粘弹性材料动态力学测试分析技术研究进展可编辑.docx
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粘弹性材料动态力学测试分析技术研究进展可编辑
粘弹性材料动态力学测试分析技术研究进展
77
2009年6月材料开发与应用
文章编号:
1003-1545200903-0077-04
粘弹性材料的动态力学测试分析技术研究进展
王兵,张用兵,林新志,陈磊
中国船舶重工集团公司第七二五研究所,河南洛阳471039
摘要:
本文对国内外粘弹性材料动态力学性能表征研究进行了综述,就如何获得声频范围特别是在静压力
条件下粘弹性材料的动态力学性能参数进行了总结,并对粘弹性材料动态力学性能表征的发展进行了展望。
关键词:
动态力学性能;高频;粘弹性;激光多普勒振动测试仪
+
中图分类号:
O614.411文献标识码:
A粘弹性材料在振动噪声治理以及水声工程切与平行板剪切、弯曲包括单悬臂梁、双悬臂
等方面得到了非常广泛的应用。
为了更加合理梁和三点弯曲、S形弯曲等。
表1给出了动态
有效地应用这些材料,准确地获得材料的动态力力学试验中常用的振动模式、形变模式和典型的
[3]
学性能参数是非常重要的。
动态力学性能的测频率范围。
定又称动态力学分析、动态机械分析dynamic测定粘弹性材料动态力学参数可以归结为
[4~10]
mechanicalanalysis、受迫振动分析forcedosci-l两类方法,一类通过测量材料样品的振动响
latorymeasurements、动态机械热分析DMTA应推算其动态力学性能参数,另一类则通过对材
或者动态热机械分析dynamicthermomechanical料声学特性的测量反演得到其动态力学参数。
analysis等等。
出现不同的称呼主要是因为早期声学测量法通过在自由场或阻抗管,测量样品的
测试仪器是由不同领域的工程师、化学家以及高声压反射或透射系数,计算得到材料的动态力
分子物理学家等发明并加以改进投放到不同的学参数。
振动测量主要有质量负载法、振动梁
[1]
使用用户手中造成的。
动态力学分析技术自法、动态热机械分析法等几种。
质量负载法是给
出现以来,得到了长足的发展,已经成为现代分待测材料样品附加一质量负载并激励其振动,通
析技术中非常重要的组成部分。
过对力和加速度的测量计算材料的复杨氏模量。
振动梁法是通过测量在一定边界条件下梁的谐
1粘弹性材料动态力学性能测试方振特性,导出被测材料的弹性模量和损耗因子,
这类方法只能测量不连续频率的材料参数,适用
法与测试仪器
于测量较低频段10Hz~2000Hz的复弹性模
[2]
量。
动态热机械分析可直接测量低频段范围一按照振动模式,粘弹性材料力学性能测试
般在0.001Hz~100Hz材料杨氏模量或剪切模
方法可分成四大类:
自由衰减振动法;强迫
量随温度和频率的变化。
共振法;强迫非共振法;声波传播法。
按照
形变模式,可分为拉伸、压缩、扭转、剪切夹芯剪
表1动态力学试验类型及典型测试频率范围
振动模式形变模式模量类型典型的频率范围
-1
自由振动扭转剪切模量
10Hz~10Hz
4
固定-自由、自由-自由、S形弯曲弯曲模量10Hz~10Hz
24
强迫共振自由-自由扭转剪切模量10Hz~10Hz
45
纵向共振纵向模量10Hz~10Hz
收稿日期:
2008-11-0378
材料开发与应用2009年6月
续表1
振动模式形变模式模量类型典型的频率范围
拉伸
杨氏模量
单向压缩
-3
10Hz~200Hz
单或双悬臂梁弯曲、三点弯曲弯曲模量
强迫非共振
夹心剪切,扭转剪切模量
-2
S形弯曲弯曲模量
10Hz~85Hz
-2
平行板扭转剪切模量10Hz~10Hz
声波传播杨氏模量3kHz~10kHz
声波传播
超声波传播纵向与剪切模量125MHz~10MHz
利用声学特性反演材料动态力学参数也被现被TA公司收购的DMTAV动态热机械分
[11~13]
国内外学者广泛采用。
李水等基于材料声析仪,TA公司的DMA2980热机械分析仪,Perkin
传播速度与动态模量的关系,通过测量材料声速Elmer公司的DMA7e热机械分析仪、01dB公司
来确定它的动态弹性模量,利用宽带参量阵声源的DMA系列等。
但由于高频振动难以稳定生成
和有效控制,同时在信号检测上也有一定困难,
作为测量声源信号,结合信号处理技术,可以快
速准确测量频率范围20kHz~100kHz水声构件采用振动法测试粘弹性高频动态力学性能技术
[11]
材料的动态剪切模量。
Piquette将材料制作一直发展较为缓慢。
直到最近,01dB公司在高
频激励信号的生成技术得到了较大的改进,研制
成球形的待测样品,通过测量其散射特性来计算
[12]
材料的动态模量。
在消声水池中由测量的材出能够在10kHz频率以下测量材料动态力学性
能参数的粘弹仪器VHF104。
料平板试样斜向入射声的反射系数和透射系数
可以反演材料参数,但低频测量时试验误差较
2粘弹性材料动态力学性能参数频
大。
近年来,采用激光测振法获得材料的动态力
[14~18]
学性能参数的方法受到越来越多的关注。
率拓展
Willis采用一种基于材料表面振动测量的材
料参数反演法,可对任意形状的材料样品、在连从表1中不难看出,材料高频范围内的动态
续的频率范围内同时测得复杨氏模量和复剪切力学性能数据可以采用强迫共振以及声波传播
[14]
模量。
该方法同时利用5台独立的非接触式等方法获得。
但由于声波传播测试影响因素较
激光干涉仪测量材料试样的动态响应,并同时进多,而强迫共振法不能得到频率连续变化的数
据,很难准确地描述材料在较宽的温度和频率范
行有限元数值分析,可测量7~40、0~345
MPa压力条件下杨氏模量随压力和温度变化数围的动态力学性能。
拓展粘弹性材料的测试频
[19,20]
据,并且这种方法可以不用时温叠加原理对数率一直是一些学者的努力方向。
为了理论
据进行频率拓展。
研究和实际应用的方便,常用数学分析方法来模
[21~25]
测试材料动态力学性能的标准较多,GB/T拟预测粘弹性材料的动态力学性能。
利用
16406-1996声学声学材料阻尼性能的弯曲共粘弹性材料的温频叠加原理,将频率和温度对
振测试方法、GB/T18258-2000阻尼材料阻尼材料动态力学性能的影响综合考虑,制作主曲线
性能测试方法、GJB981-1990粘弹阻尼材料强图,预测材料在较宽的温度和频率范围条件下的
迫非共振型动态测试方法、ANSIS222-1998、动态力学性能数据。
这种方法早在20世纪70
ANSIS223-1998以及ISO6721-1994等标准年代已经被美国空军采用,现在已经成为美国国
提出了测试这些参数的各种方法。
家标准和ISO标准。
粘弹性材料动态力学性能表征测试仪从宏观唯象的观点出发,对粘弹性材料建立
器动态粘弹谱仪如法国的Metravib粘弹谱适当的应力-应变本构关系,可用于对其动态力
仪,日本的Rheovibron,美国的Dynastat等是较学性能进行建模和预测。
常用的有标准线性模
早用来测量材料动态力学性能的主要仪器。
目型、通用化标准模型、分数导数模型和复模量模
[21]
前市场上测试仪器的型号有美国流变科学公司型等。
由于分数导数模型较好地符合粘弹性79
第24卷第3期王兵等:
粘弹性材料的动态力学测试分析技术研究进展
材料的动态力学特性,且需要的参数较少,被越维方向上表面运动,结合有限元方法获得材料的
[15]
来越多的学者所采用。
复杨氏模量和复剪切模量。
描述聚合物在频域或时域范围的动态机械获得粘弹性材料在静压力条件下的动态力
行为也有很多的模型,其中包括Cole-Cole模学性能,对于耐压阻尼材料和水声材料的研究很
型,Davidson-Cole模型,Havriliak-Negami模有意义,值得关注。
美国加州大学的研究成果显
[26]
型,以及Kohlrausch-Williams-WattsKWW模示,他们已经获得了静压力条件下聚脲的动
*
型等。
Havriliak-Negami模型将复模量E和
态力学性能,并建立了相应的模型,用于分析静
低频端橡胶态平台区模量、高频端玻璃态平台、压力对动态力学性能的影响。
[22~23]
区模量建立联系:
E-E
*0
4语结
E+E1[1+i]
式中,为圆频率,与损耗峰的宽度有关,为
本文对粘弹性材料动态力学性能参数的获
松弛时间,控制损耗峰的对称性。
和的值
得方法进行了总结,并针对目前制约耐静水压粘
在0和1之间。
弹性材料研发的声频范围尤其是静压力条件
LynnRogers提出了一种采用多项式复模量
下的参数的获得进行了讨论。
采用非接触式激
模型对粘弹性阻尼材料复模量数据进行处理,结
光多普勒振动测试仪测试材料的动态力学性能,
果表明该方法具有高精度和高效率处理数据能
减少了由于加速度计或电磁传感器附在试样所
[24]
力的特点。
带来的质量校正,从而也降低了试验误差。
在粘弹性材料动态力学性能参数表征方面
3静压力下粘弹性材料动态力学性
仍有以下问题值得关注:
1采用粘弹性材料温频等效原理进行频率
能参数的获得
拓展时,采用的模型仍需进一步优化;模型参数从上面分析不难看出,粘弹性材料动态力学
的物理意义有待进一步研究;拓展频段的有效性
性能参数测试方法经过长期的发展,已经非常成
需要相关测试手段的检验。
熟。
但目前市场上尚没有出现能够测试静压力
2粘弹性材料的动态力学性能随静压力变
下材料动态力学性能的仪器设备。
而粘弹性材
化规律有待更深入的研究,其参数的有效性仍需
料的耐静压性能日益受到国内外相关领域研究
要其他测试手段和相关理论的佐证。
者的高度关注,获得静压力下材料动态力学性能
3粘弹性材料动态力学性能的高频测试技
成为迫切需要解决的问题。
随着激光测试技术
术和复杂结构件的动态力学性能测试将成为一
的日臻成熟,这种愿望成为可能。
个重要的发展方向。
美国佐治亚理工大学F.MGuillot在其实验
参考文献:
室建立了测试材料随压力和温度变化的复杨氏[1]Menard,KPeter.DynamicMechanicalAnalysis:
a
PracticalIntroduction[M]CRCPress,1999.
模量系统。
被测样品附在压电陶瓷振动器上并
[2]ISO6721-1:
1994E[S]Plastics-Determination
被激励,垂直安装在有玻璃窗口的压力容器中。
ofdynamicmechanicalproperties-Part:
general
采用激光多普勒振动测试仪检测样品的振动响
principles.
应。
采用这种方法可以获得小于207MPa压力
[3]过梅丽高聚物与复合材料的动态力学分析[M]下100Hz到5kHz、温度在-2到50范围内
北京:
化学工业出版社,2002材料的复杨氏模量。
F.MGuillot分别采用了共
[4]王曼水声吸声覆盖层理论与实验研究[D]哈尔
振法测量低频段和波速法测量较高频段两
滨工程大学,2004.
种方法获得了静压力下粘弹性材料的动态力学
[5]ReadBE,DeanGD.TheDeterminationofDynamic
[14]
性能参数。
PropertiesofPolymersandComposites[M].Wiley,
Willis对处在一定温度和静水压力下的样品
NewYork,1978.
进行激励,用激光光束辐射到被测样品上,通过[6]李军丰阻尼材料弹性参数测量系统研究[D]哈
尔滨工程大学,2005.
对从样品散射信号的接收和处理而获得材料三
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