有機修飾對泡沫陶瓷吸聲性能影響的研究

朱華清 梁華銀

（景德鎮(zhèn)陶瓷學院材料科學與工程學院，江西景德鎮(zhèn)333403）

有機修飾對泡沫陶瓷吸聲性能影響的研究

朱華清 梁華銀

（景德鎮(zhèn)陶瓷學院材料科學與工程學院，江西景德鎮(zhèn)333403）

分析了泡沫陶瓷材料的吸聲性能缺陷及原因，研究有機修飾對泡沫陶瓷吸聲性能的影響。采用浸漿法制備泡沫陶瓷，利用浸漬氯丁橡膠溶劑（體積比，氯丁橡膠∶溶劑油=1∶1）對泡沫陶瓷進行有機修飾，測試結(jié)果表明，隨著修飾厚度按10mm、20mm、30mm、40mm增加，平均吸聲系數(shù)分別提高了11%、22.3%、22%、94%。

泡沫陶瓷，浸漿法，有機修飾，吸聲系數(shù)

1 前言

泡沫陶瓷是利用陶瓷原料在高溫或低溫條件下采用發(fā)泡劑發(fā)泡并在高溫條件下燒結(jié)而成的陶瓷材料，具有孔隙率高、性能穩(wěn)定、防火、耐腐蝕、加工方便等優(yōu)良特性，非常適合用作高溫、高濕、強腐蝕等環(huán)境條件下的功能材料。吸聲材料領(lǐng)域的綜合研究表明，無纖維化吸聲材料已經(jīng)成為該領(lǐng)域的研究發(fā)展趨勢，眾多國內(nèi)、國際聲學研究機構(gòu)和聲學材料生產(chǎn)企業(yè)都在積極研究開發(fā)新型的無纖維吸聲材料，各種有機、無機、復合的泡沫材料成了吸聲降噪領(lǐng)域的研究熱點，而泡沫陶瓷作為良好的無機、無纖維的吸聲材料受到廣大研究人員的青睞，但其吸聲性能方面存在的缺陷卻給它的推廣應用帶來了巨大阻力[1-3]。泡沫陶瓷材料的吸聲缺陷主要表現(xiàn)在吸聲系數(shù)和吸聲頻帶兩個方面，未經(jīng)任何表面處理的泡沫陶瓷的平均吸聲系數(shù)一般不超過0.3，因為孔隙表面過于平滑，微孔隙減少，比表面積也隨之降低，導致粘滯吸收作用大大削弱，聲波反射增強，這些都直接降低了材料的換能效率，由聲波激勵起的材料內(nèi)部空氣的劇烈運動難以高效地完成由動能向熱能的轉(zhuǎn)換，吸聲系數(shù)必然下降；泡沫陶瓷材料的吸聲頻帶主要集中在中高頻段，這主要是由于高頻噪聲在接觸到吸聲材料后僅有一部分能量集中于入射方向，并且這部分能量在遇到硬壁面反射后再次入射并產(chǎn)生散射，而另一部分能量在其它方向上（材料內(nèi)部）均勻耗散，而低頻聲在第一次入射后大部分能量集中于入射方向，反射后依然如此，導致被吸收的能量大大降低[4-9]。有機修飾不但可以提高泡沫陶瓷粘滯系數(shù)，還可以拓寬吸聲頻帶，從而達到提高吸聲系數(shù)的目的。

2 實驗

采用瓷石、方解石、滑石粉、白云石、膨潤土、長石為泡沫陶瓷原料(見表1)，經(jīng)過篩處理后加水制成濃漿，注于填充羧甲基纖維素的模型中，干燥成型后于1260℃燒成泡沫陶瓷板。將泡沫陶瓷板磨削成直徑為100mm、厚度分別為40mm、30mm、20mm、10mm的圓板，浸漬氯丁橡膠溶劑（體積比，氯丁橡膠∶溶劑油=1∶1）后瀝干，用遠紅外燈烘烤約2小時制得試樣。

3 吸聲性能測試

表1原料與試劑Tab.1 Raw materials and reagents

根據(jù)波管法測試吸聲系數(shù)的原理，用AWA6122+雙通道電聲測試儀（見圖1）測試試樣在有機修飾前后的吸聲系數(shù)。將試樣安放在試樣筒中，探測滑塊移到和音箱緊貼位置，移動儀器屏幕上的光標，到中心頻率（倍頻帶）為125Hz的第一個谷值位置，緩慢移動探測滑塊，同時觀察聲壓級，將滑塊停在聲壓級為一個極小值的位置，讀取聲壓級數(shù)據(jù)，再移動探測滑塊到聲壓級為極大值的位置并讀取聲壓級數(shù)據(jù)。繼續(xù)移動探測滑塊直到測試三組數(shù)據(jù)為止，再依次測試中心頻率為250Hz、500Hz、1000Hz、2000Hz、4000Hz，最后計算各中心頻率下的吸聲系數(shù)。

4 結(jié)果與討論

4.1 泡沫陶瓷材料吸聲特點

隨著噪聲中心頻率向高頻移動，泡沫陶瓷試樣的吸聲系數(shù)逐步增加，1000－2000 Hz附近增加率最大。因為這是中高頻的邊界，聲波波長在0.17～0.34m之間，根據(jù)散射波長公式λ＝2 πr0、λ＝2 πr0/3、λ＝2 πr0/5可知聲波完全衍射、散射、極大散的射波長分別為0.314m、0.105m、0.063m，從材料的尺寸可以判斷該頻段聲波在泡沫陶瓷試樣表面產(chǎn)生了一定散射，聲強指向性變得非常復雜，聲能在泡沫陶瓷材料內(nèi)部產(chǎn)生較大的粘滯吸收，超過一半以上的能量在透射后遇到測試筒的硬壁面產(chǎn)生反射，反射聲波再次進入泡沫陶瓷，聲能再次被吸收[10]。而1000Hz以下的聲波在材料表面產(chǎn)生的散射很微弱，透射聲場的能量基本上等于入射聲能，聲能在材料內(nèi)部的吸收很小，導致吸聲系數(shù)很小。這與圖2中四種厚度的泡沫陶瓷材料的吸聲曲線的變化趨勢完全吻合。

4.2 厚度對吸聲性能的影響

對于柔性材料，隨著厚度的增加，中低頻吸聲系數(shù)顯著增加，而高頻吸聲系數(shù)則基本上保持不變。從圖2來看，對于泡沫陶瓷試樣，隨著厚度的增加中低頻吸聲系數(shù)只出現(xiàn)微弱的增加趨勢，而中高頻帶增加明顯，在高頻帶圖線糾結(jié)在一起，說明厚度的增加到一定程度后對吸聲系數(shù)已經(jīng)沒有多少影響。這依然可以用散射理論解釋，中低頻帶聲波在材料內(nèi)部的散射非常微弱，聲能的指向性與入射一致，而中低頻帶開始變得復雜，聲能在材料內(nèi)部的各個方向耗散而產(chǎn)生較大的吸收。從圖2中還可以看出，當厚度增加到33mm后，低頻帶吸聲系數(shù)增加不再明顯，室內(nèi)吸聲處理也很少會使用更厚的材料。

4.3 有機修飾的影響

4.4 粘滯吸收的影響

聲波入射后，引起泡沫陶瓷內(nèi)部空氣振動，氣流之間、空氣與孔隙筋絡表面的修飾材料產(chǎn)生粘滯摩擦，進行第一次耗能作用，如果聲波直接向材料另一側(cè)透射會導致粘滯摩擦次數(shù)的減少，聲能轉(zhuǎn)化效率降低，吸聲系數(shù)下降，增加材料末端聲阻抗可以提高反射系數(shù)，使聲波在材料內(nèi)部進行多次反射，才能大大增加材料的粘滯吸收，達到聲能的多次損耗，提高材料的吸聲系數(shù)。當聲波入射到泡沫陶瓷內(nèi)部時，氣體的粘滯吸收可分為切變粘滯吸收和體積粘滯吸收，當入射聲波的頻率處在低頻帶時，切變粘滯吸收居主，反之體積粘滯吸收居主[12]。以厚40mm泡沫陶瓷為例進行有機修飾前后的吸聲系數(shù)對比分析（如圖3）發(fā)現(xiàn)，隨著有機修飾的厚度增加，中低頻帶吸聲系數(shù)均有一定提高，但大部分作用效小，對高頻帶吸聲系數(shù)提高作用較明顯，在有機修飾厚度為10mm、20mm、30mm、40mm時平均吸聲系數(shù)分別為19.3%、21.3%、21.2%、33.8%，相對未修飾的泡沫陶瓷的平均吸聲系數(shù)為17.4%，分別提高了11%、22.3%、22%、94%，并且隨著修飾厚度的增加吸聲系數(shù)增加明顯。

5 結(jié)論

由于受材料特性的限制，泡沫陶瓷材料的吸聲系數(shù)較低，試驗制備的泡沫陶瓷的平均吸聲系數(shù)為17.4%；采用氯丁橡膠溶劑修飾結(jié)果表明，隨著修飾厚度按10mm、20mm、30mm、40mm增加，吸聲系數(shù)分別提高了11%、22.3%、22%、94%。

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3姜洪源，武國啟，耶·阿·伊茲儒勒夫.金屬橡膠材料吸聲特性研究.聲學學報,2008.33(4):334～339

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12 L.J.F.Broer.Pressure effects of relaxation and bulk viscosity in gas motion.Appl.Sci.Res.A,Vol.5:55～64

Abstract

The deficiency of foam ceramics in sound-absorbing performance and the reason were analyzed,and the influence of polymer-modifying on the sound-absorbing performance was studied.Foam ceramics were prepared by dip-coating,and modified by the solvent of neoprene rubber (the volume ratio of neoprene rubber to solvent naphtha is 1∶1).Soundabsorbing coefficient test indicates,with the thickness increasing to 10mm,20mm,30mm and 40mm,the average coefficient was up 11%,22.3%,22%and 94%.

Keywords foam ceramics,dip-coating,polymer-modifying,sound-absorbing coefficient

RESEARCH ON SOUND-ABSORBING PERFORMANCE OF POLYMER-MODIFIED FOAM CERAMICS

Zhu Huaqing Liang Huayin
(School of Material Science and Engineering,Jingdezhen Ceramic Institute,Jingdezhen Jiangxi 333403.China)

TQ174.75

A

1000-2278（2010）04-0623-04

2010-09-08

朱華清