真空燒結(jié)泡沫304不銹鋼吸聲性能

劉培生，徐新邦，孫進(jìn)興，崔 光

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真空燒結(jié)泡沫304不銹鋼吸聲性能

劉培生1, 2，徐新邦1, 2，孫進(jìn)興1, 2，崔 光1, 2

(1. 北京師范大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 射線束技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875；2. 北京市輻射中心，北京 100875)

利用掛漿工藝，在1050 ℃下真空燒結(jié)3 h，成功制備三維網(wǎng)狀的泡沫304不銹鋼，制品燒結(jié)良好。樣品平均孔徑約1.8 mm，孔隙率約93.7%。測(cè)試該泡沫金屬在200~6300 Hz及其加入背腔后在2500~4000 Hz時(shí)的吸聲系數(shù), 探討背腔對(duì)樣品吸聲性能的影響。結(jié)果表明：本制品在測(cè)試范圍的中高頻段表現(xiàn)出較好的吸聲效果，其第一共振頻率為4000 Hz，此時(shí)最大吸聲系數(shù)約0.7；在1250~3150 Hz之間，增加樣品厚度可明顯提高吸聲效果；加入背腔可大幅度提高樣品的整體吸聲效果。

多孔材料；泡沫金屬；泡沫不銹鋼；吸聲性能

噪聲不但可以對(duì)儀器和設(shè)備的正常工作發(fā)生影響，還會(huì)對(duì)人們的身心健康產(chǎn)生危害。利用多孔材料進(jìn)行吸聲處理是解決噪聲問(wèn)題的一項(xiàng)有效措施[1?6]。多孔吸聲材料包括聚合物類泡沫材料、玻璃棉等無(wú)機(jī)多孔材料以及后來(lái)的多孔泡沫金屬材料，其中前兩類吸聲材料應(yīng)用較早，而且更為廣泛。泡沫金屬具有比聚合物類泡沫材料更高的強(qiáng)度以及更好的耐熱性和防火性，同時(shí)不會(huì)有玻璃棉等無(wú)機(jī)多孔材料易于破碎揚(yáng)塵而污染環(huán)境的缺點(diǎn)，因此在實(shí)際使用過(guò)程中可體現(xiàn)自身的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[3?4]。由于受到產(chǎn)品制造難易程度等因素的制約，實(shí)際應(yīng)用的泡沫金屬大多是泡沫鋁等適于大規(guī)模制造的泡沫材料。但是，仍然不乏一些用其他金屬成分作為基質(zhì)的泡沫金屬研究，例如，泡沫不銹鋼就是其中的一種。這主要是由于不銹鋼具有更高的熔點(diǎn)、更好的延展性以及一定的耐腐蝕性能[7]。相對(duì)于泡沫鋁，泡沫不銹鋼具有一些潛在的優(yōu)勢(shì)，包括與廣泛使用的鋼結(jié)構(gòu)的兼容性和更高的工作溫度等。業(yè)內(nèi)對(duì)常用不銹鋼316系列的泡沫材料進(jìn)行了研究，取得了一些成果：如采用前驅(qū)體掛漿高純氬氣保護(hù)燒結(jié)的方式研制泡沫316L不銹鋼[8?9]；通過(guò)選區(qū)激光熔化工藝研制多孔316L不銹鋼[10?12]；利用松裝粉末冶金工藝研制316不銹鋼開孔泡沫[13]；利用造孔劑的粉末燒結(jié)法研制泡沫316不銹鋼[14]；利用尿素作為造孔劑的燒結(jié)水濾工藝制造孔隙率為70%的多孔316L不銹 鋼[15]；運(yùn)用分形理論研究多孔316L不銹鋼材料[16]；研究孔隙率為85%且孔徑在70~440 μm的316L不銹鋼泡沫的生物相容性問(wèn)題[17]；還研究了燒結(jié)316不銹鋼泡沫的疲勞問(wèn)題[18]。

對(duì)于泡沫金屬聲學(xué)性能的研究，已有工作主要 是集中于泡沫鋁，并取得了比較豐富的研究成 果[3?4, 19?32]：其中由熔體發(fā)泡法制備的泡沫鋁為胞狀閉孔結(jié)構(gòu)，聲波難于傳入，可通過(guò)增加一道打孔處理的工序來(lái)獲得較好的吸聲效果[19, 21]；采用滲流法制備的泡沫鋁為胞狀開孔結(jié)構(gòu)，利于聲波傳入，但應(yīng)注意洗脫鹽粒易殘留而腐蝕制品，此外洗出液還需再處理以免污染環(huán)境中的水體[20, 22?24]。相對(duì)而言，對(duì)非鋁質(zhì)泡沫金屬的聲學(xué)性能研究則很少[33?35]。例如，對(duì)于泡沫不銹鋼的聲學(xué)應(yīng)用及其相關(guān)研究就是這樣。304不銹鋼是除316不銹鋼之外的另一種常用牌號(hào)，本文作者對(duì)該不銹鋼成分的泡沫材料開展工作，在研制其網(wǎng)狀多孔產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，初步探討了該泡沫材料及其復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸聲性能。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 泡沫不銹鋼的制備

作為原料的304不銹鋼是一種通用性的不銹鋼材料，具有良好的耐蝕性和耐高溫性能(使用溫度可達(dá)650 ℃)，對(duì)氧化性酸(如濃度≤65%的硝酸)、堿溶液及大部分有機(jī)酸和無(wú)機(jī)酸都具有很好的耐腐蝕能力。因此，304不銹鋼成為應(yīng)用最廣泛的耐熱不銹鋼，可用于食品生產(chǎn)設(shè)備、化工設(shè)備、核能設(shè)備等。選用北京蒙泰有色金屬研究技術(shù)開發(fā)中心生產(chǎn)的304不銹鋼粉末(＜48 μm)來(lái)制備泡沫不銹鋼, 其化學(xué)成分見 表1。

表1 原材料304不銹鋼粉末的化學(xué)成分

采用浸漿燒結(jié)工藝(掛漿法)，先將原料粉末和粘結(jié)劑按體積比1:2混合、攪拌均勻，配制成漿料；用通孔聚氨酯硬質(zhì)泡沫(平均孔徑約為1.8 mm)進(jìn)行浸漿處理，制成預(yù)制體。然后將處理過(guò)的預(yù)制體樣品放置于干燥箱中，在100 ℃下烘干4 h。最后，將干燥過(guò)的預(yù)制品在真空環(huán)境中于1000~1100℃下燒結(jié)2~3 h，制得三維網(wǎng)狀的高孔隙率泡沫不銹鋼樣品。具體的熱處理過(guò)程如下：先在室溫(25 ℃)下抽真空至壓力小于5.0×10?3Pa，再用0.5 h升溫至120 ℃，保溫2 h并持續(xù)抽真空以充分去除水分；然后以10 ℃/min左右的升溫速率將溫度從120 ℃直接升到1050 ℃，保溫3 h以使不銹鋼粉末充分燒結(jié)。完成后關(guān)機(jī)爐冷。所得樣品宏觀形貌見圖1，其多孔結(jié)構(gòu)中孔棱的微觀形態(tài)見圖2。從圖2可以看出，不銹鋼粉末經(jīng)過(guò)本熱處理過(guò)程的燒結(jié)性良好，顆粒間的結(jié)合充分。

圖1 浸漿燒結(jié)法制備的泡沫不銹鋼樣品宏觀形貌

圖2 本泡沫不銹鋼樣品的SEM像

1.2 泡沫不銹鋼樣品參數(shù)測(cè)定

1) 孔徑

測(cè)定多孔材料孔徑的方法很多，主要有壓汞法、氣泡法、透過(guò)法、氣體滲透法、氣體吸附法和顯微分析法等[3?4]。鑒于本泡沫不銹鋼樣品的孔隙尺寸在毫米量級(jí)的水平，采用顯微分析法來(lái)測(cè)量其孔徑。首先制備出斷面盡量平整的多孔樣品，然后用顯微鏡數(shù)出斷面在一定長(zhǎng)度內(nèi)的孔隙數(shù)目，從而得出樣品孔隙的平均弦長(zhǎng)，再通過(guò)如下關(guān)系計(jì)算出樣品的平均孔徑：

≈/0.616 (1)

由此測(cè)得本泡沫不銹鋼樣品的平均孔徑約為1.8 mm。

2) 孔隙率

測(cè)定多孔材料孔隙率的方法主要有質(zhì)量/體積直接計(jì)算法、浸泡介質(zhì)稱重法、漂浮法和顯微分析法 等[3?4]。利用質(zhì)量/體積直接計(jì)算法來(lái)測(cè)量。先后將試樣用丙酮超聲清洗、清水超聲清洗、酒精超聲清洗各10 min，烘干后用精度為0.01 g的電子天平稱取質(zhì)量；將稱好的試樣進(jìn)行浸蠟封孔處理，并仔細(xì)清理試樣表面多余的蠟質(zhì)，然后利用排液法測(cè)出試樣體積。最后通過(guò)如下關(guān)系計(jì)算出樣品的孔隙率：

= 1?(/)/s(2)

式中：s為多孔樣品對(duì)應(yīng)致密固體的體密度。由此測(cè)得本泡沫不銹鋼樣品的孔隙率約為93.7%。

1.3 吸聲性能測(cè)試

采用由北京市世紀(jì)建通科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JTZB吸聲系數(shù)測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)本泡沫不銹鋼樣品及其復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行系列測(cè)試。采用1/3倍頻程法[36]，選取的中心頻率為200、315、400、500、630、800、1000、1250、1600、2000、2500、3150、4000、5000和6300 Hz。根據(jù)設(shè)備的要求，用于低頻段200~2000 Hz測(cè)試的圓形樣品直徑為100 mm，用于中頻段2500~4000 Hz的樣品直徑為50 mm，用于高頻段5000~6300 Hz的樣品直徑為25 mm。

為了研究泡沫不銹鋼的厚度變化對(duì)樣品吸聲系數(shù)的影響，制備了厚度為9 mm、18 mm和27 mm共3個(gè)規(guī)格的樣品，分別依次稱為樣品1、2、3。由于受駐波管長(zhǎng)度的限制，用于測(cè)試中頻和高頻情況的樣品厚度相應(yīng)減少。

2 結(jié)果與討論

2.1 泡沫不銹鋼的吸聲性能

不同泡沫不銹鋼樣品在不同聲頻下的吸聲系數(shù)測(cè)試結(jié)果見圖3。從圖3可以看出，樣品1在低頻下的吸聲效果不佳，從250 Hz到3150 Hz的吸聲系數(shù)均低于吸聲材料定義的平均吸聲系數(shù)0.2。中高頻下吸聲效果良好，從4000 Hz起吸聲系數(shù)均超過(guò)0.2，且當(dāng)聲波頻率達(dá)到4000 Hz時(shí)出現(xiàn)第一共振頻率，最大吸聲系數(shù)為0.69。樣品2、3與樣品1的吸聲曲線相似。在相同聲波頻率下，隨著樣品厚度的增加，吸聲系數(shù)增大，特別是在1250~3150 Hz頻段的吸聲效果相對(duì)增幅十分明顯。樣品2的吸聲系數(shù)到2500 Hz時(shí)開始高于0.2，樣品3則在2000 Hz下即達(dá)到0.36，且第一共振頻率都為4000 Hz；此時(shí)出現(xiàn)最大吸聲系數(shù)，而且數(shù)值都大致相同，在0.7左右。

剛性泡沫金屬的吸聲機(jī)制主要是孔隙內(nèi)流體與孔壁摩擦的粘滯耗散以及孔隙表面漫反射的干涉消音，而材料本身的阻尼衰減相對(duì)較弱。研究表明，對(duì)于200~6300 Hz這樣一個(gè)聲頻范圍，泡沫金屬在聲頻較低時(shí)的主要吸聲機(jī)制是通過(guò)孔隙表面反射的干涉消音，而在聲頻較高時(shí)則是粘滯耗散[37]。孔棱/孔壁表面越粗糙，聲波在泡沫體內(nèi)部傳播時(shí)與孔壁發(fā)生作用的面積也就越大，因此孔壁摩擦越大，粘滯損耗越多，能量損耗越大；而且聲波在孔壁上發(fā)生反射、折射的次數(shù)也越多[20]。因此，泡沫體吸聲效果越好。圖2即顯示了本泡沫不銹鋼比較粗糙的孔棱表面，這有利于該多孔體的吸聲。盡管如此，高孔隙率的網(wǎng)狀泡沫金屬具有的比表面積終究還是較小的，因此能夠提供給空氣與孔壁之間發(fā)生相互摩擦和粘滯的場(chǎng)所就會(huì)較少，吸聲性能也就受到限制。所以，要提高該多孔產(chǎn)品的吸聲效果，特別是其低頻段的吸聲效果，就得對(duì)其采取加背腔等措施以組成對(duì)應(yīng)的復(fù)合結(jié)構(gòu)。

圖3 樣品1、2、3的吸聲系數(shù)曲線

2.2 加背腔組成復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸聲性能

為了提高整體吸聲效果，可以在本泡沫不銹鋼板狀樣品后面設(shè)置空腔(背腔)。這是一種常用的方式。在JTZB吸聲系數(shù)測(cè)試系統(tǒng)中，樣品加背腔即是在樣品與駐波管剛性后壁之間保留一定厚度的空隙。由于測(cè)試設(shè)備、樣品規(guī)格以及整體吸聲結(jié)構(gòu)的建構(gòu)等因素的限制，并考慮到人耳對(duì)聲波的敏感區(qū)域，本工作只選擇在2500~4000 Hz這一頻段做了該實(shí)驗(yàn)。為了使樣品在駐波管中穩(wěn)定地安裝并造出適當(dāng)?shù)目涨唬紫戎苽涑鐾鈴铰孕∮?0 mm、內(nèi)徑為40 mm、厚度約 3.5 mm的有機(jī)玻璃質(zhì)圓環(huán)(圓環(huán)寬度5 mm)。在測(cè)試過(guò)程中，將圓環(huán)放在樣品與剛性壁之間，即可在樣品后面造出空腔。通過(guò)多層圓環(huán)疊加的方式可以調(diào)節(jié)空腔的厚度，每層的厚度即為圓環(huán)的厚度3.5 mm。

采用厚度最小的樣品1為例加背腔的方式，在中頻段測(cè)得的吸聲系數(shù)測(cè)試結(jié)果見表2和圖4。結(jié)果顯示，在2500~3150 Hz的頻率范圍內(nèi)，樣品的吸聲系數(shù)隨空腔厚度的增加而漸次提高；在3150~4000 Hz之間，吸聲系數(shù)隨頻率增大而提高，但空腔厚度的作用呈交錯(cuò)變化。大約3500 Hz后所有吸聲系數(shù)都超過(guò)0.5；到4000 Hz時(shí)吸聲系數(shù)在0.6~0.9之間。這是由于共振頻率發(fā)生偏移引起的結(jié)果：不同的空腔厚度造成的共振頻率偏移各不相同，而總體上是顯著提高結(jié)構(gòu)的吸聲效果。

在文獻(xiàn)[38?40]中，給出了聲波正入射時(shí)帶有空腔的穿孔板吸聲體系的吸聲系數(shù)：

表2 泡沫不銹鋼樣品1加空腔的吸聲系數(shù)測(cè)試結(jié)果

式中：為穿孔板的相對(duì)聲阻率；為入射聲波的角頻率，rad/s，=2π，其中是入射聲波的頻率，Hz；為穿孔板的相對(duì)聲質(zhì)量；為穿孔板的聲抗比；為空腔的厚度，即穿孔板到剛性壁的距離；0為聲波在空氣中的傳播速度，常溫下0≈340 m/s?？梢姡涨缓穸葘?duì)吸聲系數(shù)的影響與聲頻有關(guān)，而且存在周期性的規(guī)律。因此，只有對(duì)所在頻段合適的空腔厚度才能最大限度地提高吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲性能。把泡沫金屬板視為一種特殊結(jié)構(gòu)的穿孔板模式，可以得出類似的結(jié)果，即某一確定聲頻下吸聲系數(shù)也會(huì)隨空腔厚度呈現(xiàn)周期性的變化。

吸聲峰對(duì)應(yīng)穿孔板的共振頻率(0)為[41?42]：

式中：為穿孔率(穿孔面積與總面積之比，%)；為板厚，m；為孔口末端修正值，m，可表示為=，其中，為穿孔板系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)常數(shù)(無(wú)量綱)，為穿孔孔徑，m；0和的意義同上式，即分別為聲速，m/s和板后空腔厚度，m。

對(duì)于本節(jié)實(shí)驗(yàn)中的樣品，用式(4)計(jì)算時(shí)只有不同，其他參數(shù)均相同?？梢姡S著空腔厚度的增加，樣品的共振頻率逐漸減小，即增加空腔厚度使得共振頻率向低頻移動(dòng)。這與圖4中不同空腔厚度下的吸聲系數(shù)曲線相對(duì)應(yīng)，即增加空腔厚度使得在較低頻率下的吸聲系數(shù)得到更多的提高。

需要注意的是，加背腔后位于4000 Hz的吸聲峰高度出現(xiàn)異常變化，因此將測(cè)試頻率上限擴(kuò)大至6300 Hz以找出其原因是一項(xiàng)很有意義的工作。但由于當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)條件的限制，暫未能開展這一研究，準(zhǔn)備留待以后的合適時(shí)機(jī)去做。

3 結(jié)論

1) 浸漿燒結(jié)工藝可以成功制備泡沫304不銹鋼,所得樣品呈三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其平均孔徑約為1.8 mm，孔隙率約為93.7%。其在中低頻段(250~3150 Hz)的吸聲效果不佳，而中高頻段(4000~6300 Hz)下的吸聲效果良好；厚度為9~27 mm的樣品均在4000 Hz時(shí)出現(xiàn)第一共振頻率，最大吸聲系數(shù)的數(shù)值都大致相同，為0.7左右。在1250~3150 Hz這一頻段，樣品的吸聲系數(shù)隨著厚度增加的相對(duì)提高幅度最為明顯。

2) 加入背腔可以顯著提高本泡沫不銹鋼樣品的吸聲效果，但隨聲頻的不同，其作用程度會(huì)發(fā)生變化。此外，背腔的增加不但影響樣品的吸聲系數(shù)，還使得樣品的共振頻率發(fā)生偏移，從而出現(xiàn)一定頻率下背腔厚度增加，樣品吸聲系數(shù)反而下降的情況。

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Sound absorption property of vacuum sintered 304 stainless steel foam

LIU Pei-sheng1, 2, XU Xin-bang1, 2, SUN Jin-xing1, 2, CUI Guang1, 2

(1. Key Laboratory of Radiation Beam Technology, Ministry of Education, College of Nuclear Science and Technology, Beijing Normal University, Beijing 100875, China;2. Beijing Radiation Center, Beijing 100875, China)

304 stainless steel foam with the pore size of about 1.8 mm and the porosity of about 93.7% was prepared by the slurry sintering method at 1050 ℃ for 3 h in vacuum. The sound absorption coefficient was tested for the foam at 200?6300 Hz and for the back cavity composite at 2500?4000 Hz. The results show that the foam sample shows a good sound absorption in the middle and high frequency range, exhibiting the first resonance frequency of around 4000 Hz and the maximum absorption coefficient of about 0.7. The absorption performance may be obviously improved by increasing the sample thickness at 1250-3150 Hz and by adding a back cavity at 2500?4000 Hz.

porous material; metal foam; stainless steel foam; acoustic property

(編輯 王 超)

Project(C16) supported by Testing Foundation of BNU, China

2016-07-08;

2017-05-16

LIU Pei-sheng; Tel: +86-10-58807316; E-mail: Liu996@263.net

北師大測(cè)試基金C16支持項(xiàng)目

2016-07-08；

2017-05-16

劉培生，教授，博士；電話：010-58807316；E-mail: Liu996@263.net

10.19476/j.ysxb.1004.0609.2017.12.20

1004-0609(2017)-12-2560-07

TG146

A