高分子吸声材料_周洪(2)

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[25,26]

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,粘弹性

材料中的微小空洞能够显著地改变压力波的传播性

质,因为空洞不仅使压力波在传播过程中产生散射,它的变形和共振也产生能量损耗。

对含有微小球形空腔的粘弹性体吸声材料,

[19]

Gaunaurd和Kuster等根据散射理论建立物理模型推导出材料的等效材料参数。在此基础上,赵敏兰等

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通过散射理论和可变形粘弹性介质力学的基

本理论,引入更加合理的等效参数对材料声学特性进行了研究。结果表明,材料的低频吸声机理是基于球体散射,弹性波在材料中传播路径增加并且发生波型转换,出现了横波,增加了剪切形变的损耗。散射既增加了波的传播路径,同样也增加了波的能量消耗。虽然该吸声理论尚不成熟,但却揭示出:加入空心或片状材料到粘弹性材料中,将声波作用下产生的压缩形变转变为剪切形变,有利于增大粘弹性材料声能损耗。

3??高分子颗粒吸声材料

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,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,中添加

一些气泡性材料和金属微粒(如铝粉),使橡胶以软筋络的形式存在,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。其时,金属粒子产生振动,增加材料的弛豫吸收效果。由于最大的声波速度梯度和温度梯度都发生在两媒质的接触面附近,界面的增多也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。Cushman等采用多种具有不同特征声阻抗的微粒与聚氨酯混合也制得了类似含有粘性衰减通道的吸声材料。

声波进入材料后,随传播距离增加而衰减,低频场合下所需材料厚度很大,因此具有一定结构形式吸[24]

第3期周??洪等??高分子吸声材料??453??

等

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通过对微小粉末所构成的粉末层的吸声性能

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四、高分子声学材料新发展

通过结构设计和构造,由高分子材料或将高分子材料与其它材料复合制备高分子(复合)吸声材料是一个工程问题。但是,它的发展势必繁衍出一些新发现和新理论,反过来推动应用声学研究的向前发展。将环氧树脂与高分子微球粘接起来,具有超强的隔声和吸声效果。这在1998年已为美国海军实验室所报道,但是他们没有提出支配这一奇特现象的机理。最近,通过类比金属完全反射电磁波的机制,Liu等

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进行研究,发现低频范围有高的吸收峰,提出这是由于入射声波对粉末层的纵向振动激励引起的。所设计的由粉末层和多孔吸声材料(聚氨酯泡沫板)构成的多层结构,在低频范围内获得高的吸收峰。研究者认为这是粉末振动和微孔的粘性耗散共同产生的结果。Yang等采用聚合物、金属以及低熔点的聚合物纤维制得多孔层叠结构复合材料(PLCM),其结构相对较轻和薄,且具有高的吸声系数。Klemp??ner等制备了半互贯聚合物网络IPN为基体的吸声材料,通过结合泡沫材料的多孔结构以及IPN在宽频率范围内的阻尼行为,增强了材料的吸声性能。以上结果表明,复合吸声材料结构形式的合理设计,吸声机制的合理匹配能够显著提高高分子材料的吸声性能,拓宽吸声频带。

5??其它高分子吸声材料(结构)

压电复合材料可设计作为吸声阻尼材料。

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Cushman等将导电微粒与聚偏二氟乙烯混合制得压电吸声材料。导电微粒在基质材料中形成微观局部的电流回路,有效地将声能及振动能转换为电能再经压电作用以热的形式耗散掉,有吸声和减振的

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作用。成国祥等在聚合物中加入PZT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。可以通过高分子粘弹性产生的力学损耗作用,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约束作用,以及压电阻尼效应来实现吸声。

解决高分子材料(橡胶)和结构在水下耐压和低频吸声的问题,需要一些特殊的吸声结构。如将添加有填料的氯化丁基橡胶装入空心球铅壳体内

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在复合介质中引入弹性波和

声波的微共振单元,设计出了一种声学晶体(soniccrystal)。该声学晶体由包裹橡胶的微小铅球构成共振单元,周期性地分布在环氧树脂的基体中而制成。通过完全反射某一频段的声波,它能有效地降低低频噪声。实验和理论研究结果均表明,反射的频带可通过改变微共振单元的大小和结构得到完全控制。Liu的贡献在于,在深入分析这些实验现象和总结其规律的基础上,提出了声学晶体和负弹性常数的概念,被誉为2000年十大物理及天文发明之一。这为高分子吸声材料的研究提供了新的启发。吸声和隔声是不同的声学概念,但是,研制吸声材料的一个逆向思维是由材料的隔声机制来增大吸声效果。如果把握了材料对声波作用实质,将吸声、隔声等作用巧妙地联系起来,结合(借助)相关声学机制,在材料内局部引入作用单元,改变声波在材料中行为和传播路径,使其在不同材料交汇的地方失去能量,有望得到高效的吸声效果。

阻尼机制与吸声效应的确切联系也是备受关注的高分子与声学交叉的一个学术问题。为了研究高分子材料的阻尼内耗机制与吸声的联系,Hartmann[36]

等就聚合物松弛与吸声峰的高度和宽度限的关系进行了研究,发现它们之间存在高??宽=15??频率的定量关系。Shilov等进一步研究聚合物材料吸声系数以及速率与频率的等温谱时发现:聚合物端基对第一弛豫耗散区的声学松弛时间及强度的影响大于对第二弛豫耗散区,而在聚合物局部链段运动特征的第二弛豫耗散区,封端基团对松弛强度的影响较大。与此同时,于晓强等

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构成带有壳体的吸声单元,再以聚氨酯透声材料包覆。随着水压的增加,壳体会被聚氨酯包覆得更加紧密,使单元与聚氨酯在声波作用下失去了相互位移的空间,这时的吸声主要靠壳体内材料来完成,从而解决材料耐压吸声的问题。

高分子涂层溶解梯度吸声结构主要用于降低、吸收水下航行体产生的噪音。王源升等

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完成了指出,聚合物具有

几个系列水溶性高分子涂层用于水下航行体,达到了优良的吸声降噪效果。梯度层结构的存在是水溶性涂层水声衰减的关键。声波在梯度层中被多次反射吸收,从而实现噪声的有效衰减。但是,该结构的使用显然具有局限性。

特征吸声声谱,提出材料吸声特性与聚合物分子结构及形态特性有关,也与其在玻璃化转变区分子运动的特定模式有关。当分子链段运动在特征频率的声波作用下产生共振,声能则被充分吸收。这种从端基和链段松弛的角度来研究高分子材料吸声机

??454??

化??学??进??展

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第16卷

的一种有益尝试。通过聚合物的特征吸声机制选配材料,有望获得最佳的吸声降噪效果。

从研究材料结构参数来预测以及优化材料吸声

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性能的思路出发,Swift等对废旧轮胎的碎屑橡胶微粒吸声性能进行研究,发现流阻和第一共振频率

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影响固化和未固化橡胶碎屑的吸声性能。Yang则是利用吸声材料的微观参数如纤维直径、密度、截面积、空隙率以及频率推衍数学模型,对材料的吸声性能进行预测。更进一步地,Krynkin等对橡胶以及球状重质填料所构成的声学材料进行计算机模拟,研究填料连续以及离散状态下材料的性能,尝试了通过优化材料性能参数得到设定性能,特别是有效的宽频吸声性能。结合计算机模拟技术,研究并优化材料构造对制得综合性能优异的吸声材料是很有意义的。

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五、结束语

目前,高分子材料作为吸声以及阻尼降噪材料的重要组成部分,已被广泛地应用于航空航天、国防军事、建筑等各个领域。但其功能却远不能满足多种应用场合的需要,这主要是对高分子吸声材料的吸声机制理解不够深入全面,其研究开发还存在一定随意性和盲目性。因此,有必要让更多的高分子科学家钻研声学原理和规律,更多的声学专家了解高分子的多尺寸结构,大分子特有的转变与松弛运动以及通过分子结构和材料结构的设计对这些特性的可控性。如从材料设计角度出发,利用结构和界面效应,将粘滞性内摩擦、热传导和弛豫作用合理匹配实现对噪声的有效吸收,制备高分子吸声材料;通过嵌段、接枝、共聚和IPN等分子结构设计调节材料的阻尼性能,依据各种结构层次的高分子材料的特征声阻抗,组装得到新型高效吸声材料;或者从结构设计上,制成阻抗连续过渡的梯度吸声材料和微区共振吸声复合材料,并通过尺寸控制放大的功效。