樹脂基紡織空心結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的聲學(xué)性能試驗(yàn)研究*

初麗輝 丁志榮 匡 寧 溫 嬌 曾文敏

(1.南通大學(xué)紡織服裝學(xué)院，南通，226019;2.中材科技股份有限公司，南京，210012)

當(dāng)今，人們受到的噪聲污染越來越嚴(yán)重。噪聲污染已成為世界性問題，被列為三大污染之一［1］。噪聲給人類的健康帶來了很大的傷害，減少噪聲對人類的傷害迫在眉睫。因此，吸聲、隔聲材料的開發(fā)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，市面上的吸聲材料可以分為多孔吸聲材料、共振吸聲材料及微穿孔板吸聲材料三大類［2］。不少學(xué)者［3-7］對不同材料的吸聲、隔聲性能進(jìn)行了研究，并取得了一定的成果。

玻璃纖維織物具有一定的吸聲性能，并且在樹脂浸潤作用下具有良好的自展性能。試驗(yàn)過程中利用其自展性能使用樹脂浸漬織物加工形成復(fù)合材料，織物表面凹凸不平，可以提高其吸聲性能。整體中空復(fù)合材料不僅具有比強(qiáng)度、比剛度高，質(zhì)量輕，整體性、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等特點(diǎn)，而且由于其特殊的中空結(jié)構(gòu)，使其具有優(yōu)良的隔聲、隔熱性能［8-9］。但是目前對于該材料吸聲、隔聲性能的研究相對較少，李鴻順等［6］研究了不同高度、不同結(jié)構(gòu)中空復(fù)合材料的隔聲效果。本文通過選用不同的樹脂作為基體，用三維玻璃纖維機(jī)織物作為增強(qiáng)體，加工成整體中空復(fù)合材料，研究不同樹脂固化形成的產(chǎn)品的吸聲、隔聲性能，為以后開發(fā)具有良好吸聲、隔聲性能的復(fù)合材料提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料

環(huán)氧樹脂，稀釋劑(專用的稀釋液)，固化劑(GCC137):江蘇省昆山市綠循化工商行;不飽和樹脂，固化劑(HS-9004):常州華科樹脂廠;酚醛樹脂:鄭州亨通化工有限公司;濃鹽酸(試劑級)，丙酮(試劑級):西隴化工有限公司;5 mm中空玻璃纖維織物:中材科技股份有限公司。

1.2 樣品制備

紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料常用加工方法主要有手糊成型、真空輔助成型、纏繞成型等。試驗(yàn)過程中選用三維立體玻璃纖維織物作為增強(qiáng)材料，分別選用環(huán)氧樹脂、不飽和樹脂和酚醛樹脂三種樹脂作為基體，利用手糊成型工藝加工形成三維整體復(fù)合材料。

在樣品的制備過程中，首先裁剪一塊織物，選擇樹脂，按照樹脂與織物的質(zhì)量比1.2∶1稱出樹脂浸漬織物，然后加入固化劑等促進(jìn)其成型，最后放在空氣中使其自然固化干燥。由于每個樣品樹脂比例都是相同的，因此固化后的復(fù)合材料高度幾乎都與原織物一樣。

為了分析樹脂內(nèi)部氣孔對其性能的影響，在制備酚醛樹脂樣品的過程中，向樹脂中加入15%的發(fā)泡劑二氯甲烷，并分別在20和40℃條件下固化。由于二氯甲烷的揮發(fā)，會導(dǎo)致在樹脂中略微形成一定的氣泡。其中，樹脂∶吐溫－80∶二氯甲烷∶固化劑鹽酸 =100∶3∶5∶10。將試驗(yàn)所制得的樣品裁剪成測試所需要的樣品，如圖1所示。

圖1 測試樣品

1.3 性能測試

正常情況下，周圍環(huán)境中的聲音頻率范圍大多處于中低頻，因此，本試驗(yàn)主要是針對中低頻聲音進(jìn)行吸聲、隔聲的測試。材料的吸聲、隔聲性能主要采用聲望材料吸隔聲測試系統(tǒng)的傳遞函數(shù)法進(jìn)行測試。樣品分別裁剪成直徑為100和30 mm的圓形試樣，分別用于中頻和高頻的吸、隔聲性能測試。吸、隔聲測試的簡化裝置如圖2所示。吸聲過程主要是從聲源處產(chǎn)生聲波，在靠近樣品的位置有2個聲壓測試裝置進(jìn)行聲壓測試，得到2個傳聲器信號的聲傳遞函數(shù)，以此計(jì)算試樣的吸聲系數(shù)等參數(shù)。對于隔聲性能的測試，只是將聲壓測試裝置由2個改為4個，分布在樣品的兩側(cè)進(jìn)行測試。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 樹脂基紡織空心結(jié)構(gòu)復(fù)合材料吸、隔聲機(jī)理

吸聲材料主要通過兩種途徑發(fā)揮作用:一是靠從外到內(nèi)許多敞開的孔道使聲波衰減;二是靠材料的共振作用吸聲。樹脂基紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的吸聲一方面是由于固化過程中樣品下底面放在光滑的模具上較為平整，而其上表面并沒有進(jìn)行對模，固化后樣品上表面呈現(xiàn)織物表面的凹凸?fàn)顟B(tài)，使聲波在表面反射后依然能夠進(jìn)入材料，減少了反射回大氣的聲波;另一方面是材料內(nèi)有樹脂與纖維、樹脂與空氣的界面，在界面處一部分聲波進(jìn)入新的介質(zhì)繼續(xù)傳導(dǎo)，另一部分聲波反射，反射過程增加了聲波在材料內(nèi)部傳播的距離，使聲波被吸收。

圖2 吸、隔聲測試裝置示意圖

表面相對堅(jiān)硬密實(shí)的材料隔聲效果相對較好，所用材料屬于不利于聲波傳導(dǎo)的介質(zhì)材料，其隔聲效果也相對較好。樹脂基紡織空心結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的隔聲效果主要是因?yàn)闃渲鄬Ρ容^密實(shí)，其對于聲波的傳播相對不利;另外，材料中間的中空結(jié)構(gòu)中的空氣相對固體傳聲性能較差，因此中空結(jié)構(gòu)可以提高隔聲效果。

一般來說，材料具有良好的吸聲性能有利于提高其隔聲性能，因?yàn)槁暡ū徊牧衔找院蟮竭_(dá)材料另一端的聲波量相對較少。由于隔聲性能受到多個因素的影響，所以吸聲性能好的材料其隔聲效果并不一定優(yōu)于吸聲性能差的材料;同樣，隔聲性能好的材料其吸聲性能并不一定也好。吸聲性能主要是判斷聲波被吸收的量，發(fā)生隔聲作用后聲波依然存在，并沒有達(dá)到吸聲的效果。

2.2 樹脂基紡織空心結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的吸聲性能探討

圖3為三種樹脂復(fù)合材料的吸聲性能對比，從圖中可以看出，在0～4 000 Hz范圍內(nèi)，環(huán)氧樹脂與不飽和樹脂的吸聲性能差距不大，頻率范圍略有不同;超過4 000 Hz后，不飽和樹脂的吸聲性能略有提高;它們在1 800～3 500 Hz范圍內(nèi)吸聲性能相對較好，吸聲系數(shù)超過0.4。不飽和樹脂在2 468 Hz左右吸聲系數(shù)達(dá)到了0.87，而環(huán)氧樹脂在2 768 Hz時達(dá)到了0.82;環(huán)氧樹脂與不飽和樹脂吸聲效果最好的頻段在2 500 Hz附近。從圖3中還可以看出，酚醛樹脂的吸聲系數(shù)出現(xiàn)了兩個比較明顯的波峰，第一個波峰出現(xiàn)在900 Hz，吸聲系數(shù)達(dá)到0.90左右;第二個波峰出現(xiàn)在3 400～3 500 Hz，吸聲系數(shù)達(dá)到了0.99，吸聲效果非常好。在800～1 100、2 150～2 400及2 700～4 800 Hz頻段，酚醛樹脂復(fù)合材料的吸聲系數(shù)均在0.4以上，其吸聲頻率范圍相對比較寬，吸聲性能相對比較好。

圖3 三種樹脂復(fù)合材料的吸聲性能對比

圖4為酚醛樹脂復(fù)合材料在不同條件下的吸聲性能。從圖4中可以看出，添加了15%發(fā)泡劑后，復(fù)合材料的整體吸聲系數(shù)降低，并且波峰變得不明顯，即吸聲頻率范圍變寬。這主要是因?yàn)樵趶?fù)合材料內(nèi)部形成了大小不均勻的氣泡，氣泡使其吸聲頻率范圍變寬，但單個封閉的氣泡不利于聲波在其中的傳播消耗，導(dǎo)致吸聲系數(shù)降低［10］。固化溫度從20℃升高至40℃，材料的吸聲系數(shù)降低，這主要是因?yàn)闇囟壬撸涌炝斯袒?，材料中的氣泡?shù)目有一定的增加;但是如果溫度過高，會加快發(fā)泡劑的揮發(fā)，氣泡數(shù)目相應(yīng)地減少。

圖4 發(fā)泡劑及固化溫度對酚醛樹脂復(fù)合材料吸聲性能的影響

2.3 樹脂基紡織空心結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的隔聲性能探討

圖5是三種樹脂加工成的復(fù)合材料的隔聲性能測試結(jié)果。為了便于直觀比較，我們選擇1/3倍頻程的數(shù)據(jù)繪圖。從圖5中可以看出，三種樹脂在超過4 000 Hz的頻率范圍內(nèi)隔聲性能優(yōu)良，其對高頻聲波的隔聲效果明顯，尤其是不飽和樹脂。在4 000 Hz以下的區(qū)域，三種樹脂的隔聲性能差距不大。在1 000 Hz左右，環(huán)氧樹脂與不飽和樹脂出現(xiàn)波峰。三種樹脂對比結(jié)果顯示:在1 000 Hz左右差距比較大，酚醛復(fù)合材料出現(xiàn)隔聲的波谷，而其余兩種材料卻出現(xiàn)波峰。與圖3對比可以發(fā)現(xiàn)，三種樹脂在4 000 Hz以內(nèi)的吸聲效果優(yōu)于4 000 Hz以外;但是對于隔聲性能，在4 000 Hz以內(nèi)的效果明顯低于4 000 Hz以外。這主要是因?yàn)楦袈曅阅艹耸芪曅阅艿挠绊懲?，還有一些其他的影響因素，這些影響因素需進(jìn)一步研究。

圖5 三種樹脂復(fù)合材料的隔聲性能對比

圖6為酚醛樹脂在不同條件下的隔聲性能。從圖6中可以看出，添加了15%發(fā)泡劑后，復(fù)合材料的隔聲性能大幅度提高，固化過程中所處的溫度越高，其隔聲性能越好，對于高頻聲波的隔聲效果明顯優(yōu)于低頻聲波。這主要是因?yàn)閮?nèi)部所形成互不聯(lián)通的氣泡不利于聲音的傳播，達(dá)到了良好的隔聲效果。20℃固化，添加15%發(fā)泡劑的酚醛樹脂，在800～900和2 500 Hz附近出現(xiàn)了隔聲效果較好的波峰。

3 結(jié)語

(1)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料與不飽和樹脂復(fù)合材料的吸聲性能差距不大，它們在1 800～3 500 Hz頻段內(nèi)吸聲性能相對較好。酚醛樹脂復(fù)合材料在800～1 100、2 150～2 400和2 700～4 800 Hz頻段內(nèi)吸聲性能相對較好。而酚醛樹脂復(fù)合材料在添加發(fā)泡劑后，吸聲效果變差。

(2)環(huán)氧、不飽和、酚醛三種樹脂復(fù)合材料對于高頻聲波的隔聲效果相對比較好，在低頻區(qū)域，三種材料的差距不是很大。對于酚醛樹脂復(fù)合材料，添加發(fā)泡劑后，隔聲效果提高，并且適當(dāng)提高固化溫度有利于提高其隔聲效果。

圖6 發(fā)泡劑及固化溫度對酚醛樹脂復(fù)合材料隔聲性能的影響

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