CN114502261B - 包括刚性增强聚合物的声学复合材料以及包括该材料的装置和组件 - Google Patents

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Abstract

一种复合材料，其包括具有多孔微结构的膨胀聚四氟乙烯(ePTFE)膜。该ePTFE膜的多孔微结构被刚性增强聚合物浸渍。还描述了一种声学装置组件，其包括所述复合材料和声学装置。当通过声学响应测量(“ARM”)测试进行测量时，所述复合材料和声学装置组件在1kHz下可以表现出小于7dB的插入损耗。

Description

包括刚性增强聚合物的声学复合材料以及包括该材料的装置 和组件
技术领域
本公开涉及声学复合材料以及包括该声学复合材料的装置和组件的领域。
背景技术
声学装置罩(例如，麦克风罩)保护声学装置免受外部应力(例如水压)的影响，同时最大限度地减少声学损失。本领域持续需要能够执行这些功能的声学装置罩。
发明内容
涵盖的实施方式是由权利要求书而非该发明内容所限定。该发明内容是各个方面的高度综述，并介绍了下面详细说明部分中进一步描述的一些概念。本发明概述并不旨在鉴定所要求保护主题的关键特征或必要特征，也不旨在单独使用以确定所要求保护的主题的范围。应通过参考整个说明书的适当部分、任何或所有附图以及各权利要求来理解主题。
本公开的一些实施方式涉及一种复合材料，其包含：具有多孔微结构的膨胀聚四氟乙烯(ePTFE)膜；其中ePTFE膜的多孔微结构完全浸渍有刚性增强聚合物(stiffeningpolymer)，使得根据层流体积气流(Laminar Volumetric Airflow，即“LVA”)测试在1.0psi测量的复合材料的平均气流为0.0升/小时/厘米2；其中刚性增强聚合物是具有以下特性的聚合物，当填充ePTFE膜的多孔微结构，并且其用量为基于复合材料总重量的40重量％-85重量％时，其使得复合材料的平均刚度(average stiffness)相比于用刚性增强聚合物浸渍之前的ePTFE膜的平均刚度提高了至少20％；并且其中当通过声学响应测量(AcousticResponse Measurement，即“ARM”)测试进行测量时，复合材料在1kHz表现出小于7dB的插入损耗。该复合材料的厚度为10微米或更小。
在一些实施方式中，复合材料表现出大于125psi的爆裂强度。
在一些实施方式中，刚性增强聚合物包括以下中的至少一种：四氟乙烯-六氟丙烯-偏二氟乙烯共聚物、聚己内酯、热塑性聚酰亚胺、热塑性聚氨酯、聚砜、聚醚砜、聚苯乙烯、聚偏二氟乙烯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚芳酯、聚苯并咪唑、聚酰亚胺、环氧树脂、丙烯酸酯或它们的任何组合。
在一些实施方式中，刚性增强聚合物包括以下中的至少一种：四氟乙烯-六氟丙烯-偏二氟乙烯共聚物、聚己内酯、热塑性聚氨酯或它们的任何组合。
在一些实施方式中，刚性增强聚合物不包含：苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物、四氟乙烯/全氟甲基乙烯基醚共聚物、硅橡胶、苯乙烯类嵌段共聚物、热塑性共聚酯和热塑性共聚酰胺、聚醚酰亚胺，硅酮、氟硅酮、氟弹性体、全氟弹性体、丁苯橡胶、三元乙丙橡胶(EPDM)、丁腈橡胶、氯丁橡胶或它们的任何组合。
在一些实施方式中，复合材料主要是声反应性的，使得声阻抗的实部和虚部之间的相位角满足以下关系：
(I)和
(II)
在一些实施方式中，与用刚性增强聚合物浸渍之前的ePTFE膜相比，复合材料表现出5％至50％的位移减少，其中位移减少使用双轴平面外位移(“BOD”)测试来测量。
本公开的一些实施方式涉及声学装置组件，其包括：声学装置；和复合材料；其中所述复合材料包含：具有多孔微结构的膨胀聚四氟乙烯(ePTFE)膜；其中ePTFE膜的多孔微结构浸渍有刚性增强聚合物，使得根据层流体积气流(“LVA”)测试在1.0psi测量的复合材料的平均气流为0.0升/小时/厘米2；其中刚性增强聚合物是具有以下特性的聚合物，当浸渍到ePTFE膜的多孔微结构中，并且其用量为基于复合材料总重量的40重量％至85重量％时，其使得复合材料的平均刚度相比于用刚性增强聚合物浸渍之前的ePTFE膜的平均刚度提高了至少20％；并且其中当通过声学响应测量(“ARM”)测试进行测量时，声学装置组件在1kHz表现出小于7dB的插入损耗。
在一些实施方式中，声学装置是扬声器。
在一些实施方式中，声学装置是接收器。
在一些实施方式中，声学装置包括声腔和换能器。
在一些实施方式中，换能器设置在声腔内。
在一些实施方式中，复合材料设置在声腔上方。
在一些实施方式中，声学装置包括外壳，其中外壳包括与声学装置的声腔对准的声学通道。
在一些实施方式中，在复合材料和外壳之间存在粘合剂层。
附图说明
本文仅通过示例的方式，参考附图描述了本公开的一些实施方式。现在具体地参考附图，要强调的是，示出的实施方式是作为示例并且出于对本公开的实施方式的说明性讨论的目的。就这一点而言，结合附图进行的描述对于本领域技术人员而言显而易见的是可以如何实践本公开的实施方式。
图1示出了根据本公开的一些实施方式的声学装置组件的侧面剖视图。
图2以侧面示意图显示了声学装置组件的另一个示例。
图3显示了根据一些实施方式的声学响应测量(“ARM”)测试设备的侧面剖视图的示例。
图4描绘了插入损耗和平均刚度之间的示例性关系。
图5描绘了平均刚度和位移之间的示例性关系。
具体实施方式
在已经公开的那些益处和改进中，根据结合附图进行的以下描述，本公开的其他目的和优点将变得显而易见。本文公开了本公开的具体实施方式；但是，应当理解，所公开的实施方式仅是可以以各种形式体现的本公开的示例。另外，关于本公开的各种实施方式给出的每个实例旨在是说明性的而非限制性的。
在整个说明书和权利要求书中，除非上下文另外明确指出，否则以下术语具有本文明确关联的含义。尽管这里使用的短语“在一个实施方式中”，“在一种实施方式中”和“在一些实施方式中”可以指相同的实施方式，但不一定是指相同的实施方式。此外，本文使用的短语“在另一个/种实施方式中”和“在一些其他实施方式中”虽然可以指不同的实施方式，但是不一定是指代不同的实施方式。本公开的所有实施方式旨在是可组合的，而不脱离本公开的范围或精神。
如本文所使用的，术语“基于”不是排他的，并且允许基于未描述的其他因素，除非上下文另外明确指出。另外，在整个说明书中，“一个”、“一种”和“该”的含义包括复数指代。“在……中”的含义包括“在……中”和“在……上”。
本文引用的所有现有专利、出版物和测试方法都通过引用全文纳入本文。
本公开的一些实施方式涉及一种复合材料。本文所用的术语“复合材料”是指由两种或更多种具有不同物理或化学性质的组成材料制成的材料，当这些组成材料组合时，产生与单独组分具有不同特征的材料。
在一些实施方式中，复合材料包括膨胀聚四氟乙烯(ePTFE)膜，该膜具有浸渍有聚合物的多孔微结构。如本文所用，术语“浸渍”是指ePTFE膜的多孔微结构的至少一部分被聚合物填充。在一些实施方式中，ePTFE膜的多孔微结构可以包括由多个原纤维连接的多个节点(node)，使得所述多个节点和多个原纤维浸渍有聚合物。在一些实施方式中，将聚合物浸渍到ePTFE膜中，从而在ePTFE膜的横截面上形成连续层。在一些实施方式中，在ePTFE膜的横截面上的连续层可以用作对气流的屏障。
在一些实施方式中，ePTFE膜的多孔微结构被聚合物完全浸渍。如本文所用，术语“完全浸渍”是指ePTFE膜的整个多孔微结构完全被聚合物填充，使得所得复合材料在1.0psi下使用层流体积气流(“LVA”)测试测量的平均气流为0.0升/小时/厘米2。用于进行LVA测试的方法在本文的“测试方法”部分中阐述。
在一些实施方式中，ePTFE膜的多孔微结构被刚性增强聚合物浸渍或完全浸渍。如本文所用，“刚性增强聚合物”是具有以下特性的聚合物：当其以足够的量浸渍在ePTFE膜的多孔微结构中时，与用刚性增强聚合物浸渍之前的ePTFE膜的平均刚度相比，复合材料的平均刚度增加至少20％。
在一些实施方式中，聚合物的足够的量(足量)范围为复合材料总重量的40重量％至85重量％。在一些实施方式中，聚合物的足量范围为复合材料总重量的50重量％至85重量％。在一些实施方式中，聚合物的足量范围为复合材料总重量的60重量％至85重量％。在一些实施方式中，聚合物的足量范围为复合材料总重量的70重量％至85重量％。在一些实施方式中，聚合物的足量范围为复合材料总重量的80重量％至85重量％。
在一些实施方式中，聚合物的足量范围为复合材料总重量的40重量％至75重量％。在一些实施方式中，聚合物的足量范围为复合材料总重量的40重量％至65重量％。在一些实施方式中，聚合物的足量范围为复合材料总重量的40重量％至55重量％。在一些实施方式中，聚合物的足量范围为复合材料总重量的40重量％至50重量％。在一些实施方式中，聚合物的足量范围为复合材料总重量的40重量％至45重量％。
在一些实施方式中，聚合物的足量范围为基于复合材料总重量的50重量％至80重量％。在一些实施方式中，聚合物的足量范围为复合材料总重量的50重量％至75重量％。在一些实施方式中，聚合物的足量范围为复合材料总重量的50重量％至70重量％。在一些实施方式中，聚合物的足量范围为复合材料总重量的50重量％至65重量％。在一些实施方式中，聚合物的足量范围为复合材料总重量的50重量％至60重量％。在一些实施方式中，聚合物的足量范围为复合材料总重量的50重量％至55重量％。
在一些实施方式中，聚合物的足量范围为复合材料总重量的55重量％至80重量％。在一些实施方式中，聚合物的足量范围为复合材料总重量的55重量％至75重量％。在一些实施方式中，聚合物的足量范围为复合材料总重量的55重量％至70重量％。在一些实施方式中，聚合物的足量范围为复合材料总重量的55重量％至60重量％。
在一些实施方式中，聚合物的足量范围为复合材料总重量的60重量％至80重量％。在一些实施方式中，聚合物的足量范围为复合材料总重量的60重量％至75重量％。在一些实施方式中，聚合物的足量范围为复合材料总重量的60重量％至70重量％。在一些实施方式中，聚合物的足量范围为复合材料总重量的60重量％至65重量％。
在一些实施方式中，聚合物的足量范围为复合材料总重量的65重量％至70重量％。
在一些实施方式中，聚合物是否为“刚性增强聚合物”通过使用“测试ePTFE膜”和“测试复合材料”来确定。在这样的实施方式中，测试ePTFE膜和测试复合材料具有与本公开的复合材料中使用的ePTFE膜相同的特性。具体地，测试ePTFE膜是具有多孔微结构的ePTFE膜并且测试复合材料是浸渍有本文所述的足够量(基于复合材料的总重量)的聚合物的测试ePTFE膜。“测试ePTFE膜”和“测试复合材料”仅用于确定特定聚合物是否为刚性增强聚合物的目的。如果聚合物在测试ePTFE膜中的足够量的浸渍将测试复合材料的平均刚度增加到比测试ePTFE膜的平均刚度大至少20％的值，则该聚合物是刚性增强聚合物。如果聚合物在测试ePTFE膜中的足够量的浸渍没有将测试复合材料的平均刚度增加到比测试ePTFE膜的平均刚度大至少20％的值，则该聚合物不是刚性增强聚合物。
在一些实施方式中，当刚性增强聚合物以本文定义的足够量浸渍在ePTFE膜中时，与用刚性增强聚合物浸渍之前的ePTFE膜的平均刚度相比，刚性增强聚合物使复合材料的平均刚度增加至少30％。在一些实施方式中，当刚性增强聚合物以本文定义的足够量浸渍在ePTFE膜中时，与用刚性增强聚合物浸渍之前的ePTFE膜的平均刚度相比，刚性增强聚合物使复合材料的平均刚度增加至少40％。在一些实施方式中，当刚性增强聚合物以本文定义的足够量浸渍在ePTFE膜中时，与用刚性增强聚合物浸渍之前的ePTFE膜的平均刚度相比，刚性增强聚合物使复合材料的平均刚度增加至少50％。在一些实施方式中，当刚性增强聚合物以本文定义的足够量浸渍在ePTFE膜中时，与用刚性增强聚合物浸渍之前的ePTFE膜的平均刚度相比，刚性增强聚合物使复合材料的平均刚度增加至少60％。在一些实施方式中，当刚性增强聚合物以本文定义的足够量浸渍在ePTFE膜中时，与用刚性增强聚合物浸渍之前的ePTFE膜的平均刚度相比，刚性增强聚合物使复合材料的平均刚度增加至少70％。在一些实施方式中，当刚性增强聚合物以本文定义的足够量浸渍在ePTFE膜中时，与用刚性增强聚合物浸渍之前的ePTFE膜的平均刚度相比，刚性增强聚合物使复合材料的平均刚度增加至少80％。在一些实施方式中，当刚性增强聚合物以本文定义的足够量浸渍在ePTFE膜中时，与用刚性增强聚合物浸渍之前的ePTFE膜的平均刚度相比，刚性增强聚合物使复合材料的平均刚度增加至少90％。在一些实施方式中，当刚性增强聚合物以本文定义的足够量浸渍在ePTFE膜中时，与用刚性增强聚合物浸渍之前的ePTFE膜的平均刚度相比，刚性增强聚合物使复合材料的平均刚度增加至少100％。
在一些实施方式中，刚性增强聚合物包括以下中的至少一种：四氟乙烯-六氟丙烯-偏二氟乙烯共聚物、聚己内酯、热塑性聚氨酯、热塑性聚酰亚胺、聚砜、聚醚砜、聚苯乙烯、聚偏二氟乙烯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯酸酯、聚芳酯、聚苯并咪唑、聚酰亚胺、环氧树脂、丙烯酸酯或它们的任何组合。
在一些实施方式中，刚性增强聚合物选自下组：四氟乙烯-六氟丙烯-偏二氟乙烯共聚物、聚己内酯、热塑性聚氨酯、热塑性聚酰亚胺、聚砜、聚醚砜、聚苯乙烯、聚偏二氟乙烯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯酸酯、聚芳酯、聚苯并咪唑、聚酰亚胺、环氧树脂、丙烯酸酯和它们的任何组合。
在一些实施方式中，刚性增强聚合物包括以下中的至少一种：四氟乙烯-六氟丙烯-偏二氟乙烯共聚物、聚己内酯、热塑性聚氨酯或它们的任何组合。
在一些实施方式中，刚性增强聚合物选自下组：四氟乙烯-六氟丙烯-偏二氟乙烯共聚物、聚己内酯、热塑性聚氨酯和它们的任何组合。
在一些实施方式中，刚性增强聚合物不包括弹性体。如本文所定义的，弹性体是一种具有以下特性的聚合物：其可以在至少一个方向上相对于初始长度可逆地延伸5％至700％而不发生永久变形。
在一些实施方式中，刚性增强聚合物不包括：苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物、四氟乙烯/全氟甲基乙烯基醚共聚物、硅橡胶、苯乙烯类嵌段共聚物、热塑性共聚酯和热塑性共聚酰胺、聚醚酰亚胺、硅酮、氟硅酮、氟弹性体、全氟弹性体、丁苯橡胶、三元乙丙橡胶(EPDM)、丁腈橡胶、氯丁橡胶或它们的任何组合。
在一些实施方式中，当通过声学响应测量(“ARM”)测试进行测量时，复合材料在1kHz下表现出小于7dB的插入损耗。如本文所用，术语“插入损失”是指由于将本文所述的复合材料放置(“插入”)在扬声器和接收器之间的声学路径(例如，腔或通道)中而导致的声压级损失。用于进行ARM测试的非限制性方法在本文“测试方法”部分中阐述。
在一些实施方式中，复合材料主要是声反应性的。如本文所用，“主要是声反应性”是指复合材料的声阻抗的实部和虚部之间的相位角满足以下关系：/>和/>如本文所用，“声阻抗”是材料对穿过材料的声传播的阻力的量度。声阻抗是具有实部和虚部的复数。“声抗”是通过声阻抗的虚部来度量的。“声阻”对应于声阻抗的实部。声阻抗复数的实部和虚部之间的相位角决定了材料主要是阻性的还是反应性的。
在一些实施方式中，复合材料的厚度为10微米或更小。在一些实施方式中，复合材料的厚度为9微米或更小。在一些实施方式中，复合材料的厚度为8微米或更小。在一些实施方式中，复合材料的厚度为7微米或更小。在一些实施方式中，复合材料的厚度为6微米或更小。在一些实施方式中，复合材料的厚度为5微米或更小。在一些实施方式中，复合材料的厚度为4微米或更小。在一些实施方式中，复合材料的厚度为3微米或更小。在一些实施方式中，复合材料的厚度为2微米或更小。在一些实施方式中，复合材料的厚度为1微米或更小。
在一些实施方式中，复合材料的厚度范围为1至10微米。在一些实施方式中，复合材料的厚度范围为2至10微米。在一些实施方式中，复合材料的厚度范围为3至10微米。在一些实施方式中，复合材料的厚度范围为4至10微米。在一些实施方式中，复合材料的厚度范围为5至10微米。在一些实施方式中，复合材料的厚度范围为6至10微米。在一些实施方式中，复合材料的厚度范围为7至10微米。在一些实施方式中，复合材料的厚度范围为8至10微米。在一些实施方式中，复合材料的厚度范围为9至10微米。
在一些实施方式中，复合材料的厚度范围为1至2微米。在一些实施方式中，复合材料的厚度范围为1至3微米。在一些实施方式中，复合材料的厚度范围为1至4微米。在一些实施方式中，复合材料的厚度范围为1至5微米。在一些实施方式中，复合材料的厚度范围为1至6微米。在一些实施方式中，复合材料的厚度范围为1至7微米。在一些实施方式中，复合材料的厚度范围为1至8微米。在一些实施方式中，复合材料的厚度范围为1至9微米。
在一些实施方式中，复合材料表现出大于120psi的爆裂强度。在一些实施方式中，复合材料表现出大于125psi的爆裂强度。在一些实施方式中，复合材料表现出大于130psi的爆裂强度。在一些实施方式中，复合材料表现出大于135psi的爆裂强度。在一些实施方式中，复合材料表现出大于140psi的爆裂强度。在一些实施方式中，复合材料表现出大于145psi的爆裂强度。在一些实施方式中，复合材料表现出大于150psi的爆裂强度。在一些实施方式中，复合材料表现出大于160psi的爆裂强度。在一些实施方式中，复合材料表现出大于170psi的爆裂强度。在一些实施方式中，复合材料表现出大于180psi的爆裂强度。在一些实施方式中，复合材料表现出大于190psi的爆裂强度。在一些实施方式中，复合材料表现出大于200psi的爆裂强度。
在一些实施方式中，复合材料在10分钟的保持时间后表现出本文所述的爆裂强度。如本文所定义，“保持时间”是复合材料保持在压力下的时间长度。在一些实施方式中，复合材料在9分钟的保持时间后表现出本文所述的爆裂强度。在一些实施方式中，复合材料在8分钟的保持时间后表现出本文所述的爆裂强度。在一些实施方式中，复合材料在7分钟的保持时间后表现出本文所述的爆裂强度。在一些实施方式中，复合材料在6分钟的保持时间后表现出本文所述的爆裂强度。在一些实施方式中，复合材料在5分钟的保持时间后表现出本文所述的爆裂强度。在一些实施方式中，复合材料在4分钟的保持时间后表现出本文所述的爆裂强度。在一些实施方式中，复合材料在3分钟的保持时间后表现出本文所述的爆裂强度。在一些实施方式中，复合材料在2分钟的保持时间后表现出本文所述的爆裂强度。在一些实施方式中，复合材料在1分钟的保持时间后表现出本文所述的爆裂强度。
在一些实施方式中，与用刚性增强聚合物浸渍之前的ePTFE膜相比，复合材料表现出5％至50％的位移减少，其中位移减少使用双轴平面外位移(“BOD”)测试来测量。在一些实施方式中，与用刚性增强聚合物浸渍之前的ePTFE膜相比，复合材料表现出5％至40％的位移减少，其中位移减少使用双轴平面外位移(“BOD”)测试来测量。在一些实施方式中，与用刚性增强聚合物浸渍之前的ePTFE膜相比，复合材料表现出5％至30％的位移减少，其中位移减少使用双轴平面外位移(“BOD”)测试来测量。在一些实施方式中，与用刚性增强聚合物浸渍之前的ePTFE膜相比，复合材料表现出5％至20％的位移减少，其中位移减少使用双轴平面外位移(“BOD”)测试来测量。在一些实施方式中，与用刚性增强聚合物浸渍之前的ePTFE膜相比，复合材料表现出5％至10％的位移减少，其中位移减少使用双轴平面外位移(“BOD”)测试来测量。
在一些实施方式中，与用刚性增强聚合物浸渍之前的ePTFE膜相比，复合材料表现出10％至50％的位移减少，其中位移减少使用双轴平面外位移(“BOD”)测试来测量。在一些实施方式中，与用刚性增强聚合物浸渍之前的ePTFE膜相比，复合材料表现出20％至50％的位移减少，其中位移减少使用双轴平面外位移(“BOD”)测试来测量。在一些实施方式中，与用刚性增强聚合物浸渍之前的ePTFE膜相比，复合材料表现出30％至50％的位移减少，其中位移减少使用双轴平面外位移(“BOD”)测试来测量。在一些实施方式中，与用刚性增强聚合物浸渍之前的ePTFE膜相比，复合材料表现出40％至50％的位移减少，其中位移减少使用双轴平面外位移(“BOD”)测试来测量。
在一些实施方式中，与用刚性增强聚合物浸渍之前的ePTFE膜相比，复合材料表现出10％至40％的位移减少，其中位移减少使用双轴平面外位移(“BOD”)测试来测量。在一些实施方式中，与用刚性增强聚合物浸渍之前的ePTFE膜相比，复合材料表现出20％至30％的位移减少，其中位移减少使用双轴平面外位移(“BOD”)测试来测量。
在一些实施方式中，复合材料被结合到包括声学装置的声学装置组件中。在一些实施方式中，声学装置是扬声器。在一些实施方式中，声学装置是接收器。
在一些实施方式中，声学装置包括声腔和换能器。在一些实施方式中，换能器设置在声腔内。在一些实施方式中，复合材料设置在声腔上方。
在一些实施方式中，声学装置组件包括外壳。在一些实施方式中，在复合材料和外壳之间设置粘合剂层。在一些实施方式中，外壳包括与声学装置的声腔对准的声学通道。在一些实施方式中，声学装置组件包括设置在声学装置上方的声学保护罩。在一些实施方式中，声学保护罩包括复合材料。在一些实施方式中，当通过声学响应测量(“ARM”)测试进行测量时，声学装置组件在1kHz下表现出小于7dB的插入损耗。
图1示出了根据某些实施方式的设置在声学装置102上的声学保护罩110的组件100的示例。如图所示，声学保护罩110包括复合材料112和粘合剂层114，其将声学保护罩固定到诸如扬声器或接收器的声学装置102。图1中描绘的示例性声学装置102还可以包括装置主体106和换能器104，粘合剂层114附接到该装置主体106上。
图2示出了根据某些实施方式的示例性声学装置组件200的侧面示意图，该声学装置组件200采用与声学装置202相结合的声学保护罩212。声学装置202可以是铃、扬声器、麦克风、蜂鸣器、扬声器或任何类似的声学装置。示例性声学装置202包括装置主体206和声腔226内的换能器204。声腔226由位于一侧的声学装置202、位于另一侧的声学保护罩212、和第一粘合层214限定。声腔226也可以与容纳声学装置202的外壳218中的端口220对齐。此外，在一些实施方式中，声学保护罩212可以连接到声学装置202和外壳218，例如通过声学保护罩和外壳之间的第二粘合剂层216来进行连接。第一和第二粘合剂层214、216和声学保护罩212也可以形成分层组件210，其可以是耐水和/或防水的。声学保护罩212还可以被配置为防止水从外部空间224进入外壳218的内部空间222和/或进入声腔226中。
测试方法
层流体积气流(“LVA”)测试：使用ATEQ Premier D紧凑型流量测试仪测量通过本文所述的复合材料的空气层流体积流速。在ATEQ Premier D紧凑型流量测试仪中，一个平板样品(面积为4英寸x4英寸的正方形几何形状)被夹在两个具有1cm2圆形面积孔的钢板之间。设备中的两个O形圈在样品周围形成密封，以消除通过样品横向泄漏的任何气流。一旦密封到位，就使得样品受到通过底部钢板孔的1psi气压的挑战。流量测试仪将测量通过顶部钢板上1cm2孔的通过材料的气流速率(以升/小时为单位)。
声学响应测量(“ARM”)测试：图3是声学响应测量测试装置300的示意图。使用以下方法测量声学罩测试样品的插入损耗。复合材料312包括浸渍有刚性增强聚合物的ePTFE膜，用粘合剂圆盘314对其进行冲切。使用的粘合剂314是0.05mm厚的丙烯酸双面胶带。测试样品的几何形状为圆形，内径为1.6mm，外径为3.3mm。在图3中，所示复合材料312的总直径是3.3mm的外径，其中内径由环形粘合盘中心内的312的圆形区域限定。然后通过粘合剂314将冲切测试样品粘附到测试板344上。板344是1.2mm厚的圆形几何形状的铝板，其具有直径为1mm的孔350。测试样品粘附在孔350的中心上方。板314连接到包含麦克风46的固定装置，该麦克风46可以是微机电系统(“MEMS”)测量麦克风(例如，InvenSense INMP510 MEMS测量麦克风)。在麦克风组件46内，换能器元件352将声音传输/转换为电信号。组件300放置在&/>4232型消声测试箱内，距离消声箱的内部驱动器或扬声器(未显示)6.4cm。扬声器被激发，在100Hz至10kHz的频率范围内产生88dB声压级(SPL)的外部刺激。在以下条件下测量换能器352的声学响应：(a)孔348未被覆盖和(b)孔348被测试样品覆盖。当扬声器被驱动和编程以执行频率扫描时，麦克风在上述频率范围内的换能器响应被记录下来。条件(a)和(b)之间的输出SPL响应差异被定义为声学插入损耗(由于在扬声器和麦克风之间插入复合材料造成的损耗)。
爆裂测试：爆裂测试涉及水通过材料侵入。爆裂强度定义为复合材料机械屈服并随后撕裂的压力。为了测量爆裂强度，将上述ARM测试中的测试样品(1.6mm内径冲切样品)固定到由FR4制成的支架上，该支架包含1.6mm直径的孔。将带有测试样品的支架插入金属固定装置中，所述金属固定支架具有顶板和底板，所述顶板和底板具有2mm直径的孔，并用螺钉将顶板夹紧。金属固定装置连接到装有水的压力容器。压力容器连接到具有可编程功能的控制箱，该控制箱可实现空气的压力爬升和压力控制，直至达到某个最大压力设置(例如，145psi)。控制箱被编程为以每秒0.5psi的爬升速率使输入压力爬升，直到达到最大压力(例如145psi)。如果复合材料在爬升阶段在低于145psi的压力下失效，则将该压力记录为复合材料的爆裂强度。如果在复合材料没有机械故障(爆裂)的情况下达到最大压力，则在最大压力下保持压力最多10分钟。
刚度(Stiffness)：复合材料的粘弹性性质是在由TA仪器公司(TA Instruments)制造的动态机械分析仪(DMA)(型号RSA-G2)上使用小振幅振荡应变(SAOS)测量的。制备矩形复合材料试样，其宽13mm，长40mm。DMA配有薄膜张力夹具，以测量复合材料在张力下的刚度。将夹具预热到测量的目标温度，在这种情况下为25℃，并且在目标温度下也参考零间隙。将制备的试样以约15mm的长度安装在DMA夹具上。使用的SAOS程序是振荡频率扫描(Oscillation Frequency Sweep)。它包括施加一个小幅度的正弦位移并测量相应的正弦力。施加的频率为1Hz。通过将正弦响应中的最大力除以所选频率下正弦输入中的最大位移来计算试样的刚度。
在纵向(“MD”)和横向(“TD”)上测量刚度。MD刚度和TD刚度的平均值导致本文提供的平均刚度值。
厚度：为了精确测定厚度，使用了扫描电子显微镜(SEM)。通过切片技术制备和切割平板样品。然后，在SEM下对材料的横截面(穿过厚度)进行成像以确定厚度。
双轴平面外位移测试(“BOD”测试)：使用单点激光测试装置确定由水压应力引起的复合材料的双轴平面外位移。为了测量复合材料的位移，将复合材料平板插入金属固定装置中，该金属固定装置具有存在2mm孔的底板和存在1.6mm孔的顶板，其中顶板用螺钉夹紧。金属固定装置连接到装有水的压力容器上。压力容器连接到具有可编程功能的控制箱，该控制箱可实现压力爬升和空气压力控制。控制箱被编程为以每秒2.5psi的爬升速率使输入压力爬升，直到达到29psi的最大压力。该目标压力(例如29psi)代表行业标准的20米浸水深度等级。样品在目标压力下保持10分钟的时间。在方案期间，单点激光聚集在材料上方，以评估测试样品的平面外位移。
实施例
比较例1
根据美国专利8,757,395的教导制造膨胀PTFE(ePTFE)膜。ePTFE膜的单位面积质量为2.3克/平方米，厚度为6.92μm，层流体积气流(LVA)为37升/小时/平方厘米。使用本文所述的ARM和BOD测试来测试ePTFE膜的声学性能。在1kHz的频率下，声学插入损耗为2.93dB，并且位移为0.33mm。该ePTFE膜的爆裂强度和平均刚度分别为107.8psi和4500N/m。
实施例1
使用以下程序制备根据本公开的示例性复合材料的连续卷。在此情况中，示例性刚性增强聚合物是氟化三元共聚物。制备3MTMDyneonTM氟塑料颗粒THV 221GZ(TFE-VDF-HFP三元共聚物)在甲乙酮(MEK)中的10重量％溶液。使用间隙开口为0.003英寸(76.2m)的狭缝模，将上述溶液的湿膜浇铸在聚丙烯涂覆的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)衬垫(部件号PMP300CLR6，来自北卡罗莱纳州勒努瓦市的Neptco公司)上并与比较例1中使用的ePTFE膜结合。将湿膜干燥，从而形成复合材料。干燥过程如下：浸渍的ePTFE膜在衬垫上以10英尺/分钟(3米/分钟)的幅速运行通过10英尺(3米)长的对流烘箱。烘箱温度设置为180°F(82.2℃)。
将得到的含有69.7重量％THV221GZ聚合物的复合材料从衬垫上取下，测试其性能并列于下表1中。复合材料的刚度比比较例1(即单独的ePTFE膜)的刚度高56％。复合材料在1kHz频率下的插入损耗为6.29dB，位移比使用的ePTFE膜的位移小25.2％。复合材料的爆裂强度为127.9psi。
实施例2
使用示例性刚性增强聚合物-聚己内酯-的复合材料是使用以下过程制备的。将6重量％的聚己内酯粒料(SKU 440744,密苏里州圣路易斯的西格玛-奥德里奇公司(Sigma-Aldrich,Aldrich,St.Louis,MO))溶解在包含70份MEK和30份二甲基乙酰胺(DMAc)的溶剂混合物中。使用间隙开口为0.003英寸(76.2m)的狭缝模，将上述溶液的湿膜浇铸在衬垫(部件号PMP300CLR6，来自Neptco公司)上并与比较例1中使用的ePTFE膜结合,并且通过使浸渍的ePTFE膜在衬垫上以10英尺/分钟(3米/分钟)的幅速运行通过10英尺(3米)长的对流烘箱来干燥，烘箱温度设定在350°F(176.7℃)。将得到的含有69.9重量％聚己内酯的复合材料从衬垫上取下，测试其性能并列于下表1中。复合材料的刚度比单独的ePTFE膜(即比较例1的ePTFE膜)的刚度高67％，在1kHz频率下插入损耗为5.49dB，位移比比较例1的ePTFE膜的位移低25.5％。复合材料在本实施例中使用的测试装置的最大可测试压力下没有发生爆裂。测试装置的最大可测试压力为145.0psi，表明本实施例的复合材料的爆裂强度大于145.0psi。在达到设备的最大压力后，将复合材料保持在145.0psi的最大压力下，直到复合材料在不到一分钟的持续时间内爆裂。
实施例3
使用以下过程用热塑性聚氨酯形式的示例性刚性增强聚合物制备根据本公开的示例性复合材料。首先，将5重量％的具有75肖氏D硬度的热塑性聚氨酯粒料(PellethaneTM2363-75D，来自俄亥俄州布雷克斯维尔的路博润高级材料有限公司(Lubrizol AdvancedMaterials,Incorporated,Brecksville,OH))溶解在包含70份MEK和30份二甲基乙酰胺(DMAc)的溶剂混合物中以形成溶液。使用间隙开口为0.003英寸(76.2m)的狭缝模，将上述溶液的湿膜浇铸在衬垫(部件号PMP300CLR6，来自Neptco公司)上并与比较例1中使用的ePTFE膜结合,并且通过使浸渍的ePTFE膜在衬垫上以10英尺/分钟(3米/分钟)的幅速运行通过10英尺(3米)长的对流烘箱来干燥，烘箱温度设定在350°F(176.7℃)。将得到的含有68.1重量％聚氨酯的示例性复合材料从衬垫上取下，并测试其列于表1中的性能。复合材料的刚度比单独的ePTFE膜的刚度高211％，复合材料在1kHz频率下的插入损耗为6.3dB，并且位移比ePTFE膜的位移低27.6％。复合材料在本实施例中使用的测试装置的最大可测试压力下没有发生瞬时爆裂。测试装置的最大可测试压力为145.0psi，表明本实施例的复合材料的瞬时爆裂强度大于145.0psi。在达到设备的最大压力后，将复合材料保持在145.0psi的最大压力下，直到复合材料在一分钟的持续时间内爆裂。
实施例4
通过以下过程使用比实施例3的更软等级的热塑性聚氨酯(即，具有较低的肖氏硬度)制备根据本公开的复合材料。首先，制备55肖氏D硬度热塑性聚氨酯粒料(TecothaneTMTT-1055D，来自俄亥俄州布雷克斯维尔的路博润高级材料有限公司(Lubrizol AdvancedMaterials Incorporated,Brecksville,OH))在四氢呋喃(THF)中的3.5重量％溶液。使用间隙开口为0.003英寸(76.2m)的狭缝模，将上述溶液的湿膜浇铸在衬垫(部件号PMP300CLR6，来自Neptco公司)上并与比较例1中使用的ePTFE膜结合,并且通过使浸渍的ePTFE膜在衬垫上以10英尺/分钟(3米/分钟)的幅速运行通过10英尺(3米)长的对流烘箱来干燥，烘箱温度设定在350°F(176.7℃)。将得到的含有约69.1重量％聚氨酯的复合材料从衬垫上取下，测试其性能并列于表1中。复合材料的刚度比使用的ePTFE膜的刚度高31％，复合材料在1kHz频率下的插入损耗为6.13dB，并且位移比ePTFE膜的位移低7.0％。复合材料的爆裂强度为138.6psi。
比较例2
依据美国专利第10,110,981号的教导，按照如下方式制备包括非刚性增强聚合物的复合材料。使用6重量％的非刚性增强聚合物KratonTM D1124的溶液(来自休斯顿的科腾聚合物美国有限责任公司(Kraton Polymers,U.S LLC,Houston))溶解在甲苯中的溶液。使用间隙开口为0.003英寸(76.2m)的狭缝模，将上述溶液的湿膜浇铸在硅化PET衬垫(部件C25 UVF28/F33，来自马萨诸塞州温彻斯特的MPI发布有限责任公司(MPI Release LLC,Winchester,MA))上并与比较例1中使用的ePTFE膜结合,并且通过使浸渍的ePTFE膜在衬垫上以10英尺/分钟(3米/分钟)的幅速运行通过10英尺(3米)长的对流烘箱来干燥，烘箱温度设定在220°F(104.4℃)。将含有63.5重量％科腾(Kraton)聚合物的复合材料从衬垫上取下，测试其性能并列于表1中。复合材料的刚度比使用的ePTFE膜的刚度高8％，复合材料在1kHz频率下的插入损耗为3.51dB，并且位移比比较例1的ePTFE膜的位移低9.7％。复合材料的爆裂强度为133.0psi。
表1-3：
本文所述实施例的结果绘制在图4和5中，并显示在上面的表1-3中。如本文所述，平均刚度是MD刚度和TD刚度的平均值。
如图4所示，声学插入损耗与本发明的不透气复合膜的刚度之间存在直接关系。随着刚度的增加，声学插入损耗也会增加。由于复合膜刚度是复合材料厚度和刚性增强聚合物弹性模量两者的函数，因此平衡这两个特性以确保插入损耗保持在所需的低于7dB水平非常重要。
如图5所示，本发明的不透气复合膜的复合材料位移和复合材料刚度之间可以存在反比关系。随着刚度的增加，位移减小。在某些方面中，可能需要平衡位移与声学损耗要求，以确定适当的复合材料刚度范围。
上面描述的本公开的优选实施方式的变化，修改和变更对于本领域技术人员将是显而易见的。所有这些变化，修改，变更等均旨在落入仅由所附权利要求书限制的本公开的精神和范围内。
尽管已经描述了本公开的几个实施方式，但是应当理解，这些实施方式仅是说明性的，而不是限制性的，并且许多修改对于本领域普通技术人员而言将变得显而易见。例如，本文所讨论的所有尺寸仅作为示例提供，并且意图是说明性的而非限制性的。
可以设想，在本说明书中明确标识的任何特征或元件也可以被具体排除为如权利要求中所限定的本发明的实施方式的特征或元件。
在本文中描述的内容可以在本文中未具体揭示的任何一种或多种元素、一种或多种限制不存在的情况下实施。因此，例如，在本文的各个例子中，术语“包含”、“基本由……组成”和“由……组成”中的任何一个术语都可用其它两个术语中的任一个代替。已经使用的术语和表达用作说明而非限制性的术语，此类术语和表达的使用并不排除对所显示和所描述的特征或其部分的任何等价物，但应意识到可在本公开的范围内进行各种改良。

Claims (16)

1.一种复合材料，其包含：
具有多孔微结构的膨胀聚四氟乙烯(ePTFE)膜；
其中，ePTFE膜的多孔微结构完全浸渍有刚性增强聚合物，使得根据层流体积气流(“LVA”)测试在1.0psi测量的复合材料的平均气流为0.0升/小时/厘米2；
其中，刚性增强聚合物是具有以下特性的聚合物，当填充ePTFE膜的多孔微结构，并且其用量为基于复合材料总重量的40重量％至85重量％时，其使得复合材料的平均刚度相比于用刚性增强聚合物浸渍之前的ePTFE膜的平均刚度提高了至少20％；以及
其中，当通过声学响应测量(“ARM”)测试进行测量时，复合材料在1kHz下表现出小于7dB的插入损耗。
2.如权利要求1所述的复合材料，其中，所述复合材料的厚度为10微米或更小。
3. 如权利要求1或2所述的复合材料，其中，所述复合材料表现出大于125 psi的爆裂强度。
4. 如权利要求1或2所述的复合材料，其中，所述刚性增强聚合物包括以下中的至少一种： 四氟乙烯-六氟丙烯-偏二氟乙烯共聚物、聚己内酯、热塑性聚酰亚胺、热塑性聚氨酯、聚砜、聚醚砜、聚苯乙烯、聚偏二氟乙烯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚芳酯、聚苯并咪唑、聚酰亚胺、环氧树脂、丙烯酸酯或它们的任何组合。
5.如权利要求1或2所述的复合材料，其中，所述刚性增强聚合物包括以下中的至少一种：四氟乙烯-六氟丙烯-偏二氟乙烯共聚物、聚己内酯、热塑性聚氨酯或它们的任何组合。
6.如权利要求1或2所述的复合材料，其中，所述刚性增强聚合物不包括：苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物、四氟乙烯/全氟甲基乙烯基醚共聚物、硅橡胶、苯乙烯类嵌段共聚物、热塑性共聚酯和热塑性共聚酰胺、聚醚酰亚胺，硅酮、氟硅酮、氟弹性体、全氟弹性体、丁苯橡胶、三元乙丙橡胶(EPDM)、丁腈橡胶、氯丁橡胶或它们的任何组合。
7. 如权利要求1或2所述的复合材料，其中，复合材料主要是声反应性的，使得声阻抗的实部和虚部之间的相位角(“φ”)满足以下关系：
(I) 45° < φ ≤ 90°；和
(II) -90° ≤ φ < -45°。
8.如权利要求1或2所述的复合材料，其中，与用刚性增强聚合物浸渍之前的ePTFE膜相比，复合材料表现出5%至50%的位移减少，其中所述位移减少使用双轴平面外位移(“BOD”)测试来测量。
9. 一种声学装置组件，其包括：
声学装置；和
复合材料；
其中，所述复合材料包含：
具有多孔微结构的膨胀聚四氟乙烯(ePTFE)膜；
其中，ePTFE膜的多孔微结构完全浸渍有刚性增强聚合物，使得根据层流体积气流(“LVA”)测试在1.0psi测量的复合材料的平均气流为0.0升/小时/厘米2；
其中刚性增强聚合物是具有以下特性的聚合物，当浸渍到ePTFE膜的多孔微结构中，并且其用量为基于复合材料总重量的40重量％至85重量％时，其使得复合材料的平均刚度相比于用刚性增强聚合物浸渍之前的ePTFE膜的平均刚度提高了至少20％；以及
其中，当通过声学响应测量(“ARM”)测试进行测量时，声学装置组件在1 kHz表现出小于7dB的插入损耗。
10.如权利要求9所述的声学装置组件，其中，所述声学装置是扬声器。
11.如权利要求9所述的声学装置组件，其中，所述声学装置是接收器。
12.如权利要求10或11所述的声学装置组件，其中，所述声学装置包括声腔和换能器。
13.如权利要求12所述的声学装置组件，其中，所述换能器设置在声腔内。
14.如权利要求12所述的声学装置组件，其中，所述复合材料设置在声腔上方。
15.如权利要求12所述的声学装置组件，其还包括外壳，其中，所述外壳包括与声学装置的声腔对准的声学通道。
16.如权利要求15所述的声学装置组件，其还包括在复合材料和外壳之间的粘合剂层。
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