具有互穿網(wǎng)絡(luò)雜化材料涂層的3D 打印聲學(xué)超材料研究

劉允航，黃永強(qiáng)，蘇琳，鄭少瑜，孟慶華

(1.上海交通大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，上海 200240；2.中國(guó)船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院，北京 100036)

0 引 言

在聲學(xué)材料中，低頻噪聲的吸收問(wèn)題一直是一個(gè)頗具挑戰(zhàn)性的課題。近年來(lái)，凝聚態(tài)聲子晶體概念的提出，尤其是局域共振型聲子晶體，其帶隙機(jī)理突破了傳統(tǒng)聲學(xué)吸收中布拉格散射的機(jī)理限制,可實(shí)現(xiàn)“小尺寸吸收大波長(zhǎng)”，從而打破低頻聲學(xué)吸收材料的技術(shù)瓶頸，引發(fā)了聲學(xué)超材料領(lǐng)域的一場(chǎng)革命。近幾十年來(lái)，局域共振聲子晶體成功地利用晶格常數(shù)小2 個(gè)數(shù)量級(jí)的材料控制了聲波的傳播。許多基于局部共振的復(fù)雜聲學(xué)超材料已經(jīng)出現(xiàn)，包括具有周期性附加彈簧質(zhì)量諧振器的局部共振薄板、聲子玻璃、混合共振聲膜、螺旋陣列超表面、亥姆霍茲波導(dǎo)腔和迷宮結(jié)構(gòu)等，但針對(duì)壓力條件下的聲學(xué)超材料的研究較少。

聲學(xué)超材料設(shè)計(jì)中往往設(shè)計(jì)非常復(fù)雜的幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，很難通過(guò)普通的機(jī)械加工的方法進(jìn)行制備，而近年來(lái)快速發(fā)展的3D 打印技術(shù)，則有望在該領(lǐng)域有較大的用武之地。3D 打印亦稱3D 快速成型技術(shù)，是以建模軟件或數(shù)字掃描獲得的三維數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用各種耗材，通過(guò)逐點(diǎn)或逐層成型的方式來(lái)構(gòu)造三維物體。

在進(jìn)行水下聲學(xué)材料的設(shè)計(jì)制造中，還需要考慮的是超材料構(gòu)型的耐壓性能。歷史上較為著名耐壓吸聲覆蓋層是由德國(guó)在二戰(zhàn)時(shí)期研制的Alberich 構(gòu)型，其采用的是橡膠內(nèi)部有類似于喇叭口的圓柱孔諧振式結(jié)構(gòu)，在中頻區(qū)域取得了一定的消聲效果。江旻等為改善低頻頻段的吸聲性能，提出了基于充水金屬球殼的具耐壓聲學(xué)覆蓋層結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)不同材質(zhì)及幾何參數(shù)的球殼進(jìn)行組合，使得聲學(xué)覆蓋層的低頻性能得到了明顯提升。隨著聲學(xué)探測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，水下裝備則對(duì)1 000 Hz 以下低頻聲學(xué)吸收材料提出了較高的需求，需要在構(gòu)型設(shè)計(jì)、新材料研發(fā)和加工技術(shù)等方面有大幅度提升。本文擬在經(jīng)典Alberich 構(gòu)型吸聲構(gòu)型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)不同尺寸口徑的圓錐體空腔陣列，通過(guò)軟件建模、切片，采用熱塑性彈性體材料，通過(guò)3D 打印機(jī)將聲學(xué)陣列結(jié)構(gòu)打印在一個(gè)圓餅體內(nèi)，得到具有一定抗壓支撐能力的聲學(xué)材料的基本框架結(jié)構(gòu)。在該框架結(jié)構(gòu)的空腔內(nèi)壁上，采用刷涂法施加涂層前體，通過(guò)光固化后形成有互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（IPNGel）材料涂層，從而得到具有耐壓、輕薄和多模式共振吸收等特點(diǎn)的聲學(xué)超材料（IPN@TPU）。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與材料

試劑均為分析純或化學(xué)純，直接使用，無(wú)需進(jìn)一步純化。聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA），分子量2 000。

1.2 結(jié)構(gòu)建模與3D 打印

應(yīng)用Autocad2007 軟件進(jìn)行3D 打印建模，制作

Φ

110 mm × 30 mm 的3D 模型。將模型以stl 文件格式導(dǎo)入FlashPrint 切片程序,采用FDM 型3D 打印機(jī)Finder（Flashforge），進(jìn)行打印。采用TPU 熱塑性聚氨酯彈性體線材(TPU-98A,eSUN)，材料邵氏硬度為53D，楊氏模量500 MPa。通過(guò)銅制噴頭（直徑350 μm）進(jìn)行逐層打印，層厚度設(shè)定為0.12 mm，基準(zhǔn)打印速度設(shè)定為15 mm/s。完成后，得到聲學(xué)超材料的基本框架結(jié)構(gòu)。

1.3 涂層前體的制備步驟

避光稱取0.8 g 光引發(fā)劑（Irgacure2959），16 g PEGDA，溶于16 g 甘油中，攪拌15 min。另稱取0.5 g 瓊脂，溶于20 g 沸水中，快速攪拌下緩慢加入前述甘油溶液中，35℃繼續(xù)攪拌60 min，得涂層前體（Precursor）。

1.4 涂布與防水封裝

在以TPU 彈性體材料打印的3D 聲學(xué)超材料基本框架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，于結(jié)構(gòu)空腔內(nèi)壁上采用刷涂法施加涂層前體材料（Precursor），同步進(jìn)行365 nm 紫外線照射（20 mW/m）固化至不流動(dòng)，形成IPN 雜化材料涂層，控制涂層厚度為200 μm。在烘箱中50℃鼓風(fēng)干燥0.5 hr，得聲學(xué)超材料（IPN@TPU）。采用傳統(tǒng)橡膠材料作為防水層，把制備的聲學(xué)超材料進(jìn)行外包覆做成測(cè)試樣件（直徑118 mm，總厚度40 mm）。

同時(shí)，也制作了不含IPN 雜化材料涂層的對(duì)比測(cè)試樣（Control@TPU）。

1.5 聲學(xué)性能測(cè)量

測(cè)試前，把測(cè)試樣件清洗表面，并在清水中浸泡24 h 以上。測(cè)試時(shí)，將樣品放置于聲管中（無(wú)背襯），按照標(biāo)準(zhǔn)CB/T3674-2019“水聲材料駐波管測(cè)量方法”，在0～3 MPa 水壓常溫下測(cè)量，其吸聲系數(shù)按下式進(jìn)行計(jì)算：

其中，γ為聲壓復(fù)反射系數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 IPN 雜化材料的制備研究

聲學(xué)IPN 雜化材料的構(gòu)建合成機(jī)理示意如圖1 所示。在涂層前體（Precursor）中，以天然高分子材料瓊脂（Agar）構(gòu)建第一網(wǎng)絡(luò)主體，并摻雜嵌有彈性體PEG單元的活性單體PEGDA、光引發(fā)劑（Irgacure2959）和甘油/水溶劑（Solvent）體系。其本身具有一定的黏稠性以利于涂布施工于3D 聲學(xué)基本結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，并保持有進(jìn)一步固化的能力。當(dāng)固化光源光照時(shí)，Irgacure2959 通過(guò)吸收光子而產(chǎn)生自由基，從而引發(fā)網(wǎng)絡(luò)中的活性單體PEGDA 產(chǎn)生如圖1的自由基型光聚合反應(yīng)（Radical initiated polymerization）而交聯(lián)，得到了嵌有彈性PEG 單元的第二網(wǎng)絡(luò)，與瓊脂一起構(gòu)建了具有互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的雜化材料（IPN-Gel）。

圖1 IPN 雜化材料（IPN-Gel）的合成機(jī)理示意圖Fig.1 The synthetic mechanism of the IPN material

2.2 聲學(xué)超材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、3D 打印與IPN 雜化材料涂布

在進(jìn)行聲學(xué)IPN 雜化材料設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，按照如圖2 所示意的工藝流程進(jìn)行聲學(xué)超材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、3D 打印與IPN 雜化材料涂布?；趯?duì)聲波寬頻吸收的考慮，在經(jīng)典圓錐體吸聲構(gòu)型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)不同尺寸口徑的圓錐體陣列，通過(guò)軟件建模、切片，采用熱塑性聚氨酯(TPU)彈性體材料，采用FDM 型3D 打印機(jī)，將聲學(xué)陣列結(jié)構(gòu)打印在一個(gè)圓餅體內(nèi)，得到具有一定抗壓支撐能力的聲學(xué)材料的基本框架結(jié)構(gòu)。在該框架結(jié)構(gòu)的空腔內(nèi)壁上，采用刷涂法施加涂層前體（Precursor），通過(guò)光固化后形成IPN 雜化材料涂層（IPN-Gel），得到聲學(xué)超材料(IPN@TPU)。

圖2 聲學(xué)超材料（IPN@TPU）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與3D 打?。▎挝粸閙m）Fig.2 The design and 3D printing of the 3D printing acoustic metamaterial

2.3 聲學(xué)性能測(cè)量

采用橡膠防水層把制備的聲學(xué)超材料（IPN@TPU）進(jìn)行外包覆做成測(cè)試樣件（直徑118 mm，厚度40 mm）。為分析IPN 雜化材料在聲學(xué)超材料中的作用，制作不含IPN 雜化材料涂層的對(duì)比測(cè)試樣（Control@TPU），平行測(cè)試在3 MPa 水壓下測(cè)量吸聲性能。從其吸聲效果的對(duì)比可見（見圖3），IPN 雜化材料對(duì)吸聲性能產(chǎn)生了較大的影響。不含IPN 雜化材料涂層的對(duì)比測(cè)試樣在1 800 Hz 以下的低頻區(qū)幾乎沒(méi)有聲學(xué)吸收，而在3 000 Hz 以上的中頻區(qū)具有0.5～0.9 系數(shù)的聲學(xué)吸收，且顯示出一定的多模式共振吸收特點(diǎn)（達(dá)到多尺寸聲學(xué)空腔陣列效果）。而具有IPN雜化材料涂層的聲學(xué)超材料（IPN@TPU）測(cè)試樣件，則在700 Hz 低頻處有一個(gè)小吸收峰（吸收系數(shù)0.31），而在2 000 Hz 以上的中頻區(qū)則明顯較對(duì)比測(cè)試樣具有更高更寬的聲學(xué)吸收，在4 500 Hz 處達(dá)到了0.99 的超高吸收系數(shù)。這個(gè)對(duì)比研究說(shuō)明了IPN 雜化材料較單純的空腔共振具有更好的聲學(xué)吸收效果。具有互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的雜化材料涂層，與TPU 材質(zhì)的圓錐空腔體共同構(gòu)建了多模式共振吸收。

圖3 聲學(xué)超材料（IPN@TPU）的聲學(xué)吸收性能Fig.3 The acoustic absorption coefficients of the metamaterial

為進(jìn)一步研究壓力對(duì)該超材料的吸聲性能影響，在0～3 MPa 水壓下測(cè)量吸聲性能。從聲學(xué)超材料測(cè)試樣件（IPN@TPU）在不同水壓下的吸聲系數(shù)變化圖（見圖4），施加壓力對(duì)吸聲性能產(chǎn)生了極大的影響。在未施壓的情況下，超材料測(cè)試樣件在700 Hz低頻處有較好的聲學(xué)吸收（吸收系數(shù)達(dá)0.66），當(dāng)水壓逐漸升高時(shí)，聲學(xué)頻率吸收峰逐漸向高頻移動(dòng)，并且吸收系數(shù)也逐步升高，到3.0 MPa 壓力時(shí)，4 500 Hz頻率吸收峰處的吸收吸收系數(shù)已高達(dá)0.99，而且吸收峰也呈大幅展寬趨勢(shì)。值得一提的是，當(dāng)聲學(xué)頻率吸收峰逐漸向高頻移動(dòng)，在700 Hz 低頻處還能保持著一個(gè)相對(duì)較小的吸收峰（吸收系數(shù)0.17～0.31）。聲學(xué)性能測(cè)量表明，本文IPN 雜化材料涂層的聲學(xué)超材料（IPN@TPU）具有優(yōu)異的低中頻段寬幅高吸收的特點(diǎn)，在聲學(xué)材料具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

圖4 水壓對(duì)聲學(xué)超材料（IPN@TPU）吸收性能的影響Fig.4 The effect of pressure on the acoustic absorption of the metamaterial

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)建模設(shè)計(jì)和打印具有不同尺寸口徑的圓錐體空腔陣列結(jié)構(gòu)，采用刷涂法施加涂層前體，通過(guò)光固化后形成有互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的IPN 雜化材料涂層于空腔內(nèi)壁上，得到具有耐壓、輕薄和多模式共振吸收等特點(diǎn)的聲學(xué)超材料（IPN@TPU）。其可以兼顧低頻與中頻區(qū)的聲學(xué)吸收，還發(fā)現(xiàn)聲學(xué)吸收隨壓強(qiáng)增加逐漸向高頻移動(dòng)。該聲學(xué)超材料在水下裝備聲學(xué)工程中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。