CN101334993A - 一种基于网络结构的吸声复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于网络结构的吸声复合材料及其制备方法，该吸声复合材料包括作为骨架的通孔泡沫金属，通孔内壁及骨架的外表面附着有一定厚度的弹性材料薄膜，薄膜外附着有与水的特性阻抗相匹配的填充材料，同时通孔内也填充有该种填充材料。该材料的制备方法包括将未固化的弹性材料渗入骨架的通孔内，并同时包覆所述骨架的外表面；固化后，又将未固化的、与水的特性阻抗相匹配的填充材料渗入到薄膜内的通孔内及包覆薄膜的外表面，并固化填充材料。本发明具有声无定形网络玻璃材料特点，其中三种材料的选择范围很广，且这些材料吸声效果好，制作工艺简单，可操作性强；采用金属材料作为骨架，具有良好的抗压性，力学性能优良。

Description

一种基于网络结构的吸声复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种基于网络结构的吸声复合材料及其制备方法，更特别涉及需要轻质、耐压、防腐蚀特性的用于水下的吸声复合材料及其制备方法。这种吸声复合材料可用于水下特殊用途的仪器。

背景技术

随着科学技术的进步，各种机械系统的功率和速度都有极大的提高，但这些技术的进步均会随之产生强烈的振动与噪声，这不仅严重影响机械寿命与仪器精度，对于人体本身的危害也同样巨大，世界上每年因为振动与噪声危害所造成的损失无法估量，振动和噪声的控制日益成为一个复杂而迫切需要解决的问题。目前国民经济领域的减振降噪技术也大都采用阻尼材料，在汽车内垫、机械设备、发动机外壳、建筑隔音板、卫星、飞机、船舶等工业领域中主要采用有机纤维材料、无机纤维材料、金属纤维材料、泡沫材料、泡沫金属材料等阻尼材料，这些材料尽管在特定领域有一定的应用，但由于其吸声原理和自身无法克服的缺陷，限制了其进一步的发展。此外，当这些材料用于水下时，由于随着水深作用在吸声材料的压力增大，吸声材料本身在压力的作用下被压迫，而失去弹性，进而失去了吸收振动和噪声的功能。声子晶体(phononic crystal)是具有弹性波禁带的周期性结构功能材料，具有与传统声学材料截然不同的功能特点和优势，是最近十年来的研究热点。声子晶体给人们提供了一种新的研究思路，但是它的制造难度大、可控性差，目前很难根据噪声与振动控制的实际需要设计并制造所需禁带特性的声子晶体结构。局域共振声子晶体虽然具有结构简单，制造难度小等优点，但是受到理论基础的限制，在实际工程应用中会有以下缺点：(1)中心的金属材料只能起到散射单元的作用，金属自身的优势(例如良好的导电性、优异的力学性能等)无法得到发挥。(2)基体材料必须满足质量轻且材质硬的要求，这就不得不选择一些硬而脆的高分子材料，而这些材料本身的物理性能存在缺陷。而采用纯金属材料制备又会增加材料重量提高成本。

我们在研究声无定形网络材料时发现，这种结构的吸声复合材料对于声波具有强的散射效果。类比于光子玻璃，我们制作了一种基于网络结构的吸声复合材料，由于强散射等原因，声波能量在材料内部被消耗掉。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中吸声材料的缺陷，提供一种基于网络结构的吸声复合材料，包括作为骨架的通孔泡沫金属，通孔内壁及骨架的外表面附着有弹性材料薄膜，薄膜外附着有与水的特性阻抗相匹配的填充材料，同时通孔内也填充有该种填充材料。

进一步，所述骨架材料可选自铝、钢、镍、铜、铁、钛或其合金材料的任意一种，所述弹性材料选自软聚氨酯、软橡胶、凝胶、电磁流变液中任意一种，所述填充材料为硬聚氨酯、硬橡胶等。

进一步，所述铝材骨架的孔隙率为20％～95％，所述通孔的直径为纳米～厘米量级。

所述的弹性材料和/或填充材料中可进一步添加有陶瓷纤维或蛭石或单壁碳纳米管或其他半导体粒子等颗粒。

本发明制备该吸声复合材料的方法，包括步骤，

A)选取所需大小的通孔泡沫金属作为骨架，将未固化的弹性材料渗入该骨架的通孔内，并同时使弹性材料包覆所述骨架的外表面；

B)将附着有弹性材料的骨架在常温下放置3～6天，或加热到50～80℃并保持8～10小时，使弹性材料固化；

C)将弹性材料固化后的骨架在加压到10MPa以上的条件下，将未固化的、与水的特性阻抗相匹配的填充材料渗入到弹性材料所构成的薄膜内的通孔内，并同时使所述的填充材料包覆所述骨架的外表面；

D)再将吸声复合材料整体在常温下放置3～6天，或加热到50～80℃并保持8～10小时，使填充材料固化。

进一步，在步骤A)中包括在渗入弹性材料时施加压力。

此外，在将未固化的弹性材料渗入前和将未固化的、与水的特性阻抗相匹配的填充材料渗入前，进一步包括在弹性材料和/或填充材料中添加陶瓷纤维或蛭石或单壁碳纳米管颗粒等其他半导体粒子的步骤。

附图说明

图1是本发明圆形的吸声复合材料的立体结构示意图；

图2是本发明吸声复合材料的骨架沿图1中A-A的局部剖面示意图；

图3是图1的A-A局部剖面的示意图；

图4是表示本发明吸声复合材料的制备过程图；

图5是本发明的吸声复合材料和同样厚度的其他吸声材料的吸声力比较图。

具体实施方式

下面结合附图，描述本发明的优选实施例。参见图1至3，图1是本发明圆形的吸声复合材料的立体结构示意图；图2是本发明吸声复合材料的骨架沿图1中A-A的局部剖面示意图；图3是图1的A-A局部剖面的示意图。1为作为骨架的通孔泡沫金属，其上分布有通孔2，通孔内壁及骨架的表面附着有弹性材料薄膜3，在通孔的弹性材料薄膜内填充有与水的特性阻抗相匹配的填充材料4，同时整个吸声复合材料的弹性材料薄膜的外表面也包覆这种相同的的填充材料。在本实施例中，骨架1采用通用的通孔泡沫铝，其孔隙率为20％～95％，所述通孔的直径为纳米～厘米量级，孔内壁的弹性材料薄膜采用软聚氨酯弹性体，填充材料采用硬聚氨酯弹性体。具有上述结构的由三种材料形成的吸声复合材料，在5k～25k之间平均吸声系数可达到70以上，且具有良好的抗压性。

上述结构的吸收复合材料具有良好吸声效果的原因是，组成本发明吸声复合材料的三种材料可以看作三个互相渗入的有效介质。它们可以被看作是由无数个一维局域共振结构声子晶体组成的，或者看作由无数个一维局域共振结构声子晶体连接而成，整体上具有声无定形网络玻璃材料特点，尽管排列不规则，但是符合局域共振声子晶体特征，且具有硬软硬的局域共振声子晶体特性。而作为基体的泡沫铝也可以看作是散射体。材料从局部上具有局域共振特性，力学性能优异。

本发明吸声复合材料吸声能力的产生和大小主要的影响因素为：材料的厚度、孔径的大小、软硬聚氨酯弹性体在材料中的体积比例、泡沫铝材料的结构参数等，可根据需要对其进行适当的调整。

通过调整这些因素，可以制备出具有宽频水下吸声效果的材料，这种吸声材料由于采用硬质材料，例如金属为骨架，因此具有良好的力学性能。硬质骨架可以根据不同的需要更换为钢、镍、铜、铁、钛等其他金属或合金材料。孔内附着的弹性材料也可为软橡胶、凝胶、电磁流变液等材料。用作包覆层和填充物质的材料也可为硬橡胶材料等硬质弹性材料，只要与水的特性阻抗相匹配都可用于填充材料，上述硬聚氨酯等硬质的填充材料，都具有耐低温性能，其特性阻抗与水的特性相匹配，可以尽可能多地吸收声波，在硬质骨架外还可以起到耐腐蚀的作用。此外，在上述软、硬聚氨酯材料中都可添加不同的颗粒，可以增加复合材料的其他性能，例如，添加蛭石可以提高复合材料的吸声效果；添加单壁碳纳米管可以使吸声复合材料有吸附电磁波的能力。

综上所述，本发明所提供的吸声复合材料，其吸声机理与传统吸声材料完全不同，其中三种材料的选择范围很广，还可以以该材料为基础，为适应不同需要而改变组分，本发明的吸声复合材料吸声效果好，制作工艺简单，可操作性强。

下面参考图4描述实施例1的吸声复合材料的制备工艺过程。首先选取所需大小的通用的通孔泡沫铝，然后将未固化的软聚氨酯渗入泡沫铝的通孔内。通常情况下，软聚氨酯渗入通孔的速度与孔的大小和聚氨酯的密度有关，孔越小，聚氨酯的密度越大，渗入速度越慢，因此，为了加快未固化软聚氨酯的渗入速度，可适当采用在上部加压，或者底部施加负压的方式，使软聚氨酯快速渗入到泡沫铝的通孔中。这样，在泡沫铝的通孔内自然留下了一定厚度的软聚氨酯薄膜；同时软聚氨酯也包覆了泡沫铝骨架的外表面；然后将其整体固化，固化的过程可以是在常温下放置3～6天，也可以是加热到50～80℃并保持10小时，使弹性材料固化；接下来，将未固化的硬聚氨酯加压渗入到薄膜内的孔内和分布在弹性材料薄膜的表面，即硬聚氨酯同时也包覆了吸声复合材料的外表，在渗硬聚氨酯入填充材料时的压力为10MPa，为了增加制成的吸声复合材料内所填充的硬聚氨酯的密度，可根据需要采用更高的压力，然后同样在常温下放置3～6天，或加热到50～80℃并保持8～10小时，使填充材料固化。所制备出的吸声复合材料的大小根据需要由选取的通孔泡沫铝的大小而定，形状也可以根据需要选择圆形、方形或其他任意形状。图5为制备出的厚度为2cm的吸声复合材料和同样厚度、形状的其他吸声材料的吸声能力比较图。从图中可以看出，本发明的吸声复合材料的吸声系数远远高于同样厚度的其他传统的吸声材料的吸收系数。说明本发明吸声材料的吸声效果明显优于其他材料。

Claims (7)

1、一种基于网络结构的吸声复合材料，其特征在于，包括作为骨架的通孔泡沫金属，通孔内壁及骨架的外表面附着有一定厚度的弹性材料薄膜，薄膜外附着有与水的特性阻抗相匹配的填充材料，同时通孔内也填充有该种填充材料。

2、根据权利要求1所述的吸声复合材料，其特征在于：所述骨架材料为选自铝、钢、镍、铜、铁、钛或其合金材料的任意一种，所述弹性材料选自软聚氨酯、软橡胶、凝胶、电磁流变液中任意一种，所述填充材料为硬聚氨酯、硬橡胶等。

3、根据权利要求2所述的吸声复合材料，其特征在于：所述铝材骨架的孔隙率为20％～95％，所述通孔的直径为纳米～厘米量级。

4、根据权利要求1所述的吸声复合材料，其特征在于：所述的弹性材料和/或填充材料中可进一步添加有陶瓷纤维、蛭石、单壁碳纳米管和其他半导体粒子等颗粒中任意一种。

5、一种权利要求1-3中任意一项所述的吸声复合材料的制备方法，其特征在于，包括步骤，

A)选取所需大小的通孔泡沫金属作为骨架，将未固化的弹性材料渗入该骨架的通孔内，并同时使弹性材料包覆所述骨架的外表面；

B)将附着有弹性材料的骨架在常温下放置3～6天，或加热到50～80℃并保持8～10小时，使弹性材料固化；

C)将弹性材料固化后的骨架在加压到10MPa以上的条件下，将未固化的、与水的特性阻抗相匹配的填充材料渗入到弹性材料所构成的一定厚度的薄膜内的通孔内，并同时使所述的填充材料包覆骨架外薄膜的外表面；

D)再将吸声复合材料整体在常温下放置3～6天，或加热到50～80℃并保持8～10小时，使填充材料固化。

6、根据权利要求5所述的吸声复合材料的制备方法，其特征在于：在步骤A)中进一步包括在渗入弹性材料时施加压力。

7、根据权利要求6所述的吸声复合材料的制备方法，其特征在于：在将未固化的弹性材料渗入前和将未固化的、与水的特性阻抗相匹配的填充材料渗入前，进一步包括在弹性材料和/或填充材料中添加陶瓷纤维、蛭石、单壁碳纳米管和其他半导体粒子等颗粒中任意一种的步骤。

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