专利名称：带有图案的消除噪音复合材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及减振结构，其用于减小振动，特别是产生噪音的振动。本发明特别应用于振动系统的减振以抑制噪音。
在某些系统中，振动可以产生有害的噪音。例如，在普通制动器如圆盘制动器、汽车车身板、产品包装板和其它承受摩擦和/或振动的系统中，摩擦或振动力可导致尖叫声或其它噪音。为了抑制这种噪音，人们曾试图在振动系统上固定减振结构，包括粘弹性材料，来吸收或减小产生噪音的振动。
大家知道，粘弹性材料减小振动的能力这称为它的“损耗系数”，是温度和频率的函数。由于在正常工作中许多系统会承受宽范围的工作温度，因而损耗系数会在工作温度范围内有相当大的变化。因此，虽然一特定的粘弹性材料在该范围的某一温度可有效地减小产生噪音的振动，但是，在该范围的某它温度则可能相对地不太有效。相类似地，一特定的粘弹性材料可能较好地减小某些振动频率，而对其它振动频率则不然。
为了加宽一特定减振结构可有效地减小产生噪音的振动的温度范围，人们已知一种利用不同层中的不同粘弹性材料的分层或叠置的减振结构，不同种类的粘弹性材料用来提供在不同温度时的峰值损耗系数。例如这种布置公开在美国专利第5,099,962号中。但是，这种多层结构制造起来却是困难和昂贵的。
本发明的一个基本目的是提供一种改进的减振结构，它可避免现有技术的减振结构的诸多缺陷，同时提供另外的结构和工作优点。
本发明的一个重要目的是设置一个减振复合材料，它可在加广的温度范围上提供更高的损耗系数。
与上述特征相关，本发明的另一目的是提供利用不分层的多种粘弹性材料的前述那种减振复合材料。
本发明的另一目的是提供一种增强粘弹性材料的损耗系数特性的减振结构。
本发明的另一目的是提供一种形成前述减振复合材料的方法。
上述目的中的某些目的是通过提供一种减振复合材料实现的，这种减振复合材料包括一基底和设置在基底上的单一粘弹性减振层；该减振层包括不同粘弹性材料的相邻区域构成的图案。
本发明的其它目的是通过提供一种减振复合材料实现的，这种减振复合材料包括一对限制层和单一的设在限制层之间的粘弹性减振层，该减振层包括不同粘弹性材料的相邻区域构成的图案。
本发明的其它目的是通过提供一种减振结构实现的，这种减振结构包括一个一个薄的，基本扁平的粘弹性材料本体和多个在上述本体上分布的小云母片。
本发明的其它目的是通过提供一种形成减振复合材料的方法实现的，该方法包括以下步骤设置一个基底，在基底上设置单一的粘弹性减振层，该减振层包括不同粘弹性材料的相邻区域构成的图案。
本发明包括某些新颖特征和零件的组合，它们将在下文中详述，在附图中表示，特别是在权利要求书中阐明，显然，对细节可作各种改变而不超出本发明的范围，也无损本发明的任何优点。
为了便于理解本发明，在附图中描绘了本发明的推荐实施例，对照附图进一步阐明本发明，本发明的结构和操作及其许多优点。
图1是按照本发明第一实施例，反映其特征的减振复合材料的局部横剖图；图2是沿图1的2-2线的，图1的复合材料的粘弹性层的顶视平面图；图3是类似于图2的视图，表示本发明的复合材料的另一实施例；图4是类似于图2的视图，粘弹性区域是沿基底纵向而不横向延伸的带；图5是类似于图4的视图，其中粘弹性区域是斜向的；
图6是类似于图1的视图，表示本发明的另一实施例；图7是沿图6的7-7线的，图6的复合材料的粘弹性层的顶视平面图；图8类似于图1，表示本发明的另一实施例；图9的曲线图表示对于具有现有技术粘弹性材料的复合材料的多种不同振动方式的，损耗系数和温度的关系；图10是类似于图9的曲线图，表示具有另一种现有技术粘弹性材料的复合材料的情况；图11是类似于图9的曲线图，表示具有图9和10的粘弹性材料的，按照本发明的复合材料的情况；图12是类似于图11的曲线图，表示按照本发明的另一种复合材料的情况；图13是类似于图11的曲线图，表示具有三种粘弹性材料的，按照本发明的另一种复合材料的情况；图14是类似于图9的曲线图，其中的粘弹性材料包括5％重量的云母片；图15是类似于图10的曲线图，其中的粘弹性材料包括5％重量的云母片；图16是类似于图11，其中粘弹性材料包括5％重量的云母片；图17-19分别类似于图11，其中，粘弹性材料带的方向分别与图2，4和5相同。
现在参阅图1和2，图中表示按照本发明第一实施例的减振复合材料20。复合材料20包括一对限制层21和22，一粘弹性层25夹在其间。限制层21和22最好由适当的金属形成，显著地比粘弹性层25厚。但是，限制层21和22显然也可以用具有足够高的杨氏模量的其它适当材料形成。如图所示，复合材料20是长的，基本为矩形体，粘弹性层25包括两种不同的粘弹性材料A和B。本发明的基本方向在于，粘弹性材料A和B分别布置在不同的相邻区域中，形成预定的图案。在图示实施例中，上述区域的形式是交错的、邻接的、平行带26和27，每条带最好具有相同的宽度且在复合材料20的横向上延伸，基本垂直于复合材料20的纵轴线。在图2中，交错的带26和27具有小于复合材料20长度一半的宽度，它们以重复的图案布置，在复合材料20的长度上延伸。
现参阅图3，图中示出复合材料20中另一实施例的粘弹性层25A。粘弹性层25A类似于粘弹性层25，不同之处在于带的重复图案包括三种不同的带26，27和28，分别由三种不同的粘弹性材料A，B和3构成。显然，也可以使用包括其它数目的粘弹性材料的带的图案。
本发明的一个重要方面在于，申请人已经发现，与只利用粘弹性材料A或B之一的复合材料相比较，无需要求任何不同粘弹性材料的叠置或分层，复合材料20可以实现显著的宽有效减噪的温度范围。现参阅图9-11进行描述，图9-11是若干种复合材料的损耗系数/温度特性曲线图。更具体来说，图9，10和11分别是对于复合材料的最低频率振动方式1-5的，有关复合材料的损耗系数随温度变化的曲线图。
图9与下述复合材料有关，即，这种复合材料只有一个粘弹性层，它由夹在两个限制层之间的一种粘弹性材料A构成，每个限制层是0.0123英寸厚的冷轧钢板。可以看出，这种复合材料在从大约40°F至大约130°F的温度范围内显示出有效的减振效果(10-1或更高的损耗系数)。图10的曲线图是关于一种类似的复合材料的，不同之处在于，粘弹性层是只由一种粘弹性材料B构成的。可以看出，这种复合材料在从大约110°F至大约250°F的温度范围内显示出有效的减振效果。
图11是关于按照本发明的复合材料的，更具体来说，是关于按照图1和2的实施例的复合材料的，其中，限制层与上面的描述相同，但粘弹性层包括粘弹性材料A和B的相邻带，每条带的宽度是复合材料长度的一半，因此每种带只存在一个。从图11可以看出，这种复合材料在从大约40°F至大约210°F的温度范围内显示有效的减振效果。因此，本发明显著加宽了有效减振的温度范围。
在图1-3的实施例中，粘弹性层25是以液体形式施加的。更具体来说，带26，27和28是借助适当的装置施加在限制层21和22中的下面的，即基底一层上的。然后，加热被涂覆的基底，除去溶剂，当粘弹性层25或25A尚未于透时将限制层21或22中另一层布置在粘弹性层的顶部；粘弹性层起到将限制层粘固在一起的作用。
但是，粘弹性层25或25A也可以薄膜的形式施加。更具体来说，带有分离衬层的粘弹性材料A，B和C的薄膜被切成适当宽度的带。然后，从带上除去分离衬层，再将它们粘合在限制层21或22中下面的即基底一层上，构成图2或图3所示的图案，形成带26，27和28。然后再将另一限制层铺设在顶部。显然粘弹性层25可自己粘合在限制层21和22上。
在图1-3的实施例中，粘弹性材料的带26-28在复合材料的横向上布置，即垂直于其纵轴线。但是，带也可以在其它方向上布置。例如，在图4中，粘弹性层25B包括两种不同的粘弹性材料A和B的带26和27，其中，带沿复合材料纵向定向。在图5中表示出另一实施例的粘弹性层25C，其中，两种不同的复合材料A和B的带26和27相对于复合材料的纵轴斜向定向。显然，在图4和5的方向中的任一种都可利用三种或更多种的粘弹性材料带。申请人已经发现，带的方向并不显著影响复合材料的减振性能。
带的图案是否重复及重复的次数取决于复合材料的总体尺寸和各粘弹性材料带的宽度。在这个方面，可以采用多种不同的带宽。据信，在下述情况时粘弹性材料带是有效的，即，带宽小于复合材料零件的长度除以所使用的不同粘弹性材料的数目，且大于复合材料零件最小自然振荡频率的波长的四分之一。
虽然在图示实施例中相邻带宽度相等，但是，取决于所使用的粘弹性材料的性质，不同材料的相邻带显然可以具有不同的宽度。另外，虽然已经图示了带的图案，但是，显然本发明的原理适用于不同粘弹性材料的相邻区域的其它图案。
在本发明的试验结构模型中，限制层21和22的厚度显著大于粘弹性层25-25c的厚度。例如，粘弹性层一般的厚度为大约0.001英寸，而每个限制层的厚度范围是从大约0.01至大约0.02英寸。但是，本发明的原理显然也适用于限制层厚度和粘弹性层厚度间具有其它比率的复合材料结构。
现参阅图6和7，图中表示按照本发明另一实施例的复合材料30。复合材料30使用与复合材料20相同的限制层并具有夹在其间的适当粘弹性材料构成的粘弹性层35。但是，在本实施例中，在粘弹性层35中具有许多云母片36。粘弹性层35是以液体形式施加的，在施加于限制层上之前，将云母片搅入粘弹性材料，其用量为粘弹性混合物重量的大约5％。
云母片36最好是薄的片状结构，其中，最大表面尺寸与厚度之比在从大约10至大约100的范围内。在本发明的一个受测试实施例中，云母片36的最大表面尺寸为稍大于粘弹性层35的厚度。更具体来说，在粘弹性层的厚度为0.001的实例中，云母片36具有的筛分粒度使最大表面尺寸为大约0.00175英寸，云母片厚度为大约0.00001英寸。
已经发现，含5％重量的这种云母片36倾向于提高粘弹性材料的峰值减振效率。图14和15的损耗系数随频率变化的曲线图分别是关于下述复合材料的，即，这些复合材料与图9和10的复合材料相似，只是在每种复合材料中加入了5％重量的云母片36。从上述曲线图的比较可以看出，加入云母片倾向于稍许提高大多数振动方式的损耗系数/温度特性，特别是在峰值和在温度范围的上、下端时。
现参阅图8，图中表示一种复合材料40，它与复合材料20相似，不同之处在于它具有粘弹性层45，在其各粘弹性材料带26和27中包括5％重量的云母片36。图16是这种复合材料在若干最低频率振动方式时的损耗系数/温度特性曲线图。图16与图11的比较表明，加入云母片36显著提高了在有效减振温度范围，即，从大约50°F至大约210°F的特性曲线水平，特别是提高了峰值损耗系数。因此，加入云母片36倾向于补偿在带式复合材料中结合它们而引起的粘弹性材料A和B的峰值损耗系数值的稍许下降。上述下降可从图11与图9和10的比较看出。
本发明的特点将通过下述实例作进一步说明。
实例1设置两个限制层，每个限制层为0.0123英寸厚的1″×6″冷轧矩形钢板。然后，将液体形式的两种不同的粘弹性材料以带状施加在限制层之一的表面上。 粘弹性材料之一是由MortonInternational公司以商品名称MORSTIK销售的那种自交联，丙烯酸溶液，压敏粘合剂。另一种粘弹性材料是3M公司在商品名称SCOTCHDAMPSJ-2125销售的那种液态减振聚合物。在施加粘弹性材料时，横跨基底限制层中间，沿其长度放置一条侧向延伸的埧，在限制层埧的两侧分别放置两种粘弹性材料。在一拉下棒之下计量每种粘弹性材料以形成0.001英寸厚的涂层。然后将涂覆后的基底放入炉中以除去溶剂，当尚未干透时，将另一限制层铺在粘弹性层上，从而形成除带宽不同之外与图1和2所示相同的复合材料。
这种复合材料用下述方式测试以悬臂方式夹住一端，然后磁激励远端引起振动。在图11中示出对于所激励的若干最低频率振动方式的损耗系数/温度特性。
对比实例2和3进行与实例1相同的过程，但不同之处在于不分带，在实例2中粘弹性层只含MORSTIK材料，在实例3中粘弹性层只含SCOTCHDAMP材料。这两种复合材料用实例1中所述方式进行试验。在图9中表示实例2的损耗系数/温度特性，而在图10中表示实例3的相应特性。
实例4重复实例1，不同之处在于每个限制层的厚度为0.010英寸，粘弹性带是以薄膜形式施加的，其宽度为1英寸。具体来说，两种粘弹性材料的薄膜被切成1″× 1″的带，三条带以交错方式横铺在基底层上，形成与图1和2所示相同的那种布置。然后，将另一限制层铺在粘弹性层顶部，所得到的复合材料按实例1所述方式进行试验。图12表示对于所激励的若干最低频率的振动方式的损耗系数/温度特性。
实例5重复实例1，不同之处在于粘弹性层包括第三种粘弹性材料带，每条带2英寸宽，带是以薄膜形式施加的。第三种粘弹性材料是FLexcon公司以商品名称“DENSIL 1078”销售的那种硅酮基聚合物。每种粘弹性材料薄膜被切成1″×2″的带，除去分离衬层，横跨基底限制层铺设带，1英寸尺度是在限制层的横向延伸，而2英寸尺度是在限制层的纵向延伸。然后，将另一限制层铺在粘弹性层上。所得到的复合材料按实例1所述方式进行试验。图13表示所激励的若干最低频率振动方式的损耗系数/温度特性。
实例6重复实例1，不同之处在于在施加在基底限制层上之前，将云母片加入每种粘弹性材料中。具体来说，云母片的筛分粒度使得最大表面尺寸为大约0.00175英寸，在每种粘弹性材料中混入的云母片占所得混合物总重量的5％。然后按照实例1的过程，将加入云母片的两种粘弹性材料施加在基底限制层上，用拉下棒弄平云母片。使其以相对于基底限制层表面较小的角度倾斜。所得到的复合材料是图8所示的那种。这种复合材料按照实例1所述的方式进行试验。图14表示若干所激励的最低频率的振动方式的损耗系数/温度特性曲线。
对比实例7和8重复对比实例2和3，不同之处在于每种情形中，用5％重量的实例6中所述的那种云母片与粘弹性材料在施加在基底限制层上之前进行混合。在每种情形中，以实例1中所述方式试验所得到的复合材料。图15和16分别表示在对比实例7和8的复合材料中激励的若干最低频率振动方式的损耗系数/温度特性。
实例9
设置两个限制层，每个限制层为0.0123英寸厚的1″×6″冷轨矩形钢板。然后，按照实例4所示的方式，将薄膜形式的两种不同的粘弹性材料以条带方式铺在限制层之一的表面上，与实例4不同之处在于带宽为0.5英寸。粘弹性材料之一是实例1中所述MORSTIK材料，而另一种粘弹性材料是实例5中所述的DENSIL1078材料。两种粘弹性材料薄膜被切成0.5″×1″的带，然后以交错的方式横跨基底层进行铺设，使1英寸的尺度垂直于基底的纵向延伸，从而产生与图1和2所示相同的布置。然后，将另一限制层铺在粘弹性层的顶部上，按照实例1中所述的方式试验所得到的复合材料。图17表示所激励的最低频率的若干振动方式的损耗系数/温度特性。
实例10重复实例9，不同之处在于每个薄膜被切成0.5″×6″的带。以图4的方式将每种材料的带放在基底层上，使6英寸尺度平行于基底的纵轴。以实例1的方式试验这种复合材料。图18表示所激励的若干最低频率振动方式的损耗系数/温度特性。
实例11重复实例9，不同之处在于薄膜被切成带有45°角端部的0.5″宽的带，并以交错的方式放置在基底层上，使其与基底纵轴线成45°角，从而产生与图5所示相同的布置。所得到的复合材料实例1所述方式进行试验。图19表示所激励的若干最低频率振动方式的损耗系数/温度特性。
前述实例用于描述本发明的原理。但是，本发明显然也可使用任何适用于减振的许多其它粘弹性材料，也可使用其它类型和结构的限制层。
从以上描述可以看出，本发明提供了改善的减振复合材料，它使有效减振的温度范围最佳化，同时避免了粘弹性材料的叠置或分层。
虽然已示出和描述了本发明的具体实施例，但是，本专业技术人员显然可对其作各种修改和变化而并不超出本发明的范围。因此，权利要求书的目的是覆盖所有这种修改和变化，使其落入本发明的范围。上面所作的描述和附图只是为了说明而并非用作限定。以现有技术为基础来看，本发明的实际范围限定在权利要求书中。
权利要求
1.一种减振复合材料，它包括一基底和设置在所述基底上的单一粘弹性减振层，所述减振层包括不同粘弹性材料的相邻区域构成的图案。
2.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于所述图案包括分别由不同粘弹性材料构成的两个区域。
3.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于所述图案包括分别由不同粘弹性材料构成的三个区域。
4.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于所述图案中的每种所述粘弹性材料具有不同于其它粘弹性材料的损耗系数/温度特性。
5.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于所述区域呈带状，每条带是与相邻带邻接的、基本平行的和基本同宽的。
6.如权利要求5所述的复合材料，其特征在于所述复合材料适于在一种介质中减小产生噪音的振动，这种介质具有多种振动方式，每种方式具有不同的自然振动频率，每个所述带具有大于介质在最低频率振动方式中振动的波长的四分之一的宽度。
7.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于所述基底是由金属构成的。
8.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于所述图案是重复的。
9.一种减振复合材料，它包括一对限制层，以及夹在所述限制层之间的单一粘弹性减振层，所述减振层包括一个不同粘弹性材料的相邻区域构成的图案。
10.如权利要求9所述的复合材料，其特征在于所述限制层是由金属构成的。
11.如权利要求9所述的复合材料，其特征在于每种所述粘弹性材料具有与图案中其它粘弹性材料不同的损耗系数/温度特性。
12.如权利要求9所述的复合材料，其特征在于所述限制层显著厚于所述减振层。
13.如权利要求9所述的复合材料，其特征在于所述图案包括两个分别由不同粘弹性材料构成的区域。
14.如权利要求9所述的复合材料，其特征在于所述图案包括三个分别由不同粘弹性材料构成的区域。
15.如权利要求9所述的复合材料，其特征在于所述区域是带，每条所述带是与相邻的带邻接的，基本平行的，且具有基本相同的宽度。
16.如权利要求15所述的复合材料，其特征在于所述基底是狭长的，具有一条纵轴线，所述带垂直于所述纵轴线延伸。
17.如权利要求15所述的复合材料，其特征在于所述基底是狭长的，具有一条纵轴线，所述带平行于所述纵轴线延伸。
18.如权利要求15所述的复合材料，其特征在于所述基底是狭长的，具有一条纵轴线，所述带倾斜于所述纵轴线延伸。
19.一种减振结构，它包括一个薄的，基本扁平的粘弹性材料本体，以及许多分布在整个本体中的小云母片。
20.如权利要求19所述的结构，其特征在于每个所述云母片具有一厚度和一个在基本垂直于所述厚度方向的方向上的最大表面尺寸，所述最大表面尺寸与所述厚度的比在从大约10至大约100的范围内。
21.如权利要求20所述的结构，其特征在于所述最大表面尺寸大于所述粘弹性材料本体的厚度。
22.如权利要求19所述的结构，其特征在于所述粘弹性材料本体包括一个不同粘弹性材料的相邻区域构成的图案。
23.如权利要求22所述的结构，其特征在于每种所述粘弹性材料具有不同于图案中其它粘弹性材料的损耗系数/温度特性。
24.如权利要求19所述的结构，其特征在于在所述结构中，云母片的重量百分比为从大约5％至大约10％。
25.如权利要求24所述的结构，其特征在于所述云母片以大约5％的重量而存在。
26.一种形成减振复合材料的方法，包括以下步骤设置一个基底，并在基底上施加单一的粘弹性减振层，所述减振层包括一个不同粘弹性材料的相邻区域构成的图案。
27.如权利要求26所述的方法，其特征在于所述减振层是以液体形式施加在基底上的。
28.如权利要求27所述的方法，其特征在于所述减振层包括分布在整个所述减振层中的许多小云母片。
29.如权利要求26所述的方法，其特征在于所述减振层是以固体形式施加在基底上的。
30.如权利要求29所述的方法，其特征在于所述减振层是粘接固定在基底上的。
全文摘要
一种消除噪音的复合材料包括夹在一对限制层之间的粘弹性层，该粘弹性层包括一个不同粘弹性材料的相邻带构成的图案。设有两个或三个不同粘弹性材料的带。粘弹性层可以液体或固体形式施加。当以液体形式施加时，可设置分布在整个粘弹性层中的许多云母片。
文档编号F16F1/36GK1153703SQ9612276
公开日1997年7月9日 申请日期1996年10月30日 优先权日1996年10月30日
发明者理查德·M·汉森, 斯科特·R·多布鲁斯基, 爱德华·J·维德拉 申请人:材料科学公司