了解橡胶材料的动态行为

阻尼器中常用的橡胶类材料具有一种独特的特性，即动态粘弹性，使它们能够将振动产生的机械能转化为热量，同时表现出类似弹簧和流动的行为。根据动态粘度要求，可以通过将这些材料与特定分子结构的化合物混合来进行定制。

然而，这些材料独特的机械性能背后的潜在机制仍不清楚。造成这种知识差距的主要原因是缺乏能够同时测量这些材料的机械性能和观察微观结构动力学的综合系统。虽然 X 射线计算机断层扫描 (CT) 最近已成为对材料内部结构进行低至纳米级分辨率的无损检查的有前途的选择，但它不适合在动态条件下进行观察。

在此背景下，由日本早稻田大学工程学院创意科学与工程学院副教授(终身教授)Masami Matsubara 领导的一个研究小组现已开发出一种创新系统，可以进行动态机械运动同时进行分析和动态显微X射线CT成像。他们的研究于 2023 年 10 月 19 日在线发布，并将于 2023 年 12 月 15 日发表在《机械系统和信号处理》杂志第 205 卷上。

“通过将大型同步辐射装置 Spring-8(BL20XU) 进行的 X 射线 CT 成像与动态条件下的力学分析相结合，我们可以阐明材料的内部结构、其动态行为及其阻尼特性之间的关系，”解释道松原博士。这一新颖系统的核心是动态微型X射线CT和团队开发的专门设计的紧凑型振动台，能够精确调节振动幅度和频率。

该团队利用这一创新系统研究丁苯橡胶 (SBR) 和天然橡胶 (NR) 之间的区别，并探索 ZnO 颗粒的形状和尺寸如何影响 SBR 复合材料的动态行为。

研究人员对这些材料进行了动态微 X 射线 CT 扫描，在成像过程中旋转它们，同时使它们受到振动器的振动。然后，他们利用从材料内部结构的 3D 重建图像中提取的局部应变，绘制了局部应变振幅的直方图。对这些直方图与材料的损耗因子(材料固有阻尼的测量)相结合进行分析，以了解它们的动态行为。

在比较损耗因子显着不同的材料 SBR 和 NR 时，研究小组发现它们的局部应变振幅直方图之间没有明显差异。然而，在存在 ZnO 等复合颗粒的情况下，直方图显示出更宽的应变分布。这表明这些材料内的应变是不均匀的，并且取决于颗粒的形状和尺寸，这可能掩盖了添加颗粒带来的任何变化。

“这项技术可以让我们研究动态条件下橡胶和类橡胶材料的微观结构，并可以开发出不会劣化的节能橡胶轮胎或手套。” 此外，这项技术还可以对心脏等反复变形的活体器官进行动态X射线CT成像，甚至可以为人造器官的发展铺平道路。”松原博士强调了这项技术的重要性。学习。

总体而言，这项突破性技术有潜力促进对粘弹性材料微观结构的理解，可能为开发具有改进性能的新型材料打开大门。

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