吸聲材料制備、性能研究進展*

劉 楊，霍又嘉，杜元開，胡 祥，張偉程，趙 培，游 峰,2

(1. 武漢工程大學 材料科學與工程學院，湖北省等離子體化學與新材料重點實驗室， 武漢 430205；2. 佛山(華南) 新材料研究院，廣東 佛山 528200)

0 引 言

伴隨著科技社會的快速發展，眾多行業領域迎來了高速發展，但同時也帶來許多環境污染問題[1]。其中，噪聲污染的有效防治和控制己經逐漸成為目前國內和世界廣泛高度關注且亟待解決的一個重大問題，各國專家學者己開發并設計出各種吸聲材料。

吸聲材料是聲波在材料內部傳遞過程中，能有效地將聲能轉變為其它形式的能量(如熱能、機械能等)，從而加以耗散的一種功能材料。當前研究較多的吸聲材料是穿孔板吸聲結構、泡沫金屬、金屬纖維等多孔性金屬吸聲材料以及綜合性能十分優異的高分子吸聲材料等[2]。本文作者回顧了吸聲材料的研究進展，并展望了其未來的發展方向。

1 吸聲原理

吸聲主要是泛指當聲波從邊界中傳播至特定的區域時，邊界的表面會反射一部分的聲能，而另一部分的聲能則會被其他邊界的表面吸收[3]。大多數的材料都具備一定的吸收聲波的能力，通常利用這3個指標來判斷量化材料的吸聲性能：分別稱為吸聲系數，吸聲諧振頻率和吸聲頻帶寬度。一種構件或者材料對吸聲能力的影響大小往往采用吸聲系數來表現。吸聲系數可以定義為被材料所吸收的聲能(其中包括透射總聲能和入射總聲能之間的比值)[4]，即:

在測試吸聲材料時，頻率的不同就會得到不同的吸聲系數。許多材料對聲能都具有一定的耗散作用，但當某種材料的平均吸聲系數比0.2高時，我們就把這種材料稱為吸聲材料。

聲能損耗主要是通過黏滯性內摩擦、熱傳導和弛豫作用來完成的。針對高分子材料，其吸聲原理主要涉及到將聲能和振動能轉換為以熱能為主的其它形式的能量而消耗掉。從理論上分析，聲能或振動能的特征是大量分子同時向同一方向移動。而在一定介質中，熱能和聲能、振動能相比，通常具有相似或更多的能量。但是熱能的特征是分子運動方向是不確定的，對于任意的點，上面分子的平均位移都為零。所以，要想耗散聲能和振動產生的能量，主要在于讓材料內部的分子運動方向變得無規。這時就可以體現出高分子材料的優點。高分子材料由于其特定的結構和性能，可以通過黏彈阻尼與填料阻抗的恰當結合、內界面的增加等方式，從而提高分子的無規化程度，就可以使聲能、振動能得到更大的損耗，從而實現吸聲的效果。

圖1 聲能在介質中傳播示意圖Fig 1 Schematic diagram of sound energy propagation in medium

由圖1所示，入射聲能(Ei)、反射聲能(Er)、透射聲能(Et)和在物體中被吸收的聲能(Ea)間的關系見公式：Ei=Er+Ea+Et[5]。通過上述的關系，可以從聲音能量角度分析聲學參數：在入射聲能一定的條件下，吸收的聲能Ea和透射Et的聲能之和就會與吸聲系數相關聯，反射能與透射能之和與隔聲量相關聯，吸收能與聲損耗系數相關聯。因此，通過吸收能和入射能的比值可以看出，阻尼損耗因子與吸聲系數、隔聲量等有較強的關聯性。

Yoon等[6]將聚氨酯材料作為研究對象，通過研究該高分子材料的阻尼層性能、聲音傳遞過程中的損耗，得出的結論為：聲波在高分子材料中傳播時，材料的阻尼因子將會決定聲能的損耗。阻尼作用越顯著，聲能的損耗會越大。Kari等[7]通過實驗研究表明，粘彈性的高分子材料可以作為吸收外界物質的中間層，能夠有效地降低對于聲波的輻射，從而達到吸聲的效果。這是利用了材料的高阻尼特性減少了聲波的輻射。

張娟等認為丁腈橡膠(NBR)具有非常好的阻尼性能，研究了橡膠發泡對聲學性能的影響。她在將發泡后的NBR進行聲學性能測試，發現發泡劑加入份數為0.5份時，在較寬的頻率范圍內吸聲系數會上升；當份數大于1份時，吸聲性能下降，他們將原因歸結于泡孔的增多降低了模量[8]。由此可見，通過改善阻尼特性提高吸收性能時，應使阻尼的性能在合適恰當的區間，才會達到最優異的降噪效果。

2 吸聲材料

根據不同的吸聲機理和結構，可以將吸聲材料分為：多孔吸聲、共振吸聲和復合吸聲。多孔吸聲材料的相對密度比較小、頻率較高時吸聲系數很大，同時也具有吸聲效果顯著等優點，應用最廣泛。但是低頻時吸聲系數就會比較低，在需要低頻吸聲時的場合不太適用。而共振吸聲材料的特點與多孔吸聲材料正好相反，它的低頻吸聲系數比較高，但不是很利于加工、并且高頻的吸聲系數也較低。這使得該材料的應用得到了一定的限制。復合吸聲材料應用廣泛，綜合性能強，已經得到了越來越多的重視和研究。

2.1 多孔吸聲材料

通過發泡或使用孔狀材料等方法降低其特性阻抗從而有利于聲波的進入并消耗，可以達到吸收聲波降噪的目的。多孔吸聲材料主要有閉孔型和開孔型兩種[9]。孔隙形態的不同，往往具有不同的吸聲效果。

2.1.1 有機發泡材料

多孔高分子吸聲材料主要以高分子泡沫材料為主，如聚氨酯、聚苯乙烯、聚丙烯酸酯、聚乙烯等高分子材料經過發泡處理后都有較好的吸聲效果。發泡材料表面的微孔處理降低了材料的特性聲阻，使入射聲波能進入到材料內部。同時，發泡材料內部結構中含有的許多空洞會使材料內界面增加，這樣當聲波進入時，就會引起孔隙中含有的空氣的振動，使聲能被消耗。而發泡材料的開孔與閉孔、孔的形態大小對吸聲性能都會有很大的影響。

多孔材料的吸聲性能與材料內部的孔徑和相互連接有關。聲波引起細胞壁和細胞內空氣的振動。然后，聲能通過細胞壁的振動阻尼和空氣的粘性阻尼耗散或轉化為熱能。同時，由于聲波的壓力和干擾，細胞壁被迫拉伸和彎曲，使聲能轉化為動能。因此，可以通過改變與內部孔隙形態有關的吸聲阻尼來改善材料的吸聲性能。

Zhu等[10]以聚氨酯為研究對象，發現密度大、孔隙小的泡沫具有良好的吸聲性能。Park等[11]采用超聲波發泡法對聚氨酯泡沫塑料的微孔結構進行調控。隨著超聲波振幅的增加，聚氨酯泡沫的平均泡孔直徑逐漸減小。實驗發現，由超聲波引起的平均單元直徑的減小提高了低頻范圍內的聲阻尼效率。并且根據理論結果，估算了密度為80 kg/m3、厚度為2 cm的聚氨酯泡沫的最佳泡孔直徑。

圖2 理論模擬計算示意圖 [11]Fig 2 Schematic diagram of theoretical simulation calculation [11]

Zhai等[12]以金屬漿料為前驅體，聚氨酯泡沫塑料為模板，制備了具有吸聲性能的開孔IN625泡沫塑料。圖示如圖3所示。這樣的結構可以允許聲波通過其相互連接的細胞傳播，同時，通過粘滯損失、熱損失、機械阻尼等復雜機制的組合逐漸吸收聲能。

圖3 IN625泡沫塑料示意圖(a) IN625泡沫的照片; (b) SEM圖像; (c) IN625泡沫的SEM圖像，其中一個單元突出顯示為十四面體結構[12] Fig 3 Schematic diagram of IN625 foam plastics

隨著計算機技術的日趨成熟和各種新型發泡方式的出現，有機發泡材料的吸聲性能逐漸提升。從利用傳統的物理化學方法發泡，到現在首先利用計算機進行模擬，隨后與先進的超聲波發泡技術結合，設計出材料的最佳屬性，以實現性能的提升。

2.1.2 無機多孔材料

除了上述的有機多孔材料，還可以利用其他添加劑及工藝方法制備無機多孔網絡結構，增加吸聲性能。聲波通過空腔和孔隙衰減，其中聲能主要由于反射而曲折傳播并作為熱量散失。無機泡沫在物理機械性能方面具有獨特的性能，確保了其可以在惡劣的環境中應用。

霍又嘉等[13]以聚氯乙烯(PVC)為基體，利用硅藻土(DE)為材料提供孔狀結構，制備了層狀復合材料。加入硅藻土后，吸聲性能得到了顯著提升。

Wang等[14]采用體積控制法機械發泡制備了高孔隙率的Si3N4陶瓷(如圖4所示)。由于發泡后泥漿完全填充在密閉容器中，因此通過調整泡沫泥漿的固體含量和體積比來控制孔隙率。最終研究表明，該方法制備的無機多孔材料具有優異的機械性能，吸聲系數與孔隙率和孔徑密切相關，而且吸聲系數得到了明顯的增加。

2.1.3 發泡及無機組合吸聲材料

將發泡與無機孔結構相結合，可以制備性能更加優異的多孔吸聲材料Lu等[15]制備了一種基于氣泡特征石墨烯(BGM)的多功能吸聲材料，如圖5所示，其超低密度僅為7.5 kg/m3。石墨烯為材料提供了多孔網絡，眾多氣泡提供了泡孔結構，最終骨架呈泡沫狀結構，孔隙相互連通。有的形成了閉孔，有的破裂形成開孔，這些破洞使BGM成為一個開放的多孔網絡，保證了聲波的擴散和耗散。通過圖5可以看出，微觀結構主要由兩部分組成，包括排列整齊的球形孔隙和相鄰細胞間不規則的小孔隙。BGM良好的組裝互連多孔結構，保證了其優異的吸聲性能。

圖4 體積控制發泡程序示意圖[14]Fig 4 Schematic illustration of volume-controlled foaming procedure [14]

圖5 BGM結構圖[15]Fig 5 BGM structure diagram[15]

在泡孔中加入高強度填料，也相對于為材料提供了孔狀結構，將會顯著提高吸聲性能。Lee等[16]將氧化石墨烯(GO)浸漬到聚氨酯泡沫中，利用浸漬的方法可以盡量避免對泡孔的損傷，得到閉孔的泡孔。同時，GO作為一種很好的聚合物基體填料，可以增加聲傳播路徑。對比效果如圖6、7所示。通過測試分析的數據結果表明，GO浸漬顯著提高了材料的吸聲性能。

Cao等[17]將開孔三聚氰胺泡沫(MF)浸泡在氧化石墨烯(GO)水溶液中，通過對材料的熱處理，將MF與氧化石墨烯片進行了組裝，得到了三聚氰胺骨架中的GO網絡，顯著提高了材料的吸聲性能。

隨著石墨烯的發現與發展，它在越來越多的領域中得到了應用。近年來的吸聲復合材料多與氧化石墨烯相結合，這是因為GO可以為材料提供層狀結構，加大聲能的耗散，制備得到性能更加優異的產品。

圖6 GO浸漬前PU泡沫中的聲波傳播原理圖[16]Fig 6 Schematics of wave propagation through PU foam before GO impregnation[16]

圖7 GO浸漬后PU泡沫中的聲波傳播原理圖[16]Fig 7 Schematics of wave propagation through PU foam after GO impregnation[16]

2.2 共振吸聲材料

對于共振式吸聲結構，當聲波的頻率和結構中固有頻率相同時，聲波激勵結構振動的振幅最大，就會造成大量的聲能消耗，起到吸聲的作用(如圖8所示)。也正因為如此，當聲波頻率與共振式吸聲結構的共振頻率接近時，材料的吸聲性能會比較好。如果偏離了共振頻率，那么吸聲性能就有所下降[18]。每種結構或材料都有自己的固有振動頻率，當入射波頻率與構件的固有頻率相同時(該頻率稱為共振頻率)，該構件與其內部空氣層的振動是最為強烈的，振幅和振速也都將達到最大，聲能得到大量的消耗。這種因為共振產生的聲能消耗稱為共振吸收，其吸聲系數隨頻率而變化，吸收峰值出現在系統的工作頻率處[19]。

圖8 聲能通過孔壁的共振轉化為機械能和熱能[20-21]Fig 8 The sound energy would be converted into mechanical and heat energy through the resonance of pore walls[20-21]

劉付華等[22]在鋁穿孔板共振吸聲結構中附加了多孔的吸聲材料，研究了該材料對共振吸聲結構吸聲性能的影響。最終發現穿孔率、孔徑、板厚、空腔深度等因素均會影響共振吸聲結構的吸聲性能。

孫廣榮等通過實驗測量研究甘蔗纖維板吸聲材料的吸聲性能，發現甘蔗纖維板具有彈性薄板的共振現象。將纖維板緊貼墻壁安裝時，吸聲材料在低頻段的吸聲系數值較低，在纖維板后留有合適的空腔時，發現可以增加吸聲材料在低頻段的吸聲性能。由甘蔗纖維板制成的穿孔吸聲結構兼有較大的高頻吸聲和低頻共振吸聲的優點。

Ma等[23]對與空氣阻抗匹配的薄膜型聲學超材料結構進行了吸聲研究，理論和實驗結果表明具有亞波長尺寸的諧振單元使空氣背腔實現了共振頻率聲波的完全吸收。

Xu等[24]以再生橡膠和纖維板為原料，以高密度聚乙烯(HDPE)為粘結劑，制備了一種新型聲學材料。穿孔板和阻抗固定管相結合，形成了亥姆霍茲諧振器。研究結果為該材料的吸聲性能受3個結構參數的影響，即穿孔率、孔徑和空腔深度。

2.3 復合吸聲材料

唐超[25]使用稻草秸稈、水泥、石膏制作了綠色建筑水泥基復合材料，研究其吸聲性能。對比分析后得出，選用31 mm的稻草秸稈纖維，作為綠色建筑水泥基復合材料的纖維材料，此時吸聲性能最佳。當材料吸聲頻率小于800 Hz區間時，材料吸聲性能隨著密度、厚度增大而顯著提升；相同吸聲頻率中，綠色建筑水泥基復合材料空隙率越大，吸聲性能越差。

費炎培[26]選用了不同的熱塑性高分子和無機微米/納米粒子，通過設計微米/納米粒子在聚合物基體中的分布和取向，并結合超臨界流體發泡技術，制備了不同的輕量化聲阻和壓阻聚合物復合材料。如圖9所示。

圖9 聲傳播路徑耗散和衰減的可能機制(a)純TPR, (b)TPR/CaCO3, (c)TPR/HGM復合材料[26]Fig 9 Possible mechanisms of dissipation and attenuation of acoustic propagation paths: (a) pure TPR; (b)TPR/CaCO3; (c)TPR/HGM composites[26]

Chen等[27]以塑料材料作為基體中的粘合劑，橡膠單元(主要是顆粒)作為阻尼器，木材(纖維或顆粒)作為機械增強劑，制備得到了木材、橡膠和塑料復合材料(WRPC)，并且研究了該材料的物理機械性能和聲學性能。

圖10(a)展示出了從天然木材的植物細胞壁分離的原纖維的一般結構，原纖維的含量可進一步分為纖維素、半纖維素和木質素。原植物纖維可以加工成更細的原纖維或纖維素，以增強吸聲性能[28]。

Liu等[29]通過打漿處理將微纖絲從軟木原纖維中分離出來，微纖絲所形成的更小的孔隙和更復雜的通道賦予了材料更有效的聲能量消耗。為了得到更細的纖維，Yilmaz等[30]采用堿化處理的方法部分提取大麻纖維中的木質素、果膠和半纖維素，并將原纖維從纖維束中分離出來。獲得的原纖維比纖維束細，同時原纖維表面比韌皮纖維粗糙，為提高吸聲性能提供了更小的纖維直徑和更大的纖維表面積。

最近，通過離子液體提取納米級纖維素纖維和木質素網，通過隨后的溶解凝膠和冷凍干燥方法制備纖維素/木質素氣凝膠(圖10 b)。由于孔徑小、孔隙率高，氣凝膠在1000～2000 Hz頻率范圍內具有較好的吸聲性能，在125～1000 Hz頻率范圍內吸聲性能有明顯改善。含95%木質素的氣凝膠表現出最佳的吸聲性能，最大吸聲系數為0.94(圖10(c))[31]。

圖10 (a)木質纖維素結構示意圖[28], (b)離子液體制備木質素氣凝膠的工藝示意圖, (c)木質素比為0～95%時制備的氣凝膠的吸聲性能[31]Fig 10 (a) Schematic of the lignocelluloses structure [28], (b) Schematic shows the process to fabricate lignin aerogels with ionic liquids, (c) Sound absorption performance of the prepared aerogels with lignin ratios from 0-95% [31]

3 結 語

近年來，隨著人民對美好生活的需求逐步提高，吸聲材料的應用也將變得更加廣泛。該材料具有的輕質降噪等顯著優點，也使得它的發展前景更加廣闊。研究探索吸聲材料的特點和吸聲基本理論，將會更加有助于吸聲材料性能的提升，從而可以使其在各個領域中都得到應用。高分子泡沫吸聲材料具有密度小、質量輕、易加工、吸聲性能穩定易于安裝等優點，使得該材料在噪聲控制工程中得到了廣泛的應用[32-37]。

綜述了多孔吸聲材料的研究進展，盡管目前多孔吸聲材料的發展迅速且成果顯著，但仍然存在一些問題。首先，還沒有針對聲學材料的阻尼損耗因子和聲損耗系數之間的關聯性，并由此關聯性進行提升吸聲效果的研究[37-40]。其次，在保持材料厚度和質量最小的前提下，制備在寬頻范圍都具有高吸聲系數的材料仍然是一個巨大的挑戰。最后，吸聲材料的商業應用較少，應該將實驗室的研究成果高效廣泛地應用到實際生活中。解決這些問題將進一步提高吸聲材料的性能及應用，將使得該材料更有價值。