復合材料吸聲性能研究

張新亮

（重慶工業職業技術學院 機械工程學院，重慶 401120）

復合材料吸聲性能研究

張新亮

（重慶工業職業技術學院 機械工程學院，重慶 401120）

以聚氨酯為主原料，摻玻璃纖維，在發泡劑的作用下，制出一種新型多孔吸聲材料，采用駐波管法測試材料的吸聲系數。研究結果表明，纖維、發泡劑及厚度對材料吸聲性能有顯著影響。

聚氨酯；纖維；吸聲系數；降噪；發泡劑

降低噪的途徑有吸聲、隔聲、阻尼減振，阻尼減振高分子材料在降噪材料中占有很大的比例。我國采用的吸聲材料以超細玻璃棉為主，它吸聲系數大、密度小，但強度低、易斷裂、易飛揚吸塵，應用受到限制。聚氨酯作為一種資源豐富、生產能耗低的塑料，質量輕、吸聲隔熱好、尺寸穩定性好、易加工。文章用發泡劑對摻有玻璃纖維的高強聚氨酯進行發泡處理，探索提高吸聲材料中低頻吸聲系數和強度的途徑。

1 試驗部分

（1）原料與材料制備。聚氨酯（PUR）顆粒、1，4- 二氧六環、玻璃纖維、發泡劑、檸檬酸、泡沫穩定劑、硅酸鹽水泥。第一步：取100g聚氨酯顆粒，按照一定的配方稱取水泥、檸檬酸和泡沫穩定劑，質量分別為8.41g，0.07g和0.13g。將上述材料加入到500ml單頸燒瓶中，加入300m l1，4-二氧六環，機械攪拌將各組分混合均勻；第二步：稱取發泡劑0.4g，加入20ml水攪拌，待泡沫豐富，緩慢加入3g玻璃纖維，待玻璃纖維分散均勻后，倒入聚氨酯混合物，攪拌得到泡沫漿體；第三步：將穩定的泡沫漿體澆注成型，風干法除去溶劑和水；第四步：對澆注物進行脫模。

（2）測試。在抗壓、抗折強度試驗機上測量材料在7天齡期下的強度。材料吸聲系數按GT3F-88-85所規定方法測定，使用AWA6122A型智能電聲測試儀。測125、250、500、1000、2000和4000Hz 6個中心頻率下的吸聲系數。測量頻率在1800Hz以下時用L駐波管，否則用S駐波管，所以同一種試樣均制成兩尺寸。測聲壓極大值和極小值的差P，根據：a=(4×10p/20)/[1+10p/20]2計算出材料在給定頻率下的垂直吸聲系數，并根據國標GT33947-83算出材料降噪系數。即中心頻率250、500、1000、2000和4000Hz時的平均吸聲系數。

2 結果與討論

（1）發泡劑對材料吸聲性能和強度的影響。發泡劑所產生氣泡液膜表面帶有相同電荷，對聚氨酯產生一定的分散作用，所以它是制備多孔吸聲材料的重要組分。一般發泡劑含量越高，吸聲系數越高，但用量達到某個極限后，吸聲性能不再提高。發泡劑含量分別為0.3%、0.4%、0.5%時，材料在6個頻率時的平均吸聲系數分別為0.51、0.59、0.54。

表1 發泡劑含量在不同頻率下的吸聲系數

通過表1可見，發泡劑含量為0.4%時材料吸聲性能要稍優于含量為0.3%、0.5%時吸聲性能，中低頻吸聲性能較好，降噪系數達0.6。因此，適量發泡劑對材料中低頻吸聲性能的改善效果較好。發泡劑用量太少，氣孔不能充分生長，空隙率降低。用過多，放氣量也大，引起大量氣泡，很容易發生并泡現象使氣孔過大，聲波波長與孔尺寸相差太大時，固體孔壁與孔內空氣摩擦減少，孔內產生反射或散射也大大減少，也不容易引起孔壁振動，從而被吸收的聲能就減少。

材料強度隨發泡劑含量增加而降低。當含量小于0.4%時強度較高，抗壓和抗折強度都在1MPa以上；當含量達0.5%時，抗壓強度和抗折強度下降明顯，分別為0.5MPa和0.43MPa，己不能滿足石膏基吸聲材料力學性能要求。發泡劑用量過多，放氣量越大，它的分散作用越強，導致強度降低。因此在制備石膏基吸聲材料時，發泡劑用量不宜過多，一般用量不大于0.4%。

（2）玻璃纖維對材料吸聲性能和強度的影響。通過實驗得出表2所示數據：

表2 玻璃纖維含量在不同頻率下的吸聲系數

玻璃纖維含量分別為2%、3%、4%時，材料在6個頻率下的平均吸聲系數分別為0.27、0.45、0.52。因此，玻璃纖維含量為3%時材料的吸聲性能稍優于含量為2%、4%時的，中低頻吸聲性能較佳，降噪系數達0.6。纖維用量過少，氣孔數量不夠，空隙率過低，吸聲效果欠佳；纖維用量過多容易使氣孔過大，大氣孔不利吸聲，吸聲性能下降。

抗壓強度隨纖維含量增大而降低，但降幅度不大。抗折強度隨纖維含量增加先增加，當含量為3%時，強度達到最大，為1.07MPa，隨后開始下降。玻璃纖維機械、彈性模量和抗拉強度都高，適量玻璃纖維能提高復合材料的抗折強度。若含量過多，則空隙率過分散不均勻，強度會顯著下降，3%時材料綜合性能最佳。

（3）厚度對材料吸聲性能的影響。厚度能顯著地影響吸聲材料的吸聲性能和頻率范圍，材料厚度分別為5cm、7.5cm和l0cm時，它們在1000Hz以上中高頻吸聲系數相差不大。厚度為5cm時，在三種低頻下材料的吸聲系數分別為0.3、0.48、0.51，吸聲系數較低。當厚度10cm時，三種低頻下材料的吸聲系數分別為0.42、0.58、0.6，低頻吸聲系數明顯增大。因此，增加厚度可提高材料的低頻吸聲系數。

（4）氨酯多孔復合材料的吸聲機理。在發泡劑作用下，聚氨酯內部形成許多微孔，加入玻璃纖維后，使材料內形成大量連通氣孔。當聲波入射到材料表面后，一部分聲波被反射，另一部分聲波透射到材料內部。進入的這部分聲波，引起材料內空氣振動。聲波振動帶動相鄰質點振動，進而傳遞，這樣聲波在石膏基多孔復合材料內傳播下去。聲波在材料內部傳播過程中，脅迫氣孔中空氣運動，與固體孔壁產生摩擦，由于空氣運動的粘滯性和熱傳導效應，使聲能轉換為熱能而被消耗掉。此外聲波在多孔性吸聲材料內經過多次反射或散射進一步衰減，當材料內聲波再返回時，聲波能量己經衰減很多，只剩小部分能量，大部分被材料吸收損耗掉。

3 結語

發泡劑和玻璃纖維比在一定的范圍內能顯著提高材料的吸聲性能。當發泡劑含量為0.4%、玻璃纖維含量為3%，材料的吸聲性能最佳。強度隨發泡劑含量增加而降低，當含量不超過0.4%時，抗壓強度和抗折強度較高，當含量達到0.5%時，強度下降明顯。玻璃纖維含量增加，試樣的抗折強度先增加后下降，而抗壓強度變化不大，當含量為3%時，抗折強度達最大。增加厚度可以提高材料的中低頻吸聲系數，對高頻吸聲系數影響不大。

[1]楊雪，王源升.非平面界面的多層高分子復合材料吸聲性能[J].復合材料學報，2006，23（4）.

[2]李海濤，朱錫.多孔性吸聲材料的研究進展[J].材料科學與工程學報，2004，22（6）：934-938

[3]周曦亞，凡波.吸聲材料研究的進展[J].中國陶瓷，2004，（5）：26-29.

張新亮（1981-），男，重慶人，碩士，講師，主要研究方向：智能制造技術、數控技術與數控系統、PLC應用、金屬熱處理、材料成型技術。