CN103009731B - 一种压电吸声复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压电吸声复合材料及其制备方法；该复合材料由有机树脂、压电体、导电体和增强体四部份组成；有机树脂基体为PVC基体，或PU基体，或ABS基体；压电体为PZT陶瓷片；导电体为微细硅粉，增强体为尼龙短纤维，或玻璃短纤维，或玻璃纤维布，或尼龙布，只用其中的一种：采用注塑工艺成型：本复合材料可制成高强度各种型材，满足移动目标的要求，如各种铁路动车、城市轨道交通动车内装材料。也可以使用低成本基体材料，制成公路、铁路旁的隔音板，该复合材料的主要用途是组成隔音，吸收机械振动或其它功能性构件，同时，对声波有强烈的吸收作用；实现理想的吸音效果，消除公路、铁路对环境的噪声污染。

Description

一种压电吸声复合材料及其制备方法

技术领域

 本发明涉及一种压电吸声复合材料及其制备方法；该复合材料的主要用途是组成隔音，吸收机械振动或其它功能性构件，同时，对声波有强烈的吸收作用。

背景技术

 声音是空气中传播的机械振动，传统的隔音、吸音材料的主要作用机理以机械作用为主，即在声音传播的路径中插入另类介质，减弱声波振动的强度、改变声音传插的方向，达到隔音、吸音的目的；现有的隔音、吸音材料有石膏、水泥、塑料、橡胶，这些材料被制成各形状，应用于各种领域如：高速公路、铁路旁的隔音板，各种有音响效果的室内则多采用有机发泡材料，一些特定要求的还使用橡胶涂料。

由于机械波传输的特点，为了达到理想隔、吸音效果，目前使用传统的材料需要较大的介入较大路径，在许多场合，只能使用较薄的材料时，就难达到理想的吸音效果。发泡类材料则由于其强度小，一般限于固定环境中使用。总之，现有的材料隔音、吸音效果不理想，达不到隔音吸音要求。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种热稳定性好，强度和刚度高，减振和吸音效果好的压电吸声复合材料及其制备方法。

本发明的技术方案是：一种压电吸声复合材料的制备方法，其特征在于所述的压电吸声复合材料由以下原料和步骤制成：

所述的各原料

（1）所述的该制备方法中的压电吸声复合材料是由有机树脂或无机材料基体、压电体、导电体和增强体四部份组成；

所述的有机树脂基体为聚氯乙烯粉剂，即称为PVC基体；或PU基体；或ABS基体；

所述的压电体为极化锆钛酸铅陶瓷片，即称为PZT陶瓷片；

所述的导电体为微细硅粉，即称为Si微粉；

所述的增强体为尼龙短纤维，或玻璃短纤维，或玻璃纤维布，或尼龙布，根据实际需要任意选择其中的一种：

（2）所述的该制备方法中组成压电吸声复合材料的各原料的重量配比为：

有机树脂或无机材料基体 65－85 %，       

PZT陶瓷片3－20 %，  

Si微粉  5－18 %，                 

 增强体 3－20%，

在以上各组份取值范围内，组份百分含量之和为100%；

所述的各步骤为：

A、原料预处理，各组份成型前为以下状态：

所述的有机树脂基体：PVC基体，或PU基体，或ABS基体；

所述的压电体为PZT陶瓷片，厚度为0.2mm~0.4mm，平均周长为1mm~20mm；其形状为圆形，方形或多边形，或不规则形状的薄陶瓷片；使用前，PZT陶瓷片应先进行极化处理，采用垂直极化，即电场垂直于PZT薄片表面，经极化后的PZT陶瓷片两表面有金属电板；

导电体为微细硅粉，Si微粉直径≦2μm的，使用前，将Si微粉导电体放置于有盖的匣钵内，将匣钵放置在温度为70－80℃的环境中，恒温处理6－8小时；

B、成型工艺，采用注塑工艺成型：

第一步，将上述重量配比的有机树脂基体料和增强体的两种原料混合均匀，采用模压成型，成型时，注塑温度控制在240℃－260℃之间，模具温度应保持在40℃±5℃；注塑压力为1200bar；根据需要可加入增塑剂，成型为基板一，基板一的厚度为1~10mm之间；

第二步，在基板一上增加吸声层，将上述重量配比的有机树脂基体料和Si微粉两种原料混合均匀形成基体导电混合料后，在基板一上覆盖一层基体导电混合料，覆盖厚度为0.5~1mm，然后在基体导电混合料层均匀抛撒压电片，即均匀抛撒PZT陶瓷片；再覆盖一层厚度为0.5~1mm的基体导电混合料层，即将基体导电混合料均匀覆盖在PZT陶瓷片上而形成基板二；重复进行以上操作，直到所需要的厚度，注塑温度控制在260℃－280℃之间，保持温度在160℃±5℃；注塑压力为1600bar，基板二与基板一等厚戓不等厚；

第三步，第三步工序与第一步工序相同，即将上述重量配比的有机树脂基体料和增强体的两种原料混合均匀，采用模压成型，成型时，注塑温度控制在240℃－260℃之间，模具温度应保持在40℃±5℃；注塑压力为1200bar；根据需要可加入增塑剂，成型为基板三，基板三的厚度为1~10mm之间；

第四步，将基板二与基板三进行复合， 复合温度保持在190℃±5℃，两基板复合压力为1600bar，压力保持时间为14~16min；即形成压电吸声复合材料。通过上述方法制备的压电吸声复合材料，该成型后压电吸声复合材料为直板或波纹板；

所述的PVC基体压电吸声复合材料的各原料的重量配比为：

PVC基体 65－85 %，        PZT陶瓷片3－20 %，

Si微粉 5－18 %，              增强体3－20%，

在以上各组份取值范围内，组份百分含量之和为100%；

所述的增强体为尼龙短纤维，或玻璃短纤维，或玻璃纤维布，或尼龙布，根据实际需要任意选择其中的一种。

所述的PU基体压电吸声复合材料的各原料的重量配比为：

PU基体65－85 %，        PZT陶瓷片3－20 %，

Si微粉 5－18 %，              增强体3－20%，

在以上各组份取值范围内，组份百分含量之和为100%；

其中：所述的增强体为尼龙短纤维，或玻璃短纤维，或玻璃纤维布，或尼龙布，根据实际需要情況任意选择其中的一种。

所述的ABS基体压电吸声复合材料的各原料的重量配比为：

ABS基体 65－85 %，          PZT陶瓷片  3－20 %，

Si微粉 5－18 %，          增强体3－20%，

在以上各组份取值范围内，组份百分含量之和为100%；

其中：所述的增强体为尼龙短纤维，或玻璃短纤维，或玻璃纤维布，或尼龙布，根据实际需要情況任意选择其中的一种。

本发明所涉及的压电吸声材料主要作用机理是：当音频机械波进入材料时，材料中的压电体将机械波能量转变为电能，由于材料的导电性，将电能转化为热能耗散在空气中。该复合材料可单独制成构件，在应用环境中达到吸声要求，也可将该材料依附于其它基体以满足吸声要求。

本压电吸声复合材料由有机树脂（如聚乙烯、ABS、环氧、橡胶等）、导电粒子、压电体构成复合材料，当自由传播声波进入该材料内部时，由于压电体的作用，声波（机械波）变为电能，由于材料的一定电阻值，电能变为热能，热能散逸到空气中，达到吸收声音的效果。

本压电吸声复合材料的压电体采用锆钛酸铅陶瓷片，它具有压电特性材料，压电体的尺寸在0.5mm~1mm之间，主要用于对抗声音的反射，衰减声音穿透传播；压电体在材料中的体积比在1%~4%之间。主要用于有声波传输有要求的内部装修：如会议室、飞机、轮船、铁路列车等。

压电体的尺寸在1mm~10mm之间，压电体在复合体中的体积比在0.1%~3%之间，可对抗声波的反射，阻隔声波的传输。可用于建筑物外墙、公路、铁路噪声抑制墙体构件。

压电体的尺寸在10mm~20mm之间,基体为弹性材料，可有效地阻隔声波的传送，能极大地削弱传输机械波，用于有强振动的环境，

其吸声性能由基体，压电体相关组份比例决定，压电体在复合体中的体积比在0.5%~4%之间。

本压电吸声复合材料在相同厚度情况下，在一定范围内，复合材料对声音的吸收性能随PZT陶瓷片含量增加而增加。在入射声源相同的情况下，压电体（PZT陶瓷片）的粒径与声衰减有很大的关系，一般情况下，压电体的平均匀粒径大，声衰减越大。

本压电吸声复合材料可制成各种所需的几何形状。材料厚度也可根据性能要求确定，依据基材及工艺，该材料可分为强弹性、半弹性、非弹性三种；本压电吸声复合材料可单独或与其它材料形成构件；压电吸声复合材料的颜色可用有机或无机染料改变。

技术参数：单层10mm板材对于以45?入射的声波吸收率96%；单层10mm板材对于以90?入射的声波吸收率99%。

本发明由于材料作用机理与传统材料有本质的不同，因此也就有优异的吸声性能，如PZT含量为10%，基体为ABS塑料，厚度为3mm米平板可减弱透射波90%、减弱反射波85%以上，用较小的路径，实现较好吸音效果；材料可制成高强度各种型材，满足移动目标的要求，如各种铁路动车、城市轨道交通动车内装材料。也可以使用低成本基体材料，制成公路、铁路旁的隔音板，实现理想的吸音效果，消除公路、铁路对环境的噪声污染。

该复合材料的主要用途是组成隔音，吸收机械振动或其它功能性构件，同时，对声波有强烈的吸收作用。

附图说明

图1为压电吸声复合材料成型工艺流程图。

具体实施方式

参看图1，一种压电吸声复合材料的制备方法，其特征在于所述的压电吸声复合材料由以下原料和步骤制成：

所述的各原料

所述的该制备方法中的压电吸声复合材料是由有机树脂或无机材料基体、压电体、导电体和增强体四部份组成；

所述的有机树脂基体为聚氯乙烯粉剂，即称为PVC基体；或PU基体；或ABS基体；

所述的压电体为极化锆钛酸铅陶瓷片，即称为PZT陶瓷片；

所述的导电体为微细硅粉，即称为Si微粉；

所述的增强体为尼龙短纤维，或玻璃短纤维，或玻璃纤维布，或尼龙布，根据实际需要任意选择其中的一种：

（2）所述的该制备方法中组成压电吸声复合材料的各原料的重量配比为：

有机树脂或无机材料基体 65－85 %，       

PZT陶瓷片3－20 %，  

Si微粉  5－18 %，                 

 增强体 3－20%，

在以上各组份取值范围内，组份百分含量之和为100%；

所述的各步骤为：

A、原料预处理，各组份成型前为以下状态：

所述的有机树脂基体：PVC基体，或PU基体，或ABS基体；

所述的压电体为PZT陶瓷片，厚度为0.2mm~0.4mm，平均周长为1mm~20mm；其形状为圆形，方形或多边形，或不规则形状的薄陶瓷片；使用前，PZT陶瓷片应先进行极化处理，采用垂直极化，即电场垂直于PZT薄片表面，经极化后的PZT陶瓷片两表面有金属电板；

导电体为微细硅粉，Si微粉直径≦2μm的，使用前，将Si微粉导电体放置于有盖的匣钵内，将匣钵放置在温度为70－80℃的环境中，恒温处理6－8小时；

B、成型工艺，采用注塑工艺成型：

第一步，将上述重量配比的有机树脂基体料和增强体的两种原料混合均匀，采用模压成型，成型时，注塑温度控制在240℃－260℃之间，模具温度应保持在40℃±5℃；注塑压力为1200bar；根据需要可加入增塑剂，成型为基板一，基板一的厚度为1~10mm之间；

第二步，在基板一上增加吸声层，将上述重量配比的有机树脂基体料和Si微粉两种原料混合均匀形成基体导电混合料后，在基板一上覆盖一层基体导电混合料，覆盖厚度为0.5~1mm，然后在基体导电混合料层均匀抛撒压电片，即均匀抛撒PZT陶瓷片；再覆盖一层厚度为0.5~1mm的基体导电混合料层，即将基体导电混合料均匀覆盖在PZT陶瓷片上而形成基板二；重复进行以上操作，直到所需要的厚度，注塑温度控制在260℃－280℃之间，保持温度在160℃±5℃；注塑压力为1600bar，基板二与基板一等厚戓不等厚；

第三步，第三步工序与第一步工序相同，即将上述重量配比的有机树脂基体料和增强体的两种原料混合均匀，采用模压成型，成型时，注塑温度控制在240℃－260℃之间，模具温度应保持在40℃±5℃；注塑压力为1200bar；根据需要可加入增塑剂，成型为基板三，基板三的厚度为1~10mm之间；

第四步，将基板二与基板三进行复合， 复合温度保持在190℃±5℃，两基板复合压力为1600bar，压力保持时间为14~16min；即形成压电吸声复合材料。

通过上述方法制备的压电吸声复合材料，该成型后压电吸声复合材料为直板或波纹板。

所述的PVC基体压电吸声复合材料的各原料的重量配比为：

PVC基体 65－85 %，        PZT陶瓷片3－20 %，

Si微粉 5－18 %，              增强体3－20%，

在以上各组份取值范围内，组份百分含量之和为100%；

其中：所述的增强体为尼龙短纤维，或玻璃短纤维，或玻璃纤维布，或尼龙布，根据实际需要任意选择其中的一种。

所述的PU基体压电吸声复合材料的各原料的重量配比为：

PU基体65－85 %，        PZT陶瓷片3－20 %，

Si微粉 5－18%，              增强剂3－20%，

在以上各组份取值范围内，组份百分含量之和为100%；

其中：所述的增强体为尼龙短纤维，或玻璃短纤维，或玻璃纤维布，或尼龙布，根据实际需要情況任意选择其中的一种。

所述的ABS基体压电吸声复合材料的各原料的重量配比为：

ABS  65－85 %，          PZT陶瓷片  3－20%，

Si微粉5－18 %，          增强体  3－20%，

在以上各组份取值范围内，组份百分含量之和为100%；

其中：所述的增强体为尼龙短纤维，或玻璃短纤维，或玻璃纤维布，或尼龙布，根据实际需要情況任意选择其中的一种。

实例

一、压电吸声复合材料各原料的重量配比（ PVC基体）为：

例1、

PVC基体 70 %，        PZT陶瓷片9%，

Si微粉 9 %，            增强体12%，

其中：增强体为尼龙短纤维，或玻璃短纤维，或玻璃纤维布，或尼龙布，只选择其中的一种。

例2、

PVC基体 75 %，        PZT陶瓷片10 %，

Si微粉 5%，             增强体10%，

其中：增强体为尼龙短纤维，或玻璃短纤维，或玻璃纤维布，或尼龙布，只选择其中的一种。

例3、

PVC基体 78 %，        PZT陶瓷片8 %，

Si微粉 6%，              增强体8%，

其中：增强体为尼龙短纤维，或玻璃短纤维，或玻璃纤维布，或尼龙布，只选择其中的一种。

二、压电吸声复合材料各原料的重量配比（PU 基体）为：

例1、

PU基体65 %，        PZT陶瓷片10 %，

Si微粉 10%，              增强体15%，

其中：增强体为尼龙短纤维，或玻璃短纤维，或玻璃纤维布，或尼龙布，只选择其中的一种。

例2、

PU基体70 %，        PZT陶瓷片8%，

Si微粉 7 %，              增强剂15%，

其中：增强体为尼龙短纤维，或玻璃短纤维，或玻璃纤维布，或尼龙布，只选择其中的一种。

例3、

PU基体80 %，        PZT陶瓷片6 %，

Si微粉 8 %，              增强剂6%，

其中：增强体为尼龙短纤维，或玻璃短纤维，或玻璃纤维布，或尼龙布，只选择其中的一种。

成型时，使用热熔型PU时，采用多层涂覆工艺，此种工艺下，压电体平均粒径应小于5；采用反应预聚物成型时，对压电体平均粒径没有限制。

三、压电吸声复合材料各原料的重量配比（ ABS基体）为：

例1、

 ABS基体  72 %，          PZT陶瓷片  8 %，

Si微粉 9 %，           增强体  11%，

其中：增强体为尼龙短纤维，或玻璃短纤维，或玻璃纤维布，或尼龙布，只选择其中的一种。

例2

ABS基体  78 %，          PZT陶瓷片 7%，

Si微粉 5 %，          增强体  10%，

其中：增强体为尼龙短纤维，或玻璃短纤维，或玻璃纤维布，或尼龙布，只选择其中的一种。

例3

ABS基体  80%，          PZT陶瓷片 8 %，

Si微粉 7 %，          增强体  5%，

其中：增强体为尼龙短纤维，或玻璃短纤维，或玻璃纤维布，或尼龙布，只选择其中的一种。

Claims (5)

1.一种压电吸声复合材料的制备方法，其特征在于所述的压电吸声复合材料由以下原料和步骤制成：

所述的各原料

（1）所述的该制备方法中的压电吸声复合材料是由有机树脂基体、压电体、导电体和增强体四部份组成；

所述的有机树脂基体为聚氯乙烯粉剂，即称为PVC基体；或PU基体；或ABS基体；

所述的压电体为极化锆钛酸铅陶瓷片，即称为PZT陶瓷片；

所述的导电体为微细硅粉，即称为Si微粉；

所述的增强体为尼龙短纤维，或玻璃短纤维，或玻璃纤维布，或尼龙布，根据实际需要任意选择其中的一种；

（2）所述的该制备方法中组成压电吸声复合材料的各原料的重量配比为：

有机树脂基体 65－85 %，       

PZT陶瓷片3－20 %，  

Si微粉  5－18 %，                 

 增强体 3－20%，

在以上各组份取值范围内，组份百分含量之和为100%；

所述的各步骤为：

A、原料预处理，各组份成型前为以下状态：

所述的有机树脂基体：PVC基体，或PU基体，或ABS基体；

所述的压电体为PZT陶瓷片，厚度为0.2mm~0.4mm，平均周长为1mm~20mm；其形状为圆形，方形或多边形，或不规则形状的薄陶瓷片；使用前，PZT陶瓷片应先进行极化处理，采用垂直极化，即电场垂直于PZT薄片表面，经极化后的PZT陶瓷片两表面有金属电板；

导电体为微细硅粉，Si微粉直径≦2μm的，使用前，将Si微粉导电体放置于有盖的匣钵内，将匣钵放置在温度为70－80℃的环境中，恒温处理6－8小时；

B、成型工艺，采用注塑工艺成型：

第一步，将上述重量配比的有机树脂基体料和增强体的两种原料混合均匀，采用模压成型，成型时，注塑温度控制在240℃－260℃之间，模具温度应保持在40℃±5℃；注塑压力为1200bar；根据需要可加入增塑剂，成型为基板一，基板一的厚度为1~10mm之间；

第二步，在基板一上增加吸声层，将上述重量配比的有机树脂基体料和Si微粉两种原料混合均匀形成基体导电混合料后，在基板一上覆盖一层基体导电混合料，覆盖厚度为0.5~1mm，然后在基体导电混合料层均匀抛撒压电片，即均匀抛撒PZT陶瓷片；再覆盖一层厚度为0.5~1mm的基体导电混合料层，即将基体导电混合料均匀覆盖在PZT陶瓷片上而形成基板二；重复进行以上操作，直到所需要的厚度，注塑温度控制在260℃－280℃之间，保持温度在160℃±5℃；注塑压力为1600bar，基板二与基板一等厚，戓不等厚；

第三步，第三步工序与第一步工序相同，即将上述重量配比的有机树脂基体料和增强体的两种原料混合均匀，采用模压成型，成型时，注塑温度控制在240℃－260℃之间，模具温度应保持在40℃±5℃；注塑压力为1200bar；根据需要可加入增塑剂，成型为基板三，基板三的厚度为1~10mm之间；

第四步，将基板二与基板三进行复合，复合温度保持在190℃±5℃，两基板复合压力为1600bar，压力保持时间为14~16min；即形成压电吸声复合材料。

2.如权利要求1所述的压电吸声复合材料的制备方法，其特征在于所述的PVC基体压电吸声复合材料的各原料的重量配比为：

PVC基体 65－85 %，        PZT陶瓷片3－20 %，

Si微粉 5－18 %，              增强体3－20%，

在以上各组份取值范围内，组份百分含量之和为100%；

所述的增强体为尼龙短纤维，或玻璃短纤维，或玻璃纤维布，或尼龙布，根据实际需要任意选择其中的一种。

3.如权利要求1所述的压电吸声复合材料的制备方法，其特征在于所述的PU基体压电吸声复合材料的各原料的重量配比为：

PU基体65－85 %，        PZT陶瓷片3－20%，

Si微粉 5－18 %，              增强剂3－20%，

在以上各组份取值范围内，组份百分含量之和为100%；

其中：所述的增强剂为尼龙短纤维，或玻璃短纤维，或玻璃纤维布，或尼龙布，根据实际需要情況任意选择其中的一种。

4.如权利要求1所述的压电吸声复合材料的制备方法，其特征在于所述的ABS基体压电吸声复合材料的各原料的重量配比为：

ABS基体  65－85 %，          PZT陶瓷片  3－20 %，

Si微粉 5－18 %，          增强剂3－20%，

在以上各组份取值范围内，组份百分含量之和为100%；

其中：所述的增强剂为尼龙短纤维，或玻璃短纤维，或玻璃纤维布，或尼龙布，根据实际需要情況任意选择其中的一种。

5.如权利要求1所述的方法制备的压电吸声复合材料。