张新亮

（重庆工业职业技术学院 机械工程学院，重庆 401120）

复合材料吸声性能研究

张新亮

（重庆工业职业技术学院 机械工程学院，重庆 401120）

以聚氨酯为主原料，掺玻璃纤维，在发泡剂的作用下，制出一种新型多孔吸声材料，采用驻波管法测试材料的吸声系数。研究结果表明，纤维、发泡剂及厚度对材料吸声性能有显著影响。

聚氨酯；纤维；吸声系数；降噪；发泡剂

降低噪的途径有吸声、隔声、阻尼减振，阻尼减振高分子材料在降噪材料中占有很大的比例。我国采用的吸声材料以超细玻璃棉为主，它吸声系数大、密度小，但强度低、易断裂、易飞扬吸尘，应用受到限制。聚氨酯作为一种资源丰富、生产能耗低的塑料，质量轻、吸声隔热好、尺寸稳定性好、易加工。文章用发泡剂对掺有玻璃纤维的高强聚氨酯进行发泡处理，探索提高吸声材料中低频吸声系数和强度的途径。

1 试验部分

（1）原料与材料制备。聚氨酯（PUR）颗粒、1，4- 二氧六环、玻璃纤维、发泡剂、柠檬酸、泡沫稳定剂、硅酸盐水泥。第一步：取100g聚氨酯颗粒，按照一定的配方称取水泥、柠檬酸和泡沫稳定剂，质量分别为8.41g，0.07g和0.13g。将上述材料加入到500ml单颈烧瓶中，加入300m l1，4-二氧六环，机械搅拌将各组分混合均匀；第二步：称取发泡剂0.4g，加入20ml水搅拌，待泡沫丰富，缓慢加入3g玻璃纤维，待玻璃纤维分散均匀后，倒入聚氨酯混合物，搅拌得到泡沫浆体；第三步：将稳定的泡沫浆体浇注成型，风干法除去溶剂和水；第四步：对浇注物进行脱模。

（2）测试。在抗压、抗折强度试验机上测量材料在7天龄期下的强度。材料吸声系数按GT3F-88-85所规定方法测定，使用AWA6122A型智能电声测试仪。测125、250、500、1000、2000和4000Hz 6个中心频率下的吸声系数。测量频率在1800Hz以下时用L驻波管，否则用S驻波管，所以同一种试样均制成两尺寸。测声压极大值和极小值的差P，根据：a=(4×10p/20)/[1+10p/20]2计算出材料在给定频率下的垂直吸声系数，并根据国标GT33947-83算出材料降噪系数。即中心频率250、500、1000、2000和4000Hz时的平均吸声系数。

2 结果与讨论

（1）发泡剂对材料吸声性能和强度的影响。发泡剂所产生气泡液膜表面带有相同电荷，对聚氨酯产生一定的分散作用，所以它是制备多孔吸声材料的重要组分。一般发泡剂含量越高，吸声系数越高，但用量达到某个极限后，吸声性能不再提高。发泡剂含量分别为0.3%、0.4%、0.5%时，材料在6个频率时的平均吸声系数分别为0.51、0.59、0.54。

表1 发泡剂含量在不同频率下的吸声系数

通过表1可见，发泡剂含量为0.4%时材料吸声性能要稍优于含量为0.3%、0.5%时吸声性能，中低频吸声性能较好，降噪系数达0.6。因此，适量发泡剂对材料中低频吸声性能的改善效果较好。发泡剂用量太少，气孔不能充分生长，空隙率降低。用过多，放气量也大，引起大量气泡，很容易发生并泡现象使气孔过大，声波波长与孔尺寸相差太大时，固体孔壁与孔内空气摩擦减少，孔内产生反射或散射也大大减少，也不容易引起孔壁振动，从而被吸收的声能就减少。

材料强度随发泡剂含量增加而降低。当含量小于0.4%时强度较高，抗压和抗折强度都在1MPa以上；当含量达0.5%时，抗压强度和抗折强度下降明显，分别为0.5MPa和0.43MPa，己不能满足石膏基吸声材料力学性能要求。发泡剂用量过多，放气量越大，它的分散作用越强，导致强度降低。因此在制备石膏基吸声材料时，发泡剂用量不宜过多，一般用量不大于0.4%。

（2）玻璃纤维对材料吸声性能和强度的影响。通过实验得出表2所示数据：

表2 玻璃纤维含量在不同频率下的吸声系数

玻璃纤维含量分别为2%、3%、4%时，材料在6个频率下的平均吸声系数分别为0.27、0.45、0.52。因此，玻璃纤维含量为3%时材料的吸声性能稍优于含量为2%、4%时的，中低频吸声性能较佳，降噪系数达0.6。纤维用量过少，气孔数量不够，空隙率过低，吸声效果欠佳；纤维用量过多容易使气孔过大，大气孔不利吸声，吸声性能下降。

抗压强度随纤维含量增大而降低，但降幅度不大。抗折强度随纤维含量增加先增加，当含量为3%时，强度达到最大，为1.07MPa，随后开始下降。玻璃纤维机械、弹性模量和抗拉强度都高，适量玻璃纤维能提高复合材料的抗折强度。若含量过多，则空隙率过分散不均匀，强度会显著下降，3%时材料综合性能最佳。

（3）厚度对材料吸声性能的影响。厚度能显著地影响吸声材料的吸声性能和频率范围，材料厚度分别为5cm、7.5cm和l0cm时，它们在1000Hz以上中高频吸声系数相差不大。厚度为5cm时，在三种低频下材料的吸声系数分别为0.3、0.48、0.51，吸声系数较低。当厚度10cm时，三种低频下材料的吸声系数分别为0.42、0.58、0.6，低频吸声系数明显增大。因此，增加厚度可提高材料的低频吸声系数。

（4）氨酯多孔复合材料的吸声机理。在发泡剂作用下，聚氨酯内部形成许多微孔，加入玻璃纤维后，使材料内形成大量连通气孔。当声波入射到材料表面后，一部分声波被反射，另一部分声波透射到材料内部。进入的这部分声波，引起材料内空气振动。声波振动带动相邻质点振动，进而传递，这样声波在石膏基多孔复合材料内传播下去。声波在材料内部传播过程中，胁迫气孔中空气运动，与固体孔壁产生摩擦，由于空气运动的粘滞性和热传导效应，使声能转换为热能而被消耗掉。此外声波在多孔性吸声材料内经过多次反射或散射进一步衰减，当材料内声波再返回时，声波能量己经衰减很多，只剩小部分能量，大部分被材料吸收损耗掉。

3 结语

发泡剂和玻璃纤维比在一定的范围内能显著提高材料的吸声性能。当发泡剂含量为0.4%、玻璃纤维含量为3%，材料的吸声性能最佳。强度随发泡剂含量增加而降低，当含量不超过0.4%时，抗压强度和抗折强度较高，当含量达到0.5%时，强度下降明显。玻璃纤维含量增加，试样的抗折强度先增加后下降，而抗压强度变化不大，当含量为3%时，抗折强度达最大。增加厚度可以提高材料的中低频吸声系数，对高频吸声系数影响不大。

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张新亮（1981-），男，重庆人，硕士，讲师，主要研究方向：智能制造技术、数控技术与数控系统、PLC应用、金属热处理、材料成型技术。