多孔金屬吸聲材料制備及吸聲性能研究

摘要：采用吸聲材料是治理噪聲污染的重要方法之一。本文闡述了金屬吸聲材料在實際使用中的地位和意義。重點介紹了鋁纖維吸聲材料和泡沫金屬鋁吸聲材料的制備工藝、吸聲特性，并提出了多孔吸聲材料的研究發展方向和趨勢。

關鍵詞：吸聲材料 金屬纖維 泡沫金屬

0 引言

噪聲污染已成為當代環境治理過程中倍受關注的焦點問題，同大氣污染和水污染被列為全球三大污染。隨著世界經濟的快速增長，使得各地得以迅速發展，在給人們提供了良好的生活環境的同時，噪聲也對人類造成了巨大的傷害。長時間處于高分貝噪音環境中，會使人們的身心健康受到嚴重傷害。治理噪聲污染已成為當代急需解決的重要課題。

治理噪聲污染的主要措施是控制噪聲源和采用吸聲材料。目前大多數是使用吸聲材料進行吸聲減噪處理。一般情況下吸聲系數大于0.2的被稱為吸聲材料，按照吸聲機理可以分為多孔吸聲材料和共振吸聲材料，多孔吸聲材料具有高頻吸聲系數大和比重小等特點，但是在低頻時吸聲系數低；共振吸聲材料的低頻吸聲系數高但加工性能較差[1]。眾所周知，目前工程上普遍應用的材料大多為多孔材料，例如礦渣棉、玻璃棉、珍珠巖類這些材料，多孔金屬材料相對應用比較少，，但相比多孔非金屬材料，具有剛性好、耐熱、吸聲性能穩定等性能能，使得其越來越受到人們的關注，常見的多孔金屬材料有金屬纖維和泡沫金屬等。

1 金屬纖維吸聲材料概述

金屬纖維材料是一種新型的高效吸聲材料，不僅可以在高溫高聲強條件下作為減振降噪材料，在腐蝕惡劣的氧化環境下，吸聲性能也比較好。常見的金屬纖維材料主要有鋁纖維，鋼鐵纖維。

1.1金屬纖維的制造方法

制作金屬纖維的方法有許多，大體上分為切削法，熔抽法和拉拔法[2]。

切削法是以固態金屬為原料，用刀具切削成纖維屑，該方法生產周期短，成本低但難以得到截面光滑的長纖維。

熔抽法的基本原理是將金屬加熱到熔融狀態，在液態金屬的底部安裝一個可調節流體速度的小孔，給液面施加壓力強迫金屬液迅速噴出，然后采用化學活性激冷劑或磁場來穩定液流，促進其凝固成金屬纖維。

拉拔法可以分為單線拉拔和集束拉拔。單線拉拔出來的產品表面光滑，尺寸精確，適用于某些特定領域；用集束拉拔可以降低產品生產成本，但因其表面質量和拉拔直徑難以得到控制。熔抽法和切削法制得的纖維在市場上應用比較廣泛。

1.2金屬纖維的吸聲特性

金屬纖維是一種吸聲性能優良的吸聲材料，尤其在中高頻時性能更佳。對于高溫水氣等惡劣條件下，吸收以中高頻為主的噪聲時吸聲效果較為理想。其中應用最為廣泛的是鋁纖維，這是因為鋁纖維材料密度小，用量小，耐蝕性強，易操作，和其他金屬纖維相比優勢明顯，可以作為吸聲減噪較好的材料。鋁纖維在應用過程中，制成鋁纖維吸聲板。鋁纖維板背后的空腔深度對吸聲效果影響很大，當沒有空腔即與壁面貼實時，鋁板的吸聲系數小于0.2，幾乎不起吸聲效果。隨著空腔厚度的增加，鋁板共振吸聲峰頻率向低頻移動，其低頻吸聲性能顯著提高[3]。當空腔保持一定時，不同面密度的鋁板在低頻段的吸聲效果比較相近，低頻時沒有吸聲作用，隨著面密度的增加，鋁纖維板的吸聲效果越來越好。正是其擁有一系列優異性能，使得該材料成為當今時代一個重要研究的領域。

2 泡沫金屬材料概述

泡沫金屬指含有泡沫氣孔的特種金屬材料，是隨著人類科技逐步發展起來的新型復合材料，擁有密度小、隔熱性能好、隔音性能好及能夠吸收電磁波等一系列優點[4]，目前泡沫金屬研究已經涉及到的金屬有Al、Ni、Cu、Mg等，其中研究最多的是泡沫鋁及其合金[5]。

2.1泡沫金屬的制備方法

伴隨著泡沫金屬的研究，目前的制備方法可以分為直接法和間接法兩種。所謂直接法，就是利用發泡劑直接在熔融金屬中發泡。間接法是以高分子發泡材料為基材，采用沉積法或噴濺法使之金屬化，然后加熱脫出基材并燒結[4]。

工業生產應用最廣泛的通過滲流鑄造法來生產泡沫鋁，這種方法一般制備鋁、鎂、鉛等金屬，該方法采用無機或有機顆粒作為填料粒子，將填料粒子放在金屬模具內，在一定壓力下壓制成坯塊。然后進行預熱，通過上壓、負壓等方法，使金屬液完全滲入填料粒子間隙內，冷卻好后把填料粒子剔除遍可得到泡沫金屬[6]。

2.2泡沫金屬的吸聲特性

泡沫金屬是由連續的呈三維網狀結構的金屬骨架與相互連續貫通、分布均勻的微孔所組成，在每個孔的周圍均勻分布著一定數目的微孔，這種結構能夠讓聲能一旦透入材料內部，尤似進入迷宮，經過幾次折射后將能量耗完，所以它有較大的吸聲系數。

以泡沫鋁為例，王芳，王錄才[7]等人測得不同孔隙率的泡沫鋁吸聲性能不同，孔隙率大的泡沫鋁吸聲性能明顯好于孔隙率小的泡沫鋁。程桂萍，陳宏燈[8]等人研究發現，隨著孔隙率的不斷增加，泡沫鋁的吸聲系數先增加后減小，當孔隙率達到75%時吸聲系數最大。王斌，何德坪[9]等人將泡沫Al-7Si-0.45Mg壓縮加工后測其吸聲系數，其吸聲系數明顯提高。陸曉軍，黃曉峰[10]等人對不同孔徑大小的泡沫鋁板的吸聲吸能進行了分析，在500Hz以上時吸聲系數隨著孔徑的減小而增大。并且將不同孔徑大小的泡沫鋁板組合后，吸聲系數提高。隨著氣孔均勻分布、孔徑縮小、孔隙率提高，泡沫鋁在各頻段的吸聲系數均有明顯提高。如今泡沫鋁已經成功應用于火車發動機房、聲頻室、施工現場等領域，并取得了非常好的效果[5]。

3 未來研究展望

隨著人們對噪聲污染的關注和重視程度的增加，多孔吸聲材料已廣泛用于吸聲降噪領域。各類吸聲材料，各具特色和使用價值，多孔材料在高頻時有比較好的吸聲效果，但在中低頻時吸聲效果不佳。未來吸聲材料發展的趨勢應是如何采用新方法、新材料、新工藝來最大程度的實現吸聲材料吸聲性能的提高，并且根據不同的場合需求設計出適合的吸聲材料。

參考文獻：

[1] 馬大猷.噪聲與振動控制工程手冊[M]. 北京：機械工業出版社，2002：395.

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[3] 馬建敏，催喆等.金屬纖維材料吸聲特性的試驗研究[J]. 機械科學與技術，2000，19（3）：449.

[4] 陳祥，李言祥.金屬泡沫材料研究進展[J]. 材料導報，2003，17（5）：5.

[5] 齊共金，楊盛良，趙恂，.泡沫吸聲材料的研究進展[J]. 材料開發與應用，2002，17（5）：40-41.

[6] 蔡振武，張振等.通孔泡沫鋁的制備方法和性能[J]. 上海金屬，2013，35（5）：53-54.

[7]王芳，王錄才等.泡沫金屬的研究與發展[J].鑄造設備研究，2000，（3）：48-51.

[8] 程桂萍，陳宏燈等.多孔鋁的聲學性能[J]. 東南大學學報，1998，29（6）：172.

[9] 王斌，何德坪等. 泡沫鋁合金的壓縮性能、流通能力及聲學性能[J]. 東南大學學報，1998，28（4）：136.

[10]陸曉軍，黃曉峰等.泡沫鋁板組合與配置對吸聲特性的影響[J].吉林工業大學自然科學學報，1999，29（96）：48-51.

作者簡介：

張磊 （1995.12--） 性別，男，陜西西安人，本科在讀.endprint