多孔陶瓷吸声板.doc

多孔陶瓷吸声板 摘要：伴随社会的高速发展，噪声似乎已成为我们日常生活中的一大梦魇，走在城市的街道上，可以听到来自汽车排气管、飞机飞行以及空调压缩机工作等产生的各种让人心生厌恶的噪声，为了能够拥有一个相对更加安静的生活工作环境，我们可以应用多孔陶瓷吸音的性能制成吸声板，最大程度上解决生产生活中的噪声污染问题以达到低碳的最终目的，充分体现了多孔陶瓷作为一种绿色环保材料的重要意义和应用价值。 关键词：多孔陶瓷；结构；性能；吸音；强度；低碳前言：多孔陶瓷又称为气孔功能陶瓷,是指具有一定尺寸和数量的孔隙结构的新型陶瓷材料。在材料成形与高温烧结过程中,内部形成大量彼此相通或闭合的气孔。多孔陶瓷用作吸声材料目前已非空白，多墙面材料，运输工具外壳体，尤其应用于地铁，影院，博物馆等防火要求较高的场所。现有的大都是蜂窝泡沫陶瓷吸声板，这种材料有很好的吸音效果，尤其以天然菱镁矿粉为原料烧烤而成的多孔质吸声板材料不会释放甲醇和其它对人体有害的气体，经实验证明，这种材料最终可以作为肥料使用，是建设部推荐使用的绿色环保材料。但是，多孔陶瓷为了保证一定的气孔率，相应强度会变差。气孔率与强度的折中问题是目前的一大空白。生产高吸音性同时高强度的多孔陶瓷正是我们要研究的新方向，应用于生产将会产生不可估量的经济和社会效益。正文：1. 多孔陶瓷吸声板吸声机理在日常生活中噪声是一种污染，各种令人生厌的噪音可以通过多孔陶瓷吸声板的应用得以缓解，甚至消除。1.1 吸声机理介绍声音起源于物体的振动，它迫使邻近的空气跟着振动而成为声波，并在空气介质中向四周传播。 当声波遇到材料表面时，一部分被反射，另一部分穿透材料，其余的部分则传递给材料，在材料的孔隙中引起空气分子与孔壁的摩擦和粘滞阻力，其间相当一部分声能转化为热能而被吸收掉。这些被吸收的能量(E)（包括部分穿透材料的声能在内）与传递给材料的全部声能（E0）之比，是评定材料吸声性能好坏的主要指标，称为吸声系数（），用公式表示为 = E0/E多孔性吸声材料的吸声系数，一般从低频到高频逐渐增大，故对高频和中频的声音吸收效果较好。现在已经得到应用的多孔陶瓷吸声板包括安装在汽车排气管中间的蜂窝状多孔陶瓷，用来减少汽车排气管的噪音。一些新型建筑材料也广泛采用多孔泡沫陶瓷作为墙体材料。实践证明可以达到非常好的隔音效果。1.2影响多孔陶瓷材料吸声性能的因素1.2.1材料的表观密度：对同一种多孔材料而言，当其表观密度增大时（即空隙率减小时），对低频的吸声效果有所提高，而对高频的吸声效果则有所降低。1.2.2材料的厚度：增加多孔材料的厚度，可提高对低频的吸声效果，而对高频则没有多大的影响。1.2.3材料的孔隙特征：孔隙愈多愈细小，吸声效果愈好。如果孔隙太大，则效果就差。如果材料中的孔隙大部分为单独的封闭的气泡，则因声波不能进入，从吸声机理上来讲，就不属多孔性吸声材料。当多孔材料表面涂刷油漆或材料吸湿时，则因材料的孔隙被水分或涂料所堵塞，其吸声效果亦将大大降低。2. 多孔陶瓷材料性能多孔陶瓷具有均匀分布的微孔或孔洞,孔隙率较高、体积密度小、比表面较大和独特的物理表面特性,对液体和气体介质有选择的透过性、能量吸收或阻尼特性,以及陶瓷材料特有的耐高温、耐腐蚀、高的化学稳定性和尺寸稳定性。因此多孔陶瓷这一绿色材料可以在气体液体过滤、净化分离、化工催化载体、吸 震、高级保温材料、生物植入材料、特种墙体材料和感器材料等多方面得到广泛的应用。多孔陶瓷吸声板主要应用了其能量吸收或阻尼以及耐高温等性能。孔隙率作为多孔陶瓷材料的主要技术指标,其对材料性能有较大的影响。一般来讲,高孔隙率的多孔陶瓷材料具有更好的吸声性能,因而其应用更加广泛。3. 多孔陶瓷的孔隙研究由于孔隙是影响多孔陶瓷性能及其应用的主要因素,因此在目前多孔陶瓷制备方法比较成熟的基础上, 更加注重通过特殊方法控制孔隙的大小、形态,以提高材料性能，并相应地建立孔形成、长大模型,对孔隙形成的机理进行理论分析。3.1多孔陶瓷的孔隙形成机理 多孔陶瓷就微孔结构形式可分为:闭口气孔和开口气孔结构。闭气孔结构是指陶瓷材料内部微孔分布在连续的陶瓷基体中,孔与孔之间相互分离。开口气孔结构包括陶瓷材料内部孔与孔之间相互连通和一边开口另一边闭口形成不连通气孔2 种。多孔陶瓷的孔隙结构通常是由颗粒堆积形成的空腔,坯体中含有大量可燃物或者可分解物形成的空隙,坯体形成过程中机械发泡形成的空隙以及由于坯体成形过程中引入的有机前驱体燃烧形成的孔隙。一般采用骨料颗粒堆积法和前驱体燃尽法均可以制得较高的开口气孔的多陶瓷制品;而采用可燃物或分解物在坯体内部形成的气孔大部分为闭口气孔或半开口气孔;采用机械发泡法形成的气孔基本上都是闭口气孔。吸声材料都采用开口气孔。4气孔率与材料强度4.1 气孔率对材料强度的影响气孔率是影响多孔陶瓷材料性能的关键因素，大多数材料的强度都随气孔率的增加而降低。这是因为气孔不仅减少了负荷面积，而且在气孔的临近区域应力集中，减弱材料的负荷能力。断裂强度与气孔率P的关系可由下式表示f =0 exp(-n P) 式中n为常数，一般为4-7. 0为没有气孔时的强度。从上式可知，当气孔率约为10%时，强度将下降为没有气孔时强度的一半。气孔率对材料强度的影响曲线如下图11.11 4.2 提高材料强度的措施多孔陶瓷因其多孔结构，必然造成材料本身强度的下降，并且随着孔隙率的提高，材料强度急剧下降。但是考虑到多孔陶瓷的应用，通过各种手段提高材料的强度已成为当今研究的重要方面。4.2.1 减小晶粒尺寸（微晶）对多晶材料，大量实验证明晶粒愈小，强度愈高。因此微晶材料就成为无机材料发展的一个重要方向。脆性断裂与晶粒度的关系为f =0 +Kd-1/2 式中，0 和K为材料常数。 晶界表面能比晶粒内部小，即晶界比晶粒内部弱，所以多晶材料破坏多是沿晶界断裂，即晶界往往成为开裂源。细晶材料晶界比例大，沿晶界破坏时，裂纹的扩展要走迂回曲折的道路。晶粒越细此路程越长。此外，多晶材料中初始裂纹尺寸与晶粒度相当，晶粒越细，初始裂纹尺寸就越小，这样就提高了临界应力。特别值得提出的是各种纤维材料及晶须。将块体材料制成细纤维，强度大约提高一个数量级，制成晶须则提高两个数量级，与理论强度的大小同数量级。4.2.2 提高抗裂能力与预加应力人为地预加应力，在材料表面造成一层压应力层，可以提高材料的抗拉强度。脆性断裂通常是在拉应力作用下，自表面开始断裂。如果在表面造成一层残余压应力层，则在材料使用过程中，表面受到拉伸破坏之前首先要克服表面上残余压应力。通过加热、冷却，在表面层中人为地引入残余压应力的过程叫做热韧化。这种技术近年来以用于其他结构陶瓷材料。4.2.3 弥散增韧在基体中渗入具有一定颗粒尺寸的微细粉料，达到增韧的效果，这称为弥散增韧。这种细粉料可能是金属粉末，加入陶瓷基体之后，以其塑性变形来吸收弹性应变能的释放量，从而增加了断裂表面能，改善了韧性。细粉料也可能是非金属颗粒，在与基体生料颗粒均匀混合后，在烧结或热压时，多半存在于晶界相中，以其高弹性模量和高温强度增加了整体的断裂表面能，特别是高温断裂韧性。结论： 多孔陶瓷吸声板是一种低碳型绿色制品，投入生产应用将产生不可估量的经济和社会效益。当然，随着人们对多孔陶瓷研究的深入细化，更多的陶瓷新性能将应用于日常生产生活。 由于多孔陶瓷所具有的很多优良的性能，现代科学技术的进一步发展，使得新型多孔陶瓷材料倍受青睐，这里只介绍了多孔陶瓷在隔音方面的应用，另外，多孔陶瓷在作为催化剂载体应用到汽车尾气净化处理中, 有了进一步的发展,汽车尾气净化器的核心部分是多孔陶瓷催化系统,在今后的发展中是一个重点。而多孔陶瓷在节能及过滤等方面的研究与开发,都使得多孔陶瓷作为环保型绿色材料有着广阔的应用前景。参考文献：1 张彪,郭景坤. 环境意识材料,科学,48 (5) :5658.2 肖定全 ,环境材料面向21 世纪的新材料研究,材料导报, 1994 , (5) 47.3 张守梅 ,曾令可等,环保吸声材料的发展及展望, 陶瓷学报, 2002 ,23 (1) 5660. 5