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为什么聚氨酯泡沫在填实、振动管理和能量控制方面表现得如此出色？

作者： Art Pini 2022-08-04

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噪声、振动和冲击代表有不必要的能量转移，是现代电子设计中存在的问题。其影响可以从让人心烦演变到一场灾难。大多数解决方案涉及各种形状、密度和厚度的吸能泡沫，用作垫圈、缓冲块和阻尼板。市场上提供吸能泡沫的公司很多，3M 子公司 Aearo Techniques 就是其中的姣姣者，其品牌为 E-A-R（能量吸收树脂）。

我之所以认为这家公司的吸能产品很好，是有原因的。以前我曾在一家设计和制造低频分析仪的公司工作。其中一个主要应用就是冲击和振动测量。正是在那段时间中，我认识了 E-A-R 品牌：它生产的吸能产品可以将冲击和振动形式的机械能转化为热量。

我曾经参加过一个展会，是在一个乡村俱乐部举行的。当时展示的 E-A-R 吸能产品是由其技术制成的高尔夫球。如果将这种高尔夫球扔到地板上，它就会直接伏地不动；零弹跳。如果你用球杆打它，它只会移动到球杆所能到达的距离，然后就不动了：这着实令人惊掉下巴。幸运的是，它们涂成了 E-A-R 蓝，所以它们不能错当成普通的高尔夫球。这是 E-A-R 吸能产品的绝佳实例。

具有一致的形状和温度容忍度的能量吸收

3M 当下在售的 ISOLOSS LS 是一种开孔的微孔聚氨酯泡沫。它是一种耐用的吸能材料，具有较低的压缩形变和稳定的应力应变，可在广泛的温度范围内使用。

该技术有多种密度和厚度可供选择（图 1）。衬垫可以隔离来自冷却风扇的机械振动，泡沫带可以封闭检修门的缝隙，板材可以抑制外壳墙壁和门的振动，而缓冲块则可以缓冲冲击。

图 1：ISOLOSS LS 泡沫产品有一系列的密度和厚度，带来了设计灵活性。（图片来源：3M）

聚氨酯泡沫用于三个不同的应用类别：填实、减震和支撑以及能量控制。填实要求能够密封缝隙，吸收机械冲击和振动，并在配接表面之间提供密封。空气滤网架上的衬垫使用聚氨酯泡沫来密封滤网外壳，并将滤网固定就位。减震和支撑涉及将物体相互隔离，如安装在车门上的缓冲垫可以关闭开关，从而可以监测车门的关闭。缓冲块缓冲了开关，减少了门关闭的冲击。像在大型金属板上使用减震垫这样的能量控制应用，可以通过将机械能量转化为低水平热量并耗散出去的方式来减少振动和冲击。

聚氨酯泡沫的两个关键特性是压缩形变和压缩应力应变。这些特性描述了泡沫保持其形状的能力，以及对压缩它的物体提供一个反作用力。

压缩形变是衡量泡沫在持续压缩后的永久变形。压缩形变值低，说明泡沫在反复或连续压缩后会恢复到原来的厚度。这对于像填实这样的应用非常重要，因为泡沫必须恢复到未压缩的状态，以便在恢复到压缩状态时保持良好的密封。ISOLOSS LS 泡沫在室温下的压缩形变小于 1%。

压缩应力应变 (CFD) 代表了泡沫在不同程度的压缩下的坚固程度。CFD 与压缩的关系图为这些泡沫的设计提供了一些提示。有关 CFD 的更多信息，请参见“如何保护敏感的电子设备免受冲击、振动和温度影响”。

3M ISOLOSS LS 泡沫有多种形式，包括垫片条、圆形和方形块，以及方形和矩形板材（图 2）。

图 2：ISOLOSS LS 聚氨酯泡沫有各种有用的形状，可以很容易地适应各种应用。（图片来源：3M）

像 LS-2506-PSA-1-CIRCLE-50PK 和 LS-2006-PSA-2-X2-50PK 这样的小圆形和方形垫子通常用作缓冲块。像 LS-1025LM/PSA 0.75 "X180"-1RL 这样的 0.75 英寸宽、0.25 英寸厚、密度为 10 lb/ft³ 的带材，可用于填实。

较大的片状材料，如 LS-1506/PSA-5 "X7"-10PK 和 LS-1006LM-PSA-12-X12-6PK，则在隔音和减震方面很有用。它们被应用于面板和门，以改变其振动模式。减振工作原理是，阻尼泡沫通过基层的弯曲应力来承受延伸和压缩，从而实现能量消散（图 3）。

图 3：ISOLOSS LM 泡沫被粘接在基层上，当它弯曲时就会消散能量。（图片来源：3M）

阻尼随着阻尼泡沫层厚度的增加而增加。改变泡沫密度也会影响阻尼效果。没有必要覆盖整个面板；只要覆盖面板面积的 25% 就能明显降低振动水平。

结语

看到有时认为理所当然的技术被运用到一个全新领域时，人们往往都会表现得很有兴致，特别是这个技术为了好玩时。高尔夫球演示真正展示了吸能泡沫的潜力。3M 的 ISOLOSS LS 产品能够持续解决振动、冲击和密封问题，同时在其使用寿命内保持其形状和密封能力。在此过程中，它们能容忍极端环境，并具有阻燃和耐化学性。

关于此作者

Arthur (Art) Pini 是 DigiKey 的特约作者。他拥有纽约城市学院的电气工程学士学位和纽约城市大学的电气工程硕士学位。Art 在电子领域拥有超过 50 年的经验，曾在 Teledyne LeCroy、Summation、Wavetek 和 Nicolet Scientific 担任重要工程和营销职位。Art 对测量技术很感兴趣，在示波器、频谱分析仪、任意波形发生器、数字化仪和功率计方面有着丰富的经验。