填料對水聲吸聲材料性能影響的研究進展

王清鑫，李 瑜*，孫昭宜,2，王國榮,2，潘 巍

(1.海軍工程大學 基礎部，湖北 武漢 430033；2.海軍工程大學 艦船與海洋學院，湖北 武漢 430033)

在水環境和水下設備中使用的聲學材料稱為水聲材料，在軍事領域中，具有吸聲性能的水聲材料的應用對提升水下目標的隱身性能具有重要意義[1]。水聲材料種類很多，通常有橡膠、塑料、木材、陶瓷和黏滯液體等。高分子復合材料通常具有較好的黏彈性和較高的機械強度，且其特征阻抗值與海水相近，易于加工成型，耐腐蝕，是水聲材料的重要組成部分[2-3]。水聲吸聲材料主要以橡膠等高分子材料為基體，但純的基體材料在復雜海洋環境下往往難以滿足吸聲要求，通常輔以各種有機或者無機填料，并配合特定的聲學空腔結構，以進一步滿足特定應用條件下的吸聲要求[4]。

1 水聲吸聲材料的吸聲機理

聲波傳播至物體表面時，一部分會被反射回去，而另一部分則會進入物體內部，吸聲材料就是要減少反射的聲波并將入射的聲能損耗掉[5]。材料的吸聲性能主要用吸聲系數表示，即被材料吸收的聲能與入射聲能的比值。通常，吸聲系數大于0.2的材料稱為吸聲材料，吸聲系數大于0.56的材料稱為高效吸聲材料[6]。聲波傳播的本質是能量在介質中的傳播，吸聲的本質是聲能的轉換及耗散，吸聲機理主要有以下三種[7]：

黏滯吸收。聲波在物體內部傳播時，質點的運動狀態由于受到聲波的影響會產生速度梯度，相鄰質點產生相互作用，使聲能轉化為熱能。

熱傳導吸收。聲波在介質中傳播時引起介質內產生不均勻形變，產生膨脹區和壓縮區，導致介質之間存在溫度梯度，從而使相鄰介質間產生熱交換。隨著機械能的耗損，聲能逐漸地轉化成熱能。

分子馳豫吸收。聲波在介質中傳播時，介質內分子動能增大，分子間相互碰撞以及分子振動增強。由于介質中質點振動和聲波傳播周期并非同步進行，兩者相位相差數個周期，造成聲能在介質中的損耗。

2 填料對水聲吸聲材料性能的影響

填料指添加到聚合物中以降低復合物成本或者改善加工特性以及改進產品性能的材料。填料的種類、結構、粒徑、表面特性、分布狀態都很大程度決定著復合材料的整體性能。因此，根據材料的用途可以選擇不同的填料以及對填料進行改性處理來改善復合材料的性能。國內外有關學者進行過深入的研究，經過廣泛篩選與多方面綜合考量，找到了一些對水下吸聲材料吸聲性能提升較大的填料，按結構主要分為片狀結構、顆粒結構和空心結構三類。

2.1 片狀結構填料

常見的片狀結構填料有石墨烯、云母粉、蛭石粉、滑石粉等，其原理是利用其特有的層狀結構，通過填料與基體和填料片與填料片之間的黏性摩擦，使聲能轉換為熱能而進一步耗散[8-10]。

文慶珍等[11]通過實驗研究提出聚氨酯彈性體中加入片狀填料可提高隔聲性能。王清華等[12]以硅橡膠為基體、石墨為填料制備水下吸聲涂層，證明片狀填料可極大影響材料的吸聲性能，平均吸聲系數隨著填料用量的增大而提高。袁建安等[13]向含有聚苯乙烯泡沫的聚氨酯基體中分別添加云母粉和滑石粉，對比兩種片狀結構的填料對聚氨酯吸聲性能的影響。在添加量同為25份的條件下，添加云母粉的材料在2～25 kHz下的吸聲系數穩定在0.99，低頻略有下降，但仍有0.97。喬冬平等[14]研究了蛭石粉對橡膠吸聲性能的影響，得出結論，粒度為350 μm目的蛭石粉效果最好，在相同的材料和聲學結構下，吸聲系數隨蛭石粉添加量增加而增大，但用量超過40份時在基體中的分散效果會受影響，吸聲效果和力學性能均下降，綜合來看，最合適添加量為30～40份。

羅忠等[15]研究水下聲隱身夾芯結構的吸聲芯材，分別向吸聲芯材中加入粒徑不同的云母，結果使低頻下的反射系數增大，且10 kHz以上頻段的吸聲系數均在0.6以上。原因是填料顆粒均勻分布在復合材料內部，使聲波散射，增加了傳播路徑，并且填料粒子的振動會破壞分子鏈間的非鍵作用力，使內摩擦增加。

根據陳瑤的描述[16]，片狀結構填料可以充當約束層，在聚合物中形成大量微小的阻尼結構，進入片層間的基體材料在受力時發生強制剪切，進而實現波形轉換并提升內損耗能力，達到阻尼吸聲的目的。其內部微小阻尼結構如圖1所示。

圖1 復合材料中絹云母粉與高分子相對位置示意圖

2.2 顆粒結構填料

顆粒結構型填料種類繁多，在水聲材料中也有廣泛應用，如金屬氧化物顆粒、大孔樹脂顆粒、稀土類填料等，顆粒結構填料的吸聲機理復雜多樣，隨填料的種類不同而改變[17-20]。

郭創奇[21]制備了聚氨酯/納米ZnO復合材料，研究得出，納米氧化鋅的粒徑大小、添加量、在聚氨酯基體中的分布狀態均對吸聲性能有影響。納米氧化鋅與聚氨酯基體間會產生界面摩擦，并增加材料的自由體積，達到吸聲目的，且其表面有吸附物質，帶有缺陷態及懸鍵，與聚氨酯基體生成牢固界面，受到力的作用時，部分電子躍遷到激發態，而后又以電磁波的形勢釋放能量返回能態，從而增加聲能的損耗[22]。林新志等[23]等將粒徑在500～700 μm間的金屬微球作為功能填充劑加入到丁基橡膠中，實驗得出，大量的金屬粒子分布在橡膠基體中，會使散射功率增加，導致穿透微球群的聲能密度減小。但由于微球的散射功率與波長成正比，導致復合材料在高頻段的性能優異，低頻段效果一般。

孫衛紅等[24-26]通過仿真模擬與實驗測試相結合，系統研究了幾種大孔樹脂顆粒對聚氨酯-環氧樹脂彈性體復合材料水聲吸聲性能的影響，結果表明，加入大孔樹脂能顯著改善聚氨酯-環氧樹脂基體的水聲吸聲性能。在添加量相同時，采用三層濃度梯度分布的復合材料的吸聲性能要優于單層均勻分布，且大孔樹脂的孔結構、孔隙率、規整度均對復合材料的吸聲性能有影響。

郭長明[27]將滑石粉作為填料添加到丁腈橡膠中，滑石粉的密度較大，會使復合材料整體的密度變大并改變特性聲阻抗，提高3～8 kHz頻段下的平均吸聲系數，滑石粉添加量為10份時綜合性能最佳，在阻尼吸聲性能有顯著提高的同時又兼具有一定的力學性能。且又通過后續實驗發現該方法適用于多種橡膠基體，如天然橡膠、丁苯橡膠及加入受阻酚的小分子雜化復合材料，該方法可作為改善聲學性能和阻尼性能一種潛在方法。

2.3 空心結構填料

將高分子材料發泡或引入空腔會提高其吸聲效果，當聲波傳導至材料內部時，引起材料內空腔中的空氣運動，由于空氣的黏滯性以及孔壁與空氣間的熱傳導作用，使得聲能衰減[28]。當聲波入射時，氣泡可將其周圍的黏彈材料的壓縮形變轉變為剪切形變，增加材料中聲能的內耗。含有空氣空腔的水聲材料在常壓下吸聲性能表現優異，但在高壓下有致命缺陷。高分子材料普遍可壓縮性較好，高壓作用在材料表面時，材料內部的空腔產生壓縮形變甚至閉合，內部空氣運動受阻；同時，由于自由體積減少，高分子鏈段的運動會受到束縛，嚴重影響吸聲性能。因此，為克服空腔類吸聲材料在高壓下的弊端，常采用具有空心結構或多孔性結構的剛性物質作為填料，也是目前研究最多、應用最廣的一類填料。常見的有空心玻璃微珠、空心多棱體玻璃微球，以及含有大量微小孔腔的沸石粉和多孔性陶瓷顆粒等。

王坤[29]為增強制備吸聲性能好、密度低的吸聲材料，向三元乙丙橡膠橡膠中加入沸石粉，制備多孔性的吸聲復合材料。沸石粉使復合材料內部空腔結構增加，形成網狀結構，增加了材料與聲波的接觸面積，使吸聲性能增加，若在復合材料背面設置一定厚度的空腔，吸聲性能還可提高。

宋新月[30]對聚氨酯進行分子結構設計，改變聚氨酯的軟硬段比例并加入空心玻璃微珠進行填料改性。隨著空心玻璃微珠含量的增加，吸聲系數先增大后減小，添加量為15%(質量分數，下同)時吸聲性能最好，平均吸聲系數為0.89。填料和基體之間的相互作用會增加材料體系的內摩擦，并在界面處形成反射和散射，延長了聲波在材料內的傳播路徑。此外，空心玻璃微珠具有空腔諧振效果，與聚氨酯基體之間可產生微相分離，提高其吸聲性能[31-32]。實際研究發現并非填料越多，性能越好，填料添加量達到20%以上時會造成團聚現象，在材料內部形成透聲結構，影響吸聲效果。另外，在制備過程中，高速攪拌使過多的玻璃微珠相互碰撞破裂，材料伸縮時容易劃破基體，導致機械性能減弱[33]。

有研究表明，對空心玻璃微珠進行表面處理有利于提高其聲學性能和機械性能。李校輝[34]利用硅烷偶聯劑KH550對空心玻璃微珠進行改性，并分別研究了改性前后的空心玻璃微珠對吸聲性能的影響。結果表明，相比于未改性的空心玻璃微珠，改性后其在低頻(2～10 kHz)處的吸聲性能有所提高，機械性能和力學強度有大幅度提高。空心玻璃微珠未改性時表面有大量羥基，和聚氨酯材料相容性不好，作為填料加入聚氨酯后影響不明顯，與未加填料的本體差別不大。硅烷偶聯劑KH550可將羥基修飾成氨基，使玻璃微珠與聚氨酯材料的相容性和界面性能更好，提高填料改性效果[35]。

周欣等[36]在互穿網絡聚合物高分子隱身材料中加入填料，將均勻設計實驗與多元回歸分析相結合，研究了云母粉、鋁粉、玻璃微球和納米氧化硅四種填料混合后對吸聲性能的影響，計算出回歸方程。與使用單一填料相比，使用混合填料在提高復合材料吸聲性能的同時，還能降低聲波的反射，使水聲吸聲性能進一步改善。

目前，利用空心玻璃微珠來提高復合材料的吸聲性能和耐壓性能是研究的熱點。相關研究人員投入了大量精力，涉及空心玻璃微珠形態、粒徑大小、添加量、分布狀態以及玻璃微珠表面偶聯處理等，取得了一系列的成果。共性問題主要表現在高水壓環境使材料內部空腔變形，吸聲性能下降；且同等條件下，由于低頻聲波波長較長，難以被吸收，導致材料在低頻下的吸收系數較小。如何保證其在高水壓環境下的低頻吸聲性能是研究的重點及難點。

3 結束語

本文從填料種類和作用機理的角度出發，介紹了云母片、蛭石粉、滑石粉、大孔樹脂、金屬氧化物微粒、空心玻璃微珠等幾種不同結構的填料對高分子材料吸聲性能的影響。總體來看，填料很大程度上決定著復合材料的吸聲性能。不同類型的填料的吸聲機理略有不同，但共性問題在于填料型復合材料在常壓條件下對高頻聲波容易滿足吸聲要求，在高壓下及對低頻聲波的吸聲性能不佳。單靠填料難以克服此問題，需要配合特定的聲學結構。另一方面，一些填料的加入會影響復合材料的機械性能，尤其是粒徑較大的空心結構填料，少量加入便會使機械強度大幅下降。

隨著聲納探測技術逐步完善，掃描頻率向寬頻化發展，各國潛艇為提高隱身性能不斷增加下潛深度，均對水聲吸聲材料提出了更高的要求。研究如何提高水聲材料在高靜水壓力環境下的低頻吸聲性能，制備出一種具有吸聲頻帶寬、適用溫域寬、耐水壓以及機械性能好、抗老化、易加工成型的高性能水聲吸聲材料具有重大意義。