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高分子微粒声学材料的制备、性能及声学机理研究

周洪  
【摘要】: 材料是工程和高科技发展的基础,而作为材料领域后起之秀的高分子材料带来了材料及工程领域的重大变革。高分子微粒声学材料的制备、性能及声学机理研究,是本文提出的涉及颗粒声学材料和应用声学发展的创新思路,开展对它的研究具有重要的科学意义和广阔的应用前景。本文从材料声学特性的角度,将声学基础理论和材料结构密切联系,利用高分子材料多层次结构及性能的多样性,对其进行分子设计和材料设计,系统地研究了高分子微粒材料的声学性能与结构的关系,制备了新型高效的高分子微粒复合吸声材料。 本文首先研究了用于声学材料的高分子微粒的制备方法及结构控制方法,为研究高分子微粒声学材料提供了具有不同微观结构(孔隙率和表面形貌)的高分子微粒。通过分子设计,以含不饱和双键的聚氨酯预聚体PUA/IPUA为助剂,在反应单体的水-油-水(W/O/W)体系中,利用反相悬浮聚合制得了聚甲基丙烯酸甲酯/丙烯酸乙酯(PMMA/BA)多孔/中空微粒。运用光学显微镜、电导仪、比表面仪和扫描电镜(SEM)等手段对微粒形成过程以及形态特征的表征分析,揭示了微粒多孔/中空结构的形成机制:基团推动机制(GDM)。实验结果表明,含不饱和双键的聚氨酯预聚体PUA/IPUA的加入和体系的相演变过程对高分子微粒多孔/中空结构的形成具有决定性的作用。 另一条合成路线,从缩聚型单体出发,通过水溶性酚醛树脂O/W/O体系的悬浮聚合,制备了具有多孔/中空结构的酚醛树脂微粒。通过追踪反应过程发现,酚醛树脂的固化过程决定了微粒的最终结构,使得微粒具有典型的双分散的孔隙结构。通过体系配比的变化,可以获得具有不同多孔或中空结构的酚醛树脂微粒。 首次以PUA和IPUA体系制备的具有不同孔隙结构的PMMA/BA多孔/中空微粒以及酚醛树脂多孔/中空微粒等为研究对象,通过实验获得微粒材料的特征声阻抗和传播常数,探讨并研究了高分子微粒的声学特性和吸声性能。研究表明,相对于传统的多孔吸声材料,PMMA/BA多孔/中空微粒在低频范围内具有高的声能耗散能力,而具有致密表面的酚醛树脂多孔/中空微粒,由于不具有显著的亥姆霍兹共振腔效应和粘滞效应,吸声能力相对较差。另一方面,不具有这些效应的酚醛树脂多孔/中空微粒,能够最大程度地表现出高分子微粒材料在声波作用下的振动特性,从而揭示出高分子微粒材料的低频共振吸声机制。 为了深入研究高分子微粒材料的声学特性,和深刻理解相关的声学机制,依据牛顿第二定律、接触力定律和运动方程,系统分析高分子微粒在声场中的受力及颗粒速度等动力学特征,建立了高分子微粒的离散元(DEM)模型,用MATLAB语言编写了相应的程序,并对其进行仿真研究。研究结果表明:1)颗粒的转动是引起摩擦,导致其产生无规运动的原因;而颗粒平动速度的大小主要影响颗粒的粘滞耗能。颗粒的密度和粒径减小,刚度增加使颗粒体系能量耗散在较低的频率出现峰值,而峰宽变窄。2)高分子微粒群作为吸声单元,其吸声功能可以看成高分子微粒与空气间相互作用及微粒间的相互运动两部分耗散能量的集合,而微观上高分子微粒的相互运动耗散能量是颗粒受冲击、挤压及摩擦作用产生的结果,高分子微粒在这样的过程中实现对声能的耗散。3)离散元模型模拟结果可较好的吻合颗粒材料的吸声特性和解释、预测新材料的吸声性能。所建立的DEM模型的优势在于,模型中的输入参数可以根据实际或设计的微粒特征进行变化,这就有助于将模型广泛地应用于高分子微粒材料吸声性能的预测和研究,建立物理参数间的可靠联系,从而探寻微粒材料的吸声机制,为设计和优化高分子微粒吸声材料提供必要的反馈。4)通过专门设计的振动和声学实验,通过外场激励下高分子微粒的振动加速度的传递函数,研究高分子微粒的低频声学响应行为,获得与仿真模拟一致的结论。 依据阻抗匹配以及梯度渐进等相关声学原理,对高分子微粒吸声材料的组装以及性能进行了设计和研究。结果表明,单匹配层微粒材料能够有效地解决单层微粒材料特征阻抗和空气阻抗不匹配的问题,使得单匹配层微粒材料的整体吸声性能较单层微粒材料有一定的提高。但匹配层和耗散层的阻抗差异的明显存在,导致匹配层和耗散层界面反射仍然较大。而双匹配层微粒材料因为阻抗呈梯度变化,声能能够进入材料内部,逐渐被耗散。具有特性阻抗梯度渐进的高分子微粒吸声材料具有较好的吸声性能,通过调整匹配层和耗散层的设计厚度,可获得在要求厚度和一定频率范围内具有较好吸声性能的吸声材料。而结合双倍厚度法和多层材料吸声理论可预测和优化设计具有优良吸声性能的高分子微粒吸声材料。 具有柔性约束组装结构的高分子微粒吸声材料在中低频段出现吸收平台,特别是在500~1600 Hz范围内吸声性能突出,平均吸声系数在0.4以上,最大吸声系数可达0.92,具有良好的吸声效果。这样的吸声性能与声学聚氨酯泡沫的吸声效果相当,但其特点在于获得相同吸声系数所需材料厚度更薄,低频吸声效果更为突出。 首次采用废橡胶粉(RRP)材料,研发了一种新型的低成本实用高分子微粒复合吸声材料,巧妙地解决了噪声和环境污染的问题。研究发现,RRP具有突出的对低频声的耗散能力,但与空气阻抗的不完全匹配导致中高频吸声性能不佳。在考察了高分子多孔材料,穿孔板及组装方式对复合匹配RRP微粒材料的声学特征和吸声性能影响的基础上,根据阻抗匹配的思路,设计了以高分子穿孔板材料作为第一匹配层,聚氨酯泡沫作为第二匹配层,RRP微粒作为耗散层的梯度复合材料。所制备的高分子微粒复合材料,结合了传统的粘滞和共振耗散机制,具有突出的低频吸声性能和宽的吸收频带,并具有相当优异的性价比。本文创新性地运用声波传输分析法对高分子微粒复合吸声材料的吸声机制进行了理论分析,成功地建立了高分子微粒复合材料声学模型,实现了对高分子微粒复合材料的声学特性和吸声性能的预测,为设计和优化新型高分子微粒复合吸声材料提供了一条新思路,补充和发展了多层结构吸声材料的吸声机理。


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