薄壁結(jié)構(gòu)加強(qiáng)的納米復(fù)合涂層深海高壓吸聲性能

付宜風(fēng) 王虎鳴 曹 攀

1.江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，鎮(zhèn)江，2120132.新南威爾士大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，澳大利亞，悉尼，NSW 20523.揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，揚(yáng)州，225127

0 引言

軍事領(lǐng)域中，吸聲涂層的使用可顯著提高潛艇和艦船的隱身性[1-2]。傳統(tǒng)的吸聲材料是Alberich型吸聲覆蓋層[3-4]即內(nèi)置空腔的橡膠，但這種材料的低頻吸聲效果不理想，為提高低頻吸聲性能而大幅增厚涂層不但會(huì)降低艦船的靈活性，也會(huì)增大成本。

納米復(fù)合材料具有較好的低頻吸聲特性[5-6]，其中，石墨烯/橡膠納米復(fù)合材料材料在6～30 kHz的平均吸聲系數(shù)可達(dá)0.8[7]。YUAN等[8]證明添加石墨烯納米片狀顆粒能使丁苯橡膠在2～30 kHz區(qū)間的吸聲系數(shù)從0.35提高到0.73。碳納米管可顯著提高材料的低頻吸聲性能，添加1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))碳納米管的聚氨酯在2～6 kHz區(qū)間的吸聲系數(shù)可提高23.3%[9]。這是由于納米顆粒具有很大的表面積比和優(yōu)異的導(dǎo)熱性，傳入材料內(nèi)的聲波會(huì)引起納米顆粒與聚合物鏈狀結(jié)構(gòu)間的相互摩擦，將聲波的能量轉(zhuǎn)化成熱能耗散掉[10-11]。此外，在混入納米顆粒過程中滲入的微氣泡進(jìn)一步加強(qiáng)了聲音的散射和耗散[12]。然而，以聚合物為基體材料的納米復(fù)合材料涂層抗壓性較弱，并隨水深增加而壓縮，導(dǎo)致材料的吸聲性能顯著降低，限制了該材料在深海區(qū)域中的應(yīng)用[13-14]。

為減小深水高壓對水下吸聲材料的影響，研究者采用了多種方法。第一種方法是采用抗壓的基體材料，王清華[15]使用較硬的聚氨酯類材料替換聚硅氧烷基體后，材料在高壓下的吸聲性能有了明顯的提高。采用互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提高基體材料的抗壓能力，讓兩種聚氨酯材料互相滲入固化在鋁泡沫骨架內(nèi)，使其具有極高的抗壓能力，試驗(yàn)表明該種結(jié)構(gòu)的基體材料在5 MPa時(shí)仍具有良好的吸聲性能[16]。第二種方法是利用具有抗高壓性能的硬固體填料替代易變形的空腔結(jié)構(gòu)。SPERO等[17]用玻璃球體提高水下平臺吸聲材料的抗壓性，即將制作復(fù)雜的吸聲材料混入帶橡膠內(nèi)核的玻璃球體，其中，抗高壓玻璃球體由聲透性材料制成，橡膠內(nèi)核起到共振的作用，可以耗散聲波能量?？招牡牟Ａ蝮w可以直接用來吸聲，但它在高壓下的性能未驗(yàn)證[18-19]。JAYAKUMARI等[20]利用短碳纖維與聚氨酯類橡膠制備的復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)了水下高壓吸聲，但填充材料的尺寸對吸聲的頻率有顯著影響。第三種方法是增厚材料并利用表面形貌實(shí)現(xiàn)高壓吸聲。楔形吸聲材料是運(yùn)用最廣的一類[21]，其漸變的形狀可同時(shí)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配和聲波耗散，且受壓力影響的形變不大，同時(shí)可用高強(qiáng)度的材料進(jìn)一步減少形變[22]。目前，楔形吸聲材料是高壓消聲水池的標(biāo)準(zhǔn)吸聲材料，但其過大的尺寸會(huì)急劇增大航行阻力并容易脫落，目前無法應(yīng)用于潛艇和艦船表面。

本文基于一種納米復(fù)合材料PSM(PDMS為基體，表面活性劑Surfactant改性的羧基化多層碳納米管(MWCNT-COOH)為填料)[14]研究壓力和吸聲系數(shù)的關(guān)系，并利用仿真和試驗(yàn)設(shè)計(jì)出一種新型耐高壓吸聲結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)在不改變原吸聲材料主體的組分或顯著增大厚度的條件下，可以顯著提高材料的抗壓性能。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和仿真與試驗(yàn)

1.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

圖1a所示為PSM材料的吸聲系數(shù)(1500～7000 Hz的平均系數(shù))和靜水壓力之間的關(guān)系。材料在水壓為0時(shí)的平均吸聲系數(shù)為0.9，水壓0.1 MPa的吸聲系數(shù)為0.93，吸聲系數(shù)從水壓0.2 MPa開始下降，1.5 MPa下的吸聲性能明顯降低。為探究高壓下材料發(fā)生的變化，采用壓縮試驗(yàn)?zāi)M深水壓力。如圖1b所示， PSM材料受壓后很容易形變，材料在1.5 MPa的壓力下壓縮了34.17%。材料內(nèi)部的宏觀結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)在嚴(yán)重的形變下會(huì)發(fā)生顯著的變化，吸聲系數(shù)明顯下降。提高材料高壓下吸聲性能的一個(gè)有效方法是減小材料的壓縮應(yīng)變，這個(gè)壓縮量可以根據(jù)目標(biāo)吸聲系數(shù)來確定，一般認(rèn)為吸聲系數(shù)達(dá)到0.8時(shí)，該材料有很好的吸聲性能。由圖1可得PSM在0.25 MPa下的平均吸聲系數(shù)為0.8，在對應(yīng)的壓縮試驗(yàn)中，PSM在0.25 MPa下的壓縮應(yīng)變是6%。由此可得，材料在1.5 MPa下只有6%的壓縮應(yīng)變即可維持0.8的平均吸聲系數(shù)。在新設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)中，新添加的材料應(yīng)既能提高原有材料的抗壓性能，又保持原有材料的吸聲特性，為達(dá)到這一設(shè)計(jì)要求，需要將一種聲透的薄壁結(jié)構(gòu)添加到PSM。

(a)吸聲系數(shù)和靜水壓力

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料選擇

如圖2所示，為提高PSM的抗壓性能，在PSM上覆蓋硬薄壁結(jié)構(gòu)和一層軟內(nèi)襯。硬薄壁結(jié)構(gòu)的作用是支撐PSM，避免壓力直接作用于PSM。軟內(nèi)襯的作用是吸收中間區(qū)域的剩余壓力。水聲管內(nèi)徑為120 mm，所以PSM直徑D要小于120 mm，為殼體材料留出空間。為盡量不改變PSM的吸聲效果，PSM的厚度仍為10 mm，添加材料的原則是盡量控制總厚度。圖2中，T1為硬殼側(cè)面的厚度，T1=(120-D)/2；T2為硬殼頂部的厚度；T3為軟內(nèi)襯材料的厚度。

圖2 新設(shè)計(jì)抗壓吸聲結(jié)構(gòu)的二維示意圖

為達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，選取特定材料。硬殼和軟內(nèi)襯都是聲透材料，即特性聲阻抗可以和水相匹配，這樣聲波才可以傳入內(nèi)部被吸收。試驗(yàn)室常見的聲透高分子材料為硅橡膠材料(PDMS、Ecoflex等)、聚氨酯(PU)、環(huán)氧樹脂(epoxy)和水凝膠等，它們與水的材料特性如表1所示。

表1 各聲透材料與水的性能

注：該水凝膠由90%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的水和10%的聚乙烯醇制備。

環(huán)氧樹脂的彈性模量最大，可以作為硬殼。試驗(yàn)選用環(huán)氧樹脂F(xiàn)GI (組分包括樹脂R180和固化劑H180，混合比例(質(zhì)量比)為5∶1)。水凝膠和Ecoflex都比PDMS軟，但水凝膠的材料穩(wěn)定性較差，不利于長時(shí)間使用，因此，選用Ecoflex 00-30(包括組分A和B，質(zhì)量比例為1∶1)為軟內(nèi)襯材料。

1.3 結(jié)構(gòu)尺寸確定方法

通過聲學(xué)測試和FEM仿真模型確定硬殼材料側(cè)面厚度T1、頂部厚度T2，以及軟內(nèi)襯材料厚度T3，具體步驟如下：

(1)通過水聲測試確定T1。水聲管測試的樣品直徑為120 mm，為添加硬殼材料，PSM的直徑需小于120 mm，且吸聲系數(shù)不小于0.8，因此制備了直徑120 mm、116 mm、114 mm和110 mm的PSM樣品。

(2)PSM直徑改變后，采用FEM獲取不同直徑對應(yīng)PSM的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

(3)采用FEM確定T2和T3。獲得T1及不同直徑PSM的應(yīng)力-應(yīng)變曲線后，采用FEM模擬不同尺寸的新結(jié)構(gòu)在1.5 MPa的形變，進(jìn)而確定合適的T2和T3，如表2所示。

表2 FEM仿真模型設(shè)計(jì)的T2和T3

1.4 材料的制備

本文制備3組不同的材料，其中PSM的制備見文獻(xiàn)[14]，其他制備方法如下。

第1組為直徑不同(120 mm、116 mm、114 mm和110 mm)、厚度相同(10 mm)的PSM。首先稱取定量的MWCNT-COOH，再混入質(zhì)量比例為1∶1的表面活性劑(D191和D192)，混合后再加入PDMS組分A，通過三輥機(jī)在轉(zhuǎn)速100 r/min下充分混合5次，并依次減小滾軸間的縫隙，最后加入PDMS組分B(組分B與組分A的質(zhì)量比為1∶10)，手動(dòng)攪勻后通過真空泵除氣，待無明顯氣泡后倒入模具，并放入烘箱在65 ℃下固化90 min，冷卻后脫模即得到PSM樣品。

第2組為只帶硬殼結(jié)構(gòu)的PSM。PSM先粘貼在鋼板背襯的中心，環(huán)氧樹脂的兩組分以質(zhì)量比5∶1充分混合后澆灌在PSM周圍。室溫下固化24 h后，將其置于烘箱內(nèi)以50 ℃烘烤12 h以進(jìn)一步增強(qiáng)環(huán)氧樹脂的強(qiáng)度。

第3組為帶硬殼和軟內(nèi)襯的PSM，即在添加環(huán)氧樹脂硬殼之前，在PSM的頂部覆蓋一層Ecoflex。Ecoflex兩個(gè)組分的質(zhì)量比為1∶1，充分混勻、除去氣泡后澆注在PSM上，并放入烘箱60 ℃固化1 h。該結(jié)構(gòu)的環(huán)氧樹脂硬殼覆蓋的方法與第2組一致。

1.5 建立FEM壓縮仿真模型

為確定硬殼和軟內(nèi)襯的厚度，通過FEM來計(jì)算材料的壓縮率(應(yīng)變)是否小于6%。建立基于仿真軟件ANSYS的FEM，幾何模型如圖2所示，網(wǎng)格為結(jié)構(gòu)化0.5 mm的Hexahedron網(wǎng)格。通過加載壓力模擬水壓，壓力垂直均勻由上向下作用于樣品頂部。

1.6 壓縮試驗(yàn)和高壓水聲測試

壓縮試驗(yàn)在Instron 3369-50 kN萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，施加的壓力為0～17 kN(對應(yīng)的水壓為0～1.5 MPa)，壓縮速率為1 mm/min。

材料的吸聲性能參照GB-T14369—2011在水聲管中測試，測試的樣品直徑為120 mm，測試頻率為1500～7000 Hz，可模擬的靜水壓力為0～1.5 MPa，測試溫度為室溫。

2 結(jié)果分析

2.1 FEM仿真模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證FEM仿真模型的準(zhǔn)確性，對PSM的壓縮試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果進(jìn)行對比。如圖3a所示，PSM樣品的應(yīng)力-應(yīng)變曲線近似為線性曲線。1.5 MPa下的試驗(yàn)壓縮率為34.17%，仿真壓縮率為34.10%，對應(yīng)的壓縮試驗(yàn)和仿真形變分別如圖3b、圖3c所示，可知建立的FEM可以仿真材料在壓力下的形變，能用于硬殼和軟內(nèi)襯的尺寸計(jì)算。

(a)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.2 PSM直徑對吸聲系數(shù)和壓縮性能的影響

不同直徑PSM樣品在常壓下的吸聲性能如圖4所示，φ120 mm樣品在全測試頻率范圍內(nèi)的吸聲系數(shù)大于0.8。樣品直徑縮小到116 mm后，吸聲系數(shù)稍微減小，但仍基本保持在0.8以上。樣品直徑縮小到114 mm時(shí)，材料的吸聲性能顯著下降，吸聲系數(shù)只能維持在0.6左右。直徑為110 mm時(shí)，吸聲系數(shù)進(jìn)一步下降到0.4左右。由此可得，PSM直徑對吸聲性能有顯著的影響。測試樣品固定在鋼板表面，直徑小的樣品導(dǎo)致部分鋼板裸露，入射的聲波在裸露的鋼板表面反射，導(dǎo)致整體的吸聲系數(shù)減小，稱之為邊界效應(yīng)[28]。因此，所有測試樣品應(yīng)與水聲管的直徑一致，避免邊界效應(yīng)導(dǎo)致的測試結(jié)果不準(zhǔn)確。為了滿足上述要求，PSM的直徑減小到116 mm，環(huán)氧樹脂的側(cè)面厚度為2 mm，樣品的直徑仍為120 mm。

圖4 常壓下不同直徑PSM樣品的水下吸聲性能

通過FEM仿真對PSM直徑改變后的壓力-壓縮率曲線進(jìn)行校準(zhǔn)，結(jié)果如圖5所示，可以發(fā)現(xiàn)PSM直徑減小后，壓力-壓縮率曲線沒有明顯的改變，尤其是在壓力較低的范圍內(nèi)。壓力為0.25 MPa時(shí)，直徑116 mm的PSM的壓縮率仍為6%。由1.1節(jié)可得，直徑120 mm的PSM在壓力0.25 MPa下的吸聲系數(shù)為0.8，對應(yīng)的壓縮率為6%，所以將直徑116 mm作為新結(jié)構(gòu)的參考值。

圖5 PSM樣品的仿真壓力-壓縮率曲線(D=116,120 mm)

2.3 硬殼和軟內(nèi)襯材料對壓縮性能的影響

為確定硬殼和軟內(nèi)襯材料的厚度，通過FEM計(jì)算不同結(jié)構(gòu)PSM在1.5 MPa下的壓縮率，如表3所示。沒有任何結(jié)構(gòu)的PSM在1.5 MPa下的壓縮率為34.17%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)定的目標(biāo)值6%。添加了側(cè)面厚度2 mm、頂部厚度2 mm的環(huán)氧樹脂硬殼后，壓縮率下降到3.13%。頂部厚度提高到3 mm后，壓縮率不變，所以環(huán)氧樹脂底部的厚度確定為2 mm。如圖6所示，沒有硬殼保護(hù)的PSM在1.5 MPa的壓力下完全變形，在硬殼的保護(hù)下則沒有明顯的形變，但PSM的中心區(qū)域仍受到明顯的壓力，形變較大。為減小中間區(qū)域的形變，在硬殼和PSM中間添加軟內(nèi)襯來吸收壓力。仿真表明，添加了厚度1 mm或2 mm的軟內(nèi)襯后，PSM的壓縮率減小到0.89%，但2 mm的最大形變量更小，所以軟內(nèi)襯的厚度T3定為2 mm。由仿真的形變圖可以看出，中間區(qū)域的形變得到了改善，幾乎消除了壓力的影響。

表3 不同設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的對比

(a)PSM

壓縮試驗(yàn)驗(yàn)證了不同結(jié)構(gòu)在1.5 MPa下的抗壓能力。如圖7a所示，PSM被嚴(yán)重?cái)D壓變形；添加了厚度2 mm的環(huán)氧樹脂硬殼后，材料的強(qiáng)度得到了明顯的提高，幾乎看不出明顯的壓縮(圖7b)，經(jīng)過計(jì)算可得壓縮率為3.83%，與仿真結(jié)果很接近。再添加了2 mm厚的Ecoflex軟內(nèi)襯后，材料整體厚度增大，1.5 MPa下同樣沒有可見形變，計(jì)算得到的壓縮率為3.12%。此處的壓縮量包括軟內(nèi)襯形變的壓縮量，所以大于FEM仿真中PSM單獨(dú)的壓縮率0.89%。由此可得，硬殼和軟內(nèi)襯可以很好地保護(hù)PSM不受高壓形變的影響。

(a)PSM

2.4 高壓下不同結(jié)構(gòu)的吸聲性能

不同結(jié)構(gòu)材料吸聲性能的測試結(jié)果如圖8所示，PSM的吸聲性能隨壓力的增大而迅速下降，壓力為0.5 MPa時(shí)，1500～7000 Hz的平均吸聲系數(shù)從0.9左右下降到0.4；壓力增大到1.5 MPa時(shí)，吸聲系數(shù)降到了0.2以下。添加了環(huán)氧樹脂硬殼后，吸聲系數(shù)如圖8b所示，材料在0 MPa下的吸聲性能有所降低，但在高壓下的吸聲性能明顯提高，壓力低于0.5 MPa時(shí)的吸聲系數(shù)可以保持在0.65左右。壓力進(jìn)一步增大時(shí)，吸聲系數(shù)仍沒有明顯的下降，壓力不超過1.5 MPa時(shí)的吸聲系數(shù)維持在0.65左右，由此可得環(huán)氧樹脂硬殼可提高材料在高壓下的吸聲性能。吸聲性能仍然有所下降的原因是PSM中間區(qū)域的形變(圖6b)。如圖8c所示，在硬殼和PSM中間添加軟內(nèi)襯后，材料在高壓下的吸聲性能進(jìn)一步提高，壓力增大到1 MPa時(shí)，1500～7000 Hz的平均吸聲系數(shù)保持在0.8左右。當(dāng)壓力升到1.5 MPa時(shí)，材料在低頻率范圍(1500～3500 Hz)內(nèi)的吸聲系數(shù)有所減小，但1500～7000 Hz的平均吸聲系數(shù)仍接近0.7。低頻段吸聲系數(shù)的減小不能完全用材料的形變來解釋，因?yàn)閳D6c的PSM在1.5 MPa下的形變幾乎可以忽略。許多研究都將低頻的吸聲原理歸因于彈簧質(zhì)量系統(tǒng)的共振[29-31]。硬殼和軟內(nèi)襯材料很好地保護(hù)了PSM，避免了高壓產(chǎn)生的形變，顯著提高了PSM材料的高壓吸聲性能，但硬殼和軟內(nèi)襯材料可能限制了彈簧質(zhì)量系統(tǒng)的振動(dòng)，在高壓下引起低頻段的吸聲性能下降。

(a)PSM

3 討論

由試驗(yàn)結(jié)果可得，環(huán)氧樹脂硬殼和Ecoflex軟內(nèi)襯在高壓下可以有效地保護(hù)PSM吸聲材料。如圖9所示，環(huán)氧樹脂硬殼可透射聲波，不影響PSM的吸聲性能，并為PSM提供支撐，像一個(gè)保護(hù)罩隔絕了絕大部分壓力的影響。Ecoflex軟內(nèi)襯材料吸收中間易變形區(qū)域的壓力，進(jìn)一步減小壓力對PSM吸聲性能的影響。本研究中，較大的形變會(huì)顯著影響材料全頻段的吸聲性能，因?yàn)檩^大的形變不但減小材料的厚度，而且導(dǎo)致材料內(nèi)部微結(jié)構(gòu)和微氣泡的擠壓變形甚至消失[1]。相對微小的形變也可能導(dǎo)致材料吸聲性能下降，這一現(xiàn)象可以通過自由體積理論來解釋[15]。自由體積理論認(rèn)為，高分子材料的大分子結(jié)構(gòu)周圍的自由體積越可以自由移動(dòng)，材料就越容易吸收聲波的能量。常壓下的自由體積類似于球形，易在柔性的分子鏈段間運(yùn)動(dòng)。單向高壓下，自由體積被壓縮為橢球狀，導(dǎo)致自由體積在柔性鏈段中的運(yùn)動(dòng)受阻，這是大部分聚合物的吸聲性能隨壓力增大而減小的原因。

圖9 具有硬殼和軟內(nèi)襯的PSM吸聲示意圖

圖10對比了不同材料在高壓下的吸聲性能。壓力1.5 MPa下，本文材料明顯好于添加了石墨烯的丁苯橡膠[7]和帶螺栓結(jié)構(gòu)的聚氨酯超材料[32]。雖然碳纖維蜂窩支撐的階梯空腔聚氨酯材料[33]的表現(xiàn)好于本文材料，但本文材料的厚度僅為14 mm，而碳纖維蜂窩支撐的階梯空腔聚氨酯材料[33]的厚度為60 mm，另外該研究的壓力是1 MPa，沒有達(dá)到1.5 MPa。由此可得，本材料更具有優(yōu)勢，研究中提出的新結(jié)構(gòu)可以提高材料水下高壓的吸聲效果。

圖10 高壓下不同結(jié)構(gòu)材料的吸聲性能

4 結(jié)論

本文研究了壓力對吸聲涂層性能的影響，發(fā)現(xiàn)PSM材料在壓力增大時(shí)的吸聲系數(shù)不斷減小；為克服這一問題，在不改變PSM材料組分的情況下，在PSM周圍添加環(huán)氧樹脂硬殼和Ecoflex軟內(nèi)襯材料，添加的結(jié)構(gòu)具有聲透性，不影響PSM的吸聲性能。通過試驗(yàn)和FEM仿真確定了各結(jié)構(gòu)的尺寸，確保PSM在1.5 MPa下的壓縮率小于6%。添加2 mm厚的環(huán)氧樹脂硬殼后，PSM材料在1.5 MPa下的壓縮率從34.17%下降到3.13%。再添加2 mm厚的Ecoflex軟內(nèi)襯后，PSM的壓縮率減小到0.89%。水聲試驗(yàn)表明添加了硬殼和軟內(nèi)襯后，PSM在1.5 MPa下的平均吸聲系數(shù)(1500～7000 Hz)從不到0.2提高到0.7。由此可得，筆者設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)能有效增強(qiáng)吸聲材料在高壓下的吸聲性能。