。以高分子为基体进行改性，研制和开发具有绿色、经济、长寿命、宽温域、高性能、智能化的软物质阻尼材料是未来最重要的发展方向，尤其是智能型阻尼材料将为阻尼材料的宽温域、高性能、智能化、功能结构一体化提供广阔的发展前景。