聚氨酯水聲吸聲材料的發(fā)展及應(yīng)用

張林芳

聚氨酯水聲吸聲材料的發(fā)展及應(yīng)用

張林芳

（駐北京地區(qū)第四軍代室，北京 100094）

本文概述了聚氨酯材料用于水聲吸聲材料的研究概況，介紹了聚氨酯水聲吸聲材料的主要材料體系及聚氨酯水聲吸聲材料的主要研究方向和應(yīng)用領(lǐng)域，并重點(diǎn)評(píng)述聚氨酯水聲吸聲材料吸聲機(jī)理、材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和應(yīng)用等領(lǐng)域的研究進(jìn)展，同時(shí)指出了聚氨酯水聲吸聲材料以后的發(fā)展趨勢(shì)。

聚氨酯；水聲吸聲材料；吸聲機(jī)理；應(yīng)用；進(jìn)展

前言

水聲吸聲材料是一種能在水中使得入射聲波能量轉(zhuǎn)變成為其它形式能量耗散掉，從而減少聲波反射的特種功能材料。該材料的使用可以減弱潛器水下噪聲，提供良好的水下聲學(xué)環(huán)境；也能降低潛器水下聲目標(biāo)強(qiáng)度，進(jìn)而提高潛器水下聲隱身性能，在民用和國(guó)防軍事領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。

理想的水聲吸聲材料需要具備如下特點(diǎn)：(1)入射聲波在材料表面不發(fā)生大量反射現(xiàn)象，聲波能量盡可能多地進(jìn)入材料內(nèi)部；(2)聲波在材料內(nèi)部傳播過程中能迅速轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰慷纳⒌鬧1]。

聚氨酯材料分子結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，可通過調(diào)整材料內(nèi)部軟硬段比例、接枝、共聚和共混得方法得到不同理化性能的材料，另外材料內(nèi)部微相分離的結(jié)構(gòu)使得聚氨酯具有良好的能量損耗性能。因此，聚氨酯材料成為繼傳統(tǒng)橡膠之后的第二代水聲吸聲材料[2]。聚氨酯材料用作水聲吸聲材料，國(guó)內(nèi)外在水聲吸聲機(jī)理、材料合成和聲學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面開展了大量的研究。

1 聚氨酯材料的水聲吸聲機(jī)理

自18世紀(jì)以來，高分子材料內(nèi)部的能量耗散機(jī)理研究開展了大量系統(tǒng)的研究，目前認(rèn)為高分子材料內(nèi)部存在粘滯吸收、熱傳導(dǎo)吸收和分子馳豫吸收三種主要的吸收機(jī)制[3]。

其中粘滯吸收是由于介質(zhì)內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度不同，產(chǎn)生速度梯度，進(jìn)而導(dǎo)致質(zhì)點(diǎn)之間發(fā)生相互作用，引起的聲波能量由機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能；熱傳導(dǎo)吸收是由于介質(zhì)內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)之間存在溫度差，產(chǎn)生溫度梯度，進(jìn)而導(dǎo)致質(zhì)點(diǎn)之間發(fā)生熱交換，引起的熱能的傳遞和耗散；分子馳豫吸收主要是由于聲波引起介質(zhì)振動(dòng)的應(yīng)力和應(yīng)變之間存在相位差，而導(dǎo)致的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮躘4]。

德國(guó)科學(xué)家FRANZ-ULRICH SCHAFER和DOUGLAS J. HOURSTON[5]認(rèn)為聚氨酯材料內(nèi)部除上述3種能量耗散機(jī)制之外還存在(1)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為材料內(nèi)部弱相互作用的締合和解離，如氫鍵等分子間作用力；(2)發(fā)生在樹脂和填料界面處的聲波散射和介質(zhì)振動(dòng)形式的轉(zhuǎn)變；(3)填料的“附加質(zhì)量”引起的振動(dòng)能量的轉(zhuǎn)移和耗散；(4)片狀填料構(gòu)建成的微小的約束阻尼結(jié)構(gòu)引起的振動(dòng)能量的耗散。

作者更傾向于認(rèn)為聚氨酯材料的能量耗散主要來自材料內(nèi)部的內(nèi)摩擦，表現(xiàn)為材料內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度(粘滯吸收)不同以及內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變的相位差(弛豫吸收)。在高頻振動(dòng)的條件下材料內(nèi)部由振動(dòng)引起的溫度梯度的影響（熱傳導(dǎo)吸收）會(huì)表現(xiàn)得更加顯著。在后續(xù)聚氨酯能量耗散機(jī)理的研究中，內(nèi)摩擦的表征方法上的突破將帶來研究水平的提高。

2 聚氨酯材料體系及改性

聚氨酯類吸聲材料的研究和應(yīng)用始于20世紀(jì)80年代，以英國(guó)為代表的北約國(guó)家一般采用此種材料作為潛艇水下吸聲覆蓋層，該材料的應(yīng)用在一定的范圍內(nèi)解決了潛艇的消聲問題[6]。

基于聚氨酯材料可通過選擇軟、硬段，有可能配制出從軟質(zhì)凝膠狀材料到硬質(zhì)塑料和韌性彈性體等各種不同性能的材料[7]。近年來我國(guó)在聚氨酯水聲吸聲材料體系方面開展了大量研究，聚氨酯材料體系的研究從材料組成來分可分為聚氨酯樹脂的水聲吸聲性能的研究和填料對(duì)聚氨酯樹脂水聲性能的影響研究?jī)深悺?/p>

在聚氨酯樹脂水聲吸聲性能研究方面，李浩等[8]從聚氨酯水聲材料的軟段和硬段的選取，支鏈結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及基于聚氨酯IPN材料等角度，對(duì)聚氨酯材料體系和合成進(jìn)行了系統(tǒng)的討論和總結(jié)。晏欣等[10]用2，4-TDI、PPO和MOCA等原料合成了聚氨酯彈性體，水聲測(cè)試結(jié)果表明，TDI-PPO-MOCA聚氨酯彈性體吸聲性能受到固化溫度，擴(kuò)鏈劑含量等參數(shù)的影響。孫衛(wèi)紅[12]等以二丁基二月桂酸錫(DBTDL)作催化劑、環(huán)氧丙醇作封端劑制備了環(huán)氧改性聚氨酯(EPU)以及EPU/EP共混彈性體,其平均吸聲系數(shù)為0.75，最大吸聲系數(shù)為0.97。

在填料改性聚氨酯水聲吸聲材料方面,周立清等[9]利用大孔樹脂顆粒改性聚氨酯環(huán)氧材料。水聲性能測(cè)試表明，改性前后平均吸聲系數(shù)由0.25增加到0.81，最大值由0.58增加到0.98。張海永等[11]研究了石墨作為填料對(duì)聚氨酯涂層吸聲性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，石墨改變了涂層的密度，提高了涂層的吸聲系數(shù)，聚氨酯涂層隨著水壓的增大，吸聲系數(shù)增加，水壓在3MPa時(shí)，平均吸聲系數(shù)達(dá)87.6%。梅志遠(yuǎn)等[13]利用云母和空心玻璃微珠混合填料改性聚氨酯彈性體，測(cè)試結(jié)果表明25mm厚的情況下，3kHz以上頻段時(shí)，吸聲系數(shù)都在0.3以上，在5kHz附近，吸聲效果良好。李浩等[14]利用云母、空心玻璃微珠等填料改性聚氨酯彈性體，結(jié)果表明云母片對(duì)聚氨酯彈性體材料綜合吸聲性能的提高最為明顯，尺寸較大的云母片有助于提高低頻吸聲性能；空心玻璃微珠可改變材料的特征吸收峰，適當(dāng)?shù)奈⒅榧尤肓靠傻玫搅己玫牡皖l吸聲聚氨酯材料。

3 聚氨酯材料力學(xué)參數(shù)優(yōu)化研究

水聲吸聲材料具有很強(qiáng)的聲學(xué)可設(shè)計(jì)性，通過改變鏈段比例、支鏈的數(shù)量或者分子間結(jié)合力的大小，都可以改變材料的聲學(xué)性能[15]，但對(duì)于材料參數(shù)與聲學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系以及上述參數(shù)對(duì)聲學(xué)性能的影響，國(guó)內(nèi)外研究人員開展了一些研究。

王華明[17]對(duì)PU/EP二元IPN水聲吸聲材料的動(dòng)態(tài)模量和聲速進(jìn)行了測(cè)量，研究了材料中EP含量和云母填料及含量對(duì)材料動(dòng)態(tài)模量及聲速的影響。結(jié)果表明，材料彈性模量越大，材料中聲波傳播速度就越大；隨著填料含量的增加，聲速的下降幅度增大。

劉波等[18]建立了聚氨酯/環(huán)氧樹脂(PU/EP)彈性體的水聲模型，探討了彈性體彈性模量、損耗因子及泊松比對(duì)其聲學(xué)性能的影響，結(jié)果表明：較大的模量、合適的阻尼因子和較高的泊松比是PU/EP彈性體獲得低反射、高吸聲性能的關(guān)鍵。

浦文婧等[19]比較常壓和高壓下硅橡膠(PSO-G)材料和聚氨酯(PU-G)材料兩種材料在不同壓力條件下的滯后曲線，分析不同壓力下二者的壓縮模量和滯后環(huán)面積的相對(duì)值，得到材料粘彈性對(duì)吸聲性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明，高分子材料的粘彈性越好，吸聲性能越好；高分子材料的滯后損耗越大，吸聲性能越好；高分子材料模量越大，其加壓條件下的吸聲性能越好。

文慶珍等[20]以聲波在高分子介質(zhì)中的傳播理論為依據(jù)，推導(dǎo)出了材料的水聲聲衰減能力與材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能參數(shù)包括損耗因子、松弛前的剪切模量、松弛后的剪切模量以及材料的密度和厚度之間的關(guān)系式，與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果相符。結(jié)果表明，材料在不同頻率下的聲衰減系數(shù)與材料未松弛的剪切模量、材料已松弛的剪切模量、損耗因子和密度有關(guān)。

石勇等[21]利用固體力學(xué)的波動(dòng)理論，分析了材料的彈性模量、損耗因子和密度等基本材料參數(shù)與材料聲反射系數(shù)和聲衰減系數(shù)的關(guān)系，研究結(jié)果表明吸聲材料表面的聲阻抗匹配與較大的損耗因子是一對(duì)矛盾，單一吸聲材料無法同時(shí)滿足上述兩個(gè)條件，材料的彈性模量、損耗因子和密度是材料的水聲吸聲性能的重要影響因素。

整體上，通過理論計(jì)算分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，得到了一些材料因素與聚氨酯材料吸聲性能的關(guān)系，但是還缺乏系統(tǒng)理論研究工作[16]，無法達(dá)到預(yù)測(cè)并指導(dǎo)材料研制的目的。

4 聚氨酯水聲材料應(yīng)用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)單一均質(zhì)材料而言，由于阻抗匹配的要求與增大材料對(duì)聲能的損耗之間存在矛盾，聚氨酯材料的弛豫吸收遠(yuǎn)不能滿足各種工程應(yīng)用的需要，必須賦予聚氨酯材料聲學(xué)結(jié)構(gòu)，保證與水阻抗匹配的同時(shí)，增強(qiáng)材料對(duì)入射聲波的衰減效果。

常用的復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)有：(1)孔腔諧振吸聲結(jié)構(gòu)，用于增加低頻段的聲吸收，在整個(gè)頻段上改善材料的吸聲效果[22]；在這方面朱錫等[26]研究了水下微穿孔吸聲體的空腔深度、穿孔板厚度、穿孔直徑及穿孔率對(duì)吸聲性能的影響，結(jié)果表明，水下微穿孔吸聲體有效地拓寬了低頻吸聲頻帶，微穿孔吸聲體的空腔個(gè)數(shù)、形狀及諧振特性是影響吸聲性能的重要因素。周成飛[27]利用透聲復(fù)合材料面層、聚氨酯泡沫和微孔PVC管制做了一種耐壓穿孔泡沫吸聲板，測(cè)試結(jié)果表明，上述結(jié)構(gòu)的中低頻(100-800Hz)平均吸聲系數(shù)達(dá)到0.45，高頻(1000-5000Hz)平均吸聲系數(shù)達(dá)到0.76。

(2)阻抗?jié)u變式吸聲結(jié)構(gòu)，利用多層或連續(xù)的阻抗逐漸過渡結(jié)構(gòu)形式，以減小因材料損耗引起的阻抗失配，進(jìn)而減少聲波反射增加吸收效果[23]。對(duì)此，王源升等[25]研究非平面界面的新型梯度多層高分子復(fù)合材料在不同溫度和壓力下的吸聲性能，結(jié)果表明，非平面界面的新型多層高分子復(fù)合材料吸聲系數(shù)大于傳統(tǒng)的多層高分子復(fù)合材料吸聲系數(shù)，吸聲系數(shù)峰值隨溫度的升高向低頻方向移動(dòng)，而隨壓力變化不大。

李海濤等[29]研究了鋼板與橡膠共同組成的多層結(jié)構(gòu)，在水、空氣多重介質(zhì)中斜入射時(shí)的聲學(xué)特性，結(jié)果表明，增加消聲橡膠層可以有效的降低多層結(jié)構(gòu)的聲反射能力，較好的達(dá)到降低目標(biāo)聲反射強(qiáng)度的目的。

(3)周期散射復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)，其主要耗能機(jī)理是局域共振和波形轉(zhuǎn)換[24]。鄧海濤等[28]研究了水聲材料內(nèi)部空腔周期分布方式對(duì)水聲吸聲材料吸聲性能的影響，結(jié)果表明，空腔分布方式變化引起空腔填充率發(fā)生改變，當(dāng)空腔填充率變大時(shí)，空腔間的多重散射效應(yīng)增強(qiáng)，水聲吸聲材料的低頻吸聲峰頻率向低頻移動(dòng)。

吸聲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是水聲吸聲材料應(yīng)用研究的熱點(diǎn)問題，也屬于水聲學(xué)研究的前沿問題

5 展望

目前水聲吸聲材料已形成了橡膠類材料和聚氨酯類材料為基體的2大材料體系，在此基礎(chǔ)上發(fā)展出多種聲學(xué)結(jié)構(gòu)，并逐步由被動(dòng)吸聲降噪材料向智能主動(dòng)吸聲材料轉(zhuǎn)變[1]。隨著應(yīng)用環(huán)境及主動(dòng)探測(cè)技術(shù)的變化，水聲吸聲材料在未來的研究方向?yàn)?1)耐壓(3～5MPa)水聲吸聲材料，(2)低頻(0.5～2kHz)水聲吸聲材料和(3)寬頻段水聲吸聲材料。

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張林芳，生于1979年12月，西北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)，學(xué)士學(xué)位，工程師職稱，現(xiàn)工作于駐北京地區(qū)第四代表室，主要從事質(zhì)量監(jiān)督工作，發(fā)表論文7篇，獲得國(guó)防科技進(jìn)步獎(jiǎng)4次。