陶瓷空心球多孔材料吸聲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與聲學(xué)機(jī)理研究.pdf

1、本文以空間站艙內(nèi)降噪為背景，研究一種新型多孔吸聲材料—陶瓷空心球多孔材料（Ceramic hollow sphere structures,CHSS），要求具有輕質(zhì)、環(huán)保和阻燃等特性，并且可以實(shí)現(xiàn)寬頻吸聲性能。常規(guī)多孔材料難以滿足上述要求，且低頻吸聲性能較差。本文以改善低頻吸聲性能為目的，研究CHSS吸聲材料和聲學(xué)結(jié)構(gòu)的吸聲特性。
　　建立了粘接成型空心球多孔材料的幾何模型，并以寬頻吸聲為目的設(shè)計(jì)了最優(yōu)開孔結(jié)構(gòu)：開孔尺寸d約為50

2、-200μm，開孔率約為50％，粘接角約為20-30°。從理論上設(shè)計(jì)了具有很好吸聲性能的100μm開孔尺寸的空心球多孔材料，實(shí)現(xiàn)這一孔結(jié)構(gòu)的空心球粒徑分布2R約為100-400μm。選用飛灰微珠和磷酸鋁膠黏劑為原料，采用發(fā)明的預(yù)粘接-固化方法制備了CHSS材料。
　　研究了CHSS材料的組成和界面微觀結(jié)構(gòu)。SEM分析表明，飛灰微珠表面生成了厚度約10μm的磷酸鋁膠黏劑多孔涂層?？招那蛑g形成了磷酸鋁膠黏劑頸部區(qū)域，并由此連接形成C

3、HSS材料。XRD測試表明，飛灰微珠的主要相結(jié)構(gòu)為鋁硅酸鹽玻璃相、晶體莫來石和石英，固化后的磷酸鋁膠黏劑組成為非晶磷酸鋁聚合物和晶體α-Al2O3，在成型過程中無新的晶體相生成。TEM表明，鋁硅酸鹽玻璃相和磷酸鋁聚合物之間形成了致密和平整的界面微觀結(jié)構(gòu)，且發(fā)生了元素?cái)U(kuò)散，不是簡單的機(jī)械結(jié)合。與胞狀多孔材料相似，壓縮過程分為3個(gè)典型階段：彈性、平臺(tái)和斷裂階段。彈性階段應(yīng)變約為0.6%和應(yīng)力約為5.8MPa時(shí)達(dá)到峰值，彈性模量約為1.25G

4、Pa。壓縮平臺(tái)階段應(yīng)力增加了9%，應(yīng)變范圍為0.6%-4%，表現(xiàn)出優(yōu)異吸能特征。在失效階段，應(yīng)力逐漸下降而不是突然崩塌。上述結(jié)果表明，CHSS材料為硬筋絡(luò)的多孔吸聲材料。
　　采用多重表征方法研究了CHSS材料的孔結(jié)構(gòu)。對閉孔結(jié)構(gòu)特性，結(jié)合μ-CT和激光共聚焦技術(shù)實(shí)現(xiàn)了3-D和半定量表征。閉孔尺寸約為140-220μm，為近似正態(tài)分布，且為各向同性和隨機(jī)分布特征。CHSS材料為微米-納米級(jí)多尺度的開孔結(jié)構(gòu)。微米級(jí)開孔尺寸為準(zhǔn)正態(tài)分

5、布和雙峰分布，峰值分別為約100μm和10μm。平均開孔尺寸約為100μm左右，隨著飛灰微珠粒徑的增加而近似線性增加。微米級(jí)開孔率約為48%左右，采用封閉系數(shù) c約為0.1，對幾何模型的開孔率進(jìn)行了修正?？捉Y(jié)構(gòu)因子χ隨開孔尺寸的增加而減小。試驗(yàn)結(jié)果與幾何模型計(jì)算結(jié)果基本一致，表明CHSS材料的微米級(jí)開孔結(jié)構(gòu)有很好的可設(shè)計(jì)性。納米級(jí)開孔結(jié)構(gòu)為磷酸鋁聚合物，尺寸分布約為10-100 nm，為準(zhǔn)正態(tài)分布特征。CHSS材料為高流阻率多孔材料，在

6、10 mm和20 mm厚時(shí)就有好的吸聲性能。CHSS材料的吸聲性能優(yōu)于泡沫鋁，與纖維多孔材料和有機(jī)泡沫為同一級(jí)別。研究了CHSS材料的孔結(jié)構(gòu)參量對吸聲性能的影響。傳播常數(shù)k和特征阻抗Zc可以實(shí)現(xiàn)很好的可設(shè)計(jì)性。研究表明，需從聲抗比x著手改善多孔材料的低頻吸聲性能，聲阻性 r的貢獻(xiàn)較少。開孔率對高頻吸聲性能影響明顯，對低頻吸聲影響較小。CHSS材料存在明顯的開孔尺寸效應(yīng)，減小開孔尺寸可以改善低頻吸聲性能，特別100μm級(jí)別開孔尺寸具有很好

7、的吸聲性能。
　　研究了自由堆積的CHSS材料的半經(jīng)驗(yàn)吸聲模型，對吸聲機(jī)理進(jìn)行了討論。從微觀尺度，考慮CHSS材料的開孔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，基于Pride模型得到了有效密度ρ的半經(jīng)驗(yàn)方程，描述粘滯效應(yīng)；基于Allard模型得到了體積模量K的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，描述了熱效?yīng)。表明CHSS材料的吸聲機(jī)理為3-D連通開孔結(jié)構(gòu)中的粘滯效應(yīng)和熱效應(yīng)。應(yīng)用等價(jià)流體假設(shè)，在宏觀尺度開孔率為φ的CHSS材料假設(shè)為具有有效密度ρ/φ和體積模量K/φ的自由流體。將微觀

8、吸聲機(jī)理和宏觀孔結(jié)構(gòu)參量聯(lián)系起來，得到了CHSS材料的半經(jīng)驗(yàn)吸聲模型。對模型參量進(jìn)行了修正，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合的很好，驗(yàn)證了半經(jīng)驗(yàn)吸聲模型的準(zhǔn)確性。
　　阻抗梯度吸聲結(jié)構(gòu)，基于聲阻抗匹配原理設(shè)計(jì)。與CHSS材料吸聲特征基本一致，吸聲系數(shù)提高約3%或6%。穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)，在CHSS材料上加工了直徑為2 mm的通孔作為穿孔面板，結(jié)合空腔結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。穿孔面板引起聲波變形層提高了阻性項(xiàng)，空腔抵消了聲抗性項(xiàng)，在1500-4000 Hz的高

9、頻吸聲系數(shù)提高了約43.8%，對低頻吸聲性能的改變較小。微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)，以CHSS材料作為微穿孔面板，結(jié)合空腔結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。CHSS材料面板大大提高了阻性項(xiàng)，由空腔結(jié)構(gòu)減小了質(zhì)量抗項(xiàng)，在f=100-2500 Hz的中低頻吸聲性能提高了約110%，為最優(yōu)的吸聲結(jié)構(gòu)，而且解決了微穿孔面板加工困難的問題。蜂窩聲學(xué)結(jié)構(gòu)，以CHSS材料為面板，以Nomex蜂窩為芯材。聲能傳遞損失曲線從低頻到高頻分為3個(gè)特征頻段：彈性、共振和質(zhì)量控制區(qū)，其影響因素依