初麗輝 丁志榮 匡 寧 溫 嬌 曾文敏

(1.南通大學(xué)紡織服裝學(xué)院，南通，226019;2.中材科技股份有限公司，南京，210012)

當(dāng)今，人們受到的噪聲污染越來(lái)越嚴(yán)重。噪聲污染已成為世界性問(wèn)題，被列為三大污染之一［1］。噪聲給人類的健康帶來(lái)了很大的傷害，減少噪聲對(duì)人類的傷害迫在眉睫。因此，吸聲、隔聲材料的開(kāi)發(fā)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，市面上的吸聲材料可以分為多孔吸聲材料、共振吸聲材料及微穿孔板吸聲材料三大類［2］。不少學(xué)者［3-7］對(duì)不同材料的吸聲、隔聲性能進(jìn)行了研究，并取得了一定的成果。

玻璃纖維織物具有一定的吸聲性能，并且在樹(shù)脂浸潤(rùn)作用下具有良好的自展性能。試驗(yàn)過(guò)程中利用其自展性能使用樹(shù)脂浸漬織物加工形成復(fù)合材料，織物表面凹凸不平，可以提高其吸聲性能。整體中空復(fù)合材料不僅具有比強(qiáng)度、比剛度高，質(zhì)量輕，整體性、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等特點(diǎn)，而且由于其特殊的中空結(jié)構(gòu)，使其具有優(yōu)良的隔聲、隔熱性能［8-9］。但是目前對(duì)于該材料吸聲、隔聲性能的研究相對(duì)較少，李鴻順等［6］研究了不同高度、不同結(jié)構(gòu)中空復(fù)合材料的隔聲效果。本文通過(guò)選用不同的樹(shù)脂作為基體，用三維玻璃纖維機(jī)織物作為增強(qiáng)體，加工成整體中空復(fù)合材料，研究不同樹(shù)脂固化形成的產(chǎn)品的吸聲、隔聲性能，為以后開(kāi)發(fā)具有良好吸聲、隔聲性能的復(fù)合材料提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料

環(huán)氧樹(shù)脂，稀釋劑(專用的稀釋液)，固化劑(GCC137):江蘇省昆山市綠循化工商行;不飽和樹(shù)脂，固化劑(HS-9004):常州華科樹(shù)脂廠;酚醛樹(shù)脂:鄭州亨通化工有限公司;濃鹽酸(試劑級(jí))，丙酮(試劑級(jí)):西隴化工有限公司;5 mm中空玻璃纖維織物:中材科技股份有限公司。

1.2 樣品制備

紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料常用加工方法主要有手糊成型、真空輔助成型、纏繞成型等。試驗(yàn)過(guò)程中選用三維立體玻璃纖維織物作為增強(qiáng)材料，分別選用環(huán)氧樹(shù)脂、不飽和樹(shù)脂和酚醛樹(shù)脂三種樹(shù)脂作為基體，利用手糊成型工藝加工形成三維整體復(fù)合材料。

在樣品的制備過(guò)程中，首先裁剪一塊織物，選擇樹(shù)脂，按照樹(shù)脂與織物的質(zhì)量比1.2∶1稱出樹(shù)脂浸漬織物，然后加入固化劑等促進(jìn)其成型，最后放在空氣中使其自然固化干燥。由于每個(gè)樣品樹(shù)脂比例都是相同的，因此固化后的復(fù)合材料高度幾乎都與原織物一樣。

為了分析樹(shù)脂內(nèi)部氣孔對(duì)其性能的影響，在制備酚醛樹(shù)脂樣品的過(guò)程中，向樹(shù)脂中加入15%的發(fā)泡劑二氯甲烷，并分別在20和40℃條件下固化。由于二氯甲烷的揮發(fā)，會(huì)導(dǎo)致在樹(shù)脂中略微形成一定的氣泡。其中，樹(shù)脂∶吐溫－80∶二氯甲烷∶固化劑鹽酸 =100∶3∶5∶10。將試驗(yàn)所制得的樣品裁剪成測(cè)試所需要的樣品，如圖1所示。

圖1 測(cè)試樣品

1.3 性能測(cè)試

正常情況下，周圍環(huán)境中的聲音頻率范圍大多處于中低頻，因此，本試驗(yàn)主要是針對(duì)中低頻聲音進(jìn)行吸聲、隔聲的測(cè)試。材料的吸聲、隔聲性能主要采用聲望材料吸隔聲測(cè)試系統(tǒng)的傳遞函數(shù)法進(jìn)行測(cè)試。樣品分別裁剪成直徑為100和30 mm的圓形試樣，分別用于中頻和高頻的吸、隔聲性能測(cè)試。吸、隔聲測(cè)試的簡(jiǎn)化裝置如圖2所示。吸聲過(guò)程主要是從聲源處產(chǎn)生聲波，在靠近樣品的位置有2個(gè)聲壓測(cè)試裝置進(jìn)行聲壓測(cè)試，得到2個(gè)傳聲器信號(hào)的聲傳遞函數(shù)，以此計(jì)算試樣的吸聲系數(shù)等參數(shù)。對(duì)于隔聲性能的測(cè)試，只是將聲壓測(cè)試裝置由2個(gè)改為4個(gè)，分布在樣品的兩側(cè)進(jìn)行測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 樹(shù)脂基紡織空心結(jié)構(gòu)復(fù)合材料吸、隔聲機(jī)理

吸聲材料主要通過(guò)兩種途徑發(fā)揮作用:一是靠從外到內(nèi)許多敞開(kāi)的孔道使聲波衰減;二是靠材料的共振作用吸聲。樹(shù)脂基紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的吸聲一方面是由于固化過(guò)程中樣品下底面放在光滑的模具上較為平整，而其上表面并沒(méi)有進(jìn)行對(duì)模，固化后樣品上表面呈現(xiàn)織物表面的凹凸?fàn)顟B(tài)，使聲波在表面反射后依然能夠進(jìn)入材料，減少了反射回大氣的聲波;另一方面是材料內(nèi)有樹(shù)脂與纖維、樹(shù)脂與空氣的界面，在界面處一部分聲波進(jìn)入新的介質(zhì)繼續(xù)傳導(dǎo)，另一部分聲波反射，反射過(guò)程增加了聲波在材料內(nèi)部傳播的距離，使聲波被吸收。

圖2 吸、隔聲測(cè)試裝置示意圖

表面相對(duì)堅(jiān)硬密實(shí)的材料隔聲效果相對(duì)較好，所用材料屬于不利于聲波傳導(dǎo)的介質(zhì)材料，其隔聲效果也相對(duì)較好。樹(shù)脂基紡織空心結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的隔聲效果主要是因?yàn)闃?shù)脂相對(duì)比較密實(shí)，其對(duì)于聲波的傳播相對(duì)不利;另外，材料中間的中空結(jié)構(gòu)中的空氣相對(duì)固體傳聲性能較差，因此中空結(jié)構(gòu)可以提高隔聲效果。

一般來(lái)說(shuō)，材料具有良好的吸聲性能有利于提高其隔聲性能，因?yàn)槁暡ū徊牧衔找院蟮竭_(dá)材料另一端的聲波量相對(duì)較少。由于隔聲性能受到多個(gè)因素的影響，所以吸聲性能好的材料其隔聲效果并不一定優(yōu)于吸聲性能差的材料;同樣，隔聲性能好的材料其吸聲性能并不一定也好。吸聲性能主要是判斷聲波被吸收的量，發(fā)生隔聲作用后聲波依然存在，并沒(méi)有達(dá)到吸聲的效果。

2.2 樹(shù)脂基紡織空心結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的吸聲性能探討

圖3為三種樹(shù)脂復(fù)合材料的吸聲性能對(duì)比，從圖中可以看出，在0～4 000 Hz范圍內(nèi)，環(huán)氧樹(shù)脂與不飽和樹(shù)脂的吸聲性能差距不大，頻率范圍略有不同;超過(guò)4 000 Hz后，不飽和樹(shù)脂的吸聲性能略有提高;它們?cè)? 800～3 500 Hz范圍內(nèi)吸聲性能相對(duì)較好，吸聲系數(shù)超過(guò)0.4。不飽和樹(shù)脂在2 468 Hz左右吸聲系數(shù)達(dá)到了0.87，而環(huán)氧樹(shù)脂在2 768 Hz時(shí)達(dá)到了0.82;環(huán)氧樹(shù)脂與不飽和樹(shù)脂吸聲效果最好的頻段在2 500 Hz附近。從圖3中還可以看出，酚醛樹(shù)脂的吸聲系數(shù)出現(xiàn)了兩個(gè)比較明顯的波峰，第一個(gè)波峰出現(xiàn)在900 Hz，吸聲系數(shù)達(dá)到0.90左右;第二個(gè)波峰出現(xiàn)在3 400～3 500 Hz，吸聲系數(shù)達(dá)到了0.99，吸聲效果非常好。在800～1 100、2 150～2 400及2 700～4 800 Hz頻段，酚醛樹(shù)脂復(fù)合材料的吸聲系數(shù)均在0.4以上，其吸聲頻率范圍相對(duì)比較寬，吸聲性能相對(duì)比較好。

圖3 三種樹(shù)脂復(fù)合材料的吸聲性能對(duì)比

圖4為酚醛樹(shù)脂復(fù)合材料在不同條件下的吸聲性能。從圖4中可以看出，添加了15%發(fā)泡劑后，復(fù)合材料的整體吸聲系數(shù)降低，并且波峰變得不明顯，即吸聲頻率范圍變寬。這主要是因?yàn)樵趶?fù)合材料內(nèi)部形成了大小不均勻的氣泡，氣泡使其吸聲頻率范圍變寬，但單個(gè)封閉的氣泡不利于聲波在其中的傳播消耗，導(dǎo)致吸聲系數(shù)降低［10］。固化溫度從20℃升高至40℃，材料的吸聲系數(shù)降低，這主要是因?yàn)闇囟壬?，加快了固化，材料中的氣泡?shù)目有一定的增加;但是如果溫度過(guò)高，會(huì)加快發(fā)泡劑的揮發(fā)，氣泡數(shù)目相應(yīng)地減少。

圖4 發(fā)泡劑及固化溫度對(duì)酚醛樹(shù)脂復(fù)合材料吸聲性能的影響

2.3 樹(shù)脂基紡織空心結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的隔聲性能探討

圖5是三種樹(shù)脂加工成的復(fù)合材料的隔聲性能測(cè)試結(jié)果。為了便于直觀比較，我們選擇1/3倍頻程的數(shù)據(jù)繪圖。從圖5中可以看出，三種樹(shù)脂在超過(guò)4 000 Hz的頻率范圍內(nèi)隔聲性能優(yōu)良，其對(duì)高頻聲波的隔聲效果明顯，尤其是不飽和樹(shù)脂。在4 000 Hz以下的區(qū)域，三種樹(shù)脂的隔聲性能差距不大。在1 000 Hz左右，環(huán)氧樹(shù)脂與不飽和樹(shù)脂出現(xiàn)波峰。三種樹(shù)脂對(duì)比結(jié)果顯示:在1 000 Hz左右差距比較大，酚醛復(fù)合材料出現(xiàn)隔聲的波谷，而其余兩種材料卻出現(xiàn)波峰。與圖3對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，三種樹(shù)脂在4 000 Hz以內(nèi)的吸聲效果優(yōu)于4 000 Hz以外;但是對(duì)于隔聲性能，在4 000 Hz以內(nèi)的效果明顯低于4 000 Hz以外。這主要是因?yàn)楦袈曅阅艹耸芪曅阅艿挠绊懲?，還有一些其他的影響因素，這些影響因素需進(jìn)一步研究。

圖5 三種樹(shù)脂復(fù)合材料的隔聲性能對(duì)比

圖6為酚醛樹(shù)脂在不同條件下的隔聲性能。從圖6中可以看出，添加了15%發(fā)泡劑后，復(fù)合材料的隔聲性能大幅度提高，固化過(guò)程中所處的溫度越高，其隔聲性能越好，對(duì)于高頻聲波的隔聲效果明顯優(yōu)于低頻聲波。這主要是因?yàn)閮?nèi)部所形成互不聯(lián)通的氣泡不利于聲音的傳播，達(dá)到了良好的隔聲效果。20℃固化，添加15%發(fā)泡劑的酚醛樹(shù)脂，在800～900和2 500 Hz附近出現(xiàn)了隔聲效果較好的波峰。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料與不飽和樹(shù)脂復(fù)合材料的吸聲性能差距不大，它們?cè)? 800～3 500 Hz頻段內(nèi)吸聲性能相對(duì)較好。酚醛樹(shù)脂復(fù)合材料在800～1 100、2 150～2 400和2 700～4 800 Hz頻段內(nèi)吸聲性能相對(duì)較好。而酚醛樹(shù)脂復(fù)合材料在添加發(fā)泡劑后，吸聲效果變差。

(2)環(huán)氧、不飽和、酚醛三種樹(shù)脂復(fù)合材料對(duì)于高頻聲波的隔聲效果相對(duì)比較好，在低頻區(qū)域，三種材料的差距不是很大。對(duì)于酚醛樹(shù)脂復(fù)合材料，添加發(fā)泡劑后，隔聲效果提高，并且適當(dāng)提高固化溫度有利于提高其隔聲效果。

圖6 發(fā)泡劑及固化溫度對(duì)酚醛樹(shù)脂復(fù)合材料隔聲性能的影響

［1］鄒建芳，郭會(huì)越，戴平，等.噪聲對(duì)聽(tīng)覺(jué)外系統(tǒng)的影響［J］.預(yù)防醫(yī)學(xué)論壇，2007，13(6):527-529.

［2］郭紅紅.環(huán)氧樹(shù)脂基輕質(zhì)吸聲材料［D］.杭州:浙江大學(xué)，2007.

［3］曹海建.三維機(jī)織整體中空復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和性能研究［D］.無(wú)錫:江南大學(xué)，2010.

［4］鄭芬.汽車用蜂窩隔聲材料的開(kāi)發(fā)［J］.國(guó)外汽車，1991(4):38-41.

［5］JIANG S，XU Y Y ，ZHANG H P，et al.Seven-hole hollow polyester fibers as reinforcement in sound absorption chlorinated polyethylene composites［J］.Applied Acoustics，2012，73(3):243-247.

［6］李鴻順，錢(qián)坤，曹海建，等.整體中空復(fù)合材料隔聲性能的實(shí)驗(yàn)研究［J］.復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2011，28(4):167-170.

［7］PANG H，F(xiàn)AN M，HE Z F.A method for analyzing the microwave absorption properties of magnetic materials［J］.Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2012，324(16):2492-249.

［8］匡寧，周光明，張立泉，等.整體中空夾層復(fù)合材料的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用［J］.玻璃纖維，2007(5):15-21.

［9］CORIGLIANO A，RIZZI E.Experimental characterization and numerical simulations of a synactic-foam/glassfiber composites sandwich［J］.Composites Science and Technology，2000，60(11):2169-2180.

［10］洪宗輝.環(huán)境噪聲控制工程［M］.北京:高等教育出版社，2002:118-144.