（材料加工工程专业论文）纤维颗粒树脂基层合复合材料的吸声性能研究.pdf

型堂吐嗍嬲煳 浙江理工大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权浙江理工 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在 不保密口 。 学位论文作者签名币狐 日期：扣l o 年多月 年解密后使用本版权书。 指导教师签名：彳硎哆 日期： 矿z 年；月，。日 浙江理工大学硕+ 学位论文 纤维材料颗粒树脂基层合复合材料的吸声性能研究 摘要 噪声不仅会使人烦躁，若音量过强还危害人们的身心健康，对人类的危害越来越大。 高分子材料具有一定的阻尼特性，并有利于将吸声机制如多孔吸声、共振吸声同时引入材 料中，而与其它材料如颗粒复合，可进一步改善其吸声性能；纤维材料由于其良好的加工 性，多孔性、柔软性及弹性等特点，常用作吸声材料的夹层或表层。因此，本课题的目的 在于：通过对高分子材料的改性和无机颗粒的填充，研究性能良好的颗粒一树脂吸声复合材 料，并将吸声性能良好的颗粒树脂复合材料与纤维材料进行层合，研究层合次序对吸声性 能的影响，以期可以在不增加面密度和厚度的条件下，通过改变层合方式，提高层合材料 的吸声性能，为制备高性能的吸声材料提供参考。 首先，以聚氯乙烯( p v c - 粉末丁腈橡胶( p n b r ) ，邻苯二甲酸二正辛酯( d o p ) ，为主 要原材料，制备具有不同质量比的p v c p n b r 橡塑复合材料。利用d m a 和驻波管等，分 析测试了材料的力学性能、阻尼性能和吸声性能，结果表明：当p v c 、p n b r 与d o p 质 量比为7 0 ：3 0 ：1 3 0 时，材料具有较大的阻尼性和较好的力学性能的同时，在2 5 0 、1 0 0 0 、 2 0 0 0 h z 下有较好的吸声性能； 其次，以p v c 、p n b r 质量比为7 0 ：3 0 的p v c p n b r 作为基体，分别选用废旧压电 陶瓷颗粒( p z t ) 和漂珠为填充颗粒，制备颗粒填充的树脂基复合材料，研究填充颗粒对 颗粒树脂基复合材料吸声性能的影响，结果表明：填充漂珠的复合材料的吸声性能优于 p z t ，且材料的吸声性能与漂珠的加入量，复合材料的粒径和厚度有关。 再次，通过对机织、编织、非织造的涤纶纤维的吸声性能进行研究发现，纤维的加工 形态与吸声性能有较大的关系，非织造布比其他两种织造形式具有更好的吸声性能。 最后，将漂珠填充的p v c p n b r 与涤纶非织造布层合，研究层合方式对吸声性能的影 响，结果表明：以漂珠填充的p v c p n b r 单层材料在前，双层非织造布作为夹层，另一层 漂珠填充的p v c p n b r 在后时，吸声性能优于相同厚度其他排列方式。与漂珠填充的 p v c p n b r 复合材料或非织造材料相比，相同厚度的条件下，层合复合材料具有更高的吸 声性能。 关键词：p n b r p v c 橡塑复合材料；颗粒复合材料；纤维材料；层合材料；吸声性能 i i i 浙江理- t 大学硕士学位论文 s t u d yo ns o u n da b s o r p t i o np r o p e r t yo f l a m i n a t e d f i b e r p a r t i c l e r e s i nc o m p o s i t e a b s t r a c t n o i s ew i l ln o to n l ya f f e c tt h ep r e c i s i o no fm e c h a n i c a lp r o d u c t sa n ds h o r t e nt h es e r v i c el i f e o fp a r t s ，b u ta l s oh a r mp h y s i c a la n dm e n t a lh e a l t h ，i th a z a r d sh u m a n si n c r e a s i n g l y p o l y m e r m a t e r i a lh a dd a m p i n gp r o p e r t yw h i c hw a sc o n d u c i v et oi n t r o d u c i n gt h es o u n da b s o r b i n g m e c h a n i s m ss u c ha s p o r o u s s o u n da b s o r p t i o n , r e s o n a n c ea b s o r p t i o na tt h es a m et i m e ， i n t r o d u c t i o no ft h ep a r t i c l e sc a l li m p r o v ea c o u s t i cp r o p e r t yf u r t h e r ；f i b e r sw e r ec o m m o n l yu s e d a ss a n d w i c ha n ds u r f a c eo fs o u n da b s o r p t i o nm a t e r i a l sb e c a u s eo ft h e i rp r o c e s s ，p o r o s i t y , s o f t n e s sa n df l e x i b i l i t y t h e r e f o r e ，a i m so ft h i ss u b j e c tw e r e ：t h r o u g hm o d i f y i n gp o l y m e r m a t e r i a l sa n df i l l i n gi ni n o r g a n i cp a r t i c l e st oo b t a i ng o o ds o u n da b s o r p t i o np e r f o r m a n c eo f p a r t i c l e s - r e s i nc o m p o s i t e s ，a n dp a r t i c l e s - r e s i nw i t hg o o ds o u n da b s o r p t i o np r o p e r t yo fc o m p o s i t e m a t e r i a lw a su s e da so n ep a r to fl a m i n a t e dm a t e r i a lt os t u d ye f f e c to fl a m i n a t e do r d e r so nt h e s o u n da b s o r p t i o np r o p e r t y , s ow ec o u l do f f e rr e f e r e n c et oi m p r o v es o u n da b s o r p t i o np r o p e r t yb y c h a n g i n gt h el a m i n a t e dp a r e m sw i t h o u ti n c r e a s i n gt h i c k n e s sa n da r e a ld e n s i t y f i r s t l y ，p o l y v i n y lc h l o r i d et y v c ) ，p o w d e r e dn i t r i l er u b b e r ( p n b r ) a n d2 - o c t y lp h t h a l a t e ( d o p ) w e r eu s e da sm a i nr a wm a t e r i a l st op r e p a r ep v c p n b rr u b b e rc o m p o s i t ew i t hd i f f e r e n t m a s sr a t i o d m aa n ds t a n d i n gw a v et u b e s ，e t c w e r eu s e dt ot e s tm e c h a n i c a lp r o p e r t y , d a m p i n g a n da c o u s t i cp e r f o r m a n c eo fm a t e r i a l s ，r e s u l t ss h o w e dt h a t ：w h e nt h em a s sr a t i oo fp v c ， p n b r ，d o pw a $ 7 0 ：3 0 ：13 0 ，s a m p l eh a dal a r g e rd a m p i n gv a l u ea n db e t t e rm e c h a n i c a lp r o p e r t y a tt h es a m et i m e ，g o o da c o u s t i cp e r f o r m a n c ew a so b t a i n e da t2 5 0 ，1 0 0 0a n d2 0 0 0h z p v c p n b r w a su s e da sm a t r i x ，w a s t e dp i e z o e l e c t r i cc e r a m i co z t ) p a r t i c l e sa n df l o a t i n gb e a d sw e r ef i l l e d r e s p e c t i v e l yt op r e p a r er e s i n - b a s e dp a r t i c l ec o m p o s i t e ，e f f e c to f r e s i n - b a s e dc o m p o s i t eo ns o u n d a b s o r p t i o np r o p e r t yw a ss t u d i e d , r e s u l t ss h o w e dt h a t ：a c o u s t i cp r o p e r t yo fs a m p l ef i l l e dw i t h f l o a t i n gb e a d sw a ss u p e r i o rt op z t , a n dt h ea b s o r p t i o np r o p e r t yo fc o m p o s i t eh a dac l o s e d r e l a t i o nt oa m o u n t , s i z ea n dt h i c k n e s so ff l o a t i n gb e a d s s e c o n d l y , b yc o m p a r i n gs o u n da b s o r p t i o np r o p e r t yo fw e a v i n g ，k n i t t i n ga n dn o n - w o v e n p o l y e s t e rf i b e r s ，t h e r ew a sas t r o n gr e l a t i o nb e t w e e np r o c e s s i n gm o r p h o l o g y a n da c o u s t i c i 、， 浙江理工大学硕十学位论文 p r o p e r t y , a n dt h en o n - w o v e nf i b e ro w n e db e t t e rs o u n da b s o r p t i o np e r f o r m a n c et h a nt h eo t h e r t w of o r m so ff a b r i cm a t e r i a l s f i n a l l y , p v c p n b rf i l l e d w i t h f l o a t i n g b e a da n dn o n - w o v e np o l y e s t e rf a b r i cw e r e l a m i n a t e dt o s t u d yt h e l a wo fa c o u s t i cp r o p e r t y , r e s u l t ss h o w e dt h a t ：w h e ns i n g l el a y e r p v c p n b rf i l l e d 嘶t l lf l o a t i n gb e a dm a t e r i a l si nt h ef o r m e r , d o u b l en o n - w o v e nf i b e rw e r eu s e d a sas a n d w i c h , t h eo t h e rl a y e rp v c p n b rf i l l e d 、析t l lf l o a t i n gb e a dm a t e r i a l si nt h el a t t e r , l a m i n a t e dc o m p o s i t em a t e r i a lh a dh i g h e ra b s o r p t i o np r o p e r t yt h a nt h eo t h e ra r r a n g e m e n t su n d e r t h es a m et h i c k n e s sc o m p a r e d 谢廿lt h es a m et h i c k n e s so fp v c p n b rf i l l e d 谢n 1f l o a t i n gb e a d m a t e r i a l sa n dd o u b l en o n - w o v e nf i b e r k e y w o r d s ：p n b r p v cc o m p o s i t e s ；p a r t i c l ec o m p o s i t e s ；f i b e rm a t e r i a l s ；l a m i n a t e dm a t e r i a l s ； s o u n da b s o r p t i o np r o p e r t y v - 浙江理工大学硕十学位论文 目录 摘要i i i 目勇乏v i 第1 章绪论1 1 1 吸声材料的研究概况1 1 1 1 单一吸声材料的研究概况一1 1 1 2 复合吸声材料的研究概况一4 1 2 吸声机理、测试方法及性能评价一7 1 2 1 吸声材料的吸声机理一7 1 2 2 吸声材料的测试方法一9 1 3 论文的研究目的和意义1 4 1 4 论文研究的主要内容1 5 第2 章p v c p n b r 橡塑复合材料的制备及吸声性能1 6 2 1 引言1 6 2 1 1p v c 的简述1 6 2 1 2p n b r 的简述16 2 2 实验部分1 7 2 2 1 实验材料及试剂17 2 2 2p v c p n b r 橡塑复合材料的制备1 7 2 2 3 橡塑复合材料静态力学性能表征l8 2 2 4 橡塑复合材料吸声性能表征1 8 2 2 5 橡塑复合材料动态力学性能表征1 9 2 2 6 橡塑复合材料材料形貌观察1 9 2 2 7 橡塑复合材料材料热学性能1 9 2 3 结果与讨论2 0 2 3 1 试样的静态力学性能2 0 2 3 2 试样的动态力学性能2 1 2 3 3 橡塑复合材料的吸声性能2 3 2 3 4 阻尼性能与吸声性能的相关性分析2 4 2 3 5 橡塑复合材料材料形貌观察2 5 2 3 6 橡塑复合材料的热学性能2 6 2 4 本章小结2 6 v i 浙江理工大学硕士学位论文 第3 章颗粒，橡塑复合材料的制备及性能2 8 3 1 引言2 8 3 1 1 压电陶瓷的简述2 8 3 1 2 漂珠的简述2 8 3 2 实验部分3 0 3 2 1 实验材料及试剂3 0 3 2 2 颗粒橡塑复合材料的制备3 0 3 2 3 橡塑复合材料形貌观察3 0 3 2 4 橡塑复合材料静态力学性能表征3 0 3 2 5 橡塑复合材料吸声性能表征3 l 3 2 6 橡塑复合材料动态力学性能表征3 1 3 3 结果与讨论3 1 3 3 1p z t 橡塑复合材料性能分析3 1 3 3 2 漂珠橡塑复合材料性能分析3 6 3 3 3 不同粒径漂珠橡塑复合材料吸声性能分析4 1 3 3 4 不同厚度漂珠橡塑复合材料吸声性能分析4 3 3 4 本章小结4 4 第4 章纤维颗粒一树脂基层合复合材料的吸声性能研究4 5 4 1 引言一4 5 4 2 实验部分4 6 4 2 1 实验材料及试剂4 6 4 2 2 样品的准备4 6 4 2 3 性能测试4 6 4 3 结果与讨论4 7 4 3 1 相同厚度不同纤维材料吸声性能对比4 7 4 3 2 纤维材料的加工形态对吸声性能的影响4 7 4 3 3 厚度对非织造纤维材料吸声系数的影响4 9 4 3 4 不同排列结构层合材料的吸声性能5 1 4 3 5 相同厚度层合材料，颗粒一树脂复合材料与非织造布吸声性能对比5 3 4 3 6 层合复合材料在各频段噪声下的吸声性能5 4 4 4 本章小结5 5 第5 章结论与展望5 6 5 1 结论5 6 5 2 建议：一5 6 参考文献5 7 v i i 浙江理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 吸声材料的研究概况 随着现代工业、交通运输和航空航天业的飞速发展，噪声和振动问题日益严重。噪声 不仅会影响机械产品精度、缩短机械零部件使用寿命，还危害人们的身心健康，对人类的 危害越来越大。降低噪声的基本途径有吸声、隔音、阻尼减振，其中吸声和阻尼减振应用 最为广泛【。吸声材料大致可分为单一吸声材料和复合吸声材料两种。 1 1 1 单一吸声材料的研究概况 1 1 1 1 金属纤维吸声板 铝质纤维吸声材料在国内外的使用已很普遍，经常作为吸声材料使用在展览馆、高架 公路底面、公路的声屏障、地铁和隧道等地下潮湿环境。由于铝质纤维吸声材料的突出优 点，今后将在我国声环境的改善和噪声控制中发挥作用，与其它金属吸声材料相比，具有 如下特点【2 1 ： ( 1 ) 厚度薄，质量轻，吸声性能优异。 ( 2 ) 机械强度高，安装方便。可耐受气流冲击和震动，适用于震动剧烈或气流速度较 大的场所。铝的柔韧性好，因此钻孔、弯曲和裁切等加工都很方便。材料也不会刺激皮肤。 ( 3 ) 铝纤维耐候、耐高温性能良好、难吸水，浸水后取出水分立即流失，易于干燥， 干燥后吸声性能不改变。含水结冰时材料不受损坏，因而对冷热环境都适用。 ( 4 ) 不含有机物质，可回收利用。不会形成大量的废弃垃圾，具有电磁屏蔽效果和良 好的导热性能，可用于特殊要求的场所。 ( 5 ) 材料蕴含丰富，材料板幅度较大，用途比较广泛。 1 1 1 2 泡沫金属吸声材料 由于用金属制造的泡沫金属，不仅具有一般吸声材料的特性，而且还具有高的机械强 度，良好的导热性并且能在高温下使用，因此金属多孔材料的研究越来越受到人们的重视。 泡沫金属吸声材料( 如图1 1 ) 的孔隙率最高可达9 8 ，与其它多孔金属吸声材料相比优 越性很高，特别是吸声性能得到了进一步提高。其特点如下【3 】： ( 1 ) 材料有蜂窝状骨架结构，且大部分孔隙都是连通的，呈均匀球形孔。每个球形孔 周围均匀布圆形或椭圆形孔，周围由蜂窝状多边形构成立体网络。 1 浙江理- t 大学硕士学位论文 ( 2 ) 泡沫金属材料的最高孔隙度可达9 8 以上，密度一般在0 2 - - - 0 8 r d c m 3 ，为致密金 属的1 1 0 1 5 0 ，孔隙孔径范围可在几十到几百个微米之间达到最佳吸声效果。 图1 1 泡沫锅的宏观结构和电镜照片 f i 9 1 1m a c r og r a p h i cs t r u c t u r ea n ds e m o fa l u m i n u mf o a m ( 3 ) 泡沫金属材料具有连续的金属骨架，比相同孔隙度的粉末冶金烧结材料拉伸和压 缩强度大得多。 ( 4 ) 泡沫金属具有高的孔隙度，良好的透过性能；另外，它与其他非金属吸声材料相 比，其突出的优点是耐高温性能。如泡沫铜可在高于9 0 0 。c 温度下使用，而钨铬金属制得 的发泡材料可在更高的温度条件下使用。 1 1 1 3 高分子泡沫吸声材料 图1 2 聚氨酯泡沫吸声材料电镜图片 f i 9 1 2s e m o fp uf o a ms o u n da b s o r p t i o nm a t e r i a l 聚氨酯泡沫体吸声材料( 如图1 2 ) 是当今吸声材料中经常使用的一种重要多孔性高分 子材料，在噪声控制和建筑中大量使用。聚氨酯泡沫材料的吸声特性与其他多孔性吸声材 料相比，在低频段吸声系数较低。因此研究具有良好的中低频吸声性能的聚氨酯泡沫体是 其重要的发展方向。同时，在实际应用中应该使功能性与装饰性相结合，以满足人们对室 2 - 浙江理工大学硕士学位论文 内装饰的要求【4 】。按气孔形式不同，分为闭孔型和开孔型两类。闭孔聚氨酯泡沫主要用于 隔热保温，开孔的则用于吸声。硬质聚氨酯( p u f ) 无臭、透气、气泡均匀、耐老化、抗 有机溶剂侵蚀且对金属、木材、玻璃、纤维等有很强的粘合性。尤其是硬质聚氨酯泡沫塑 料还具有很高的结构强度和绝缘性【5 1 。 1 1 1 4 纺织品吸声材料 纺织材料具有多界面和疏松多孔的结构特点，具有一定的阻尼特性，使声波通过以内 耗和空气的低通滤波器作用的形式等产生不同程度的衰减，因此是一种良好的吸声材料。 纤维作为吸声材料发展到现在有天然有机纤维、无机纤维及金属纤维等，各种纤维具有不 同特点，其形态结构与吸声性能有如下关系。 ( 1 ) 厚度：材料的厚度对低频波段的吸收有很大影响。在一定频段内增加厚度，不但 可以提高其低频波段吸声性能，对中频波段和高频波段都有较好的吸声效果。 ( 2 ) 容重：与材质、材料内部和孔隙率的筋络等有直接联系，对纺织材料的吸声性能 起到很大的影响。在厚度不变时，增加容重，可提高低频和中频的吸声性能，但容重过大， 材料会过于大，因此吸声系数较低，且高频段的吸声性能可能减小。因此，在制作纺织吸 声材料时，应该合理控制容重，以使其在提高低频声波吸声系数时，尽可能不明显影响高 频声波的吸收效果。 ( 3 ) 孔隙率：孔隙率主要是指材料内空气体积与材料总体积之比，理论上讲，若要达 到较好的吸声效果，应使纺织材料的孔隙率控制在7 0 9 0 之间。 ( 4 ) 流阻：流阻是指在稳定气流状态下，加在吸声材料两边的压力差与通过样品的气 流线速度的比值，其单位为p a s m 。流阻的大小与材料的孔隙率有密切关系，一般较密实 性吸声材料易形成很大的流阻，纺织材料的流阻值则相对较低，过高和过低的流阻值都无 法使材料获得好的吸声性能。因此，合理控制纺织材料的流阻可以控制材料吸声性能 6 1 。 ( 5 ) 空气层：在纺织材料背后增加一定尺寸的空气层可起到增加材料有效厚度的作用， 从而增加低频波吸声系数，此外还可以节省材料使用川。 ( 6 ) 含水量：大多数纺织材料的孔隙率对吸声系数有较大影响，当其吸水、吸油后孔 隙被堵塞，使介质发生变化或孔隙率减少，这样会导致材料的吸声性能降低。例如超细玻 璃棉等对水、油特别敏感，吸附水、油后吸声效果明显下降，但吸水、吸油能力较弱的材 料如金属纤维，对其吸声性能影响较小。 ( 7 ) 结构因子：是使理论吸声系数与实际尽量相符的一个修正系数，为无量纲参数， 其值决定于材料的性质，受材料孔隙率的影响，是材料内部微观结构的反映。其对低频波 - 3 一 浙江理工大学硕士学位论文 段的吸收性能基本无影响，但当流阻较小时，增大材料结构因子，中高频吸声效果有周期 性变化。 1 1 2 复合吸声材料的研究概况 复合吸声材料主要是有机高分子材料，其具有一定阻尼特性，这有利于将其它吸声机 制如多孔吸声、共振吸声同时引入材料中，改变其吸声性能。与金属，陶瓷等材料相比， 高分子材料更容易通过压制、发泡和挤出等加工成型工艺进行结构设计，进而使材料的吸 声性能改变。有机高分子品种繁多，也为吸声降噪材料的开发提供了广阔空间。 阻尼高分子材料在降噪材料中占的比例很大，大致可分为减振片材和减振涂料两大 类。减振片材包括塑料体系和橡胶体系。塑料体系包括聚氯乙烯( p v c ) 、聚苯乙烯( p s ) 、聚 醚型聚氨酯( p u r ) 、环氧树脂( e p ) 、聚酯( p e t ) 、互贯网络聚合物( i p n ) ，以及金属粉、陶 瓷粉、玻璃微珠等作为填充材料。橡胶体系包括天然橡胶、异戊橡胶、丁基橡胶、乙丙橡 胶等合成橡胶。减振涂料则包括p u r 丙烯酸酯类聚合物、乙烯共聚物、沥青等【踟。 1 1 2 1 片状无机填料填充高分子吸声复合材料 高聚物的粘弹性是其形变性质的重要特征，高聚物阻尼作用机理与高聚物的动态力学 松弛性质有直接关系，当高聚物与振动物体相接触时，必然要吸收一定的振动能量，使其 变成热能，结果使振动受到阻尼作用而衰减【9 】。受力形变时滞后的大小决定了聚合物阻尼 作用的大小，正是由于这种滞后现象，聚合物的拉伸一回缩循环变化都需要克服其本身的大 分子链段之间的内摩擦阻尼而产生内耗，将振动的能量转换成损耗的能量，是机械能转变 为热能，从而抑制振动和噪声1 0 1 。 马丽华【l l j 等通过研究片状无机填料在阻尼材料中的性能，得出片状填料有助于增加材 料的阻尼，片状云母粉的加入对增加材料的阻尼有很大贡献，二者之间有较好的协同作用， 材料的能量损耗越多，阻尼值越大，这可能是填料的体积效应与摩擦效应共同作用的结果。 1 1 2 2 颗粒填充高分子吸声复合材料 颗粒孔隙结构的高分子吸声材料是颗粒状高分 子材料通过一定粘接压制成型工艺方法制成的结构 吸声材料。颗粒微孔材料与多孔材料的吸声机理相 似，首先是粘滞作用吸声：声波在材料的孔隙传播而 引起孔洞内空气振动使它和孔壁摩擦，由此速度产生 梯度而导致粘滞阻碍作用，使部分声能转化为热能被 4 7 ： i 蚤： o o o ：之： 0 ：0 图1 3 颗粒填充复合材料 f i 9 1 3 c o m p o s i t ef i l l e dw i t hp a r t i c l e 浙江理工大学硕士学位论文 消耗掉。并且由于颗粒之间粘接不规则，材料内每个孔隙周围又分布一些更微细的孔隙， 这样的结构有效地增加了孔隙内空气粘滞阻力，使得入射声波能量被有效地吸收( 如图 1 3 ) 。其次，颗粒微孔材料的骨架是高分子材料，其弹性模量值比较低，因此内阻尼较大， 存在弛豫效应吸声。在声波作用下，颗粒材料发生形变，由于材料自身的弛豫效应，将声 能转变为热能而损耗。此类材料不但中、低频吸声性能较好，其机械性能也优于常用的多 孔和泡沫吸声材料。 通过对高分子材料为基体的颗粒型微孔结构进行吸声特性研究，刘吉轩等【1 2 1 总结出颗 粒微孔结构除具有一般多孔吸声材料的空气粘滞吸声作用外，还存在颗粒材料内部的弛豫 效应吸声，因而吸声系数高，尤其是低频吸声系数较高。可见，多孔吸声机制和阻尼吸声 制的合理结合可以有助于改善材料的吸声性能。但有研究表明，粘结作用对颗粒材料的吸 声性能有一定的负面影响，会同时降低材料的吸声系数。在填充复合材料中，声音的衰减 涉及到分子间非键作用力的破坏来增加内摩擦并且基质材料对骨架的质量负荷作用。 c u s h m a n t l 3 1 研究指出，将高或低阻抗的填料与聚合物混合可以降低振动和冲击源所产生的 噪声，所得材料具有优异的吸声性能。橡胶材料中添加一些金属微粒( 如铝粉) 和气泡性材 料，使橡胶以软筋络的形式存在，其被气泡和金属微粒材料均匀地包围着。当声波作用到 这些软筋络上时，筋络材料的弛豫作用吸收部分声能，会使气泡中的空气产生膨胀和压缩， 金属粒子产生振动，可以增加材料的弛豫吸收效果【1 4 】。由于最大的温度梯度和声波速度梯 度都发生在两媒质的接触面附近，因此界面的增多也会导致粘滞吸收和热传导吸收作用的 增强，从而使材料整体表现出优异的吸声性能。 1 1 2 3 橡塑复合发泡吸声材料 橡塑复合型泡沫吸声材料是多孔型吸声材料的一种，它以高聚物中的橡胶和塑料为基 本原料，目前主要有聚乙烯泡沫、聚丙烯泡沫、聚氯乙烯泡沫和聚氨酯泡沫等品种的吸声 材料以及通过改变增韧橡胶聚合物组件的厚度、长度及多孔分布情况的方法来改变吸声性 能的复合材料【1 5 1 6 1 。 橡塑共混改性材料是获得新型材料的一种迅速、简便、价廉的有效方法。粉末丁腈橡 胶( p n b r ) 与聚氯乙烯( p v c ) 共混制备热塑性弹性体可实现橡胶和塑料的优势互补，既具 有p n b r 突出的交联橡胶弹性和耐油性，又兼有p v c 的可塑性、耐候性、耐化学品等特 性，生活中应用非常广泛【1 7 1 。 由于高分子材料具有粘弹性，也就是说具有阻尼性，目前研究最多、应用最广一的是 粘弹性阻尼材料，即高分子阻尼材料，这主要是因为【1 8 】： 5 浙江理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 高分子材料具有较好的粘弹性，因此内耗大，能够实现高阻尼； ( 2 ) 高分子材料种类繁多，可以按照不同需求进行分子设计； ( 3 ) 高分子材料具有良好的加工性能，因此可制成各种形状。 高分子阻尼材料兼有粘性液体在一定流动状态下损耗能量的粘性和弹性固体材料贮 存能量的弹性，在振动物体产生高的共振振幅前，先将一部分振动能在自身中消耗，以达 到减小振幅、降低振动能之目的。粘弹性是高分子材料的一个重要特性，产生阻尼作用的 根本原因是由于高分子材料在受到交变力的作用下发生的滞后现象和力学损耗。人们将应 变落后于应力的相位差6 称为力学损耗角，常用力学损耗角正切协1 6 来表示内耗的大小 0 9 1 ，其值的大小与阻尼性能关系非常密切，可依需要来改变聚合物的内耗。 1 1 2 4 压电陶瓷吸声复合材料 压电陶瓷如锆钛酸铅( p z t ) 等具有良好的压电性性能，但硬而脆的特性使其难于加工， 有机高聚物兼具柔性和低密度的优点。将二者结合后以相互弥补的构想便导致了压电复合 材料的产生。其中压电陶瓷相具有将电能和机械能相互转换的作用，而聚合物基体则可作 为导体使电流在陶瓷与周围介质之间进行传递【2 0 1 。 压电导电高分子复合材料【2 l 】是将压电材料、导电材料复合于高聚物基体材料中，构成 导电回路。当入射声波作用于该材料时会使材料产生相应的振动，压电材料产生相应的极 化电荷( 电场) ，在导电回路中产生电流并最终以热的形式输出。声能越强，产生的电流越 大，因此发热也越多，通过上述能量的传递与转换，从而达到了吸声降噪的效果【2 2 1 。其物 一场的交互作用如图1 4 所示： 图1 4 压电陶瓷吸声不意图 f i 9 1 4s o u n da b s o r p t i o np r o c e s so fp z t 对于压电导电高分子吸声复合材料，当受到外界声波作用时，主要有3 种耗能途径团j ： ( 1 ) 通过高分子粘弹性产生的力学损耗作用，将振动的能量转变为热能，即内阻尼； ( 2 ) 通过聚合物与压电材料、导电材料的相互摩擦消耗一部分，并转化成热能； ( 3 ) 通过压电效应，将机械能转化为电能，此电能再由导电基体材料转化为热。 成国祥等【卅在聚合物中加入p z t 微粒，利用高分子的粘弹阻尼特性和压电陶瓷的压电 效应，制备了以丙烯酸酯聚合物和环氧树脂为基材的复合膜。通过高分子粘弹性产生的力 学损耗作用；加之聚合物与压电陶瓷粒子的相互摩擦、陶瓷粒子间的相互摩擦、复合膜与物 体间的粘接界面层等多种吸声机理共同的约束作用以及压电阻尼效应来实现吸声。 6 一 浙江理工大学硕士学位论文 1 2吸声机理、测试方法及性能评价 1 2 1 吸声材料的吸声机理 一般的吸声材料有不同的吸声原理，可以分为：阻尼吸声原理、结构吸声原理和共振 吸声原理及压电吸声原理等【2 5 也川。 1 2 1 1 阻尼吸声原理 声音是由物体的振动而产生，因此减少振动就可以降低一部分声能。阻尼性质是指系 统损耗能量的能力，即将机械振动的能量转变成热能以达到减振的目的。阻尼技术就是充 分运用阻尼消耗能量的规律从原料、设计、工艺等各项技术问题上发挥阻尼在减振方面的 能力来提高吸声效果。 阻尼材料一般为高聚物材料，从微观结构上看，这种材料的分子与分子之间的相互连 接依靠化学键或物理键作用构成三维分子网。高聚物的分子之间很容易产生相对运动，分 子内部的化学单元也能自由旋转，因此，受到声波作用时，弯曲状的分子链会发生拉伸、 扭曲等变形；分子之间的链段会发生相对滑移、扭转。分子链产生相对运动，使构象有一 定的弛豫时间，因而损耗一部分声能，同时，由于材料粘性内摩擦的存在，将部分弹性能 转化为热能，从而降低声能，达到吸声的目的 2 9 - 3 2 。 利用高分子材料的粘弹内耗性能即阻尼机制，将吸收的声能或机械能( 主要是固体) 转 变为热能耗散，是高分子粘弹性吸声材料的主要吸声机理。高分子粘弹性吸声材料主要有 橡胶、塑料、互贯聚合物网络( i p n ) 材料等。 粘弹吸声材料通常是以覆盖层合填充层的形式与刚性材料层构成阻尼吸声降噪结构， 有约束型和非约束型两类。在粘弹吸声材料中，备受重视的i p n 是由两种或多种聚合物交 联网络的永久性物理互锁形成的。它可以呈现不同程度的相分离形态，存在相界面过渡， 因此具有宽温带松弛转变区和较高的阻尼值，并且易于成型加工，具有优良的耐腐蚀性。 此外，阻尼性能突出的小分子。大分子杂化材料开始受到关注。w h 等人p 3 1 提出高分子与 有机小分子杂化的概念，通过相动态控制分离构造和利用氢键的作用，得到具有高的阻尼 值的极性高分子与受阻酚等小分子的杂化材料。 1 2 1 2 结构吸声原理 多孔吸声材料是目前应用最广泛的吸声材料。最初的多孔吸声材料是以麻、甘蔗渣、 棉、毛发等天然动植物纤维为主，目前则逐渐被玻璃棉、矿渣棉等无机纤维替代。这些材 料可以为松散的，也可加工成棉絮状或采用适当的黏结剂加工成毡状或板状。多孔性吸声 一7 浙江理t 大学硕士学位论文 材料必须具有大量孔隙且孔与孔之间要连通。如果材料中的空隙不连通，就不能达到良好 的吸声效果。当声波入射到多孔性吸声材料表面后，一部分声波从多孔材料表面反射，其 余部分声波透射进入多孔材料，声波进入多孔材料后，引起多孔性吸声材料内的空气振动， 由于多孔性材料中空气与孔的摩擦和粘滞阻力将一部分声能转化为热能。另外，声波在多 孔性吸声材料内经过多次反射而进一步衰减，当进入多孔性吸声材料内的声波再返回时， 声能已经衰减了一大部分，只余下小部分的能量，大部分被多孔性吸声材料损耗掉。影响 多孔性吸声材料的吸声性能的主要因素有：材料的厚度、材料的容重或空隙率、材料的流 阻、材料背后的空气层、含水量、结构因子等口伯5 1 。 颗粒孔隙结构的高分子吸声材料是颗粒状高分子塑料通过一定工艺方法粘接压制成型 的结构吸声材料。颗粒微孔材料与多孔材料的吸声机理相似【3 6 1 ，首先是粘滞作用吸声。声 波在材料的孔隙中传播引起孔洞内空气振动，造成它和孔壁的摩擦，由此产生速度梯度而 导致粘滞阻碍作用，使部分声能转化为热能被耗散掉。并且由于各颗粒之间的粘接不规则， 每个孔隙周围又分布一些更微细的孔隙，这样的结构有效地增加了孔隙内空气粘滞阻力， 使得入射声能量被有效地吸收。其次，颗粒微孔材料的筋络是高分子塑料颗粒，其弹性模 量较低，内阻尼较大，存在弛豫效应吸声。在声波作用下，颗粒材料发生形变，由材料自 身的弹性弛豫效应把声能转变为热能而损耗。该类材料不但中、低频吸声系数较高，其机 械性能还优于常用的多孔和泡沫吸声材料。 1 - 2 1 3 共振吸声原理 振动的结构或物体由于自身的内摩擦与空气摩擦的原因，使一部分振动能量转为热能 而消耗掉。根据能量守衡，这些损耗掉的能量必定来自于激励它们振动的声能，因此，振 动结构或物体都要消耗声能从而降低噪声。 由于材料均有其各自的固有频率，当材料内部的分子结构或宏观材料与声波的频率接 近时，二者发生共振，并通过阻尼、摩擦等作用机理将声波转化为热能而损耗掉，进而达 到吸声效果。这种吸声机制对入射声波的频率有较强的选择性，仅在材料的固有频率附近 频段具有较强的吸声作用，而在其它频率范围吸声降噪作用很小。 穿孔板吸声材料多为这种吸声机制，穿孔板与空腔共同构成共振吸声结构。当声波入 射到材料表面，一部分在材料表面被反射掉，另一部分则透射到材料内部，在材料的内部 继续传播，当入射声波的频率和系统的固有频率相同时，空气柱会发生共振产生剧烈振动， 空气柱和孔径侧壁摩擦消耗声能。 8 浙江理工人学硕十学位论文 1 2 1 4 压电吸声原理 压电效应的原理是：如果对压电材料 施加压力，材料便会产生电位差( 称之为 正压电效应) 而产生电流，反之施加电压， 则产生机械应力( 称为逆压电效应) 3 7 - 3 9 o 若压力是一种高频震动，则产生的电 流为高频( 如图1 5 ) 。而高频电信号加在 压电陶瓷上时，则产生高频声信号( 机械 图1 5 压电材料工作原理图 f i 9 1 5t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fp i e z o e l e c t r i c 震动) ，这也就是我们平常所说的超声波信号。也就是说，压电陶瓷具有机械能与电能之 间的转换和逆转换的功能。当声波传播到材料表面时，引起材料振动，发生相对位移，产 生压电，即声能转换为电能，电能再由导电材料转化为热能而达到吸声目的。 1 2 2 吸声材料的测试方法 通常在测量材料的吸声特性时，可采用混响室法和管测法。混响室法测得的是无规入 射吸声系数，它一般用于测试法向和横向有明显不同结构的材料，但要求测试样品的面积 较大。而管测法对材料的法向入射吸声系数和法向声阻抗率可做精确的测量，测试样品面 积只需与阻抗管的横截面一样大，测试样品面积较小，容易