高分子微粒聲學(xué)材料的制備、性能及聲學(xué)機理研究.pdf

1、材料是工程和高科技發(fā)展的基礎(chǔ)，而作為材料領(lǐng)域后起之秀的高分子材料帶來了材料及工程領(lǐng)域的重大變革。高分子微粒聲學(xué)材料的制備、性能及聲學(xué)機理研究，是本文提出的涉及顆粒聲學(xué)材料和應(yīng)用聲學(xué)發(fā)展的創(chuàng)新思路，開展對它的研究具有重要的科學(xué)意義和廣闊的應(yīng)用前景。本文從材料聲學(xué)特性的角度，將聲學(xué)基礎(chǔ)理論和材料結(jié)構(gòu)密切聯(lián)系，利用高分子材料多層次結(jié)構(gòu)及性能的多樣性，對其進行分子設(shè)計和材料設(shè)計，系統(tǒng)地研究了高分子微粒材料的聲學(xué)性能與結(jié)構(gòu)的關(guān)系，制備了新型高效的

2、高分子微粒復(fù)合吸聲材料。 本文首先研究了用于聲學(xué)材料的高分子微粒的制備方法及結(jié)構(gòu)控制方法，為研究高分子微粒聲學(xué)材料提供了具有不同微觀結(jié)構(gòu)(孔隙率和表面形貌)的高分子微粒。通過分子設(shè)計，以含不飽和雙鍵的聚氨酯預(yù)聚體PUA/IPUA為助劑，在反應(yīng)單體的水.油。水(W/O/W)體系中，利用反相懸浮聚合制得了聚甲基丙烯酸甲酯/丙烯酸乙酯(PMMA/BA)多孔/中空微粒。運用光學(xué)顯微鏡、電導(dǎo)儀、比表面儀和掃描電鏡(SEM)等手段對微粒形成

3、過程以及形態(tài)特征的表征分析，揭示了微粒多孔/中空結(jié)構(gòu)的形成機制：基團推動機制(GDM)。實驗結(jié)果表明，含不飽和雙鍵的聚氨酯預(yù)聚體PUA/IPUA的加入和體系的相演變過程對高分子微粒多孔/中空結(jié)構(gòu)的形成具有決定性的作用。 另一條合成路線，從縮聚型單體出發(fā)，通過水溶性酚醛樹脂O/W/O體系的懸浮聚合，制備了具有多孔/中空結(jié)構(gòu)的酚醛樹脂微粒。通過追蹤反應(yīng)過程發(fā)現(xiàn)，酚醛樹脂的固化過程決定了微粒的最終結(jié)構(gòu)，使得微粒具有典型的雙分散的孔隙結(jié)

4、構(gòu)。通過體系配比的變化，可以獲得具有不同多孔或中空結(jié)構(gòu)的酚醛樹脂微粒。首次以PUA和IPUA體系制備的具有不同孔隙結(jié)構(gòu)的PMMA/BA多孔/中空微粒以及酚醛樹脂多孔/中空微粒等為研究對象，通過實驗獲得微粒材料的特征聲阻抗和傳播常數(shù)，探討并研究了高分子微粒的聲學(xué)特性和吸聲性能。研究表明，相對于傳統(tǒng)的多孔吸聲材料，PMMA/BA多孔/中空微粒在低頻范圍內(nèi)具有高的聲能耗散能力，而具有致密表面的酚醛樹脂多孔/中空微粒，由于不具有顯著的亥姆霍茲共

5、振腔效應(yīng)和粘滯效應(yīng)，吸聲能力相對較差。另一方面，不具有這些效應(yīng)的酚醛樹脂多孔/中空微粒，能夠最大程度地表現(xiàn)出高分子微粒材料在聲波作用下的振動特性，從而揭示出高分子微粒材料的低頻共振吸聲機制。 為了深入研究高分子微粒材料的聲學(xué)特性，和深刻理解相關(guān)的聲學(xué)機制，依據(jù)牛頓第二定律、接觸力定律和運動方程，系統(tǒng)分析高分子微粒在聲場中的受力及顆粒速度等動力學(xué)特征，建立了高分子微粒的離散元(DEM)模型，用MATLAB語言編寫了相應(yīng)的程序，并對

6、其進行仿真研究。研究結(jié)果表明：1)顆粒的轉(zhuǎn)動是引起摩擦，導(dǎo)致其產(chǎn)生無規(guī)運動的原因；而顆粒平動速度的大小主要影響顆粒的粘滯耗能。顆粒的密度和粒徑減小，剛度增加使顆粒體系能量耗散在較低的頻率出現(xiàn)峰值，而峰寬變窄。2)高分子微粒群作為吸聲單元，其吸聲功能可以看成高分子微粒與空氣間相互作用及微粒間的相互運動兩部分耗散能量的集合，而微觀上高分子微粒的相互運動耗散能量是顆粒受沖擊、擠壓及摩擦作用產(chǎn)生的結(jié)果，高分子微粒在這樣的過程中實現(xiàn)對聲能的耗散。

7、3)離散元模型模擬結(jié)果可較好的吻合顆粒材料的吸聲特性和解釋、預(yù)測新材料的吸聲性能。所建立的DEM模型的優(yōu)勢在于，模型中的輸入?yún)?shù)可以根據(jù)實際或設(shè)計的微粒特征進行變化，這就有助于將模型廣泛地應(yīng)用于高分子微粒材料吸聲性能的預(yù)測和研究，建立物理參數(shù)間的可靠聯(lián)系，從而探尋微粒材料的吸聲機制，為設(shè)計和優(yōu)化高分子微粒吸聲材料提供必要的反饋。4)通過專門設(shè)計的振動和聲學(xué)實驗，通過外場激勵下高分子微粒的振動加速度的傳遞函數(shù)，研究高分子微粒的低頻聲學(xué)響應(yīng)

8、行為，獲得與仿真模擬一致的結(jié)論。 依據(jù)阻抗匹配以及梯度漸進等相關(guān)聲學(xué)原理，對高分子微粒吸聲材料的組裝以及性能進行了設(shè)計和研究。結(jié)果表明，單匹配層微粒材料能夠有效地解決單層微粒材料特征阻抗和空氣阻抗不匹配的問題，使得單匹配層微粒材料的整體吸聲性能較單層微粒材料有一定的提高。但匹配層和耗散層的阻抗差異的明顯存在，導(dǎo)致匹配層和耗散層界面反射仍然較大。而雙匹配層微粒材料因為阻抗呈梯度變化，聲能能夠進入材料內(nèi)部，逐漸被耗散。具有特性阻抗梯

9、度漸進的高分子微粒吸聲材料具有較好的吸聲性能，通過調(diào)整匹配層和耗散層的設(shè)計厚度，可獲得在要求厚度和一定頻率范圍內(nèi)具有較好吸聲性能的吸聲材料。而結(jié)合雙倍厚度法和多層材料吸聲理論可預(yù)測和優(yōu)化設(shè)計具有優(yōu)良吸聲性能的高分子微粒吸聲材料。具有柔性約束組裝結(jié)構(gòu)的高分子微粒吸聲材料在中低頻段出現(xiàn)吸收平臺，特別是在500～1600 Hz范圍內(nèi)吸聲性能突出，平均吸聲系數(shù)在0.4以上，最大吸聲系數(shù)可達0.92，具有良好的吸聲效果。這樣的吸聲性能與聲學(xué)聚氨酯

10、泡沫的吸聲效果相當，但其特點在于獲得相同吸聲系數(shù)所需材料厚度更薄，低頻吸聲效果更為突出。 首次采用廢橡膠粉(RRP)材料，研發(fā)了一種新型的低成本實用高分子微粒復(fù)合吸聲材料，巧妙地解決了噪聲和環(huán)境污染的問題。研究發(fā)現(xiàn)，RRP具有突出的對低頻聲的耗散能力，但與空氣阻抗的不完全匹配導(dǎo)致中高頻吸聲性能不佳。在考察了高分子多孔材料，穿孔板及組裝方式對復(fù)合匹配RRP微粒材料的聲學(xué)特征和吸聲性能影響的基礎(chǔ)上，根據(jù)阻抗匹配的思路，設(shè)計了以高分子

11、穿孔板材料作為第一匹配層，聚氨酯泡沫作為第二匹配層，RRP微粒作為耗散層的梯度復(fù)合材料。所制備的高分子微粒復(fù)合材料，結(jié)合了傳統(tǒng)的粘滯和共振耗散機制，具有突出的低頻吸聲性能和寬的吸收頻帶，并具有相當優(yōu)異的性價比。本文創(chuàng)新性地運用聲波傳輸分析法對高分子微粒復(fù)合吸聲材料的吸聲機制進行了理論分析，成功地建立了高分子微粒復(fù)合材料聲學(xué)模型，實現(xiàn)了對高分子微粒復(fù)合材料的聲學(xué)特性和吸聲性能的預(yù)測，為設(shè)計和優(yōu)化新型高分子微粒復(fù)合吸聲材料提供了一條新思路，