CN108455999A - 一种基于声子晶体理论设计的多孔陶瓷吸声材料及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于声子晶体理论设计的多孔陶瓷吸声材料及其制造方法。该多孔陶瓷吸声材料包括陶瓷骨架，陶瓷骨架内部具有周期性排列的微孔，所述多孔陶瓷吸声材料的孔隙率为40％‑‑70％，孔径为0.0001‑‑0.001m，流阻率为2500‑12500Pa·s/m²，厚度为20mm‑100mm。本发明的基于声子晶体理论设计的多孔陶瓷吸声材料在很多场合代替传统吸声材料，可以避免类似玻璃棉等无机纤维类材料由于粉尘化而引起的二次环境污染，而且可用于室外环境，有其他吸声材料不可比拟的优越性。

Description

一种基于声子晶体理论设计的多孔陶瓷吸声材料及其制造 方法

技术领域

本发明涉及一种声学功能材料，具体的涉及一种基于声子晶体理论设计的，包含周期性孔径排列的多孔陶瓷吸声材料。

背景技术

现有的传统的吸声材料主要为玻璃棉、岩棉等无机纤维类材料。这些传统吸声材料虽然有明显吸声效果，密度小、比重轻，易于安装，隔热阻燃，且价格便宜，但是性能的发挥受环境影响和限制较大，不适宜应用在诸如高温、潮湿、油污、多尘、强气流等恶劣的工作环境中，这些工况不仅会降低其使用寿命，而且吸声性能也会显著降低，无法满足降噪要求。例如室外环境下，以玻璃棉为代表的吸声材料吸潮后及分解、坍塌和粉尘化，在失去吸声功能的同时会造成二次污染。

中国专利CN201610092998所公布的多孔陶瓷材料适用于保温绝热材料来使用，而不是一种典型的和专用的声学材料。中国专利CN 201510533176所公布的多孔陶瓷吸声材料其成孔方式为依赖十二烷基硫酸钠作为发泡剂形成空隙，这种方式孔胞多数是闭合且不通联。作为吸声材料来讲，不联通的闭孔材料，流阻过大且孔隙率低，孔径不易控制，导致吸声系数不高，实现不了正向设计，只能靠实验方式来测定，由于其成孔方式多采用发泡反应法和有机物填积烧失法，这些成孔方式决定了空隙大小不易掌握。

发明内容

现有的传统吸声材料不能够满足吸声性能的需求，基于上述缺点，本发明提出一种基于声子晶体理论设计的多孔陶瓷吸声材料。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种基于声子晶体理论设计的多孔陶瓷吸声材料，包括陶瓷骨架，陶瓷骨架内部具有周期性排列的微孔，所述多孔陶瓷吸声材料的孔隙率为40％--70％，孔径为0.0001--0.001m，流阻率为2500-12500Pa·s/m²，厚度为20mm-100mm。

优选的，周期性微孔排列是波浪形孔。

一种基于声子晶体理论设计的多孔陶瓷吸声材料的制造方法，包括以下步骤：

1)、前驱体预处理：选用周期性结构的聚氨酯材料为前驱体，按需要的尺寸切割后在弱碱性溶液中浸泡1～2小时，后用水洗涤至中性，晾干；

2)、浆料配制：将陶瓷微粉研磨后与添加剂、水混合形成浆料，使该浆料具有高的固相含量和粘着性；

3)、将步骤1)预处理的前驱体浸透到步骤2)配制的浆料中，去除多余的浆料，在前驱体周期性结构的表面和空隙之间形成陶瓷浆料涂层，然后干燥、烧结，去除聚氨酯泡沫材料；

形成具有周期性排列的多孔陶瓷吸声材料。

优选的，添加剂包括流化剂和絮凝剂。

优选的，保证孔隙率和孔径大小不变，改变周期性排列聚氨酯前驱体结构的曲率，从而改变微孔的弯曲扭转程度。实现声能向热能转化的效率，提升吸声系数。

优选的，保持周期性排列聚氨酯前驱体结构曲率不变，改变周期性排列聚氨酯前驱体的直径，改变微孔的孔径。通过理论模型仿真和吸声系数的试验测量，分析比较得出吸声系数更好的孔径大小参数。

优选的，保证微孔的孔径和孔曲率，改变周期性排列聚氨酯前驱体结构疏松度，改变多孔陶瓷孔隙率。经过试验测试获得吸声系数随孔隙率的变化规律，即可实现对多孔陶瓷孔隙率的声学优化。

优选的，还包括：

4)、表面处理：使用表面喷涂工艺对步骤3)得到的具有周期性排列的多孔陶瓷吸声材料进行表面处理。样品的吸声系数进一步得到提高，同时也改善了泡沫陶瓷表面的力学性能，提高了抗压强度。

本发明的优点在于：

1、本发明的基于声子晶体理论设计的多孔陶瓷吸声材料在很多场合代替传统吸声材料，可以避免类似玻璃棉等无机纤维类材料由于粉尘化而引起的二次环境污染，而且可用于室外环境，有其他吸声材料不可比拟的优越性；

2、本发明的基于声子晶体理论设计的多孔陶瓷吸声材料，其成孔方式和孔径、孔隙设计是基于声子晶体理论的周期性微孔排列的方式，具有先进的设计理念和优越的声学性能；

3、本发明的基于声子晶体理论设计的多孔陶瓷吸声材料，采用前驱体置换法，但是前驱体可以用精密周期型排列结构来实现，而周期性排列的方式与孔隙率、孔径及流阻都密切相关，这就为陶瓷材料的吸声系数设计奠定基础。因此本专利申请所提到的周期性微孔排列的吸声陶瓷材料可以根据多孔材料吸声机理的科学规律进行正向设计，在孔径大小上提前控制，在微孔结构上周期性排列，在流阻设计上算法优化。这样制备出来的微孔陶瓷材料具有很好的声学性能，测得的吸声系数等技术指标均高于目前已有的材料。

4、本发明的基于声子晶体理论设计的多孔陶瓷吸声材料，原料来源极为广泛，特别是可以用很多固体废弃物的微粉来充当。多孔陶瓷吸声体的吸声效果主要由不同孔径和孔隙率的合理组合来实现，尽管陶瓷骨架也对吸声系数产生影响，但不是主要因素。因此烧制陶瓷所用粉料并不唯一，能够实现对其他固体废料的二次回收，实现循环经济，对环境保护意义重大。经过适当的后处理，改善表面力学性能的同时进一步改善多孔陶瓷的吸声性能。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

附图1示出了根据本发明实施方式的基于声子晶体理论设计的多孔陶瓷吸声材料。

附图2示出了本发明基于声子晶体理论设计的多孔陶瓷吸声材料与传统玻璃棉的吸声系数的比较。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

参见图1，一种基于声子晶体理论设计的多孔陶瓷吸声材料，包括陶瓷骨架1，陶瓷骨架1内部具有周期性排列的微孔2，所述多孔陶瓷吸声材料的孔隙率为40％--70％，孔径为0.0001--0.001m，流阻率为2500-12500Pa·s/m²，厚度为20mm-100mm。图1中所示周期性微孔排列是波浪形孔。

一种基于声子晶体理论设计的多孔陶瓷吸声材料的制造方法，包括以下步骤：1)、前驱体预处理：选用周期性结构的聚氨酯材料为前驱体，按需要的尺寸切割后在弱碱性溶液中浸泡1～2小时，后用水洗涤至中性，晾干；2)、浆料配制：将陶瓷微粉研磨后与添加剂、水混合形成浆料，使该浆料具有高的固相含量和粘着性，添加剂包括流化剂和絮凝剂；3)、将步骤1)预处理的前驱体浸透到步骤2)配制的浆料中，去除多余的浆料，在前驱体周期性结构的表面和空隙之间形成陶瓷浆料涂层，然后干燥、烧结，去除聚氨酯泡沫材料；形成具有周期性排列的多孔陶瓷吸声材料；4)、表面处理：使用表面喷涂工艺对步骤3)得到的具有周期性排列的多孔陶瓷吸声材料进行表面处理。

保证孔隙率和孔径大小不变，改变周期性排列聚氨酯前驱体结构的曲率，从而改变微孔的弯曲扭转程度。保持周期性排列聚氨酯前驱体结构曲率不变，改变周期性排列聚氨酯前驱体的直径，改变微孔的孔径。保证微孔的孔径和孔曲率，改变周期性排列聚氨酯前驱体结构疏松度，改变多孔陶瓷孔隙率。

基于声子晶体理论设计的声学材料的最重要的属性是结构周期性排列。周期性排列的微孔在陶瓷内部形成相互连通结构。声波入射到这种多孔陶瓷表面时，绝大部分会沿者材料表面分布的微孔结构进入到多孔陶瓷结构内部。声波在多孔陶瓷内部传播的过程中，一方面会引起内部孔隙结构之间的空气振动，而靠近孔壁的空气质点振动速度相较于孔隙中央的质点振动速度更小，由此产生粘滞作用，另一方面与孔壁相对运动的过程中同粗糙的壁面产生摩擦作用。粘滞和摩擦的共同作用使一部分声能转化为热能消耗掉，同时由于泡沫陶瓷内部孔隙结构都是弯曲扭转分布的，声波作用在孔壁上产生反射，声能又进一步被消耗，声波逐渐衰减，从而达到消声的效果。影响泡沫陶瓷吸声材料的吸声性能的主要参数包括孔隙率、流阻、孔曲率、陶瓷体的吸声厚度等。即材料的吸声系数是一个多变量的函数，这些变量参数大小取值对声学材料的吸声系数来说有时是矛盾。周期性排列的微孔可以使上述四个参数达到最佳的配比和优化，从而实现材料吸声系数的设计。一般来说，孔隙率越大，入射到材料表面的声波更容易进入陶瓷体内部，因而吸声性能越好，但是当孔隙率增大到一定程度，泡沫陶瓷的吸声系数反而呈下降趋势，同时孔隙率的增大还会降低泡沫陶瓷的抗压强度。孔径越大，声波更容易进入材料内部，孔曲率越大，进入孔隙的声波能量会被消耗更多，吸声效果越好，然而当孔隙率一定时，孔径增大的同时孔曲率会相对降低。流阻越大，声波在通过泡沫陶瓷体的过程中被消耗的能量更多，吸声性能也会越好，但是当流阻过大时，气流无法在孔隙内顺畅有效的流动，这样为了保证气流的流通，势必需要附加推动力而增加能耗，违背了节能环保的主旨，所以也不能一味地增大流阻。此外多孔陶瓷体的吸声厚度和结构也会影响吸声性能，多孔陶瓷体厚度的增大可以改善低频吸声效果，而类似尖劈等结构也能够提高陶瓷体的吸声系数。周期性排列的微孔结构，使得材料展现超材料的性能：同时具备两种吸声机理：即具备多重布拉格散射效应的宽带吸声禁带和共振吸声效应的窄带吸声频段。

图2示出了本发明基于声子晶体理论设计的多孔陶瓷吸声材料与传统玻璃棉的吸声系数的比较。图中横坐标为频率(Hz)，纵坐标为吸声系数。黑实线为本发明提及的周期性孔径排列的多孔陶瓷材料的吸声系数，虚线为一种普通玻璃棉的吸声系数，图中可见本发明材料的吸声系数要高于普通玻璃棉。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种基于声子晶体理论设计的多孔陶瓷吸声材料，包括陶瓷骨架，其特征在于：陶瓷骨架内部具有周期性排列的微孔，所述多孔陶瓷吸声材料的孔隙率为40％--70％，孔径为0.0001--0.001m，流阻率为2500-12500Pa·s/m²，厚度为20mm-100mm。

2.根据权利要求1所述的一种基于声子晶体理论设计的多孔陶瓷吸声材料，其特征在于：周期性微孔排列是波浪形孔。

3.一种权利要求1所述的基于声子晶体理论设计的多孔陶瓷吸声材料的制造方法，包括以下步骤：

1)、前驱体预处理：选用周期性结构的聚氨酯材料为前驱体，按需要的尺寸切割后在弱碱性溶液中浸泡1～2小时，后用水洗涤至中性，晾干；

2)、浆料配制：将陶瓷微粉研磨后与添加剂、水混合形成浆料，使该浆料具有高的固相含量和粘着性；

3)、将步骤1)预处理的前驱体浸透到步骤2)配制的浆料中，去除多余的浆料，在前驱体周期性结构的表面和空隙之间形成陶瓷浆料涂层，然后干燥、烧结，去除聚氨酯泡沫材料；

形成具有周期性排列的多孔陶瓷吸声材料。

4.根据权利要求3所述的基于声子晶体理论设计的多孔陶瓷吸声材料的制造方法，其特征在于：添加剂包括流化剂和絮凝剂。

5.根据权利要求3所述的基于声子晶体理论设计的多孔陶瓷吸声材料的制造方法，其特征在于：保证孔隙率和孔径大小不变，改变周期性排列聚氨酯前驱体结构的曲率，从而改变微孔的弯曲扭转程度。

6.根据权利要求3所述的基于声子晶体理论设计的多孔陶瓷吸声材料的制造方法，其特征在于：保持周期性排列聚氨酯前驱体结构曲率不变，改变周期性排列聚氨酯前驱体的直径，改变微孔的孔径。

7.根据权利要求3所述的基于声子晶体理论设计的多孔陶瓷吸声材料的制造方法，其特征在于：保证微孔的孔径和孔曲率，改变周期性排列聚氨酯前驱体结构疏松度，改变多孔陶瓷孔隙率。

8.根据权利要求3所述的基于声子晶体理论设计的多孔陶瓷吸声材料的制造方法，其特征在于：还包括：

4)、表面处理：使用表面喷涂工艺对步骤3)得到的具有周期性排列的多孔陶瓷吸声材料进行表面处理。样品的吸声系数进一步得到提高，同时也改善了泡沫陶瓷表面的力学性能，提高了抗压强度。