裴春明，杨黎波，李国锐，胡 梁，李晨辉

(1.国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，湖北 武汉 430074； 2.国网电力科学研究院有限公司，江苏 南京 211106； 3.华中科技大学材料科学与工程学院 材料成形与模具技术国家重点实验室，湖北 武汉 430074)

我国是用电大国，为解决用电问题修建了大量的变电站，但变电站在为社会带来用电便利的同时，也带来了噪声污染[1-4]。研究表明，变电站噪声声波主要集中在低频段，其中在1 000 Hz以下的100 Hz 倍频段较为明显。Ming等[5]研究了大型变电站的变压器声波特性，发现变压器的声波主要由一系列100 Hz的前几次谐波频率的声波组成。胡静竹等[6]研究了高电压等级的变电站噪声分布情况，发现变压器的噪声声波主要集中在100～630 Hz范围内。

传统的多孔吸声材料对中高频声波的吸声效果较好，但对低频声波的吸声效果较差。多孔吸声材料对声波的吸收主要源于声波入射到材料内部产生的粘滞阻力和热交换，声波频率越高，其入射到材料内部后引发的空气振动越快，空气与孔壁发生相对运动产生的粘滞阻力越大，因空气绝热压缩而升温所导致的空气与材料之间的热交换也越强。因此，多孔吸声材料对中高频声波的吸声效果较好，对低频声波则需要增加材料厚度，或者在材料与刚性背板之间加入一定厚度的空腔，才能有效提高材料的低频吸声性能。这就要求多孔吸声材料内部的孔必须是开孔，孔与孔之间可相互连通，声波才能进入材料内部而被吸收，闭孔对材料的吸声性能影响不大。大量研究[7-9]发现，在材料与刚性背板之间加入一定厚度的空腔可以提高材料的低频吸声性能，主要是因为材料与空腔之间会形成亥姆霍兹共振器结构。亥姆霍兹共振器由一个颈口和体腔组成，其共振频率按下式计算：

式中：f为共振频率，Hz；c为声波速度，m·s-1；S为颈口面积，m2；V为体腔体积，m3；l为颈口长度，m；d为颈口直径，m。

研究人员对吸声材料进行了大量研究来解决噪声污染问题。Park等[10]研究了不同开孔率的聚氨酯泡沫的吸声性能，发现改变开孔率会改变材料的流阻从而影响材料的吸声性能，当开孔率为15%时，材料吸声系数在1 100 Hz处达到最大(0.9)。Han等[11]采用高压熔体浸渗法制备了具有开孔结构的泡沫铝吸声材料，发现孔径1.5 mm、开口孔隙率59%、厚度20 mm、背后空腔60 mm的开孔泡沫铝样品在600 Hz处的吸声系数达到0.99。Li等[12]研究了不同材料参数对玻璃棉吸声系数的影响，发现密度47 kg·m-3、厚度100 mm、开口孔隙率90%的玻璃棉在500 Hz处的吸声系数达到0.95，但对更低频率声波的吸声效果较差。

由于在变电站中易发生火灾和漏电事故，因此易燃的有机类吸声材料和可导电的金属类吸声材料并不适用于变电站；无机纤维类吸声材料虽然吸声效果好，但使用时材料厚度较大，且易产生粉尘飘飞到空气中，危害人体健康，因此也不是变电站理想的吸声材料；泡沫陶瓷是一种防火绝缘且无毒无害的材料，更适于在变电站中进行吸声降噪。鉴于此，作者以Al2O3为原粉，采用凝胶注模-发泡法制备氧化铝泡沫陶瓷，研究固含量对氧化铝泡沫陶瓷的微观形貌、开口孔隙率、抗压强度和在不同空腔厚度下的吸声系数的影响，拟为变电站吸声降噪和低频吸声领域的研究提供借鉴。

1 实验

1.1 氧化铝泡沫陶瓷的制备

以Al2O3为原粉(d50=0.584 μm)、Isobam 104#为分散剂(用量为原粉质量的0.3%)[13-15]、去离子水为溶剂(pH值用氨水调至10)，经过球磨分别制备出固含量42%、46%、50%、54%的陶瓷浆料；再以十二烷基硫酸三乙醇胺为发泡剂(用量为陶瓷浆料质量的0.15%)，加入陶瓷浆料后搅拌发泡，搅拌速度为700 r·min-1，搅拌时间为1.5 min；将发泡浆料倒入模具中，室温下固化并烘干；将素坯取出后以1.5 ℃·min-1的速率升温至1 500 ℃，烧结2 h后，随炉冷却，即得不同固含量的氧化铝泡沫陶瓷(以下简称泡沫陶瓷)。

1.2 氧化铝泡沫陶瓷的性能测试

采用Quanta 650 FEG型场发射扫描电镜(美国FEI公司)观察泡沫陶瓷的微观形貌；采用阿基米德排水法测定泡沫陶瓷的开口孔隙率；采用Zwick Z020型微机控制电子万能实验机(德国Zwick/Roell公司)测试泡沫陶瓷的抗压强度；采用 AWA6290T型传递函数吸声系数测量系统(杭州爱华仪器有限公司)测定泡沫陶瓷的吸声系数。

2 结果与讨论

2.1 微观形貌

固含量分别为42%、46%、50%、54%的泡沫陶瓷的SEM照片如图1所示。

从图1可以看出，随着固含量的增加，泡沫陶瓷的大孔数量逐渐减少，孔径也逐渐减小。这是因为，发泡剂十二烷基硫酸三乙醇胺是一种表面活性剂，其具有的亲水基和疏水基使其在泡沫表面聚集产生一层分子膜，通过减小表面张力使泡沫长大而产生发泡效果；而固含量增加会增大浆料的黏度，增大表面张力，使得发泡变得困难，泡沫的收缩趋势变明显。

a～d，固含量：42%、46%、50%、54%

2.2 开口孔隙率和抗压强度(图2)

从图2可以看出，随着固含量的增加，泡沫陶瓷的开口孔隙率呈先升高后降低的趋势(固含量42%的泡沫陶瓷由于素坯强度较差从模具中取出时有破损，导致开口孔隙率测量存在误差)，而抗压强度呈增大趋势。这是因为，随着固含量的增加，浆料黏度增大，使得发泡剂发泡效果变差，孔径减小，单位体积内的孔洞体积减小，导致开口孔隙率降低；而随着开口孔隙率的降低，孔壁会变薄，同时泡沫陶瓷骨架更加致密，耐形变能力增强，使得泡沫陶瓷的抗压强度增大。

图2 不同固含量的泡沫陶瓷的开口孔隙率和抗压强度Fig.2 Open porosity and compressive strength of foamed ceramics with different solid loadings

2.3 吸声系数

不同固含量的泡沫陶瓷在0 mm、20 mm、40 mm、60 mm、80 mm空腔厚度下的吸声系数如图3所示。

a～d，固含量：42%、46%、50%、54%；1～5，空腔厚度：0 mm、20 mm、40 mm、60 mm、80 mm

从图3可以看出，随着固含量的增加，吸收峰移向低频段，吸收峰峰值先增大后减小；随着空腔厚度的增大，吸收峰移向低频段，吸收峰峰值逐渐增大，吸收峰主要集中在1 000 Hz以下频段。泡沫陶瓷内部众多的开孔形成复杂的孔道，可让声波进入泡沫陶瓷内部，在加入背后空腔后，泡沫陶瓷与空腔之间形成了亥姆霍兹共振器，提高了泡沫陶瓷的低频吸声性能，对1 000 Hz以下的声波具有较好的吸声效果。当固含量增加时，泡沫陶瓷孔径减小，亥姆霍兹共振器的颈口面积减小，其共振频率会降低，因此，吸收峰会移向低频段；泡沫陶瓷内的开口孔隙率较低时，孔数量较少，随着开口孔隙率升高孔数量也会增加，但是当开口孔隙率过高时，单位体积所能容纳的孔数量反而会减少，总体上，开口孔隙率降低会导致孔数量先增加后减少，亥姆霍兹共振器数量也随之先增加后减少，因此，吸收峰峰值会先增大后减小。增大空腔厚度使得亥姆霍兹共振器的体腔体积增大，共振频率降低，因此吸收峰移向低频段；而共振器体腔体积增大，原本分布较宽的共振频率不断接近，吸收峰宽减小，吸收峰变得更尖锐，吸收峰峰值增大。

通过以上分析可知，泡沫陶瓷不仅对高频声波具有较好的吸声效果，对低频声波也具有较好的吸声效果，是一种具有极大应用潜力的低频吸声材料，为解决变电站的吸声材料应用提供了一种较为可行的研究方案。

3 结论

以Al2O3为原粉，采用凝胶注模-发泡法制备了氧化铝泡沫陶瓷，研究了固含量对氧化铝泡沫陶瓷吸声性能的影响。结果表明，增加固含量使得泡沫陶瓷浆料黏度增大，表面张力增大，降低发泡剂的发泡效果，使得泡沫陶瓷的大孔数量减少，开口孔隙率降低，抗压强度增大；增加固含量使得孔径减小，亥姆霍兹共振器的颈口面积减小，共振频率降低，吸收峰移向低频段；增加固含量使得开口孔隙率降低，孔数量先增加后减少，亥姆霍兹共振器数量先增加后减少，吸收峰峰值先增大后减小，吸收峰主要位于1 000 Hz以下频段；增大空腔厚度使得亥姆霍兹共振器体腔体积增大，共振频率降低，吸收峰移向低频段，吸收峰宽减小，吸收峰峰值增大。该泡沫陶瓷是一种具有极大应用潜力的低频吸声材料。