多孔泡沫吸声材料的研究
多孔泡沫吸声材料除了按泡沫孔的形式分为开孔型和闭孔型两种之外,还可以依据材料的物理和化学性质的不同分为:泡沫金属、泡沫塑料、泡沫玻璃、聚合物基复合泡沫等吸声材料[17～19 ] 。
3. 1 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,使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,制约了它的发展。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Al 、Ni 、Cu、Mg 等,其中研究最多的是泡沫铝及其合金。
3. 1. 1 泡沫金属的制备工艺
泡沫金属的制备方法有多种,大体上可分为直接法(发泡法) 和间接法两种。所谓直接法,就是利用发泡剂直接在熔融金属中发泡,或者利用化学反应产生大量气体在制品凝固时减压发泡。间接法是以高分子发泡材料为基材,采用沉积法或喷溅法使之金属化,然后加热脱出基材并烧结。除以上方法外,制备泡沫金属的方法还有渗流铸造法、粉末冶金法、电沉积法等。下面以泡沫铝为例,介绍三种典型的制备工艺:加拿大Cymat 铝业公司用Alcan 工艺制备泡沫铝,如图2 所示。
把空气通入熔融金属中,搅拌使气泡均匀化,气泡的大小可以通过改变气流速度、喷嘴的数量和尺寸、叶轮的旋转速度来控制。金属发泡后被输送到传送带上冷却固化,经切割得到所需要的产品。熔融金属中需要加入细小的陶瓷颗粒增加其粘度,以保证空气在金属内部发泡而不逃逸。Alcan 泡沫铝的气孔直径为3～25mm ,孔隙率为80 %～98 %。(a) 空气, (b) 回转炉, (c) 叶轮, (d) 气泡,(e) 熔融铝, (f) 隔板, (g) 固化的泡沫铝, (h) 传送带
图2 制备泡沫铝的Alcan 工艺示意图
日本ShinkoWire 公司生产Alporas 泡沫铝的过程大体为:首先把Ca( ω= 1. 5 %) 加入680 ℃下的熔融铝中,在此温度下Ca 被氧化成颗粒状的CaO 和CaAl2O4 ,它们分散到熔融金属中,可以增加金属的粘度和气泡的稳定性。然后把TiH2 (ω= 1. 6 %) 粉末加入熔融金属中,TiH2 分解后产生氢气使金属发泡,经过冷却、固化、脱模,得到尺寸为2050mm×50mm ×650mm的泡沫体,最后切成所需要的形状。该方法采用固体粉末发泡剂,它在放出气体前就与金属充分混合可以更有效地控制气孔的位置和大小,所以Alporas 泡沫铝比Alcan
泡沫铝孔径小,结构更均匀。通过改变TiH2 的含量和发泡冷却条件,所得到的Alporas 泡沫铝孔径为0. 5～5mm ,孔隙率为84 %～93 %。
图3 真空渗流铸造法工艺原理
图4 铸型结构 国内余欢等人研究开发了采用真空渗流法制备多孔泡沫铝合金的技术,其制造工艺如图3 所示。首先,将工业用盐破碎、筛分、烘烤,然后将所需颗粒装入铸型(铸型结构见图4) 中,铸型在540 ℃下预热2 小时左右;对真空室预抽真空,达到规定的真空度后,将铸型从保温炉内取出,置于浇注室,浇注金属液(ZL102 合金,浇注温度720 ℃) 并迅速打开连接预真空室和浇注室的阀门,铸型上端的金属液在一定的压力差下完成渗流充型。由于盐颗粒为多角形,故该法得到多角形多孔铝合金。对于直径在0. 8～1. 2mm 的颗粒材料,真空度达到0. 07MPa 时,即可铸出Φ100mm ×100mm的试件;真空度达到0. 09MPa 时,铸出了Φ100mm ×300mm的试件;对于直径在0. 5～0. 7mm
的颗粒材料,真空度达到0. 095MPa 时,铸出Φ100mm ×100mm的试件。真空渗流法有利于细孔(孔径0. 4～0. 7mm) 多孔泡沫铝的成形,解决了目前渗流法难以制备细孔多孔泡沫铝合金的难题。
3. 1. 2 泡沫金属的吸声性能及其影响因素
泡沫金属中气泡的不规则性及其立体均布性产生了优良的吸声特性,与玻璃棉、石棉相比有很多优点。它是由金属骨架和气泡构成的泡沫体,为刚性结构,且加工性能好,能制成各种形式的吸声板;不吸湿且容易清洗,吸声性能不会下降;不会因受振动或风压而发生折损或尘化;能承受高温,不会着火和释放毒气。泡沫金属不仅在高频区,而且在中、低频区也具有较好的吸声性能。
泡沫金属的吸声性能受很多方面因素的影响,如气孔分布的均匀程度,孔径和孔隙率的大小,泡沫材料的厚度等。以泡沫铝为例,对于不同结构尺寸的泡沫铝样品来说,在同一频段的吸声系数的变化是不规则的,有的频段是大孔径高,有的频段是小孔径高,空隙率变化之后,吸声系数在同一频段的变化也不规则。但从综合的效果来看,泡沫铝的吸声性能仍具有较强的结构敏感性,随着孔的分布均匀、孔径的减小、空隙率的增加,试样各频段的综合吸声系数均有升高的趋势,并且随着试样厚度的增加, 其吸声较好的频率范围向低频方向扩展。国内还有人对泡沫铝的水下声吸收特性及影响因素进行了研究,发现泡沫铝同时具有较好的水声吸声性能,并且分析了孔径、孔隙率、厚度对吸声性能的影响。泡沫铝已经成功应用于空压机房、列车发动机房、声频室、施工现场等吸声领域,并取得了很好的效果。
3. 2 泡沫塑料吸声材料
与其它的多孔吸声材料相比,泡沫塑料产品拥有良好的韧性、延展性及耐热性能,同时其吸声性能也很突出,是一种理想的隔热吸声材料。
3. 2. 1 聚氨酯泡沫塑料
聚氨酯泡沫塑料(PUF) 是一种新型系列化吸声材料,按照气孔形式不同,也分为闭孔型和开孔型两类。闭孔聚氨酯泡沫主要用于隔热保温,开孔的则用于吸声。PUF 无臭、透气、气泡均匀、耐老化、抗有机溶剂侵蚀,对金属、木材、玻璃、砖石、纤维等有很强的粘合性。特别是硬质聚氨酯泡沫塑料还具有很高的结构强度和绝缘性。目前我国已开发研制并生产了阻燃聚氨酯泡沫塑料板。该产品正面有一层不影响吸声的阻燃薄膜覆盖,防止灰尘和油水浸入堵塞泡孔。反面涂有不干胶,安装时可直接粘贴。聚氨酯泡沫塑料板是一种性能良好的强吸声体,具有阻燃性好、容重轻、耐潮、易于切割和安装方便等特点,适用于机电产品的隔声罩,吸声屏障,空调消声器,工厂吸声降噪,以及在影剧院、会堂、广播室、电影录音室、电视演播室等音质设计工程中控制混响时间。
3. 2. 2 其它泡沫塑料
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0. 67 时,所得泡沫材料最大吸声系数达0. 94。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0. 98 以上。另外还有人在研究聚偏二氟乙烯(Poly
VinyliDene Fluoride) 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。毛东兴等人对一种无纤维的聚氰胺酯泡沫的吸声性能进行了研究, 提出用Delany 模型对其声学性能进行分析,其理论计算结果与实验结果随着材料厚度的增加而越加符合,说明该泡沫材料的声学性能更接近于纤维类材料;该文还提出了一种提高低频段吸声性能的方法,即在材料表面涂敷一层薄膜,使材料的第一共振频率由原来的2000Hz 向低频偏移到1000Hz , 吸声性能向低频拓展了一个倍频程。
3. 3 泡沫玻璃吸声材料 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。按照材料内部气孔的形态可分为开孔和闭孔两种,闭孔泡沫玻璃作为隔热保温材料,开孔的作为吸声材料。表1为用驻波管法测量的不同厚度泡沫玻璃板的吸声系数。可以看出,泡沫玻璃板厚度的增加对吸声系数影响不明显,因此一般选用20～30mm 厚的板材,可以获得比较高的性价比。开孔型泡沫玻璃耐水性能好,所吸的水能自动流出,烘干后吸声性能变化不大。
表1 泡沫玻璃板的吸声系数
Frequency/Hz Frequency/Hz
30 60 80 120
100 0.07 0.16 0.24 0.40
200 0.16 0.58 0.57 0.54
250 0.22 0.58 0.52 0.46
400 0.50 0.50 0.50 0.48
500 0.58 0.46 0.51 0.50
800 0.59 0.48 0.42 0.52
1000 0.66 0.50 0.51 0.60
1600 0.55 0.60 0.56 0.57
泡沫玻璃具有质轻、不燃、不腐、不易老化、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。由于泡沫玻璃板强度较低,背后不宜留空腔,否则容易损坏,所以靠增加空腔来提高材料低频吸声性能的方法,其效果不佳。
3. 4 复合泡沫吸声材料
席莺等人将发泡聚合物同无机吸声材料的吸声特性相结合,通过化学发泡的方法使聚合物2无机物复合体系发泡,形成了一种新型的多孔性吸声材料———PVC (聚氯乙烯)2无机物复合泡沫材料。他们将原料PVC、增塑剂、防老剂、无机物(岩棉) 、发泡剂等组分按一定的配比混合(发泡剂应事先用丙酮分散) ,将其放入模具,并在190～200 °C的温度下进行发泡,待泡沫稳定后,取出模具,冷却脱模,即得到所需的产品。
聚氯乙烯/ 岩棉复合泡沫吸声性能优良(厚度为20mm时,平均吸声系数最大可达0. 63) ,较好地改善了纯聚氯乙烯泡沫塑料在低频处的吸声性能,且易加工成型。另外,它还可以通过改变配方和控制无机物粒径的方法来满足特定频率吸声的要求,可以适合不同建筑施工以及不同吸声降噪场合的要求。
进一步研究发现,在聚氯乙烯/ 岩棉复合泡沫吸声材料中加入丁腈橡胶(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,当两种材料共混时,吸声性能介于二者之间。PVC /NBR/ 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。
钱军民等人对EPR 改性PVC 泡沫材料进行了研究,分析了EPR(乙丙橡胶) 用量、发泡剂AC(偶氮二甲酰胺) 用量、泡沫材料厚度和发泡温度等因素对材料吸声性能的影响。体系中的EPR 是一种粘弹材料,具有柔性和长链大分子,性能介于固体的弹性和流体的弹性之间。当声波作用在它上时,材料的分子链段产生运动,重新构象有弛豫时间,其形变跟不上应力变化,产生滞后效应,损耗一部分能量。同