孫 云

（海軍駐上海滬東中華造船（集團）有限公司軍事代表室 上海200129）

HZ-1新型高性能艦船用阻尼涂料的研制和應用

孫 云

（海軍駐上海滬東中華造船（集團）有限公司軍事代表室 上海200129）

通過HZ-1新型高性能艦船用阻尼涂料的研制，提高阻尼性能和施工工藝性能。該研究優(yōu)化了阻尼層和約束層的組分體系，提高了約束-阻尼復合損耗因子，找出了增寬高低溫區(qū)的規(guī)律，使HZ-1新型高性能艦船用阻尼涂料實現(xiàn)了高性能、寬溫域和施工的方便性。HZ-1新型高性能艦船用阻尼涂料綜合性能和技術已達國際先進水平，對提高艦船安靜性和舒適性具有重要作用，滿足現(xiàn)代化高科技戰(zhàn)爭對艦船的隱身性要求。

阻尼涂料；減振降噪；艦船

引 言

艦船上的許多重大設備在使用時會產(chǎn)生很大的振動和噪聲［1］，影響艦船的隱蔽性和舒適性，而且振動環(huán)境還會使結構系統(tǒng)以及電子設備內(nèi)部產(chǎn)生破壞應力，輕則影響工作精度、縮短使用壽命，重則還會引起嚴重故障［2-3］。因此，對艦船的振動和噪聲進行有效控制具有非常重要的意義。

阻尼涂料是一種主動降噪材料，其原理是利用高分子材料的粘彈性將振動機械能轉化為熱能消耗掉，使產(chǎn)生的噪聲和振動能量大大降低，從聲源上有效控制振動和噪聲。阻尼涂料的應用可以在不改變艦船原有設計和設備的情況下進行有效降噪，尤其對寬頻帶隨機振動噪聲的控制具有特殊效果；同時便于常溫下刮涂施工，以及在各種復雜面、拐角等處施工，因此在造船行業(yè)以框架結構為主的減振降噪處理方面用途極廣［4-10］。

為適應現(xiàn)代艦船降噪隱身的迫切需要，具有減振降噪功能的阻尼涂料是解決這一難題的核心技術。目前我國艦船上使用的阻尼涂料在實際應用中還存在許多的問題，主要表現(xiàn)在：

（1） 現(xiàn)有阻尼涂料使用溫度范圍較窄，在低溫-20℃以下、高溫50℃以上時阻尼性能不好；

（2） 施工性能較差，施工作業(yè)時間較短，易固化給施工帶來很大困難；

（3） 表面成形后高低不平，表面不平整，使涂層外觀達不到要求；

（4） 對溫度變化太敏感，極易產(chǎn)生龜裂。

為解決上述問題，我單位與北京化工研究院合作研制了型號為HZ-1的新型高性能艦船用阻尼涂料。該涂料具有寬溫域高阻尼性能、施工性能與表面成形性能均十分良好。

1 研制目標

施工工藝和成形后表面平整，課題組選擇約束阻尼結構，約束層用雙組份無溶劑室溫固化環(huán)氧樹脂類材料，使阻尼材料成形固化后表面模量高，一方面固定住聚氨酯阻尼材料，一方面表面力學強度高，耐劃傷碰撞，特別是表面能耐腐蝕，達到防腐涂料的要求；同時要求環(huán)氧涂料固化后外涂層平整便于裝飾。

主要指標要求如下：

（1）阻尼性能：在-20℃～ + 60℃內(nèi)，涂料的復合損耗因子hc= 0.1～0.25或hc≥0.15（以標準試樣的二階共振頻率為準）；

（2）耐環(huán)境性能：在使用環(huán)境中，使用壽命周期內(nèi)不損壞，并基本保持性能穩(wěn)定；

（3）安全性能：

① 毒性：滿足GJB3881-1991《艦船用非金屬材料毒性評價規(guī)程》和GJB11.2-1991《水面艦艇艙室空氣組分允許濃度》的要求；

② 阻燃性：（氧指數(shù)）≥35。GB/T2406-1993《塑料燃燒性能試驗方法 氧指數(shù)法》

（4）力學和理化性能：

① 材料附著力為1級，GB/T9286-1988《色漆和清漆漆膜的劃格實驗》；

② 使用環(huán)境：-20℃～60℃時，JG/T25-1999《建筑涂料涂層耐凍融循環(huán)性測定法》；

③ 耐腐蝕能力：

耐鹽霧能力：滿足GB/T1771-1991《耐中性鹽霧性能的測定》要求；

耐海水能力：滿足GB/T1763-1989《漆膜耐化學試劑性測定法》要求；

耐柴油能力：滿足GB/T1734-1993《漆膜耐汽油性測定法》要求。

④ 耐冷熱交變能力：滿足JG/T25-1999《建筑涂料涂層耐凍融循環(huán)性測定法》要求；

⑤ 抗沖擊能力：沖擊強度為5 kg·cm時無裂紋，滿足GB/T1732-1993《漆膜耐沖擊測定法》要求。

經(jīng)過對國內(nèi)同類產(chǎn)品的調(diào)研、比較及分析，并參照GJB3530-1999《艦船用阻尼涂料規(guī)范》等標準規(guī)范要求，對新型阻尼涂料的環(huán)境條件、使用要求等進行深入分析，確定了本項目研制目標和方案。

HZ-1型阻尼涂料采取約束阻尼結構，由阻尼層涂料和約束層涂料兩部分組成。阻尼層涂料直接涂于底材，形成一層粘彈材料（厚度約1 mm），通過剪切形變來消耗能量達到降噪減振的目的。約束層涂料涂于阻尼層，形成一層高模量的材料，既能保護阻尼層，又進一步減振和降噪，實現(xiàn)寬溫域、高阻尼效果。

為了使新型阻尼材料達到高性能、寬溫域的要求，必須選擇優(yōu)異的聚合物材料，聚氨酯本身具有大量氫鍵，具有較高的阻尼損耗因子，再通過調(diào)節(jié)軟硬段比例獲得寬溫域、高性能的阻尼材料，確定聚氨酯材料作為阻尼層材料。

為解決施工工藝適合大型艦船室外及各種氣候條件，選擇雙組份無溶劑室溫固化，可以調(diào)節(jié)固化時間，施工方便、高效、節(jié)能環(huán)保。為解決

2 關鍵技術

2.1 阻尼層設計

阻尼層設計是阻尼涂料研制成敗的關鍵。

（1）擴鏈劑成分使阻尼溫域加寬

圖1為引入擴鏈劑成分與無擴散鏈劑成分樣品的阻尼損耗因子對比。從圖1看出，引入一定量的擴鏈劑，使阻尼溫域（特別是高溫區(qū)）提升效果明顯。加入擴鏈劑成分的5號樣品，其阻尼損耗因子tanδ明顯高于無擴散鏈劑成分的6號樣品。

圖1 引入擴鏈劑成分與無擴散鏈劑成分樣品的阻尼損耗因子對比

（2）控制楊氏模量

根據(jù)國內(nèi)外文獻介紹，阻尼涂料的楊氏模量較低，這就決定了異氰酸預聚體-NCO含量不能高，應處于一個合適范圍。經(jīng)過大量試驗，確定了預聚體-NCO的范圍。

（3）玻璃化轉變溫度調(diào)整

玻璃化轉變溫度（Tg）是阻尼涂料重要的指標，只有當材料溫度在Tg附近和適當頻率時，鏈段運動與外力發(fā)生諧振，內(nèi)摩擦力才會很大，損耗峰出現(xiàn)極大值。因此，所做的阻尼層要使其玻璃化轉變溫度處于一個較寬的范圍內(nèi)。在這個溫度范圍內(nèi)，阻尼層應保持一種粘彈態(tài)。

為了調(diào)整Tg的溫度范圍，需要控制預聚體交聯(lián)度及預聚體與固化劑固化后的交聯(lián)密度。課題組經(jīng)過大量試驗，分析了交聯(lián)密度的控制要素，即-NCO與-OH的比值大小（α值），并根據(jù)試驗結果，確定α=0.9時較為合適。

圖2為交聯(lián)密度不同時，1號樣品與2號樣品的阻尼損耗因子對比。從圖2可以看出，當α＜1時，交聯(lián)密度減少對提高tanδ有利。圖2中：1號樣品α=0.92；2號樣品α=1.05。

圖2 交聯(lián)密度不同時，1號樣品與2號樣品的阻尼損耗因子對比

圖3為交聯(lián)密度不同時，3號樣品與4號樣品的阻尼損耗因子對比。從圖3看出， 在10℃～ 60℃時，3號樣品tanδ比4號樣品低很多。圖3中：3號樣品 α=1.10；4號樣品 α=0.92。

圖3 交聯(lián)密度不同時，3號樣品與4號樣品的阻尼損耗因子對比

（4）軟段和硬段比例對材料性能影響分析

軟段和硬段比例對材料性能影響也很大。根據(jù)高分子共聚理論，高聚物玻璃化溫度與共聚組分的質(zhì)量分數(shù)成正比。因此，隨著軟段相對含量的提高，樣品的Tg移向低溫區(qū)；若硬段含量增加，則樣品移向高溫區(qū)。硬段減少，分子間的氫鍵作用減弱，鏈間相互滑動時內(nèi)摩擦損耗減小，因此材料的損耗因子tanδ值也相應下降。根據(jù)多次試驗，發(fā)現(xiàn)硬段含量在20%左右較好。

圖4為硬段含量不同時的阻尼損耗因子對比。從圖4看出，適宜的硬段含量可獲較高的tanδ值。

圖4 硬段含量不同時的阻尼損耗因子對比

（5）硬段種類的影響

在合成預聚體時，課題組采用TDI和MDI作為異氰酸酯原料。從結構上看，MDI由于兩個苯環(huán)由一個甲撐連接，既有利于旋轉，又有很強的剛性，所以用MDI合成的材料比TDI合成的材料剛性大，玻璃化溫度較高。而MDI內(nèi)聚能較強，硬段聚集的趨勢較強烈，故MDI材料相分離程度較TDI大。然而其tanδ峰較窄，因此對于要求寬溫域的阻尼材料不利。

（6）軟段分子量的影響

軟鏈不同的PUR材料對阻尼性能影響很大，以聚環(huán)氧丙烷二醇（PPG）為軟鏈段的聚醚，其阻尼性能最佳。

當材料的總醚量不變時，隨著低分子量聚醚相對含量增加，軟段中硬段含量增加，故損耗峰Tg移向高溫。軟段分子量降低，樣品分子鏈節(jié)的滑動受到限制，分子構象減少，內(nèi)摩擦減小，對阻尼提高不利。軟段分子量減小，還會導致材料的模量增大，不利于復合后阻尼性能的提高。

圖5為軟段含量不同時的阻尼損耗因子對比。從圖5可看出，當羥基當量值增大時，低溫區(qū)tanδ值增大，7號樣品比8號樣品的tanδ值明顯增大。

圖5 軟段含量不同時的阻尼損耗因子對比

（7）填料的影響

阻尼材料中的填料有利于提高其阻尼性能和彈性模量。目前常用的填料有硫酸鋇、滑石粉、珍珠巖、云母粉、二氧化鋯、玻璃纖維和石墨等。通過查閱大量文獻發(fā)現(xiàn)，片狀填料（如云母、石墨等）在聚合物中呈現(xiàn)平行排列。當材料受到外力作用而產(chǎn)生宏觀上的拉壓形變時，材料內(nèi)部的片狀填料之間發(fā)生了微觀上的剪切形變。這種微觀上的結構變化增加了聚合物分子與填實之間的摩擦運動，貯存了更多的外界能量，然后又以熱能的形式耗散掉，從而可以顯著提高材料的力學阻尼性能，故片狀云母和片狀石墨是阻尼涂料的最佳填料。

2.2 約束層設計

根據(jù)約束阻尼結構理論，約束阻尼結構的復合損耗因子與材料的剛度、幾何參數(shù)和損耗因子成正比，因此約束層的性能對涂料的整體阻尼性能影響也很大。在對約束層涂料的設計中，采用了雙組分無溶劑環(huán)氧樹脂體系，在反復實驗的基礎上，對影響約束層性能的各個影響因素進行了深入分析。

（1）約束層模量影響

約束層的楊氏模量高低主要由環(huán)氧樹脂決定，因此首先篩選環(huán)氧樹脂，環(huán)氧樹脂有液態(tài)環(huán)氧樹脂、固態(tài)環(huán)氧樹脂，經(jīng)過大量試驗確定了采用低分子量液態(tài)環(huán)氧樹脂。

（2）改性樹脂

環(huán)氧樹脂硬化后的脆性大，易產(chǎn)生應力開裂。經(jīng)實驗測試，最終選擇了改性樹脂，使約束層保持一定模量，又能防止約束層開裂。

（3）活性稀釋劑

活性稀釋劑可以參加化學反應，不揮發(fā)、不會污染施工環(huán)境，又能降低樹脂的粘稠度，便于刮涂與抹涂施工。

（4）固化劑

固化劑是決定施工時間、施工條件的關鍵成分。研制目標需要在常溫下便于施工和固化時間適當?shù)墓袒w系，改性的聚酰胺固化劑是較適宜的固化劑品種。

（5）阻燃劑

阻燃劑是阻尼涂料的重要組成部分，也是艦船安全的保障。阻燃劑品種多樣，因此既要考慮阻燃性，又要考慮價格和環(huán)保性。課題組最后選用了較經(jīng)濟的固體類阻燃劑。

2.3 約束層—阻尼層綜合研究

（1）決定整個涂料體系阻尼效果。阻尼層的楊氏模量必須較低且在一個合適的數(shù)量級。分子結構由硬段和軟段組成，這個結構從宏觀上看彼此相容，是一個均勻體系；而從微觀上看，彼此又有一定相分離，只有這樣才能使它們的玻璃化溫度處于一個較寬的溫度范圍，也就是說在一個較寬的溫域內(nèi)呈現(xiàn)粘彈性，使阻尼性有一個寬溫域。

（2）約束—阻尼結構中的復合損耗因子值hc既與阻尼層有關，也與約束層有關。hc值大小與材料的剛度、幾何參數(shù)和損耗因子成正比。

在研究約束阻尼涂料中遇到了這兩層的相互配合問題。由于約束層與阻尼層之間有結合部，若這個結合部聚氨酯層與環(huán)氧層宏觀上不相容，就無法形成均勻涂料，復合阻尼效果就差；但若在微觀上沒有相分離，就會使玻璃化溫度范圍變窄，出現(xiàn)一段高、一段低。起先，課題組所做的約束阻尼材料在溫度30℃附近出現(xiàn)損耗值大幅下跌，這個技術難點較長時間內(nèi)始終難于突破，見圖6（a）。后來經(jīng)過大量試驗，調(diào)整了約束層的結構，使該區(qū)域的復合損耗因子不下降，最終實現(xiàn)技術突破，見圖6（b）。

圖6 復合損耗因子對比圖

從圖6（a）可看出，在30℃～ 50℃之間出現(xiàn)一個下跌的高峰，而在圖6（b）相同溫度區(qū)域，hc值并沒有下降，從而消除這個下跌峰，從根本上解決了這一難點。

3 實驗驗證

設計完成后，將樣品送到國家權威檢測機構，按技術要求和GB/T 16406-1996等標準、規(guī)范中的相關要求，對樣品進行了全面的性能測試。

3.1 基本性能測試

（1）測定標準約束— 阻尼復合損耗因子hc

按照GB/T 16406-1996《聲學 聲學材料阻尼性能的彎曲共振測試方法》測得 HZ-1型高性能阻尼涂料約束-阻尼復合損耗因子hc值在0.12 ～ 0.25，

具體結果如表1、表2所示。

表1 阻尼材料性能測試結果（自由梁法一階共振時）

表2 試樣阻尼性能變溫測試結果（自由梁法一階共振時）

（2）自由阻尼層損耗因子tanδ值測定

對于阻尼層自身損耗因子tanδ，選擇到北京化工大學分析測試中心，該中心使用的是美國進口的動態(tài)機械分析儀DMTA▽型，溫度為-30℃～70℃，振動頻率1 Hz，HZ-1型涂料阻尼層的自身損耗因子tanδ為0.61～0.23。

（3）力學性能和理化性能測試

根據(jù)國家相關標準，阻尼材料的力學性能和物化性能一般包括外觀、固含量、比重、粘度、異氰酸根含量（-NCO）、阻燃性、附著力、耐沖擊強度、耐介質(zhì)性能、耐冷熱交變、毒性等，本涂料的此類性能測定在化學工業(yè)橡膠制品質(zhì)量檢驗中心已經(jīng)完成。所用試樣條為冷軋鋼板條150 mm×20 mm×2 mm刮涂阻尼涂料，然后固化5天后測定，測定結果如表3所示，完全合格。

表3 樣品力學性能、理化性能測試結果

（4）阻燃性

對于材料的阻燃性，將HZ-1型約束阻尼樣條送到了國家建筑材料測試中心，依據(jù)國家標準GB/ T2406-1993進行了檢測，檢驗結果見表4。

表4 阻燃性檢驗報告

（5）毒性測試

將HZ-1型阻尼涂料樣條送到中國人民解放軍海軍非金屬材料檢測中心，按照《艦船用非金屬材料毒性評價規(guī)程GJB3881-1991》和《水面艦艇艙室空氣組分容許濃度GJB11.2-1991》進行定性定量檢測，檢測結果表明HZ-1型阻尼材料為低毒性材料，可以在水面艦艇室內(nèi)使用。

3.2 HZ-1型阻尼涂料與我國普通艦用阻尼

涂料性能對比

新研制的HZ-1型艦船用高性能阻尼涂料經(jīng)過測試證明其力學性能、物化性能、阻尼性能等各項指標均達到合同要求，并超過國內(nèi)同類產(chǎn)品水平，甚至已達到國外同類產(chǎn)品的水平。

在進行涂料阻尼性能測試時，為使所測結果有價值且具可比性，課題組選擇與目前我國艦船上使用的阻尼涂料進行相同條件下的測試比較，在相同的測試條件下，制作相同的測試樣條進行多組測試（見表5及圖7）。

表5 阻尼涂料性能對比表

測試結果顯示HZ-1型阻尼涂料自身損耗因子與復合損耗因子等各項指標皆優(yōu)于目前我國艦船上使用的阻尼涂料產(chǎn)品水平。

圖7 阻尼涂料樣品復合損耗因子對比

從圖7中可看出：不論低溫和高溫，5號樣品的阻尼性能都優(yōu)于2號樣品，尤其是從50℃后，2號樣品的阻尼性能呈下降趨勢，而5號樣品的阻尼性能反而開始上升；在70℃時，兩者的復合損耗因子hc已相差0.05左右。之所以能達到寬溫域，是由于采取了控制阻尼層交聯(lián)密度、硬段和軟段的比例、軟段分子量、硬段異氰酸酯種類、擴鏈劑，以及約束層也要控制交聯(lián)度等各種方法，找出了增寬低溫區(qū)以及增寬高溫區(qū)阻尼層材料的規(guī)律性，使HZ-1型阻尼涂料實現(xiàn)了寬溫域和高性能。

4 結 論

HZ-1型艦船用高性能阻尼涂料現(xiàn)已應用于海軍建造的多型艦船，并取得良好的減振降噪效果。

表6 某型登陸艦1號艦和2號艦減振降噪效果對比

表6為滬東中華造船（集團）有限公司所建造的兩艘登陸艦，按建造順序分別命名為“1號艦”和“2號艦”。1號艦仍使用目前我國艦船上常用的阻尼涂料，2號艦則使用HZ-1型高性能阻尼涂料。通過對兩艘同型艦相同艙室的噪聲測量值分析，證實了使用HZ-1型高性能阻尼涂料的2號艦較使用傳統(tǒng)阻尼涂料的1號艦，減振降噪的效果有了較大提高。

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［3］ 張友南，楊軍，賀才春，等．阻尼材料的研究與應用［J］.噪聲與振動控制，2006（2）：38-41．

［4］ 李德良，王寶柱，劉東暉，等．阻尼材料的發(fā)展及其在艦船上的應用［J］．現(xiàn)代涂料與涂裝，2009，12（2）：25-27．

［5］ 劉東輝，黃微波，楊宇潤，等．新型船用阻尼涂料在快艇減振降噪中的應用研究［J］．噪聲與振動控制，1998（6）：40-44．

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［8］ 張文毓．艦船新型涂料的研究進展［J］．電鍍與涂料，2006，12（25）：6-9．

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［10］ 黃微波，陳國華，盧敏，等．聚脲柔性減阻材料的制備及性能［J］．高分子材料學與工程，2007，3（23）：247-250．

Research and application of new type HZ-1 high performance damping paint on warships

SUN Yun
(Naval Military Representative Office Stand in Hudong-Zhonghua Shipbuilding (Group) Co., Ltd., Shanghai 200129, China)

The research of new type HZ-1 high performance damping paint on warships improves the damping performance and construction process. The research optimizes component system of damping layer and constrained layer, increases constrained-damping composite dissipation factor (hc), and finds out the law of broadening high-low temperature range. The new type HZ-1 high performance damping paint on warships is with high performance, broad temperature range, convenience construction, and its comprehensive performance and technical level have reached the international advanced level, which has great signi fi cance to improve the quietness and comfort of warships so as to satisfy the stealth requirements of modern high-tech war to warships.

damping paint; vibration and noise reduction; warship

U671.91+8

A

1001-9855（2014）03-0090-08

2014-01-22 ；

2014-02-17

孫 云（1972-），男，工程師，主要從事船舶設計和監(jiān)造工作。