高分子阻尼材料

高分子阻尼材料也稱高分子吸振材料。能將機械振動能或聲能轉變成熱能而耗散，並能防止或減輕機械振動對部件的破壞作用的高分子材料。由於高分子材料存在一個由玻璃態向高彈態轉變區，其特徵為高聚物剪切模量約下降三個數量級，同時內耗上升，出現峯值。因此高分子的阻尼特性．僅在玻璃化轉變區有最大值。這意味着該區是高聚物用作阻尼材料的最佳温度區。但高聚物的玻璃化温度還與外力作用頻率有關。因此要根據振動頻率和使用温度的要求，選擇適宜的聚物作吸振阻尼材料。

均聚物的玻璃化轉變區都比較窄，一般僅有10～20℃，所以可以利用高聚物共混、接枝共聚、發展互穿網絡、加入合適填料等改性方法，改變或增寬玻璃化轉變區域，從而拓寬阻尼值，擴大使用温度和頻率的範圍。

隨着現代工業的發展，振動工具和產生強烈振動的大功率機械不斷增多，各種機械設備在運轉及工作過程中帶來的振動危害也日益嚴重，在日常生活中，這類振動和噪聲會給人們的生活和工作、甚至身體健康帶來不良的影響，比如損傷聽力、影響睡眠、誘發疾病等；在工程領域，振動和噪聲帶來的寬頻帶隨機激振會引起結構的多共振峯響應，直接影響電子器件、儀器和儀表的正常工作，嚴重時造成災難性後果；在軍事領域，由於武器裝備和飛行器的發展日趨高速化和大功率化，各種飛行器在飛行過程中受到發動機和高速氣流的激勵，所產生的振動和諧動響應而產生的結構疲勞是十分嚴重的。潛艇和氣墊船受到發動機的激勵，產生的高分貝噪聲將嚴重影響戰鬥力，為此人們研究並開發出了多種減小振動和降低噪聲的有效方法和技術措施，其中阻尼技術是控制結構共振和噪聲的最有效的方法，是解決減振、降噪問題的最重要的手段。目前，功能性阻尼材料已經在尖端武器裝備、航天飛行器、航海、民用建築、環境保護等方面得到了廣泛應用。

阻尼的基本原理是損耗能量，材料在經受振動變形時把機械振動能量轉變為熱能耗散掉的能力稱為阻尼。阻尼越大，輸入系統的能量便能在較短時間內損耗完畢，因而系統從受激振動到重新靜止所經歷的時間就縮短，所以阻尼也可理解為系統受激後迅速恢復到受激前狀態的一種能力。

阻尼材料的種類很多，概括起來可以分為以下幾種：黏彈性阻尼材料（即高聚物阻尼材料）、複合阻尼材料、陶瓷類耐高温阻尼材料、智能型阻尼材料（壓電阻尼和電流變流體。不同阻尼材料的阻尼性能相差極大，可達幾個數量級。大多數結構材料如金屬材料的損耗因子較小，而高聚物黏彈材料的損耗因子較大。高聚物阻尼材料作為一類新的功能材料，將會向着高性能、智能化、精細化的方向發展。 ^[1] 

高分子材料的阻尼結構，主要分為自由阻尼層和約束阻尼層兩種形式。自由阻尼層是將吸振材料直接粘貼或噴塗在被減振部件上。這種吸振方式，要求吸振材料的阻尼值較高而寬，模量值也要大。約束阻尼層是將吸振材料夾在具有一定剛度的金屬片或複合材料與被減振部件之間，從而提高其吸振性能。

一般可選擇丁腈橡膠、聚硫橡膠、丁基橡膠、聚氨脂彈性體、聚乙烯醇縮丁醛、聚丙烯酸甲酯、增塑的聚氯乙烯、互穿網絡型的聚異丁基醚、半互穿網絡的二元和三元乙丙橡膠，以及各種發泡塑料作為吸振減噪材料。這些阻尼材料廣泛應用於火箭、導彈、人造衞星、精密儀器、橋樑支座、高層建築防震結構等方面。

均聚物的玻璃化轉變區一般都較窄，有效的阻尼温域只有20一30℃（玻璃化轉變區）。均聚物不適合直接用於寬温寬頻阻尼減振材料。可以通過對聚合物改性提高聚合物的阻尼性能。常採用的改性方法包括加入增塑劑、填料或纖維、通過共混、共聚、採用互穿聚合物網絡（IPN）等。

(1)共混

將兩種聚合物進行共混是製備高聚物阻尼材料最常用的方法。共混組分必須是部分互溶的，兩組分的丁，相差大一些，一般在50℃範圍內。相差50℃的範圍，可基本保證阻尼温度區域約為100℃左右。如將聚丙烯酸酯和硅橡膠進行共混，製備使用温度和頻率範圍均較寬的複合橡膠阻尼材料，阻尼温域可擴大到140～150℃。

(2)共聚

通過接枝和嵌段共聚製備的共聚物可以在寬廣的範圍內呈現良好的阻尼性能。增加側鏈的數目和增大側鏈的極性，均可提高接枝共聚物的阻尼性能。例如，將長鏈的甲基丙烯酸酯接枝到聚硅氧烷上，可獲得性能優良的阻尼材料。丁苯橡膠有龐大的側苯基，丁腈橡膠有極性強的側氰基，丁基橡膠有大量的側甲基，它們的鏈段運動時摩擦阻力較大，內耗也較大，因而都具有優良的阻尼性能。如丁基橡膠的損耗峯可以從 -70℃一直持續到20℃，是一個有效功能區相當寬的阻尼材料。

通常嵌段共聚物中一種分子鏈段柔順，玻璃化温度較低，另一種鏈段較硬，玻璃化温度較高、有時還要加入帶有特定官能團的單體，以加強各組分分子之間的交聯。典型的嵌段共聚物阻尼材料有聚醋酸乙烯酯/丙烯酸酯類橡膠系阻尼材料。

(3)互穿聚合物網絡

互穿網絡聚合物（IPN）是兩種或兩種以上的聚合物網絡相互穿透或纏結所構成的化學網絡共混體系，其中一種網絡是在另一網絡的直接存在下聚合或交聯而形成的。聚合物中各網絡之間只存在物理貫穿而無化學結合，IPN在兩方面表現出與機械摻混體及化學共聚物不同的性質，它在溶劑中只能溶脹，不能溶解。其流動和蠕變受到阻抑。 ^[2]