Technische Anforderungen an viskoelastische Dämpfungsmaterialien

Die technischen Anforderungen an Ingenieurwerkstoffe umfassen im Allgemeinen zwei Aspekte: Grundanforderungen und Anwendungsanforderungen. Die Grundanforderungen umfassen übliche Leistungsanforderungen wie physikalische, mechanische und chemische Eigenschaften, die in der Regel durch die Eigenschaften von vulkanisiertem Gummi widergespiegelt werden. Jedes Ingenieurwerkstoff hat seinen spezifischen Verwendungszweck, und für verschiedene Zwecke gibt es unterschiedliche Anwendungsanforderungen. Für viskoelastische Dämpfungsmaterialien ist die Schwingungsdämpfungleistung die Hauptanforderung: Das Material sollte eine hohe innere Dämpfung aufweisen sowie einen breiten Temperatur- und Frequenzbereich, in dem diese hohe innere Dämpfung erreicht wird. Wenn viskoelastische Dämpfungsmaterialien als Rohstoff zur Herstellung anderer schwingungsdämpfender Produkte wie Schallabsorptionsplatten, Entkopplungsplatten oder Dämpfern verwendet werden, müssen auch entsprechende technische Anforderungen an diese Produkte gestellt werden, wie Schallgeschwindigkeit, Schallabsorptionskoeffizient usw. Abhängig von dem Einsatzort des Materials müssen auch entsprechende Umgebungsanpassungsanforderungen erfüllt werden, wie Ölbeständigkeit, Wasserbeständigkeit, Salzsprühbeständigkeit, Alterungsbeständigkeit und geringe Toxizität. Alle diese technischen Anforderungen bilden das Ziel und die Grundlage für die Rezepturentwicklung von Dämpfungsmaterialien.

Dynamische mechanische Eigenschaften von viskoelastischen Dämpfungsmaterialien

Die dynamischen mechanischen Eigenschaften eines Materials beziehen sich auf sein mechanisches Verhalten unter wechselnder Spannung, einschließlich der inneren Dämpfung oder des Verlustfaktors des Materials, des dynamischen Moduls sowie der Eigenschaften des Glasübergangs usw.

1. Verlustfaktor

Der Verlustfaktor sollte groß sein. Die Dämpfungswirkung von viskoelastischen Dämpfungsmaterialien stammt hauptsächlich aus ihrer inneren Dämpfung. Je größer die innere Dämpfung ist, desto stärker wird die Schwingungsenergie in Wärmeenergie umgewandelt, wenn die Struktur durch Schwingungsanregung beansprucht wird, und desto deutlicher ist die Schwingungsdämpfungswirkung. Der Parameter, der die Größe der inneren Dämpfung eines Materials kennzeichnet, ist der Verlustfaktor – je größer der Verlustfaktor, desto größer die innere Dämpfung. Daher sollte der Verlustfaktor von viskoelastischen Dämpfungsmaterialien so hoch wie möglich sein.

Obwohl ein hoher Verlustfaktor eine hohe Schwingungsdämpfungswirkung ergibt, darf man nicht einseitig nach einem extrem großen Verlustfaktor streben. Denn je größer der Verlustfaktor, desto enger ist der Temperaturbereich, in dem eine effektive Dämpfung erreicht wird, und desto stärker hängt er von Temperatur und Frequenz ab. Darüber hinaus wirkt sich ein zu hoher Verlustfaktor nach einem bestimmten Grad nicht mehr deutlich auf den komplexen Verlustfaktor der Dämpfungsstruktur aus. Im Gegenteil verschlechtern sich die mechanischen Eigenschaften von Hochdämpfungsmaterialien, was ihre Anwendung erschwert. Dies liegt daran, dass Verlustfaktor und Elastizitätsmodul für ein bestimmtes Material ein Paar von einander entgegengesetzten, aber einheitlichen Parametern sind: Wenn der Verlustfaktor zunimmt, sinkt das Modul und folglich auch die Festigkeit. Darüber hinaus neigen Hochdämpfungsmaterialien bei der Verwendung dazu, Ermüdungsbruch und thermische Alterung zu beschleunigen, was ihre Lebensdauer verkürzt. Daher beschränken viele amerikanische Unternehmen den Verlustfaktor der Dämpfungsschicht von beschränkten Dämpfungsstrukturen auf 1,2 oder weniger.

Im Allgemeinen gilt: Bei einer mit Dämpfungsmaterial behandelten komplexen Struktur wird ein strukturierter Verlustfaktor (auch komplexer Verlustfaktor genannt) von mehr als 0,05 als mittlere Dämpfung und von mehr als 0,1 als hohe Dämpfung angesehen. Die meisten Schwingungsdämpfungsanwendungen können in diesem Bereich gesteuert werden. Laut chinesischen Vorschriften sollte der Verlustfaktor von freien Dämpfungsmaterialien innerhalb des Bereichs der optimalen Anwendungstemperatur T₀ ± 25℃ (wobei T₀ die optimale Anwendungstemperatur ist) größer oder gleich 0,3 sein, und der Verlustfaktor von beschränkten Dämpfungsmaterialien im Schubanregelungsmodus sollte größer oder gleich 0,7 sein.

2. Modul

Der Modul sollte angemessen sein. Bei freien Dämpfungsmaterialien spiegelt das Verlustmodul (das Produkt aus dynamischem Speichermodul und Verlustfaktor) ihre Schwingungsdämpfungswirkung wider. Daher sollten sie über ein ausreichend hohes Modul verfügen, ohne dass man einseitig nach einem großen Verlustfaktor strebt. Im Temperaturprofil sollten sie sich in der Nähe der linken Seite der Übergangszone befinden, da hier sowohl das Modul als auch der Verlust hoch sind, was zu einer hohen Energieaufnahme führt.

Bei beschränkten Dämpfungsmaterialien spiegelt der Verlustfaktor ihre Schwingungsdämpfungswirkung wider, daher sollten sie über einen ausreichend großen Verlustfaktor verfügen, während das Modul nicht zu groß sein muss, sondern nur an das Dämpfungssystem angepasst werden muss. Tatsächlich sollte das Schubmodul von beschränkten Dämpfungsmaterialien eher niedrig sein, da ein hohes Schubmodul den Schubparameter erhöht und folglich den strukturellen Verlustfaktor verringert. Im Temperaturprofil sollten sie sich in der Nähe der rechten Seite der Übergangszone befinden, da hier der Verlust hoch und das Modul niedrig ist, was zu einer größeren Schubverformung und folglich zu einer höheren Energieaufnahme führt.

Für freie Dämpfungsmaterialien beträgt das Verlustmodul E" in der Regel 10⁸Pa bis 10⁹Pa (100 MPa bis 1000 MPa). Wenn dieser Bereich überschritten wird, steigt zwar das Verlustmodul, aber die Materialsteifigkeit wird zu hoch, was die Anwendung erschwert. Für beschränkte Dämpfungsmaterialien sollte das Speichermodul E' in der Regel in der Größenordnung von 10⁶Pa liegen. Laut chinesischen Vorschriften sollte das dynamische Speichermodul von freien Dämpfungsmaterialien innerhalb des Bereichs der optimalen Anwendungstemperatur T₀ ± 25℃ größer oder gleich 5,0 x 10⁷Pa sein (ohne festgelegte Obergrenze), während für beschränkte Dämpfungsmaterialien keine ausdrücklichen Vorschriften bestehen – es wird lediglich，dass Testdaten bereitgestellt werden.

Wenn Dämpfungsmaterialien zur Herstellung von Dämpfern verwendet werden, sollte der Temperaturbereich der Hochelastizität in der Nähe des Übergangszones gewählt werden. In diesem Temperaturbereich hat das Modul bereits eine stabile Tendenz, aber der Verlustfaktor bleibt noch hoch, was es ermöglicht, die Eigenfrequenz des Dämpfers zu steuern und die Isolationswirksamkeit zu verbessern sowie das Resonanzverstärkungsfaktor zu verringern.