论文《动态力学性能对体育器械的影响》-仁创编译转载

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　　摘要：文章以高分子材料聚氨酯为例，制备出三种不同组成方式的聚氨酯阻尼材料，分别是PU-1、PU-2、PU-3，并对三种阻尼材料进行动态性能试验。实验表明，三种高分子聚氨酯材料损耗因子的最高值都超过了0.8;温度与激励振幅增长的同时，三种聚氨酯的水平等效刚度都有所下降，在频率的不断增长的情况下，PU-3的水平等效刚度也随之增长，而另外两项体系则有所下降;在激励振幅不断增长的情况下，PU-3的等效阻尼维持在稳定的状态，另外两项体系都表现出先升后降的状态。综上分析，以PDS和TDI-100合成的高分子聚氨酯材料PU-3的综合性能最佳。

　　关键词：高分子材料，聚氨酯，力学性能，体育器械

　　为使体育器械制备所用材料具备更低密度、高模量以及耐热耐磨损的功能，先进性的高分子材料已经被广泛应用于诸多体育器械加工项目中。高分子材料的优势比传统材料的优势更加突出，但是在力学性能与结构搭建上还存在不太明晰的应用特性，不便于体育器械设备的针对性设计。因此，本文以聚氨酯高分子材料为例，测验了其阻尼结构的影响变化状况，旨在为体育器械用高分子材料的设计与开发提供参考价值。

　　1材料与方法

　　1.1实验材料

　　TDI-100：工业级，德国拜耳公司;IPDI：工业级，德国拜耳公司;MOCA：工业级，由苏州湘源特种精细化有限公司;POLY、PDS：自制。

　　1.2实验设备

　　动态热机械分析仪：Q800型，沃特斯中国有限公司;动态试验机：UD-3600型，台湾优肯科技股份有限公司。

　　1.3实验方法

　　利用POLY、TDI、IPDI-MOCA、PDS-TDI-MOCA体系生成具备同碳二甲基结构的三种聚氨酯阻尼材料，此类高分子复合材料具有较好的阻尼性与力学性能。这种材料的特性能够满足体育器械制造所需要的减震要求。参照GB/T20688.1-2007橡胶支座的检测标准，将三种聚氨酯阻尼材料与钢板材料进行复合，生成四片式约束型阻尼结构，之后对聚氨酯阻尼结构进行动态力学性能测验，将差异化频率、温度与激励振幅设定为影响因素，对约束型阻尼结构的水平等效刚度与等效阻尼比展开实验研究，为体育器械所需的减震设计与制作提供实验依据[3-4]。

　　2结果与分析

　　2.1聚氨酯阻尼材料及其结构制备

　　三种聚氨酯阻尼材料分别用PU-1、PU-2、PU-3来表示。PU-1是通过POLY和TDI-100共同合成的预聚体，POLY与TDI-100的比为1:2;PU-2是通过POLY和IPDI共同合成的预聚体，POLY与IPDI的比为1:2;PU-3通过PDS和TDI-100共同合成的预聚体，PDS与TDI-100的比为1:2。将以上三种预聚体按照羟基和氨基物质的比例与扩链剂相混合，其比例关系为1:0.95。在充分混合后，将混合物浇筑在模具中，当温度为100℃时，放置时长为h，当处于正常室温时，放置时长为7h，以保证物质能够固化成型[3-4]。之后将固化的材料与金属材料进行组建，生成约束型阻尼结构，此结构由四片高分子聚氨酯阻尼材料及四块金属材料构成，金属板与阻尼板相互错开，八片材料共同组成一个具有四个层次的聚氨酯阻尼材料，通过错层放置的方式来提高聚氨酯阻尼材料的稳定性[5]。

　　2.2性能测试

　　动态力学性能测试采用的是DMA法，产生形变的方式是薄膜拉伸，实验频率设置为1Hz，升温速率设置在℃/min。聚氨酯约束型阻尼结构的动态力学性能测试采用GB/T20688.1-2007实验法及正弦激励法，设置的频率分别是0.05Hz、0.3Hz、1.5Hz，设置的激励振幅分别是0.3mm、0.6mm、1.5mm、3.0mm、6.0mm、9.0mm，设置的实验温度为-20℃、-10℃、0℃、23℃、40℃。

　　2.3聚氨酯阻尼材料动态性能

　　针对合成的三种聚氨酯材料展开DMA测试，并将相对应的损耗因子曲线进行描绘，根据聚氨酯阻尼材料的损耗因子(tanδ)变化曲线可知：通过TDI制成的PU-1的峰值是0.87，与峰值相对应的温度是14.3℃，当tanδ数值大于0.3时，有效阻尼温域在-18到60℃之间。由IPDI制成的PU-2的有效阻尼温域更加宽泛，相较PU-1的初始温度低了7℃，这是因为由IPDI制成的材料的硬段结构规整性较差。处于低温状态下，链段能够更好地运动，充分地分散于软相之中，随着软硬段接触面积的增加，会使材料在产生振动的时候，更快地将机械能转变为热能，从而加快能量的耗散[6]。PU-3tanδ的峰值是1.04，与峰值相对应的温度是16.5℃，当tanδ数值小于0.3的时候，有效的阻尼温域在-2.1到60℃之间，对比PU-1tanδ的峰值，PU-3的升幅较大，这是因为PU-1与PU-3的软段结构不一样，PU-3的软段结构是PDS，PU-1的软段结构是POLY，尽管两项物质的硬段结构相一致，但是PU-3的侧甲基含量较高，次甲基含量较低，使其运动产生的内摩擦阻力较大，导致PU-3的tanδ峰值与之相对的温度会有所升高。

　　2.4差异化条件下阻尼结构水平等效刚度的影响

　　水平等效刚度表现出高分子约束阻尼结构在水平方向上具有抗弯、抗变形的特性。通过测试PU-1、PU-2、PU-3在温度为23℃时的变化，差异化的激励幅值与频率会产生的水平等效刚度值，详细数据信息见表1、表2、表3。约束型阻尼结构具备一定程度的水平等效刚度，这样的特性可以帮助结构在不同的负荷下不会轻易发生晃动，从而减少过大负荷产生的水平变形，保证结构的牢靠性与稳定性。通过表1、表2、表3可以得出三种聚氨酯约束型阻尼结构的水平等效刚度都会由于激励幅值的增大而反向下降，这对于材料的减震效果有一定的作用，能够有效延长材料减震寿命。出现这一变化的原因是由于IPDI属于脂肪族二异氰酸酯，而TDI属于芳香族二异氰酸酯，作为聚氨酯阻尼材料的硬段，由IPDI制成PU-2的体系柔性更加优质，模量更低，当产生水平方向的位移后，对材料施加的水平压力较小，PU-2的水平等效刚度较低[7]。

　　2.5差异化温度对约束型阻尼结构水平等效刚度的影响

　　在对PU-1、PU-2、PU-3进行差异化温度测试时，设定频率为0.3Hz，设定激励幅值为3mm，设定的测试温度分别为-20℃、-10℃、0℃、23℃、40℃，测试数据见表4所示。根据表4数据可知，当频率与激励振幅一定的情况下，三种聚氨酯阻尼结构的水平等效刚度会根据测试温度的提高而反向下降，但是这三种约束型阻尼结构的水平等效刚度并未随测试温度的变化而产生较大差异，出现这一情况的原因在于：PU-1与PU-2在硬段结构上存在差异，而PU-1与PU-3在软段结构上存在差异，这三种聚氨酯阻尼材料的分子量并未产生较大差距，由此表明，如果聚氨酯材料的分子量与分子结构较为相近，则材料的水平等效刚度随试验温度变化而产生的变化趋势也是较为相似的[8]。

　　2.6温度对约束型阻尼结构等效阻尼比的影响

　　温度可以直接影响高分子聚氨酯材料的实用效能，等效阻尼在差异化温度的变化下表现出了约束型阻尼结构的阻尼效能[9]。针对PU-1、PU-2、PU-3的等效阻尼的测试，将频率设定为0.3Hz,将激励幅值设定为0.6mm，将测试温度设定为-20℃、-10℃、0℃、23℃、40℃。详细数据信息见表5。根据表5数据可知，三种阻尼结构在温度为-20到40℃时，等效阻尼比较高，这说明三种约束型阻尼结构的阻尼温域都较为宽泛，可以保证体育器械所用高分子阻尼材料在不同环境下的高阻尼应用要求。相较于PU-1与PU-3来说，由IPDI制成的PU-2等效阻尼比受到的温度影响最小。关于不同软段结构的PU-1与PU-3材料，当温度为0℃时，PU-1的等效阻尼较高，当温度超过23℃时，PU-1的等效阻尼较低，这是由于以PDS为软段的PU-3的侧甲基含量比以POLY为软段的PU-1高，因此，出现了阻尼温度区间向高温水平转移的情况。由于阻尼结构在振动过程中已经将部分机械能转换为热能，在工作不间断的情况下，温度必定会有所上升[10]。因此，PU-3的性能要优于PU-1与PU-2，并且PU-3具备较高的等效阻尼比。

　　3结论

　　(1)当tanδ>0.3的时候，三种聚氨酯阻尼材料的有效阻尼温域均超过60℃，其中软段为PDS、硬段为TDI的材料的损耗因子值最高。(2)当温度、频率条件一致的情况下，聚氨酯阻尼材料的水平等效刚度在温度不断升高的情况下，反向下降;当温度与激励振幅条件一致的情况下，由IPDI制成的聚氨酯约束型阻尼结构的水平等效刚度是根据频率的增长而同步增长;由TDI制成的约束型阻尼结构的水平等效结构是根据频率的增长而反向下降的;当频率、激励振幅一致的情况下，三种高分子聚氨酯阻尼材料的水平等效刚度在频率不断增长的情况下，逐渐下降。(3)三种聚氨酯阻尼材料的等效阻尼比都较高，但是其中软段为PDS的材料的等效阻尼比最高。综合多项测试结果可知，由PDS和TDI-100制成的聚氨酯阻尼材料PU-3的性能最佳。

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　　作者：王小妮 单位：西安交通工程学院

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