（纺织工程专业论文）玄武岩长丝振膜织物声学性能影响因素研究.pdf

学位论文的主要创新点 i i i i il l l llli i ii i i i iirl if i i ifiif y 1 7 7 2 9 9 2 一 首次利用新型矿物纤维一玄武岩长丝织造振膜织物 使用c s w 0 3 型小样织机设计试织了多种规格的玄武岩长丝平纹 斜纹 缎纹和管 状组织织物 采用w e r n e rm a t h i sa gl t f 9 7 8 8 5 涂层机对玄武岩长丝 织物进行了涂层 研制出符合扬声器振膜要求的玄武岩长丝振膜织 物 二 首次研究了玄武岩长丝振膜织物的声学性能 采用3 3 8 0 型i n s t r o n 多功能试验仪测试玄武岩长丝振膜织物的弹性模量 使用v a l a b 4 i m p a t 吸声系数测试仪测试了玄武岩长丝振膜织物的吸声系数 研 究结果表明 同一种振膜织物对不同频率的声波吸声系数存在较大差 异 不同涂层厚度的玄武岩长丝振膜织物在同一频率的吸声系数也存 在差异 玄武岩长丝振膜织物的吸声系数随着声波频率的增加而增 加 玄武岩长丝振膜织物涂层越厚 吸声系数越高 三 首次对玄武岩长丝振膜织物与玻璃纤维振膜织物的声学性能进行 了比较研究 研究结果表明 玄武岩纤维振膜织物的弹性模量和声学 性能都优于玻璃纤维振膜织物 摘要 本文根据扬声器振膜对振膜材料三个理论依据 质轻 高弹性模量 较高的 阻尼系数 使用玄武岩长丝制作出多种不同种类的玄武岩长丝振膜织物 研究玄 武岩长丝振膜织物弹性模量和吸声性能的影响因素 为玄武岩长丝振膜研发提供 理论可行性 首先采用不同规格的玄武岩长丝 设计出不同织物组织的玄武岩长丝织物 通过改进织造技术和织造设备 织造出更为完善的玄武岩长丝织物 采用性能优 越的热塑性丙烯酸树脂作为涂料 利用w e a n e rm a t h i sa gl t f 9 7 8 8 5 涂层机对玄 武岩长丝织物进行涂层处理 通过涂层工艺参数的选择 获得不同种类的玄武岩 长丝振膜织物 然后采用3 3 8 0 型i n s t r o n 多功能试验仪 对玄武岩长丝振膜织物 进行弹性模量的测试与比较 并与玻璃纤维振膜织物的弹性模量进行对比 最后 利用v a l a b 4i m p a t 材料吸声系数测试仪测量玄武岩长丝与玻璃纤维振膜织 物的吸声性能 并进行比较分析 利用m a t l a b 7 0 数学处理软件对涂层厚度与玄 武岩长丝振膜总体吸声系数的影响进行相关分析 模拟涂层厚度与玄武岩长丝振 膜织物总体吸声系数的关系曲线 获得涂层厚度与吸声系数的最优关系点 研究结果表明 平纹组织更适用于制备玄武岩长丝振膜织物 当固化温度为 1 2 0 固化时间为3 0 4 0 r a i n 时 玄武岩长丝振膜织物的弹性模量较好 并且当 涂层厚度约为0 0 5 m m 时 玄武岩长丝振膜织物弹性模量最高 并且当涂层厚度 增加时 玄武岩长丝振膜织物的吸声系数呈现先增加后减小的趋势 当涂层厚度 为0 1 6 m m 时 玄武岩长丝振膜织物的吸声性能达到最优化 本文通过玄武岩长丝振膜织物声学性能影响因素的研究 以及与玻璃纤维振 膜织物弹性模量与吸声系数进行比较 研究结果表明玄武岩长丝是制备扬声器振 膜的优质材料 并且该研究的实验数据为玄武岩长丝振膜的研制提供了数据支 撑 关键词 扬声器振膜 玄武岩长丝振膜织物 弹性模量 阻尼系数 吸声系数 传递函数法 a b s t r a c t t h i sp a p e ru s e sb a s a l tf i l a m e n tt op r o d u c eav a r i e t yo fd i f f e r e n tt y p e so f b a s a l t f i l a m e n td i a p h r a g mf a b r i c s a c c o r d i n gt ot h e o r e t i c a lr e q u e s t so ft h el o u d s p e a k e r d i a p h r a g mm a t e r i a l t h a ti s t h em a t e r i a ls h o u l db el i g h tm o s s h i g he l a s t i cm o d u l u s a n dh i g hd a m p t h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so ft h eb a s a l tf i l a m e n td i a p h r a g mf a b r i c s e l a s t i cm o d u l u sa n da c o u s t i cp e r f o r m a n c ea r ei n v e s t i g a t e d t h ep o s s i b i l i t yf o rt h e d e v e l o p m e n to fb a s a l tf i l a m e n tl o u d s p e a k e rd i a p h r a g mi sp r o v i d e da n dt h ep o s i t i v e c o n c l u s i o ni so b t a i n e d f i r s t l yt h i sp a p e rd e s i g n st h ed i f f e r e n ts b c t u r ea n dd i f f e r e n tf i n e n e s so fb a s a l t f i l a m e n tf a b r i c i m p r o v i n gt h ew e a v i n gt e c h n o l o g ya n dw e a v i n ge q u i p m e n t g e ta m o r ec o m p l e t eb a s a l tf i l a m e n tf a b r i c a n dc h o o s et h et h e r m o p l a s t i ca c r y l i cr e s i n w h i c hh a ss u p e r i o rp e r f o r m a n c ea sac o a t i n g t h e nu s i n gt h ew e r n e rm a t h i sa g l t f 9 7 8 8 5c o a t i n gm a c h i n et oc o a tb a s a l tf i l a m e n tf a b r i c i m p r o v i n gt h ec o a t i n g p r o c e s sp a r a m e t e r so b t a i nd i f f e r e n tt y p e so fb a s a l tf i l a m e n td i a p h r a g mf a b r i c t h e n u s i n g3 38 0i n s t r o n b a s e dm u l t i f u n c t i o nt e s t e r r e s p e c t i v e l yt e s ta n da n a l y s i st h e d i f f e r e n tt e x t u r e s d i f f e r e n tf i n e n e s sb a s a l tf i l a m e n ta n dd i f f e r e n tc o a t i n gp a r a m e t e r s o fb a s a l tf i l a m e n td i a p h r a g mf a b r i c se l a s t i cm o d u l u s a n dc o m p a r e dw i t hg l a s sf i b e r d i a p h r a g mf a b r i c a tl a s t t h ea b s o r p t i o nc o e f f i c i e n to ft h eb a s a l tf i l a m e n td i a p h r a g m f a b r i ca n dt h eg l a s sf i b e rd i a p h r a g mf a b r i cf i l em e a s u r e db yv a l a b 4 i m p a t m a t e r i a l st e s t i n g a n du s i n gm a t l a b 7 0m a t h e m a t i c a lp r o c e s s i n gs o f t w a r ea n a l y s i s t h ee f f e c tr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec o a t i n gt h i c k n e s sa n dt h eo v e r a l l a b s o r p t i o n c o e f f i c i e n to fb a s a l tf i l a m e n td i a p h r a g mw i t hu n a r y q u a d r a t i cr e g r e s s i o na n a l y s i s t h e n s i m u l a t i n gr e l a t i o n s h i pc u r v eb e t w e e nt h ec o a t i n gt h i c k n e s sa n dt h eo v e r a l la b s o r p t i o n c o e f f i c i e n to fb a s a l tf i l a m e n td i a p h r a g mf a b r i c g e tt h eo p t i m a lr e l a t i o n s h i pp o i n t s b e t w e e n c o a t i n gt h i c k n e s sa n da b s o r p t i o nc o e f f i c i e n t t h es t u d i e ss h o wt h a tt h ep l a i nw e a v ei sm o r es u i t a b l ef o rt h eb a s a l tf i l a m e n t d i a p h r a g mf a b r i c s w h e nt h ec u r i n gt e m p e r a t u r ei s12 0 a n dt h ec u r i n gt i m ei s3 0t o 4 0 m i n t h eb a s a l tf i l a m e n td i a p h r a g mf a b r i c se l a s t i cm o d u l u sc a n g e tg o o de f f e c t a n d w h e nt h ec o a t i n gt h i c k n e s si sa b o u t0 0 5m m b a s a l tf i l a m e n td i a p h r a g mf a b r i ch a s h i g h e s te l a s t i cm o d u l u s a tt h es a m et i m e w h e nt h ec o a t i n gt h i c k n e s si n c r e a s e s b a s a l tf i l a m e n td i a p h r a g mf a b r i c sa b s o r p t i o nc o e f f i c i e n tf i r s t l yi n c r e a s e sa n dt h e n d e c r e a s e s a n dw h e nt h ec o a t i n gt h i c k n e s si s0 16 m m t h eb a s a l tf i l a m e n td i a p h r a g m s a c o u s t i cp e r f o r m a n c e1 sb e s t t h i sp a p e rs t u d i e so nt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so ft h eb a s a l tf i l a m e n td i a p h r a g m f a b r i c sa c o u s t i cp e r f o r m a n c e a n dc o m p a r e st h eb a s a l tf i l a m e n td i a p h r a g mf a b r i cw i t h t h eg l a s sf i b e rd i a p h r a g mf a b r i ci nt h ee l a s t i cm o d u l u sa n da b s o r p t i o nc o e f f i c i e n t w h i c hp r o v et h a tt h eb a s a l tf i l a m e n ti sag o o dm a t e r i a l sf o rl o u d s p e a k e rd i a p h r a g m a n dp r o v i d e st h es u p p o r t e dd a t af o rt h ed e v e l o p m e n to fb a s a l tf i l a m e n td i a p h r a g m k e yw o r d s l o u d s p e a k e rd i a p h r a g m b a s a l tf i l a m e n td i a p h r a g mf a b r i c e l a s t i c m o d u l u s d a m p i n gc o e f f i c i e n t a b s o r p t i o nc o e f f i c i e n t t r a n s f e rf u n c t i o nm e t h o d 目录 第一章绪论 1 1 1 玄武岩纤维的发展现状及应用 1 1 2 玄武岩纤维性能与其他高技术纤维的比较 3 1 3 扬声器振膜的发展现状及前景 6 1 4 本文研究的主要内容 9 1 5 选题的目的与意义 9 1 5 1 选题的目的 一1o 1 5 2 选题的意义 1 0 第二章玄武岩长丝振膜织物的试织 1 1 2 1 实验准备 l1 2 1 1 实验材料 1 1 2 1 2 实验器具 1 1 2 1 3 实验内容 1 1 2 2 振膜织物组织设计 1 2 2 3 实验步骤 1 2 2 3 1 玄武岩长丝整经 1 2 2 3 2 上机 13 2 3 3 穿经 1 3 2 3 4 织造 1 3 2 3 5 下机 1 3 2 4 实验中出现的问题及改善方法 1 5 2 5 本章小结 16 第三章玄武岩长丝振膜织物的涂层工艺 1 7 3 1 涂料的选择 1 7 3 2 涂层工艺的优化 19 3 2 1 涂层机理 1 9 3 2 2 固化温度的确定 2 0 3 2 3 固化时间的确定 2 1 3 3 本章小结 2 2 第四章玄武岩长丝与玻璃纤维振膜织物弹性模量的测试与比较 2 3 4 1 玄武岩长丝与玻璃纤维振膜织物弹性模量的测试 2 3 4 1 1 实验仪器介绍 2 3 4 1 2 弹性模量测试机理 2 4 4 1 3 实验步骤 2 4 4 2 玄武岩长丝振膜织物不同组织弹性模量的比较 2 6 4 3 不同规格的玄武岩长丝振膜织物弹性模量的比较 2 7 4 4 涂层工艺对玄武岩长丝振膜弹性模量的影响 2 8 4 5 玄武岩长丝与玻璃纤维振膜织物弹性模量的比较 3 0 4 6 本章小结 31 第五章玄武岩长丝与玻璃纤维振膜织物吸声系数的测试与比较 3 3 5 1 玄武岩长丝振膜织物吸声系数测试原理 3 3 5 1 1 实验设备介绍 3 3 5 1 2 实验原理 3 5 5 2 实验步骤 3 7 5 2 1 实验准备 3 7 5 2 2 测试过程 3 9 5 3 玄武岩长丝与玻璃纤维振膜织物吸声系数的比较 4 0 5 3 1 不同厚度玄武岩长丝振膜织物之间吸声系数的比较 4 0 5 3 2 玄武岩长丝与玻璃纤维振膜织物吸声系数的比较 4 2 5 4 玄武岩振膜织物吸声系数影响因素分析 4 4 5 5 本章小结 4 7 第六章结论 4 9 参考文献 51 攻读硕士学位期间发表的论文 5 5 附录 5 7 1 改谢 6 0 i l 第一章绪论 第一章绪论 玄武岩纤维是继碳纤维 芳纶 超高相对分子质量聚乙烯纤维之后的第四大 高技术纤维 随着科学技术的发展和人们对连续玄武岩纤维优异性能的认识不断 深入 再加上玄武岩纤维原料来源广泛 成本低 无污染 产品综合性能好 性 价比高等优点 玄武岩纤维已得到世界各国的关注 并得到大力发展 目前玄武 岩纤维的生产技术已达到一定的水平 而玄武岩纤维未得到充分的开发应用 已 成为玄武岩纤维发展的阻碍因素 因此要使玄武岩纤维能够得到进一步发展 首 要任务就是玄武岩纤维的开发与应用 随着合成材料性能的不断提高 其应用范围己扩大到日常生活的各个领域 利用玻璃纤维 碳纤维 芳纶等价格昂贵的合成纤维密度低 弹性模量高和吸声 性能良好等特点 已在优质扬声器振膜的制作中得到应用 扩大了玻璃纤维 碳 纤维和芳纶纤维的应用领域 玄武岩纤维同样具有弹性模量高和吸声性能好的特 点 并且具有其他纤维没有的特性如环保 使用温度高 阻燃效果好等 那么玄 武岩纤维能否用于制作扬声器振膜 玄武岩长丝振膜声学性能可否达到优质扬声 器振膜的要求 在这种背景下提出了本课题的研究 1 1 玄武岩 e f 维的发展现状及应用 玄武岩是一种坚硬的高密度火山岩 主要由斜长石 辉石 橄榄石 铁质氧 化物等矿物组成 矿物单体间隙由玻璃质充填而形成岩石 外观呈黑灰色 此类 矿物通常由火山地热作用形成 分布于全球各地 每个矿床总体成份略有差异 但总体物理化学性能及成份范围大致相同 而玄武岩纤维则是玄武岩矿石破碎后 加入熔窑中 在1 4 5 0 1 5 0 0 条件下 通过喷丝板拉伸成连续纤维而形成的 玄武岩在我国蕴藏丰富 包括单一的玄武岩 辉绿岩 角闪岩 珍岩 安山玄武 岩等矿石原料 所生产出来的连续玄武岩纤维具有优异的性能 如生产工艺简单 节约成本 不污染环境 并且具有玻璃纤维 碳纤维等矿物纤维所没有的多重优 点 可作为玻璃纤维 碳纤维 芳纶等高价复合材料的低价替代品 具有广阔的 发展前景 i j 上世纪5 0 年代初期 德国 捷克和波兰等东欧国家采用离心法生产出了纤 维平均直径为2 5 p m 3 0 1 t m 的玄武岩棉 到上世纪6 0 年代初期 美国 前苏联 德国等国家发展垂直立吹法生产工艺 玄武岩棉产量得到迅速增长 波兰玄武岩 天津工业大学硕士学位论文 棉厂有1 2 座熔窑 年可产9 0 0 0 1 0 0 0 0 吨玄武岩棉 原捷克的玄武岩棉厂有7 座熔窑 年可产5 0 0 0 6 0 0 0 吨玄武岩棉 这些玄武岩棉大量用于建筑和工业保 温 部分取代石棉用于生产石棉水泥制品 使石棉水泥制品的强度得到提高 2 1 前苏玻璃钢与玻璃纤维科学研究院乌克兰分院早在上世纪6 0 年代 7 0 年代 就开始玄武岩纤维的研究工作 1 9 8 5 年 第一座连续玄武岩纤维工业化生产线 在乌克兰纤维实验室 t z i 建成投产 年产量可达2 6 0 吨 该产品主要用于国 防军工 目前 俄罗斯 乌克兰等国家已采用4 0 0 孔池窑拉丝工艺生产连续玄武 岩纤维及其制品 年产量7 0 0 吨左右 美国则采用8 0 0 孔池窑拉丝工艺 年产量 为1 0 0 0 1 5 0 0 吨 3 1 从新材料的制造成本看 中国具有低成本制造玄武岩纤维得天独厚的条件 国家8 6 3 计划研究成果表明 我国拥有自主知识产权的低成本和大规模发展玄武 岩纤维的新技术 新装置和新工艺 4 从全球的发展水平看 全世界玄武岩纤维 的技术及规模尚处于初级阶段 这给我国追赶乃至超过国外的先进技术水平提供 了很大的发展空间和市场机遇 在碳纤维短缺的时期 要积极开发新产品 把碳 纤维的短缺当作一个契机或转机 开发以玄武岩纤维为原料的新产品 例如利用 玄武岩纤维优异的综合性能和良好的性价比 去开发出更多的新产品 与其他高 科技纤维的发展相比 我国玄武岩纤维的发展有希望 后来者居上 并最终成为 全世界最大的生产及应用大国 目前国内玄武岩纤维生产厂家主要有 浙江石金玄武岩纤维有限公司 成都 航天拓新科技有限公司 北京百索特玄武岩纤维科技发展有限公司 牡丹江玄武 岩纤维有限公司等 这些厂家所生产的玄武岩纤维已经达到了世界领先水平 预 示着中国玄武岩纤维已经走在了世界的前头 也表明国内对于玄武岩纤维研究和 开发的重视 目前玄武岩纤维的主要应用领域包括以下几个方面 1 增强树脂基复合材料领域 用玄武岩长丝制成的单向增强复合材料在强度方面与e 玻纤相当 但抗拉模 量在各种纤维中具有明显优势 在用玄武岩长丝制成的层合板也有类似结果 玄 武岩长丝一环氧复合材料的研究表明 玄武岩长丝具有良好的增强效应 玄武岩 纤维增强材料所具有的这种性能 可以用它制作在高压 化学及热应力环境下长 期使用的形状复杂的容器 5 j 2 医学领域 上海俄金玄武岩纤维有限公司的玄武岩纤维酸度系数m k 为5 4 8 p h 值为 1 7 而纤维的m k 越低 化学耐久性越好 使用温度也越高 p h 值越高 碱性氧 化物越多 抗水性就越差 一般而言 小于4 是最稳定的 小于5 是较稳定的 小 第一章绪论 于6 是中等稳定的 所以玄武岩长丝具有优良的耐温性能和良好的化学稳定性 玄武岩长丝使用温度范围为 2 6 9 6 5 0 c 而玻璃纤维为6 0 4 5 0 c 并且在 9 0 0 c 条件下 玄武岩长丝的质量仅损失1 2 所以玄武岩长丝可用作高温过滤 材料 对抗生素生产过程中的空气净化和消毒 6 3 建筑领域 玄武岩长丝的抗拉强度为4 10 0 4 5 0 0 m p a 7 1 其耐酸碱性优良 可在水泥中 保持高度的稳定性 而且玄武岩长丝是一种无污染的 绿色纤维 7 因而在 常 规的钢筋增强体满足不了且对力学性能要求高的大型工程上展现了巨大的应用 潜力 4 电子技术方面 玄武岩长丝具有良好的介电性能 玄武岩长丝含有较多的导电氧化物 是不 适合做介电材料的 但是采用某种浸润剂处理纤维表面后 其介电损失角正切比 常规玻纤大大降低 它的体积电阻率i x k i e 玻璃纤维高1 个数量级 所以玄武岩长 丝非常适合用于耐热介电材料 8 1 5 航空航天领域 由于玄武岩长丝的吸湿性极低 比玻璃纤维还低6 8 倍 9 1 再加上玄武岩长 丝良好的绝热隔音性能 所以玄武岩长丝制造的绝热隔音材料在需要低吸湿性的 航空航天领域获得了广泛的应用 此外 玄武岩长丝还被用于吸波 消防 环保 防辐射 体育用品等领域 相信 随着规模化生产带来生产成本的降低 玄武岩纤维的应用领域会越来越宽 广 1 2 玄武岩纤维性能与其他高技术纤维的比较 玄武岩纤维是一种新型的矿物纤维 是以玄武岩类火成岩作为原料而制造出 来的 由于玄武岩含有某些特殊成分包括 三氧化二铝 三氧化二铁 氧化铁 氧化镁 氧化钾及氧化钛等 使得玄武岩纤维具有自己的特性一较高的使用温度 较高的断裂强度 高模量 优异的力学 物理 化学性能 较低的热传导系数 高吸音系数 低吸湿性 高比体积电阻 抗紫外线 吸波功能 防辐射 防电磁 燃烧无熔滴 燃烧烟密度低 环保无污染等功能于一身 1 0 1 在性能上优于同类 的高价复合纤维 而造价上却远远低于这些复合材料 以下列出几种矿物纤维 复合纤维和常规纺织纤维与玄武岩纤维各性能差异一览表 2 如表1 2 所示 天津工业大学硕士学位论文 可以看出 玄武岩纤维的拉伸强度与e 玻璃纤维相当 在弹性模量上高于 e 玻璃纤维1 5 倍 和s 玻璃纤维相当 而在使用温度上均高于e 玻纤 s 一玻纤 和碳纤维 玄武岩纤维属于一级水解 在耐酸与抗蒸汽稳定方面优于矿物纤维与 玻璃纤维 且玄武岩纤维工作温度为 2 0 0 7 0 0 玻璃纤维工作温度为 6 0 4 6 0 玄武岩纤维玻璃化温度为1 0 5 0 玻璃纤维为6 0 0 加热到4 0 0 后 玄武岩纤维拉伸强度保持率8 2 玻璃纤维仅为5 2 在吸声性能方面 玄武 岩纤维的吸音系数也大于e 玻璃纤维 所以玄武岩纤维有较好的吸声性能 这 些优越的性能均为玄武岩纤维成为以上几种高价复合材料的替代物提供了更为 坚实有利的证据 表1 3 玄武岩纤维热稳定性数据 相比其他纤维 玄武岩纤维的热稳定性非常优异 如表1 3 所列的玄武岩纤 维热稳定性数据 1 3 可以看出 玄武岩纤维可以工作到6 0 0 而玻璃纤维在相同 条件下的使用温度不超过4 0 0 由玻璃纤维和无机粘接剂制造的绝热制品可以 工作至l j 7 0 0 此外 玄武岩矿石还可以和许多配料组合形成可在8 0 0 下工作的 耐高温材料 由玄武岩纤维制成的过滤器不仅可以在4 0 0 6 5 0 温度区间内对压 力三x t 3 2 5 k g m m 2 的空气进行过滤 而且对选矿 冶金 化工 建材及能源企业中 排放的气体与尘埃颗粒有很好的净化过滤作用 1 4 抗生素生产过程中形成的气 体也可以由玄武岩纤维加以滤除和消毒 在工业生产条件下长期使用的实践经验 表明 玄武岩纤维过滤器可以承受强消毒气氛的消毒作用 第一章绪论 玄武岩纤维物理和力学性能优于玻璃纤维 化学耐腐蚀性强于玻纤 在某些情况下 玄武岩纤维可代替碳纤维 玄武岩纤维具有这些纤维共 有的性能 并在某些方面更优于他们 在造价上 玄武岩纤维的造价远 远低于这些高价复合材料 玻璃纤维 碳纤维 芳纶等 因此玄武岩纤 维可作为玻璃纤维 碳纤维 芳纶等高价复合材料的低价替代品 具有广阔的 发展前景 相对于其它类型的纤维材料 玄武岩纤维有以下优越特性 1 优异的力学性能 玄武岩纤维的抗拉比强度高和弹性模量非常优异 可广 泛应用于增强性的复合材料 在弹性模量方面 玄武岩连续纤维的弹性伸长较小 且拉伸试验测定时纤维 易在夹具中滑移等原因 因此通常使用声波法测试其弹性模量 即测定声波在纤 维中的传播速度 根据音频讯号发生器输入的准确频率和纤维密度 按公式 1 1 计算得出 e 0 0 9 8 1 2 2 xp g 0 0 9 8x 2 f x p g 1 1 式中 e 一弹性模量 g p a c 一声波速度 c r n s 卜声波波 c m f 一声波频率 1 s p 一纤维密度 c m 3 g 一重力加速度 c m s 2 邢声远等 l5 j 通过实验测得玄武岩连续纤维的弹性模量为2 2 5 g p a 与碳纤维相 当 碳纤维的弹性模量为2 3 0 2 4 0g p a 而高于其它一些高技术纤维的弹性模量 例如e 玻纤为7 6 一7 8 g p a k e v l a r4 9 为1 2 4 一1 3 1 g p a 市场上用直径小于1 i t m 的 玄武岩纤维制成的毡压缩比在5 1 以上 其弹性极佳 1 6 2 高耐腐蚀性与化学稳定性 玄武岩纤维在碱性溶液中具有独一无二的化学 稳定性 这使得玄武岩纤维在桥梁 隧道 堤坝 楼板等混凝土结构以及沥青混 凝土路面 飞机起落跑道等重要且经常受到高湿度 酸 碱 盐类介质作用的建 筑结构中的应用有着广阔的前景 3 高电绝缘性能以对电磁波的高透过性 1 1 7 玄武岩纤维具有比玻纤高的电绝 缘性 可以将其作为耐热绝缘材料而广泛应用于电子工业的印刷线路板制造等领 域 对电磁波的透过性极好 如果在建筑物的墙体中增加一层玄武岩纤维布 则 能对各种电磁波产生良好的屏蔽作用 4 高热稳定性和高的声热绝缘特性 玄武岩纤维由于导热系数低 工作范围 大 抗震性能好 广泛应用于绝热保温材料 另外 由于玄武岩纤维具有多孔结 构和无规则的排列方式 吸声性能好 可作为生产设备的声绝缘材料 l 引 5 较低的吸湿性 玄武岩纤维的吸湿性0 2 0 3 i9 1 低于芳纶纤维 岩棉 和石棉 正是由于玄武岩纤维的吸湿性极低 所以由玄武岩纤维制造的隔声隔热 天津工业大学硕士学位论文 材料在飞机 火箭 船舶制造业等需要低吸湿性的领域率先得到广泛的应用 6 与金属 塑料 碳纤维等材料的良好兼容性 玄武岩连续纤维和各类树脂 复合时 比玻璃纤维 碳纤维有着更强的粘合强度 用连续玄武岩纤维制成的复 合材料在强度方面与玻璃纤维e 相当 但弹性模量在各种纤维中具有明显优势 如果在玄武岩纤维中加入一定数量的碳纤维 并将两种不同纤维相间混杂编织 其复合材料的弹性模量 抗拉强度和其它性能都将得到明显的提高 与纯碳纤维 复合材料相比 成本则会大大降低 7 过滤净化特性及原料无毒副反应 玄武岩纤维的过滤系数高 可用作过滤 材料 它成功地在净化空气或烟气的设备中用作高温过滤材料 过滤腐蚀性液体 或气体 如过滤熔融铝 并用作医学领域中的空气超净化过滤器等 2 0 8 具有良好的声绝缘性 玄武岩超细纤维材料的隔音特性如表1 4 所示 2 1 1 表1 4 玄武岩超细纤维材料的隔音特性 注 纤维直径为1 3 p m 密度为1 5 k 咖3 厚度为3 0 n m 从表1 4 可知 随着频率的增加 玄武岩材料吸音系数显著提高 且材料与绝缘 板间距越大 材料的吸声效果越明显 因此玄武岩纤维具有很好的隔音和吸音效 果 使得玄武岩纤维制作的隔音材料在航空 船舶等领域有着阔的前景 玄武岩纤维以突出的高弹性模量和良好的隔音 吸音效果等特点 为其在声 学材料领域占有一席之地 本课题玄武岩长丝振膜织物声学性能影响因素研究正 是玄武岩纤维在声学领域的一项开发应用 1 3 扬声器振膜的发展现状及前景 优良的振膜对振膜材料有以下要求 一是振膜材料的密度应尽可能低 保证 扬声器具有较高的灵敏度 二是振膜材料的刚性即弹性模量应尽可能高 从而保 证扬声器有较低的失真 三是振膜材料应有较高的内阻尼 以使扬声器的分割振 动减小 2 2 扬声器振膜 中 低音喇叭的振膜或称音盆 可由多种材料制成 常见的有纸笳振膜 塑料振膜 金属振膜 合成纤维振膜等 以下分别介绍这几 类振膜的研究现状以及各自的优缺点 1 纸盆振膜 6 第一章绪论 将纸浆悬浮液流入事先设计好的盆型网状模子上 沉积纸浆 把沉积至适当 厚度的纸浆抄出 再进行干燥等后续加工处理 便支撑了纸盆振膜 纸盆的刚性 颇佳 对于瞬时反应和听感的细节表现都有很好的效果 通过选定适当的形状和 厚度 纸盆可以获得很到的刚性 并且纸盆很轻 比最轻的塑料振膜要轻1 5 以上 虽与最新的高科技合成纤维材料相比 纸质稍重了点 但也相差不大 因 此发声效率高 如法国的a u d a x6 5 寸纸盆中音p r l 7 0 系列 效率高达1 0 0 d b w 纸盆的不足之处是其特性会随环境湿度而变化 因为纸吸收了湿气后它的密 度变高 导致刚性变差 所以发声的特性也受影响 不过这种变化的好坏也有不 同的评价 英国的l o w t h c r 俱乐部成员称在下雨天时 家里的l o w t h c r 喇叭特别 好听 还有就是纸盆在多次干湿循环后 会造成材料本身的疲劳 从而改变其原 来的特性f 2 3 1 随着生产的纸盆技术的发展 在这方面采用了各种改善方式比如 表面涂膜 改进纸质配方等使纸盆的特性可以更加稳定 2 塑料振膜 塑料振膜是用塑料射出成型锥盆 最常用的材质为聚丙烯简称p p p p 振膜 具有不吸水的优点 不过其随着温度不同特性有发生改变的倾向 p p 材质刚性 较差和质量大而不适于制作振膜 但是对这种材质加以改良则可以取得很好的效 果 以p p 材料为基础 再混入一些添加物 增强其刚性 这样制作出来的振膜 在动态 失真率 细节表现和发声效率上都有不同程度的改善 比如d y n a u d i o 和i n f i n i t y g e n e s i s 都有采用此类处理的振膜 改善效果比较明显 2 4 1 除聚丙烯 p p 外 塑胶及塑胶类等其它塑胶材料 包括t p x h d a h d i 以上由a u d a x 公司生产 n e o f l e x f o c a l 公司生产 等都被广泛应用于塑 料振膜 3 金属振膜 为了弥补纸盆和塑料振膜刚性较弱而导致动态和解析力的缺失 于是采用高 刚性的金属材质来制作振膜 主要金属材质包括铝 铝合金及钛等 一般常用的 中音或低音单元所用的金属材质以铝金属或其合金产物较多 金属振膜的最大优势是刚性很强 在一定范围的工作条件下不会变形 具有 很低的失真和良好的细节解析力 但是金属振膜刚性强的同时 内损极低 能量 不会被振膜材质本身吸收 所以发生盆分裂时 会产生明显的共振峰于频率响应 的高端 进而导致出现 金属声 2 5 为了避免产生 金属声 可以采用提高振膜的阻尼的方法 如采用涂层阻 尼物 三明治夹层结构等方式 德国意力e l a c 喇叭 瑞士e n s e m b l e 喇叭就是这 类振膜 4 合成纤维材质 7 天津工业大学硕士学位论文 随着硼碳纤维 杜邦k e v l a r 及蜂巢式三明治结构的合成纤维材质应用于航 空领域 不断地开发利用 人们已经将质轻和高强度的材料用于扬声器上 正是合成纤维材质的 质轻和高强度 使得它们比纸轻 刚性比金属还强 并且强度超过铝等金属 甚至比钢铁还高 因此合成纤维材质用于制作喇叭单元 的振膜是非常理想的 然而这类人造纤维和金属盆一样存在高频盆分裂共振的 问题 因此应对它们进行加强阻尼处理 如三明治夹层或涂膜等 和选用适当分 频 它们才能够展现优良的细节解析力 停动自如的瞬时响应 极佳的大动态及 微动态等优点 并且与金属振膜相比 合成纤维振膜所需要的推动功率较小 比 如f o c a l 的a u d i o m7 k 采用k e v l a r 及聚合物发泡三明治夹层振膜加乳胶涂布 效率可达9 8 d b w 2 6 j 5 其它材料 除了上述的四大类材质外 还有很多质轻强度高的材质都可制成扬声器振膜 包括 玻璃纤维 赛璐络纤维 石墨纤维 电木 丝质纤维 发泡聚苯乙烯 各 种发泡塑料 以及真空烧结精密陶瓷等 这些材料有些适于做高音 有些适于做 中音 有些适于做低音 有些高中低音都适合 目前扬声器生产厂家为了寻求适 于某种应用的更佳振膜材料方案 正在不断优化基本材料及结构的试验 国内己 开发出玻璃纤维扬声器振膜 其优质的性能得到市场的一直好评 图1 1 为浙江 华乐电子有限公司生产的玻璃纤维振膜样品 图l 一1 玻璃纤维振膜 玻璃纤维 碳纤维和芳纶纤维振膜技术已经很成熟了 而同样满足扬声器振 膜要求的玄武岩纤维 且玄武岩纤维的拥有自身独特的性能 在很多性能上都超 过玻璃纤维 但是玄武岩纤维振膜在市面上却还没有出现过 这就是本课题研究 的前提 意在通过研究玄武岩长丝振膜织物声学性能的影响因素 紧扣扬声器对 振膜的要求 证明玄武岩长丝振膜研制的可行性 第一章绪论 1 4 本文研究的主要内容 通过前面的文献综述可以看到 目前的高质量振膜的材料都是那些高价的复 合材料和金属材料 特别是芳纶 碳纤维 玻璃纤维在振膜上的应用越来越广泛 根据以上对振膜的分析可以知道 要制作一个完美的振膜必须做到高弹性模量和 高内阻尼系数 玄武岩作为一种新型的矿物纤维具有优良的特性 无污染高性能 较高的使用温度 性价比高 是芳纶 碳纤维 玻璃纤维的低价替代品 且弹性 模量比e 玻璃纤维高 与s 玻璃纤维相近 纤维密度也相近 并且具备适当的 阻尼系数 因此用玄武岩长丝制作扬声器振膜具有很好的科学性 和广阔的发展 空间 目前市场上还未出现过玄武岩布振膜 或都处于开发阶段 因此玄武岩长 丝振膜织物声学性能影响因素的研究为玄武岩布振膜的研制提供理论基础和数 据支撑 这里将玄武岩长丝振膜织物定义为 用于制作玄武岩长丝振膜的玄武岩 长丝涂层织物 因此如何用玄武岩长丝这种新的功能纤维制作成振膜 该振膜织物声学性能 的影响因素都有哪些 又是如何影响的 并且能否达到或是替代那些高价的高技 术纤维振膜 在研究过程中 主要是以玄武岩长丝振膜织物与玻璃纤维振膜织物 弹性模量和声学性能的比较来证明玄武岩长丝振膜织物的优劣性 这就是本论文 的研究内容和研究目的 为了更好地完成该研究 本文做了以下工作 1 玄武岩长丝振膜织物的试织 通过小型试样织机试织出玄武岩长丝平 纹 斜纹 缎纹和管状组织织物用于分析织物组织对玄武岩长丝振膜织物声学性 能的影响 并试织出玻璃纤维织物 解决试织i 程中遇到的问题 如玄武岩长丝 不耐磨 易断 张力不均等 减少织物瑕疵 2 玄武岩长丝织物的涂层 选择合适的涂料 优化涂层工艺参数 找出 最有涂层工艺参数 固化温度和固化时间 准确控制涂层厚度 获得不同厚度 的玄武岩长丝涂层织物和玻璃纤维涂层织物 3 玄武岩长丝和玻璃纤维振膜织物弹性模量和声学性能的测试与比较 研究玄武岩长丝振膜织物声学性能的影响因素 织物组织 玄武岩长丝规格 涂 层工艺参数 从而得出玄武岩长丝振膜织物是否适用于制备扬声器振膜 为玄武 岩长丝振膜的研制提供有力数据支撑 1 5 选题的目的与意义 玄武岩纤维是国家重点推广和开发的一种新型矿物纤维 以其廉价 无污染 性能优越等特性而得到广阔应用 并具有巨大的市场 所以玄武岩纤维的开发利 9 天津工业大学硕士学位论文 用对国家能源的节约 经济的增长有一定的促进作用 因此本课题用玄武岩机织 布振膜替代造价昂贵的芳纶编织布振膜 碳纤维振膜和玻璃纤维振膜等 可以为 国家节约资源 为企业降低成本 从而具有广阔的应用前景 另外 本课题将给出玄武岩长丝织造工艺和玄武岩机织布振膜涂层的优化配 方 为无机纤维在振膜上的应用提供一定的参考 并且玄武岩纤维声学性能的研 究为玄武岩纤维在声学上的应用开发具有很大的推动作用 1 5 1 选题的目的 本课题主要目的是玄武岩机织布振膜的研制 利用实验室小样织造机试织出 多种不同组织的玄武岩长丝织物 优化玄武岩机织物的组织结构 再通过优化涂 层材料 由w e r n e rm a t h i sa gl t f 9 7 8 8 5 涂层机进行涂层固化得到玄武岩长丝振 膜织物 并对其进行完善 达到或替代玻璃纤维 芳纶纤维 碳纤维等昂贵的合 成纤维振膜 通过玄武岩长丝振膜织物弹性模量及其声学性能的研究 分析玄武 岩长丝振膜声学性能的影响因素 进而对玄武岩纤维声学性能进行评价 1 5 2 选题的意义 该玄武岩长丝是国内外先进的高性能纤维材料 而玄武岩机织布振膜也是玄 武岩长丝在产业用纺织品领域的开发产品之一 因此玄武岩长丝振膜有广阔的开 发前景和市场价值 玄武岩纤维声学性能研究为玄武岩纤维在声学用品中的发展 提供理论依据 l o 第二章玄武岩长丝振膜织物的试织 第二章玄武岩长丝振膜织物的试织 玄武岩长丝织物的试织是制作玄武岩长丝振膜的前提 织物的好坏对玄武岩 长丝振膜有着非常重要的影响 本章主要介绍玄武岩长丝织物的试织 以及在试 织过程进行对玄武岩长丝织造技术的改进 2 1 实验准备 为了更好地研究玄武岩长丝织造性能 本章设计了多种不同组织和不同规格 的玄武岩长丝预制件进行试织 其中织物组织包括 平纹 斜纹 缎纹和管状组 织 玄武岩长丝规格包括 4 l t e x 和9 6 t e x 在织造过程中发现 虽然与前几年生产的玄武岩长丝相比 玄武岩长丝的强 力和耐磨都要很大的提高 并且在织造过程可以不上浆而直接用于织造 但是玄 武岩长丝的耐磨性仍然相对较差 主要原因是抵抗垂直于长丝轴向剪切力的能力 较差 导致在张力不匀 摩擦较多情况下会出现大量断头 所以一定要尽量防止 经纱间的纠缠 减少整经 穿综 穿扣 织造过程中对玄武岩长丝的摩擦以及保 证玄武岩长丝在织造过程中张力的均匀性 2 1 1 实验材料 4 1 t e x 9 6 t e x 玄武岩纤维长丝 四川航天拓鑫实业有限公司 纤维细度为7 9 m 纤维密度为3 9 m 2 7 l t e xe 玻璃纤维长丝 天津纺织工程研究院 2 1 2 实验器具 实验仪器 c s w 0 3 型小样织机 实验工具 整经板 穿综勾 插筘刀 纱剪 胶布 少许润滑油 2 1 3 实验内容 1 试织4 1 t e x 玄武岩纤维平纹 斜纹 缎纹和管状组织织物若干和9 6 t e x 玄武岩纤维平纹织物 比较了不同织物组织和玄武岩长丝规格对振膜性能的影响 2 使用4 1 t e x 玄武岩长丝与7 1 t e x 玻璃纤维长丝织制相似织物厚度和面密 天津工业大学硕士学位论文 度的玄武岩纤维平纹布与玻璃纤维平纹布若干研究玄武岩长丝振膜织物玻璃纤 维振膜织物在弹性模量和吸声系数上的优劣 2 2 振膜织物组织设计 根据实验要求分别设计出4 1 t e x 玄武岩长丝平纹 斜纹 缎纹和管状组织织 物 9 6 t e x 玄武岩长丝平纹织物 2 7 1 织物规格如表2 1 所示 表2 1 织物组织设计参数表 4 拳4 0 0 8 7 一筘三入 4 1 t e x 玄武岩 长丝缎纹 4 1 t e x 玄武岩 长丝管状组 织 9 6 t e x 玄武岩 长丝平纹织 物 4 0 0 8 7一筘五入 5 0 08 7 一筘四入 8 7 一筘二入 2 1 斜纹 5 3 经面缎 2 2 斜纹管状 组织 1 1 平纹 根据不同织物组织的特点 设计不同的穿筘法 以利于织物表面纹理清晰和 玄武岩长丝在织造过程中张力均匀性 2 3实验步骤 2 3 1 玄武岩长丝整经 整经的目的是根据工艺要求 将一定根数的经纱按规定的长度 排列顺序 幅宽均匀平行地卷绕在经轴上 由于本实验所用织机型号为c s w 0 3 型小样织机 所以选用的是分绞整经 该整经方式适合经纱根数少 色纱种类变化少的小样织造 其整经根数准确 排 列均匀 并且操作简单 快捷和方便 2 引 将所选用的纱线在整经板上呈 8 字形 1 2 e 蜀豳暖 第二章玄武岩长丝振膜织物的试织 缠绕 每往复一次为两根经纱 相邻的经纱必须在整经板的绞棒之间交叉 以确 保经纱的排列顺序不乱 按上述操作至整经根数等于总经根数时 用绞绳穿入绞 棒的位置 并打活结 然后将短端的经纱剪开 整经结束 2 3 2 上机 将整经后的经纱长