摘 要：针对ZN- 35硅橡胶材料宽频范围下的动态力学性能问题，通过DMTA动态热机械仪测试了ZN- 35硅橡胶材料在11个不同温度下低频范围内的储能模量、损耗模量、损耗因子. 依照国军标GJB981—90黏弹性材料强迫非共振型动态测试方法和主曲线绘制方法，通过对测量数据的计算和处理，绘制出该种材料的主曲线. 预测出了各个温度下在更高频率下的动态力学性能，为减振材料的使用及减振器件设计提供了基础数据. 结果表明：相同频率下，随着温度的升高，ZN- 35硅橡胶储能模量与损耗模量呈下降趋势. 当温度恒定时，储能模量和损耗模量会随着频率的升高而升高，直至趋于稳定. 主曲线方法可以准确地得到ZN- 35硅橡胶材料的高频动态力学性能.
关键词：黏弹性阻尼材料； 温度； 频率； 储能模量； 损耗模量； 损耗因子； 主曲线
阻尼材料是一种振动衰减材料,在机械振动传递过程中具有消耗动能的作用，使结构的共振频率降低或转移. 由于材料的阻尼，在自由振动中造成振幅的衰减，在强迫振动中产生响应振幅的抑制或形变相位落后于外加载荷，达到振动衰减的目的[1].
黏弹性阻尼材料的研究和应用有悠久的历史，早在20世纪30年代就有人用海绵橡胶作阻尼材料控制振动，20世纪50年代，德国Oberst和法国Lienard首先发明了自由阻尼结构,并实际应用于工程中. 美国是最早在潜艇、驱逐舰、导弹、卫星上采用阻尼结构的国家[2]. 苏联在减振降噪技术和阻尼材料的研究领域同样有显著成就，特别是在舰艇上大量应用阻尼材料，使舰艇的噪声明显降低. 目前，黏弹性阻尼材料已广泛应用在航空、航天、船舶、交通、机械及建筑等工业部门.
ZN- 35硅橡胶，属于黏弹性阻尼材料，具有如下特点[3-4]： 1) 高温性能. 硅橡胶显著的特征是高温稳定性，在200 ℃以上的高温环境下，硅橡胶仍能保持一定的柔韧性、回弹性和表面硬度，且力学性能无明显变化; 2) 低温性能. 硅橡胶的玻璃化温度一般为-70～50 ℃，特殊配方可达-100 ℃，表明其低温性能优异，这对航空、宇航工业的意义重大; 3) 电气性能. 硅橡胶具有优异的绝缘性能，耐电晕性和耐电弧性也非常好. 所以将ZN- 35硅橡胶材料应用于航空领域有着重要意义.
关于ZN- 35硅橡胶的动态力学特性并未见相关文献，本文以ZN- 35硅橡胶为对象，试验研究了ZN- 35硅橡胶不同温度下的储能模量、损耗模量、损耗因子，并分析了不同温度、不同频率下动态力学性能变化趋势及原因. 最后，通过对测量数据进行分析，绘制出该种材料的主曲线，预测出了各不同温度与不同频率下的动态力学性能，为减振材料的使用及减振器件设计提供了基础数据.
1 黏弹性阻尼材料的动态力学性能
黏弹性阻尼材料特有的性能是其动态力学性能. 在噪声与振动控制领域中，更为关心的是黏弹性阻尼材料的动态力学性能[5]. 在交变应力作用下，黏弹性阻尼材料的应力、应变不同步，应变滞后于应力，存在一个相位差. 动态力学性能的基本参数是储能模量、损耗模量和损耗因子. 储能模量正比于一个加载周期内储存的最大能量，表示黏弹性材料的刚度或储存机械能的量度，反映材料的回弹能力. 损耗模量正比于一个加载周期的耗散能量，是材料阻尼的量度或机械能变成热能的量度[6]. 损耗因子等于损耗模量与储能模量之比，其值的大小标志材料耗散能量的能力，量纲为一.
黏弹性阻尼材料的动态力学性能是温度和频率的函数. 因此本文采用频率谱来描述ZN- 35硅橡胶的动态力学性能. 频率谱是在恒定温度下改变频率测量出的一组动态力学性能数据，依据此数据作图便可得到频率谱.
2 试验材料及试验装置
2.1 试验材料
试验采用ZN- 35硅橡胶试样如图1所示，ZN- 35硅橡胶试样为2 mm厚薄片，且裁成15 mm×6 mm条状.
图1 硅橡胶试样
Fig.1 Silicone rubber sample
2.2 试验装置
本试验采用Rheometric Scientific公司生产的动态热机械分析仪DMTA V，如图2所示.
图2 动态热机械分析仪DMTA V试验装置
Fig.2 DMTA V experimental device
动态热机械分析仪是通过控制作用于黏弹性材料试件上的作用力，并测量试件上产生的位移，测量黏弹性材料试件力学性能与时间、温度或频率的关系[7-8]. 作用于试件上的力一般为周期性(正弦)变化的机械应力. DMTA可测定黏弹性材料在不同频率、温度、载荷下动态的力学性能.
本试验采用的动态热机械分析仪DMTA V由主机、控制系统及液氮罐等组成(见图2). 其中试件装卡部分如图3所示.
图3 拉伸夹具
Fig.3 Tensile fixture
3 测试条件及结果
3.1 测试条件
试验的测试条件设置如下：选择恒温扫频测试方式，作用力方式选择为拉伸. 初始静态力为0.5 N. 最小静态力为0.000 1 N. 温度测试点为-55、-40、-25、-10、0、25、30、40、55、70、85 ℃. 作用力频率为0.1～25 Hz.
3.2 测试结果及分析
设定试件控制温度，对试件进行试验，即可得到储能模量、耗能模量与损耗因子. 其中温度为-10 ℃时得到的储能模量、耗能模量、损耗因子及测试温度分别如图4～7所示.
图4 -10 ℃材料储能模量
Fig.4 Energy Storage modulus spectrum at -10 ℃
图5 -10 ℃材料损耗模量
Fig.5 Loss modulus spectrum at -10 ℃
图6 -10 ℃材料损耗因子
Fig.6 Loss factor spectrum at -10 ℃
图7 -10 ℃工况下实际测试温度
Fig.7 Actual test temperature at -10 ℃
对温度点-55、-40、-25、-10、0、25、30、40、55、70、85 ℃下3次试验结果取算数平均值,并绘制出储能模量、损耗模量、损耗因子频谱，分别如图8～10所示.
图8 储能模量频谱
Fig.8 Energy storage modulus spectrum
图9 损耗模量频谱
Fig.9 Loss modulus spectrum
图10 损耗因子频谱图
Fig.10 Loss factor spectrum
分析频谱图，可以得出在相同频率下，随着温度的升高，储能模量与损耗模量呈下降趋势. 温度从低到高，分子的流动性增加，微观上呈现出不同的分子运动形式；宏观上，聚合物将经历玻璃态、橡胶态和黏流态3种力学状态. 温度越低，分子几乎处于“冻结”状态，此时储能模量和损耗模量最大，随着温度升高，分子链开始“解冻”，分子运动空间开始变大，外力作用的部分机械能会被耗散，储能模量会减小，损耗模量也会减小.所以恒定频率下，储能模量随温度升高而降低， 损耗模量随温度升高而降低，损耗因子是损耗模量与储能模量的比值，其值随温度升高而增大[9].
当温度恒定时，储能模量和损耗模量会随着频率的升高而升高直至趋于稳定[10]. 这是因为频率的影响和温度的影响刚好相反. 在某一温度下， 聚合物经历黏流态、橡胶态和玻璃态， 从橡胶态到玻璃态转换过程中，储能模量随频率的增加而增加，损耗模量从橡胶态开始增加到转变区达到最大后开始下降直至玻璃态，损耗因子也是从橡胶态开始增加到转变区达到最大后开始下降直至玻璃态.
4 主曲线原理及绘制
4.1 温频等效原理
对于大多数高分子聚合物,同一个力学松弛现象可在较高的温度下于较短的时间内观察到,也可以在较低温度下于较长时间内观察到,即温度和频率之间存在着一定的等效关系. 温度不变而频率增加时,材料的动态力学性能的变化与频率不变而降低温度时具有相同的效果. 为了从多组频率和温度数据获得完整的力学谱,必须引入温频等效原理(time-temperature superposition,TTS). 这种温频等效原理可用来估算材料在测量范围以外的动态力学性能,如仪器无法实现的高频测量，却可以在低温下实现[11].
Williams等研究发现，一个因子可以将某温度下测得的一组频率数据转换为不同温度下相应的另一组数据. 也就是说，在频率f和温度T所测得的模量值可以转换成在折算频率fr和参考温度T0下的模量值. 这个因子称为转换因子a(T),a(T)可用WLF(Williams, Landel and Ferry)方程表示，
式中C1和C2均为常数，有多种形式，与参考温度T0的取值和聚合物的种类有关，还与所选用的温标类型有关.
4.2 阻尼材料的主曲线
20世纪70年代末，美国空军材料实验室根据黏弹性阻尼材料温度和频率间的等效关系，将材料模量和损耗因子以折算频率f×a(T)为横坐标，左侧纵坐标为模量和损耗因子，右侧纵坐标表示实际频率f，绘制出动态力学性能的列线图，称为主曲线[12].
4.3 ZN- 35橡胶主曲线绘制
为将不同温度下的动态性能曲线进行叠加，得到动态性能主曲线， 依照国军标GJB981—90黏弹性材料强迫非共振型动态测试方法，主曲线绘制方法，应用数据处理软件ORIGIN，分别绘制储能模量、损耗模量及损耗因子主曲线. 具体绘制过程如下：
1) 频率坐标取对数，将试验所得的频谱图的横坐标用对数形式表示.
2) 根据固定频率扫描温度测试，发现损耗因子最大峰值出现在-55 ℃，确定参考温度为-55 ℃. 根据公式
计算不同温度下的平移因子，根据国标，采用华氏温度C1=12，C2=525. 分别计算得到不同温度下的损耗因子，如表1所示.
表1 不同温度下转换因子数据
Table 1 Conversion factor data at different temperatures
3) 根据公式lg fr=lg f+α(T)，绘制温度列线，如图11所示. 温度列线1～12分别表示-55、-40、-25、-10、0、25、30、40、55、70、85 ℃.
图11 温度列线
Fig.11 Temperature Lines
4) 绘制时温等效曲线，计算平移量lg a(t)，保持纵坐标不变，在相应温度横坐标上直接加上平移量lg a(t)，即可得到时温等效曲线. 再利用Origin中的合并功能将TTS图和温度列线图合并即可得到主曲线图. 其中储能模量主曲线如图12所示，损耗模量主曲线如图13所示，损耗因子主曲线如图14所示.
图12 储能模量主曲线
Fig.12 Energy storage modulus master curve
图13 损耗模量主曲线
Fig.13 Loss modulus master curve
图14 损耗因子主曲线
Fig.14 Loss factor master curve
5) 主曲线的使用:右侧纵坐标为频率，对某一特定频率作水平线与所需温度列线相交，得到一个交点，再由交点沿垂直方向画线与主曲线相交，就可以直接读出所需温度和频率下的材料模量和损耗因子.
5 结论
1) 应用DMTA动态热机械仪测试ZN- 35硅橡胶的动态力学性能，获取了不同温度下的频谱图，并分析了其储能模量、损耗模量、损耗因子的变化规律. 相同频率下，随着温度的升高，ZN- 35硅橡胶储能模量与损耗模量呈下降趋势. 当温度恒定时，储能模量和损耗模量会随着频率的升高而升高直至趋于稳定.
2) 根据温频等效原理，应用Origin软件，绘制了ZN- 35硅橡胶的储能模量、损耗模量和损耗因子的主曲线. 该主曲线为取得各不同频率与不同温度下的ZN- 35硅橡胶的储能模量、损耗模量和损耗因子提供了基础数据.
