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1、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 7 72009 年 6 月 材 料 开 发 与 应 用文 章 编 号 :1 003- 1 54 5 2009 03 - 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 4 7 1 039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

2、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 :O 61 4. 4 1 1 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

3、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 d y n a m i c 测 定 粘 弹 性 材 料 动 态 力 学 参 数 可 以 归 结 为 4 1 0m e c h a n i c a l a n

4、a l y s i s 、 受 迫 振 动 分 析 f o r c e d o s c i - l 两 类 方 法 , 一 类 通 过 测 量 材 料 样 品 的 振 动 响l a t o r y m e a s u r e m e n t s 、 动 态 机 械 热 分 析 DM T A 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 d y n a m i c t h e r m o m e c h a n i c a l 料 声 学 特 性 的 测 量 反 演 得 到 其 动 态 力 学 参 数 。a n a l y

5、s is 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

6、 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

7、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 1 0H z 2000H z 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. 001 H z 1 00H z 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

8、 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1 0 H z 1 0H z4固 定 - 自 由 、 自 由 - 自 由 、 S 形 弯 曲 弯 曲 模 量 1 0H z 1 0 H z2 4强 迫 共 振 自 由 - 自 由 扭 转 剪 切 模 量 1 0 H z 1 0 H z4 5纵 向 共 振 纵 向 模 量 1 0 H z 1 0 H z收 稿 日 期 :2008- 1 1 - 03

9、 7 8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- 31 0 H z 200H z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- 2S 形 弯 曲 弯 曲 模 量1 0 H z 85H z- 2平 行 板 扭 转 剪 切 模 量 1 0 H z 1 0H z声 波 传 播 杨 氏 模 量 3k H z 1 0k H z声 波 传 播超 声 波 传 播 纵 向 与 剪 切 模 量 125

10、M H z 1 0M H z利 用 声 学 特 性 反 演 材 料 动 态 力 学 参 数 也 被 现 被 T A 公 司 收 购 的 DM T A V 动 态 热 机 械 分 1 1 1 3国 内 外 学 者 广 泛 采 用 。 李 水 等 基 于 材 料 声 析 仪 ,T A 公 司 的 DM A 2980 热 机 械 分 析 仪 ,P e r k in传 播 速 度 与 动 态 模 量 的 关 系 , 通 过 测 量 材 料 声 速 E lm e r 公 司 的 DM A 7 e 热 机 械 分 析 仪 、 01 d B 公 司来 确 定 它 的 动 态 弹 性 模 量 , 利 用 宽

11、带 参 量 阵 声 源 的 DM A 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 20k H z 1 00k H z 水 声 构 件 采 用 振 动 法 测 试 粘 弹 性 高 频 动 态 力 学 性 能 技 术 1 1材 料 的 动 态 剪 切 模 量 。 P iq u e t t e 将 材 料 制 作 一 直 发 展 较 为 缓 慢 。 直 到 最 近 ,01 d B

12、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 1 2材 料 的 动 态 模 量 。 在 消 声 水 池 中 由 测 量 的 材 出 能 够 在 1 0k H z 频 率 以 下 测 量 材 料 动 态 力 学 性能 参 数 的 粘 弹 仪 器 V H F1 04 。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

13、能 参 数 频大 。 近 年 来 , 采 用 激 光 测 振 法 获 得 材 料 的 动 态 力 1 4 1 8学 性 能 参 数 的 方 法 受 到 越 来 越 多 的 关 注 。率 拓 展W i l l i s 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 1 4

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 4 0 、 0 3 4 5M P a 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

15、 展 粘 弹 性 材 料 的 测 试 频 1 9,20 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 2 5 测 试 材 料 动 态 力 学 性 能 的 标 准 较 多 ,G B / T 拟 预 测 粘 弹 性 材 料 的 动 态 力 学 性 能 。 利 用1 64 06- 1 996 声 学 声 学 材 料 阻 尼 性 能 的 弯 曲 共 粘 弹 性 材 料 的 温 频

16、 叠 加 原 理 , 将 频 率 和 温 度 对振 测 试 方 法 、 G B / T 1 8258- 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 、 G J B981 - 1 990 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 、 A N S I S 222- 1 998 、 动 态 力 学 性 能 数 据 。 这 种 方 法 早 在 20 世 纪 7 0A N S I S 223- 1

17、998 以 及 I S O 67 21 - 1 994 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 I S O 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 M e t r a v i b 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 R h e o v ib

18、 r o n , 美 国 的 Dy n a s t a t 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 7 9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

19、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 1 5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 C o l e - C o l e 模 学 性 能 , 对 于 耐 压 阻 尼 材 料 和 水 声 材 料 的 研 究 很型 ,D a v

20、i d s o n - C o le 模 型 , H a v r i l ia k - N e g a m i 模 有 意 义 , 值 得 关 注 。 美 国 加 州 大 学 的 研 究 成 果 显 26型 , 以 及 K o h l r a u s c h - W i l l i a m s - W a t t s K W W 模 示 , 他 们 已 经 获 得 了 静 压 力 条 件 下 聚 脲 的 动*型 等 。 H a v r i l i a k - N e g a m i 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

21、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 + E 1 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

22、其 是 静 压 力 条 件L y n n R o g e r s 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

23、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

24、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

25、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.MG u i l lo t 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 M e n a r d , K P e t e r. D y n a m ic M e c h a n i c a l A n

26、 a l y s i s: aP r a c t ic a l I n t r o d u c t io n M CR C P r e s s,1 999.模 量 系 统 。 被 测 样 品 附 在 压 电 陶 瓷 振 动 器 上 并 2 I S O 6721 - 1 :1 994 E S P la s t i c s - D e t e rm in a t io n被 激 励 , 垂 直 安 装 在 有 玻 璃 窗 口 的 压 力 容 器 中 。o f d y n a m i c m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s - P a r t : g e

27、n e r a l采 用 激 光 多 普 勒 振 动 测 试 仪 检 测 样 品 的 振 动 响p r in c ip l e s.应 。 采 用 这 种 方 法 可 以 获 得 小 于 207 M P a 压 力 3 过 梅 丽高 聚 物 与 复 合 材 料 的 动 态 力 学 分 析 M 下 1 00 H z 到 5 k H z 、 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.MG u i l lo t 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

28、 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 R e a d B E,D e a n G D. T h e D e t e rm in a t i o n o f D y n a m i c 1 4 性 能 参 数 。P r o p e r t ie s o f P o ly m e r s a n d C o m p o s i t e s M .W i le y ,W i l l i s 对 处 在 一 定 温 度 和 静 水 压 力 下 的 样 品N e w Y o r k ,1 978.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