消声材料的研究与应用.docx

1、消声材料的研究与应用消声材料的研究随着人类生活质量的逐步提高，噪音污染的问题随之显现出来，它已同空气污染、水污染一起成为社会三大公害之一。噪声，作为破坏人们工作和生活环境质量的罪魁祸首，不仅能够严重危害人的听觉系统，使人疲倦、耳聋，而且还会加速建筑物、机械结构的老化，影响设备及仪表的精度和使用寿命；在某些军事领域，噪声更加被看作是作战双方共同的敌人，它不仅降低己方作战武器或装备的使用性能，还会将己方暴露在敌方的攻击范围之内，从而造成重大的军事损失或挫败。鉴于此，控制噪声已成为人类的当务之急，对吸声降噪材料的研究已是世界各国科技工作者的重要研究方向之一。降噪材料的分类及其降噪机理噪声的控制分为三

2、种途径：在声源处降低噪声幅值；在声波传播途径中阻隔、吸收声能；在声音接收点采取保护措施，减少噪声影响。在这三种途径中，都离不开声功能材料的利用。声功能材料在传统意义上分为隔声材料和吸声材料两类。吸声和隔声是两个不同的概念，其降噪的机理和方法存在差别。1、隔声材料的降噪机理与发展趋势隔声材料是靠材料的密实性、坚实性，使声波在隔声结构上反射，要求透过的声能越小越好。常用的传统隔声材料为均质单层材料，单层材料的隔声性能遵循质量定律，即隔声量随其面密度的增加而增加。所以传统隔声材料所要求的是厚而重，这就造成要得到良好的隔声效果，结构就必然笨重的现象。根据质量定律，频率降低一半，传递损失要降低6dB；而

3、要提高隔声效果时，质量增加一倍，传递损失增加6dB嘲。在这一定律支配下，若要显著地提高隔声能力，单靠增加隔层的质量，例如增加墙的厚度，显然不能行之有效，有时甚至是不可能的，如航空器上的隔声结构。这时解决的途径主要是采用双层以至多层隔声结构。隔声材料的发展趋势是采用复合材料，近几年发展起来的主要有Fc(硅酸钙板)复合板，褶皱芯层隔声结构和蜂窝夹层结构。在建筑中已经广泛利用的FC(硅酸钙板)轻质复合墙板是由硅酸钙板作为面层，两面层间加入阻尼或吸声材料构成的。内层材料可以使用软木、用再生阻燃聚苯乙烯泡沫颗粒、砂、水泥、粉煤灰等制成的轻质混凝土以及离心玻璃棉等材料。褶皱芯材隔声结构是通过褶皱芯材的阻尼

4、作用抑制面板振动，降低声压幅值，另外褶皱芯材能够改善结构在不同频率段的弯曲劲度特性，从而实现宽频的隔声效果。Huang Wenchao等人对以铝板为面层，中间夹以蜂窝结构的隔声材料进行了研究，研究结果表明蜂窝夹层结构有着单层材料所无法比拟的隔声效果。另外还有一些正处在实验室研究阶段的新型隔声材料，LiuZhengyou研制出一种“声学晶体”，这种材料是由局部共振结构单元组成，通过改变共振结构单元的大小和几何形状，可以使得在一定频率范围内材料的有效弹性模量为负值，从而消除材料弹性引起的共振和临界频率的吻合效应。2、吸声材料的降噪机理与分类吸声是指声波传播到某一边界面时，一部分声能被边界面反射(或

5、散射)，一部分声能被边界面吸收(不考虑在媒质中传播时被媒质的吸收)，这包括声波在边界材料内转化为热能被消耗掉或是转化为振动能沿边界构造传递转移，或是直接透射到边界另一面空间。对于入射声波来说，除了反射到原来空间的反射(散射)声能外，其余能量都被看作被边界面吸收”1。吸声机理：首先是粘滞性和内摩擦作用。由于声波传播时的质点振动速度各不相同，使相邻质点间产生相互作用的粘滞力或内摩擦力，从而使声能转化为热能。其次是热传导效应。由于声波传播时媒质质点的疏密程度不同，因而媒质温度也各处不同，从而使相邻质点间产生了热量传递，使声能不断转化为热能。上述两种情况在媒质界面处作用最强烈，其中粘滞作用是主要的。大

6、多数材料都有一定的吸声能力，一般把6个频率下(125Hz、250 Hz、500 Hz、1000Hz、2000Hz、4000Hz)平均吸声系数大于02的材料称为吸声材料，平均吸声系数大于056的材料称为高效吸声材料。吸声性能好的材料一般为轻质、疏松、多孔结构。吸声材料按吸声机理可分为共振吸声材料和多孔吸声材料两大类。通常所说的吸声材料多指多孔性吸声材料。(1)共振吸声材料共振吸声材料的吸声机理为材料外部空间与内部腔体通过窄的瓶颈连接，声波入射时，颈部的空气和内部空间之间产生剧烈的共振作用损耗了声能。共振吸声材料或称共振吸声结构，分薄板吸声、共振吸声、穿板孔吸声、微穿孔板吸声等多种。共振吸声结构不

7、是采用纤维性吸声材料，而是采用铝板、钢板、塑料板等材料制成，因此不怕水和潮气，防火，清洁，无污染，耐高温，能承受高速气流的冲击。共振吸声结构的不足之处是吸声频带窄，在共振频率附近，吸声系数很高，可接近于1，但当偏离共振峰，吸声系数迅速下降，因此只适用于吸收中低频的单频声音。这也是长期以来共振吸收材料结构在吸声材料领域不能替代纤维吸声材料的原因。在共振吸声材料结构中，惟有微穿孔板结构具有宽频带吸声的趋势，大有希望弥补共振吸声频带窄的不足。(2)多孔吸声材料由惠更斯原理可知：声源的振动引起波动，波动的传播是由于介质中质点间的相互作用。在连续介质中，任何一点的振动，都将直接引起邻近质点的振动。声波在

8、空气中的传播满足此原理。多孔吸声材料具有许多微小的间隙和连续的气泡，因而具有一定的通气性。当声波入射到多孔材料表面时，主要是两种机理引起声波的衰减：首先是由于声波产生的振动引起小孔或间隙内的空气运动，造成和孔壁的摩擦，紧靠孔壁和纤维表面的空气受孔壁的影响不易动起来，由于摩擦和粘滞力的作用，使相当一部分声能转化为热能，从而使声波衰减，反射声减弱达到吸声的目的；其次，小孔中的空气和孔壁与纤维之间的热交换引起的热损失，也使声能衰减。另外，高频声波可使空隙间空气质点的振动速度加快，空气与孔壁的热交换也加快，这就使多孔材料具有良好的高频吸声性能。多孔材料吸声的必要条件是：材料有大量空隙，空隙之间互相连通

9、，孔隙深入材料内部。一般的多孔吸声材料具有高频吸声系数大、比重小等优点，但低频吸声系数低；共振吸声结构材料的低频吸声系数高，但加工性能差。虽然多孔吸声材料存在一些不足，但由于其取材范围广，加工制造工艺相对简单，并且随着一些新型多孔泡沫材料的研究成功其低频吸声性能已得到很大提高，因此多孔吸声材料成为目前应用最广泛的吸声材料。3、多孔吸声材料的分类多孔吸声材料按其选材的柔顺程度分为柔顺性和非柔顺性材料，其中柔顺性吸声材料主要是通过骨架内部摩擦、空气摩擦和热交换来达到吸声的效果；非柔顺性材料主要靠空气的粘滞性来达到吸声的功能。多孔吸声材料按其选材的物理特性和外观主要分为有机纤维材料，无机纤维材料，金

10、属吸声材料、和泡沫吸声材料四大类。（1）有机纤维材料早期使用的吸声材料主要为植物纤维制品，如棉麻、毛毡、甘蔗纤维板、木质纤维板、木丝板以及稻草板等有机天然纤维材料。有机合成纤维材料主要是化学纤维如晴纶棉、涤纶棉等。这类材料的优点是成本低，在中、高频范围内具有良好的吸声性能，但防火、防腐、防蛀、防潮等性能较差。这使得该类材料在环境稍微恶劣的地方使用都会受到限制。（2）无机纤维材料无机纤维材料有玻璃棉、玻璃丝、膨胀珍珠岩砌块、矿渣棉和岩棉及其制品。无机纤维吸声材料不仅具有良好的吸声性能而且具有质轻、不燃、不腐、不易老化、价格低廉等特性，因此替代了天然纤维的吸声材料，在声学工程中获得一定的应用。但是

11、，无机纤维吸声材料的同样存在缺点，就是在施工安装的过程中因纤维性脆，容易折断形成粉尘散逸而污染环境、影响呼吸、刺痒皮肤，且软性结构，表面需有保护层，如穿孔板、透气织物等进行保护和装饰，构造比较复杂，体积大，储存和运输麻烦，受潮后吸声性能急剧下降“21等而使其应用受到限制。（3）金属吸声材料金属吸声材料是一种新型实用工程材料，于七十年代后期出现于发达工业国家。值得注意的是金属纤维材料的出现，解决了传统纤维吸声材料的很多难题。金属纤维吸声材料具有强度高、耐高温和耐水性好等优点，特别适用于室外高架轻轨道路屏障、冷却塔、热泵机组、隔声罩等吸声降噪以及室内游泳池、体育馆等吸声装饰。如今比较典型的金属吸声

12、材料是铝纤维吸声板和变截面金属纤维材料。金属纤维材料具有单一材料吸收高频噪声的性能优异，在配合微穿孔板或增加空气层后，金属纤维材料的低频吸声性能得到明显改善；抗恶劣工作环境的能力强；在高温、油污、水汽等条件下仍可以作为理想的吸声材料。（4）泡沫吸声材料泡沫吸声材料的研究已经涉及到金属材料、高分子材料、无机材料和有机无机复合材料，它们各具特色和实用价值。泡沫材料根据泡孔形式的不同，可分为开孔型泡沫材料和闭孔型泡沫材料。开孔型泡沫泡孔是相互连通的，属于吸声泡沫材料，如吸声泡沫塑料、吸声泡沫玻璃、吸声陶瓷、吸声泡沫混凝土等。闭孔型泡沫泡孔是封闭的，泡孔之间是互不相通的，其吸声性能很差，属于保温隔热材

13、料，如聚苯乙烯泡沫、隔热泡沫玻璃、普通泡沫混凝土等。多孔泡沫吸声材料除了按泡孔的形式分为开孔和闭孔两种之外，还可以依据材料的物理和化学性质的不同分为：泡沫金属、泡沫玻璃、吸声陶瓷、有机无机复合泡沫、泡沫塑料等吸声材料。(a)泡沫金属吸声材料泡沫金属是一种新型多孔材料，经过发泡处理在其内部形成大量的气泡。这些气泡分布在连续的金属相中构成孔隙结构。所以泡沫金属把连续相金属的特性如强度大、导热性好、耐高温等与分散相气孔的特性如阻尼性、隔离性、绝缘性、消声减震性等有机结合在一起，同时泡沫金属还具有良好的电磁屏蔽性和抗腐蚀性能。泡沫金属的研究最早始于上个世纪40年代末期，起初由于制作工艺的限制，制约了它

14、的发展。从泡沫金属的出现到7080年代，研究主要集中在泡沫金属的制备工艺。我国对泡沫金属的研制始于80年代。目前泡沫金属研究得到很大发展，已经涉及到的金属包括A1，Ni，Cu，Mg等。泡沫金属主要包括泡沫铝和泡沫镍，其难点在于工艺的制备，目前对于泡沫铝主要采用真空渗流法和添加发泡剂发泡法制造15，泡沫镍是主要是采用电沉积法在高聚物发泡体上电镀来制备的。(b)泡沫玻璃吸声材料泡沫玻璃是21世纪世界各国崛起的新型建筑、高层及超高层建筑物理想的培体吸音、保温、隔断材料。泡沫玻璃是以玻璃粉为原料，加入发泡剂及其它外掺剂经高温焙烧而成的轻质块状材料，其孔隙率可达85以上。泡沫玻璃具有质轻、不燃、不腐、不

15、易老化、无气味、受潮甚至吸水后不变形、易于切割加工、施工方便和不会产生纤维粉尘污染环境等优点，非常适合于要求洁净环境的通风和空调系统的消声。泡沫玻璃适用于候车室、商场和展览大厅，用作平顶和墙面装饰，降低混响、提高广播清晰度。利用其良好的耐水和抗老化性能，可用在潮湿环境和风吹雨淋的露天条件下，如游泳馆、地铁、道路声屏障等。(c)有机无机复合泡沫吸声材料将聚氯乙烯(Pv C)、增塑剂、防老剂、发泡剂等原料按一定的配比混合均匀后，加入一定量的岩棉，然后在开放式炼塑机上进行混炼，再将混炼好的材料放入模具，在烘箱中升温发泡后得到聚氯乙烯岩棉泡沫材料。这是一种既含有机物又含无机物的复合泡沫材料。李旭祥、席

16、莺等从多孔无机吸声材料的特点出发，制得发泡聚氯乙烯无机物混合吸声材料，利用无机材料优良的低频吸声性能来改善发泡聚合物材料的低频吸声。纯聚氯乙烯泡沫塑料在低频处吸声系数相当小，而聚氯乙烯岩棉泡沫材料则在低频处有一吸收峰。这是因为岩棉纤维共振产生摩擦，将声能转化为热能。所以，PVC岩棉复合泡沫材料极大地改善了中低频吸声性能。研究发现，在聚氯乙烯岩棉复合泡沫吸声材料中加入丁氰橡胶(NBR)后，吸声性能将发生一定的变化。随着NBR用量的增加，高频吸声系数显著下降，而低频吸声系数有所上升。这是因为PVC发泡材料高频吸声系数高，低频吸声系数低。而NBR材料高频吸声系数低，低频吸声系数高，两种材料共混时，吸

17、声性能介于二者之间。PVCNBR岩棉复合吸声材料综合了多孔吸声材料和共振吸声材料的优点，具有低频吸声系数高、适用频率范围宽、可加工性能好、工艺简单、成本低等优点。广泛适用于工业和民用建筑等领域。其缺点是制备过程中用到岩棉，会产生纤维粉尘污染。(d)泡沫塑料吸声材料采用不同的树脂和发泡方法可制成性能各异的泡沫塑料吸声材料。泡沫材料表面富含微孔，入射声波在表面的反射作用降低。同时，材料内部具有许多的孔洞使界面增加，进入材料内部的声波会引起孔隙内空气的振动，从而使入射声能一部分乃至全部消耗，达到吸声的效果。发泡吸声材料具有适用频率较宽、成本低、容重小、防潮、吸声性能稳定等优点，而且微孔的引入可改善材

18、料的韧性和耐疲劳性。钱军民等以聚氯乙烯和乙丙橡胶等为主要原料制成的聚合物基泡沫吸声材料具有优异的中低频吸声性能。此材料与一般多孔性吸声材料相比，它具有优异的低频吸声性能，克服了一般多孔性吸声材料低频处吸声性能欠佳的不足。该材料还具有生产成本低、工艺简单、阻燃防腐、使用寿命长、质轻等优点。用EPR橡胶改性后的聚丙烯泡沫材料具有良好的吸声性能。当交联剂用量为067时，所得泡沫材料最大吸声系数达094咖1。在此基础上借鉴微穿孔吸声理论而研制的泡沫材料微穿孔吸声体在中低频区的最大吸声系数达098以上。“。另外还有人在研究聚偏氟乙烯泡沫，这种被称作第二代智能泡沫的材料具有很好的吸声性能。采用乙丙橡胶和无

19、机纤维复合聚氯乙烯，经一次化学发泡制成中低频吸声性能优良的微泡复合材料，最佳工艺条件下制出的材料试样吸声性能再现性好，平均吸声系数在04以上。4、聚氨酯泡沫塑料的发展概况聚氨酯(PUR)是由异氰酸酯与多元醇反应而制成的一种具有氨基甲酸酯链段重复结构单元的聚合物。PUR制品分为发泡制品和非发泡制品两大类，发泡制品有软质、硬质、半硬质泡沫塑料；非发泡制品包括涂料、粘合剂、合成皮革、弹性体和弹性纤维等。PUR材料性能优异，用途广泛，制品种类多，其中尤以PUR泡沫塑料的用途最为广泛。聚氨酯泡沫塑料是聚氨酯材料中用量最大的品种之一，聚氨酯泡沫塑料在聚氨酯制品中所占的比例超过50。聚氨酯泡沫塑料性能优良，

20、它的特征是多孔性，密度低，比强度高。在各种类型的泡沫塑料市场中，聚氨酯泡沫占50以上。和其它泡沫材料相比，聚氨酯泡沫塑料在性能上具有许多特色，除密度低外，还具有无臭、透气、高绝热性(硬泡)、泡孔均匀、耐老化、一定的耐有机溶剂侵蚀等特性，对金属、木材、玻璃、砖石、纤维等有很强的粘附性，这些特性都为其它泡沫材料所不及的。因此，聚氨酯泡沫塑料受到了各应用部门的欢迎。在保温材料领域，聚氨酯泡沫塑料已形成较为稳固的市场地位。聚氨酯泡沫塑料于1947年在联邦德国首先研制成功，硬泡用作轻质高强度夹层航空材料，雷达结构的核心材料等。软泡研制成功比硬泡晚些，直至1952年才有联邦德国报道了软质泡沫的研究成果。价

21、格较低的聚醚多元醇在20世纪60年代的大工业化生产，进一步促进了软泡和硬泡的工业化发展。1961年，采用蒸汽压较低的多异氰酸酯PAPI制备硬质聚氨酯泡沫塑料，提高了制品的性能，减少了施工时的毒性，大量用于现场喷涂工艺，使硬质泡沫塑料的应用范围得到进一步扩大。我国泡沫塑料的生产始于20世纪50年代中后期，主要产品是软质泡沫塑料。PUR泡沫塑料工业发展至今已有40余年，60年代中期，我国开始生产硬质泡沫塑料，主要用于船舶、冷库、石油化工管道的保温等。80年代是我国泡沫塑料高速增长的阶段，制品产量不断增长，年增长率达25。90年代，我国基本原料、助剂及制品得到了快速发展，引进了180200套先进的发

22、泡设备，大幅度提高了泡沫塑料制品的生产能力和年产量，使生产能力提高到20万吨以上，泡沫塑料的年均增长率为2030。2002年我国泡沫塑料产量(规模以上企业)达到6684万，创历史新高，同比增长215，是各类塑料制品中增长较快的一类，其产量约占塑料制品总产量的53。2003年我国泡沫塑料的产量达到近80万吨。泡沫塑料是塑料制品中的重要类别，品种繁多，在工业、农业、建筑业和日常生活中具有广泛的用途。随着石油化工和塑料制品业的迅速发展，我国泡沫塑料的产量增长较快，根据哥本哈根国际会议禁用氟利昂发泡剂的决议，我国必须加快寻找其替代品的步伐，尽早实现全部替代。同时，要开发高阻燃性、低烟雾泡沫塑料，加强结

23、构发泡和高承载泡沫塑料的研制和推广应用，为各行业在新世纪的发展提供有力的支撑和保障。我国在泡沫塑料生产技术和产品种类方面也取得较大进展。软质块状泡沫塑料从拱顶法发泡改为平顶法发泡和垂直发泡，提高了泡沫塑料的利用率，减少了废料。而且品种日趋多样化，除不同密度与硬度的系列产品外，还可进一步加工制得复合泡沫塑料、多层贴合泡沫塑料、功能泡沫塑料，如黑色泡沫塑料、吸音泡沫塑料、阻燃泡沫塑料、抗静电泡沫塑料、防辐射泡沫塑料、家庭洗涤用仿天然海绵泡沫塑料、网状泡沫塑料等。随着我国经济的发展，泡沫塑料的年增长率将以二位数上升，发展方向将集中于低成本的低密度产品。泡沫塑料是最重要的制品，其用途广泛，性能优良。软

24、质泡沫塑料和半硬质泡沫塑料主要用于家具衬垫与装饰材料、车用垫材、地毯底衬、服装衬里、建筑吸音材料、体育垫材。以及床垫和仪器包装材料等方面。其中，模塑软质泡沫塑料的主要用途是汽车座椅垫材及摩托车、自行车座垫等；而硬质泡沫塑料主要用于冰箱、冷库行业作隔热保温材料，占硬质泡沫塑料总消费量的575。我国是世界上最大的冰箱生产国，1998年消耗硬质泡沫塑料8万10万吨，用作石油输送管道、化工贮罐及工业设备的隔热材料占15建材是硬质泡沫塑料的另一较大的应用领域，2000年建筑业消耗硬质泡沫塑料达7万吨以上。由于我国建筑业发展迅猛，用于建筑隔热、吸声、装饰材料及活动房等的泡沫塑料占10；用于交通运输的绝热材

25、料占10；其它占75，其中家具、服装、自行车等消耗量较大。我国在市场需求方面与发达国家的不同点是，国外硬质泡沫塑料主要消费于建筑业，占硬质泡沫塑料消费量的50以上，而我国大多用于冰箱、冷库，用于建筑业的保温材料尚处于初始阶段。新技术开发注重环保，作为一个年均增长率长期高于全球经济增长率的产业，工业迅猛发展的势头有赖于其技术的快速发展及应用领域的不断拓展。在众多新产品的开发中，发泡剂的研究工作尤为引人关注。根据蒙特利尔协议的要求及修订后的我国消耗臭氧层物质逐步淘汰国家方案，泡沫塑料行业应在2010年前完全停止使用氯氟烃类化合物作为发泡剂。因此，开发全新的发泡剂替代物已成为各科研机构研究的重点。软

26、质泡沫塑料生产中的替代大多以二氯甲烷路线作为过渡。在零ODP替代路线中，以二氧化碳发泡的技术进步最快。采用戊烷及二氯甲烷发泡可以制得具有良好皮层的自结皮泡塑料产品，但该方法在安全生产方面所需的严格措施与代价令企业难以普遍接受。新一代的零ODP物质如1，1，1，3，3-五氟丙烷(HCFC一245fa)和1，l，1，3，3一五氟丁烷(HFC一365fmc)可望成为较理想的最终替代物质。硬质聚氨酯泡沫塑料行业面临着严峻的考验一禁止使用具有臭氧破坏效应的卤化氟烃，特别是三氯一氟甲烷(CFC-11)。10多年来，以零或低ODP值的发泡剂替代氯氟烃是聚氨酯泡沫塑料行业的主要课题，促使泡沫塑料生产技术及工艺

27、发生重大变化。在聚氨酯硬泡中，常用的CFC-ll替代发泡剂主要有HCFC一141b为代表的HcFc类发泡剂，以戊烷为代表的烃类发泡剂以及水和氢氟烃化合物(HFC)等。HCFC一141b虽具有与CFC一11相近的绝热性及良好的发泡性能，但由于分子内仍含有对臭氧层产生破坏作用的氯原子，仅是一种过渡性的发泡剂；HFC类发泡剂虽被北美等一些国家视为有望能最终取代CFCs的物质，然而其原料制造难度太大、价格成本较高而大大限制了它在实际工业中的应用。碳氢类发泡剂虽也具有良好的发泡性能，但由于自身易燃、易爆，对现场设备要求比较高，难以在中小型企业广泛适用。以水作发泡剂，实际上是以水和异氰酸酯反应生成的CO。

28、气体作发泡剂，其臭氧破坏效应ODP值为零，无毒副作用，因此水是最具吸引力的CFC-11最终替代物。而且，全水发泡泡沫制备工艺简便，对设备的要求很低，可沿用CFC-11体系的设备，具有广阔的市场前景。因此，在硬质泡沫塑料方面，对于导热系数要求不是特别严格的场合，采用全水发泡是一种较为简便的选择，对于要求较高的场合(建筑板材)替代问题比较复杂。在研究发泡剂的同时，也在原料的选择、工艺路线的优化及韧性改善等方面进行深入研究。但是，全水发泡体系与CFC一11体系相比存在许多不足，诸如组合聚醚粘度比较大，泡沫尺寸稳定性比较低，导热系数偏高等，从而限制了全水发泡聚氨酯泡沫的推广和应用嘲。除了上述缺点之外，随着全水发泡中水用量增加，消耗的异氰酸酯也随之增多。另外，生成大量的含脲键的物质容易造成泡沫体发脆、与基材粘接性差等缺点。不过，这些缺陷均可通过聚醚改性和配方优化得以改善，这也是目前世界上许多国家竞相研究的主要课题之一。