崔向紅，王瑞琨，劉曉東，陳明月，李天智

黑龍江省科學(xué)院高技術(shù)研究院，黑龍江 哈爾濱 150020

隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，噪聲污染作為當(dāng)今世界三大污染源之一，已經(jīng)愈發(fā)嚴(yán)重。船用大型設(shè)備中機(jī)械振動的微小變化不但會影響精密儀器的精度，還會大幅縮短儀器的使用壽命；此外，當(dāng)船員長時間在高分貝噪音環(huán)境中工作時，會產(chǎn)生消極和煩躁的情緒，嚴(yán)重情況下會對船員的聽力和神經(jīng)系統(tǒng)造成損害。因此，開發(fā)優(yōu)良的隔聲和吸聲材料用以控制大型船只領(lǐng)域中的噪音傳播一直是學(xué)術(shù)界的熱門話題。

通常來說，降低源噪聲、控制傳播途徑中的噪聲和保護(hù)噪聲接收體是實現(xiàn)控制噪聲的3 種途徑。其中利用阻尼材料降低傳播途徑中的噪音是目前最常用且最有效的降噪方式。阻尼材料是通過將固體的機(jī)械振動能轉(zhuǎn)化為熱能耗散以達(dá)到降噪減振的目的，其自20 世紀(jì)50 年代面世至今，按結(jié)構(gòu)上的特點主要分為金屬基阻尼材料、耐高溫陶瓷基阻尼材料、聚合物基阻尼材料和復(fù)合型阻尼材料等[1-4]。

本文主要綜述了聚合物基阻尼材料的降噪機(jī)理、敷設(shè)方式、改性手段以及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。

1 阻尼吸聲機(jī)理

目前，阻抗匹配、阻尼耗散、壓電式主動耗散、散射和共振是5 種被廣泛認(rèn)同的吸聲機(jī)理[5]。高分子材料憑借其獨特的分子結(jié)構(gòu)，通過黏彈阻尼與填料阻抗的恰當(dāng)結(jié)合和增加內(nèi)界面等方式增加分子的無規(guī)化程度，從而實現(xiàn)優(yōu)于其他種類材料的吸聲效果。

聲波屬于機(jī)械波，其傳播本質(zhì)為能量在不同介質(zhì)中的傳遞，傳播過程中損耗的實質(zhì)為能量的耗散與轉(zhuǎn)換。對于理想彈性固體材料而言，在材料受力前后，能量先以彈性能的形式儲存，而后以動能形式釋放，整個過程中沒有能量損失。而理想黏性液體的應(yīng)力與應(yīng)變不同步，導(dǎo)致材料在受力時能量會全部損耗為熱能釋放。聚合物材料屬于黏彈性材料，即形變性質(zhì)兼具固體的彈性特征和液體的黏性特征，當(dāng)聲波和機(jī)械振動傳遞到材料內(nèi)部時，振動會轉(zhuǎn)化為分子鏈段間的運動，從而通過內(nèi)摩擦和分子鏈段扭曲變形將振動能轉(zhuǎn)化為熱能。在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)前后，高分子材料由玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚棏B(tài)，此時分子鏈段運動不充分，有嚴(yán)重的滯后現(xiàn)象，出現(xiàn)內(nèi)耗最大值，可以起到阻尼效果。阻尼效果取決于高分子材料自身的滯后現(xiàn)象、儲能模量、損耗模量、合成工藝及填料等諸多因素。通常對于聚合物基阻尼材料而言，內(nèi)耗越高、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度范圍越大、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度與應(yīng)用環(huán)境越相近，其阻尼效果越優(yōu)異[6-8]。

損耗因子(tanδ)是用以衡量材料降噪減振效果的重要參數(shù)，通常將tanδ≥0.3 的溫度范圍定義為有效阻尼溫域，此外要求阻尼材料的有效阻尼溫域大于60 ℃。傳統(tǒng)金屬基阻尼材料往往依賴于增加質(zhì)量的方式來實現(xiàn)阻尼效果，且損耗因子最高僅有0.15[9-10]，不能滿足高阻尼要求的使用場合。而聚合物基阻尼材料具有成本較低、質(zhì)量較輕、易于加工和整體結(jié)構(gòu)調(diào)控方便等優(yōu)勢，近年來關(guān)于聚合物基聲學(xué)功能材料作為隔聲和吸聲材料的研究被廣泛報導(dǎo)。

吸聲系數(shù)(α)、吸聲諧振頻率和吸聲頻帶寬度也是評價吸聲性能優(yōu)劣的重要衡量標(biāo)準(zhǔn)。其中吸聲系數(shù)的定義為投射總聲能與入射總聲能間的比值（計算公式如式（1）所示）。α越大則說明材料吸聲性能越好，一般將吸聲系數(shù)大于0.2 的材料稱為吸聲材料，吸聲系數(shù)大于0.56 材料稱為高效吸聲材料。

式中：Ei為入射聲能，Er為被材料反射的聲能，Et為透過材料的聲能，Ea為被材料吸聲的聲能。

此外，高分子泡沫材料也是一種理想的多孔吸聲材料，聚合物基泡沫材料的吸聲機(jī)理如圖1所示，除黏彈性阻尼吸聲外，聲波還可以通過泡孔中裂縫和微孔形成通路時產(chǎn)生的摩擦和黏滯作用、材料界面與空腔內(nèi)壁發(fā)生的多次反射和衍射，將聲能隨機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能耗散[11-12]。目前，聚氨酯(PU)、聚酰亞胺(PI)、聚丙烯酸酯和聚乙烯等高分子材料經(jīng)發(fā)泡處理后均有較好的吸聲效果。在微觀層面上，材料的開孔閉孔、泡孔的形態(tài)與大小都對材料的吸聲性能有很大影響；而在宏觀層面上，影響泡沫吸聲材料的主要因素包括材料的容重、流阻、厚度和護(hù)面層等[13-14]。

圖1 泡沫吸聲材料中常見的聲能耗散機(jī)制示意[13]

2 阻尼材料敷設(shè)方式

高分子阻尼材料的敷設(shè)方式主要分為自由阻尼結(jié)構(gòu)和約束阻尼結(jié)構(gòu)2 類。自由阻尼結(jié)構(gòu)如圖2 所示，是將一層帶有一定厚度的黏彈性阻尼材料黏結(jié)于基體表面，當(dāng)外力迫使基體彎曲振動時，阻尼層內(nèi)部發(fā)生擠拉變形，阻尼層和基板共同振動耗散能量，體現(xiàn)出阻尼材料降噪減振的特性。而在上述雙層結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，再將強度較高的約束層涂覆在最外層，即為約束阻尼結(jié)構(gòu)，如圖3所示。其主要作用是在基體受到周期性振動載荷彎曲變形時，約束層和基體材料的變形差還可以使阻尼材料產(chǎn)生剪切和拉伸變形，從而達(dá)到耗散額外能量的效果。在約束層材料選擇方面，約束層厚度和剛度越大、約束層與阻尼層間彈性模量差異越大，則約束結(jié)構(gòu)發(fā)生剪切運動時轉(zhuǎn)化為熱能和位能的能力越強，降噪效果越好。此外，有效的補片設(shè)計還可以提供可觀的許用載荷、靜強度以及抗疲勞性[15-16]。

圖2 自由阻尼結(jié)構(gòu)

圖3 約束阻尼結(jié)構(gòu)

3 船用聚合物基阻尼材料及改性方法

船用聚合物基降噪阻尼材料始于第二次世界大戰(zhàn)末期，其主要材料經(jīng)過2 次更新。橡膠類吸聲材料聲阻抗與水非常接近且高頻吸聲性能較高，被最早應(yīng)用于艦艇的隱身技術(shù)中，但其吸聲性能主要依靠孔腔而非材料自身且吸聲性能受溫度影響較大，不能滿足現(xiàn)今船舶的使用環(huán)境。1988 年，美國核潛艇“圣胡安”號第一次在潛艇外部敷設(shè)由聚氨酯和玻璃組成雙層鋁板結(jié)構(gòu)的固定式消聲瓦，單層可降低自噪聲25 dB，雙層可降低40 dB 左右，其綜合性能遠(yuǎn)高于橡膠材料。至此，聚氨酯作為第2 代吸聲材料基體被廣泛應(yīng)用至今，英國W J Tod 公司與法國Metravibrds 公司合作并研發(fā)可用于潛艇的聚氨酯系列材料。此外，W J Tod 公司還研發(fā)出一種新型壓力注入泵系統(tǒng)，可以同時生產(chǎn)100 t 以上聚氨酯阻尼材料用于涂敷大型船舶和潛艇[17]。

我國自20 世紀(jì)70 年代開始船用阻尼材料的研制工作，目前國內(nèi)阻尼材料以聚合物基材料為主，按材料形態(tài)可分為片材型與涂料型2 類。國內(nèi)主要阻尼材料性能參數(shù)如表1[18]所示。

表1 國內(nèi)主要阻尼材料性能參數(shù)

我國黏彈性阻尼材料通用規(guī)范GJB3045-1997對材料阻尼性能的具體規(guī)定為：自由阻尼材料tanδ≥0.3，約束阻尼材料tanδ≥0.7，此外阻尼材料還應(yīng)具有一定耐環(huán)境老化性。從表1 可知，我國所生產(chǎn)的阻尼材料可以基本符合通用規(guī)范要求，但距大規(guī)模應(yīng)用仍有一定距離，因此本文重點介紹聚氨酯吸聲材料和聚酰亞胺吸聲材料的改性手段及填料選擇，為船舶減振降噪領(lǐng)域的科研人員提供一定指導(dǎo)意義。

3.1 聚氨酯泡沫阻尼材料

聚氨酯(PU)全稱聚氨基甲酸酯，由二異氰酸酯或多異氰酸酯與二羥基或多羥基化合物聚合而成。其微觀分子結(jié)構(gòu)包括由多元醇或聚醚所組成的軟段結(jié)構(gòu)以及包括異氰酸酯和小分子擴(kuò)鏈劑所組成的硬段結(jié)構(gòu)。其中軟段結(jié)構(gòu)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度小于室溫，在室溫環(huán)境中呈無規(guī)則卷曲狀態(tài)，賦予高分子材料柔韌性；硬段結(jié)構(gòu)在室溫環(huán)境中呈柱狀伸展，賦予材料強度與剛度。由于PU 獨特的化學(xué)結(jié)構(gòu)，可以在制備過程中通過分子設(shè)計來控制硬段與軟段的比例，使其內(nèi)部發(fā)生微觀相分離，從而可以保證在一定溫度范圍內(nèi)具有較高的損耗因子。此外，聚氨酯還具有密度較低、低溫柔順以及耐磨等特點，在工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[19-21]。

聚氨酯材料通常通過發(fā)泡工藝制成聚氨酯泡沫以達(dá)到降噪目的，目前對聚氨酯發(fā)泡材料的研究則集中于微觀結(jié)構(gòu)中，包括分子結(jié)構(gòu)、泡孔形狀、泡孔結(jié)構(gòu)和材料固有參數(shù)等對聲學(xué)性能的影響[22-23]。

周燕等[24]通過不同種類聚醚多元醇制備聚氨酯硬質(zhì)泡沫塑料，用以研究泡孔大小、泡孔分布和材料厚度對降噪性能的影響。結(jié)果表明：在中高頻段，泡孔越大，分布越均勻的材料降噪效果越好；并且在某一范圍內(nèi)，材料的吸聲降噪性能隨材料厚度的增加而增強。Gama等[25]使用粗甘油(CG)和液化咖啡渣衍生多元醇(POL)制備環(huán)保型聚氨酯泡沫吸聲材料。結(jié)果表明：CG-聚氨酯泡沫材料由于較小開孔率和更規(guī)則的孔徑結(jié)構(gòu)，具有極高的高頻吸聲系數(shù)，在4 000 Hz 時接近1.0。咖啡渣中的木質(zhì)纖維素增加了泡孔的尺寸和開孔量，改善了聚氨酯泡沫在低頻范圍的吸聲性能，因此當(dāng)CG 與POL 質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為50%時，聚氨酯泡沫在中頻范圍內(nèi)的吸聲性能得到改善。此外，木質(zhì)纖維素含量的增加還為聚合物基體提供額外的剛性和交聯(lián)密度，改善了聚氨酯泡沫的熱穩(wěn)定性及機(jī)械性能。Kim等[26]發(fā)現(xiàn)交聯(lián)劑二乙醇胺(DEA)可以通過阻止PU 基體中的相分離從而影響孔隙形態(tài)，且開孔數(shù)量隨DEA 添加量增高而減小。研究發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)整催化劑和發(fā)泡劑之間的比例(9∶1)并添加DEA0.9 g 時，實現(xiàn)了均勻的空腔尺寸分布，制備的柔性聚氨酯泡沫具有最高的吸聲系數(shù)。Park等[27]采用超聲波發(fā)泡技術(shù)調(diào)節(jié)聚氨酯泡沫的微孔結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明：聚氨酯泡沫的平均孔徑隨超聲波振幅的增加而減小，并提高了低頻范圍內(nèi)的聲學(xué)阻尼效率。此外，通過使用Johnson-Champoux-Allard(JCA)模型對吸聲性能進(jìn)行模擬分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)樣品厚度為2 cm、密度為80 kg/cm3、泡孔直徑為400 μm 時，聚氨酯泡沫具有最佳的低頻吸聲性能。

3.2 聚酰亞胺泡沫阻尼材料

聚酰亞胺(PI)是主鏈上含有酰亞胺環(huán)(—CO—NR—CO—)結(jié)構(gòu)的一類高分子聚合物，其分子鏈段中苯環(huán)與亞胺環(huán)交替出現(xiàn)，兩者之間可以形成穩(wěn)定的絡(luò)合體系，使聚酰亞胺擁有優(yōu)異的穩(wěn)定性。并且作為目前工業(yè)化生產(chǎn)聚合物材料中耐高溫性最優(yōu)異的高分子材料，聚酰亞胺泡沫兼具基體樹脂和多孔材料的性能優(yōu)勢，在高溫環(huán)境中依舊可以保持良好的吸聲性、機(jī)械性和耐磨性。在船用降噪阻尼材料領(lǐng)域通常通過改變其化學(xué)結(jié)構(gòu)或加入填料等方法改變其泡孔結(jié)構(gòu)，以改善聚酰亞胺泡沫材料的吸聲性能[28-29]。

鄭逸良等[30]通過阻抗管法研究了PI、三聚氰胺(MFF)和PU 這3 種泡沫材料對噪聲的吸收特性。結(jié)果表明：在相同密度條件下，PI 泡沫由于分子結(jié)構(gòu)剛性更強、閉孔結(jié)構(gòu)數(shù)量更多和更大的薄膜結(jié)構(gòu)，使其吸聲性能優(yōu)于MFF 泡沫和PU 泡沫。當(dāng)PI 泡沫密度為16 kg/m3時，PI 泡沫降噪指數(shù)達(dá)到0.53。Doutres等[31]針對PI 泡沫材料中泡孔間孔壁較多，阻礙聲波入射導(dǎo)致吸聲性能較差的問題，使用化學(xué)去除法和物理去除法破壞泡孔間的孔壁，減小流阻，提高了材料的吸聲性能。

3.3 異氰酸酯基聚酰亞胺泡沫材料

聚酰亞胺泡沫材料雖然具有優(yōu)異的理化性能，但昂貴的價格嚴(yán)重限制了其商業(yè)化應(yīng)用，短時間內(nèi)仍不能取代傳統(tǒng)聚合物基吸聲材料。異氰酸酯基聚酰亞胺泡沫(IBPIF)是一種以多異氰酸酯和多元酸酐為原料，發(fā)泡機(jī)理基于聚氨酯發(fā)泡技術(shù)的一種新型廉價聚酰亞胺泡沫[32-33]。相較于PI 泡沫優(yōu)異的綜合性能，IBPIF 雖然在一定程度上有所減弱，但分子鏈段中脲基結(jié)構(gòu)使材料自身脆性增加，在發(fā)泡成型過程中更易開裂，從而形成天然開孔或半開孔狀態(tài)，有利于提升吸聲性能。因此通過研制兼具良好機(jī)械性能和吸聲性能的IBPIF 泡沫有望推動聚酰亞胺逐步取代現(xiàn)有泡沫吸聲材料。

Ren等[34]通過控制發(fā)泡料漿溫度，用以制備輕型IBPIF 泡沫吸聲材料。結(jié)果表明：IBPIF 獨特的蜂窩狀泡孔結(jié)構(gòu)可以通過發(fā)泡料漿溫度進(jìn)行調(diào)整。在20～40°C 溫度區(qū)間內(nèi)，料漿溫度每升高10 °C，開孔率約增加一倍。發(fā)泡料漿為40 °C 的樣品開孔率達(dá)到58.5%，密度僅12 kg/m3，在800～6 300 Hz 測試范圍內(nèi)，吸聲系數(shù)最高。王磊超[35]研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)IBPIF 發(fā)泡料漿溫度分別為0°C 和40°C 時，樣品在315～630 Hz 和630～6 300 Hz 頻段吸聲性能最佳；當(dāng)1 cm 厚的高頻特征吸收樣品作為受聲面和4 cm 厚低頻特征吸收樣品橫向排列組合時，在315～6 300 Hz 測試范圍內(nèi)降噪系數(shù)最高，其值達(dá)到0.68。

3.4 填料改性聚合物基阻尼材料

在聚合物基體中添加無機(jī)填料，填料粒子不僅可以占據(jù)高分子鏈段間的堆砌空間，還可以與高分子界面或其余填料粒子產(chǎn)生摩擦，從而顯著提高聚合物基體的阻尼性能和力學(xué)性能[36]。

目前，常用的填料種類集中于纖維及納米粒子2類[22]。Zhao等[37]采用溶膠-凝膠法和發(fā)泡工藝制備聚酰亞胺/SiO2復(fù)合泡沫材料用以研究SiO2添加量對復(fù)合泡沫材料中泡孔結(jié)構(gòu)、吸聲性能及熱性能的影響。結(jié)果表明：加入納米SiO2顆粒不僅可以改善復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性，還可以提高其吸聲性能。添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%納米顆粒的樣品具有最高的吸聲系數(shù)，值為0.63。此外，其初始分解溫度較純組分PI 泡沫提高約15°C。Li等[38]使用蛭石和珍珠巖改性聚氨酯吸聲材料。結(jié)果表明：加入蛭石和珍珠巖后，吸聲系數(shù)峰值向低頻移動，當(dāng)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、直徑為0.71～2.00 mm 的蛭石時，聚氨酯泡沫在1 000 Hz時具有最大吸聲系數(shù)，值為0.87；此外改性聚氨酯泡沫的熱導(dǎo)率和回彈率均有所改善。Zhang等[39]使用玻璃纖維改性高強度聚氨酯泡沫，并用駐波管法對材料吸聲系數(shù)進(jìn)行表征。結(jié)果表明：發(fā)泡劑和玻璃纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.4%和3%時，復(fù)合材料吸聲系數(shù)最高達(dá)到0.58，降噪系數(shù)達(dá)到0.6，表現(xiàn)出中低頻段的良好吸聲性能，并且彎曲強度最高達(dá)到1.07 MPa。

空心微珠是一種密度較小且與聚氨酯等多種樹脂基體具有較好填充相容性的圓球狀粉末，可以有效減輕材料的質(zhì)量并提高壓縮強度和抗沖擊強度。加入一定量的空心微珠還可以通過增加內(nèi)摩擦并散射聲波的方式來提高黏滯吸聲和熱傳導(dǎo)吸聲作用，是當(dāng)今研究熱點之一(聚氨酯/空心微珠聲學(xué)復(fù)合材料制備流程如圖4 所示)。孫衛(wèi)紅等[40]研究了玻璃空心微珠(HGM)添加量對聚氨酯/環(huán)氧樹脂基功能彈性體吸聲性能的影響。結(jié)果表明：玻璃空心微珠能顯著改善彈性體的水聲吸聲性能，當(dāng)玻璃微珠的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由5%增大到10%甚至15%時，彈性體在2～12 kHz 的吸聲系數(shù)和反射系數(shù)逐漸增加，并且當(dāng)對含玻璃微珠的PU/EP 吸聲材料進(jìn)行等厚度分層時，其吸聲性能要優(yōu)于未經(jīng)梯度分層的均質(zhì)材料。Park等[41]在開孔PU 泡沫塑料中嵌入空心微珠以制備新型復(fù)合降噪泡沫材料，結(jié)果表明：聚苯乙烯空心微珠可以有效改變聲波的傳播途徑，其降噪效果甚至優(yōu)于二倍密度的純組分PU 泡沫。其中，面心立方構(gòu)型的改性泡沫在0～2 000 Hz 低頻噪聲阻尼均方根和降噪系數(shù)值均為最高，分別為純組分PU 的7 倍和4 倍。此外，空心微珠的加入，在降低材料密度的同時，還使改性體系具有較高的隔熱性和機(jī)械強度。Jiang等[42]使用316L 不銹鋼空心微珠和316L 不銹鋼空心微珠-Al2O3雙層空心微珠作為增強體，制備PU 復(fù)合材料，并用阻抗管測試二者的降噪性能。結(jié)果表明：添加空心微珠可以改善PU 的聲透射損失，且改性材料的吸聲頻率范圍趨于低頻，可以有效拓寬吸聲頻率范圍。此外，PU/316L-Al2O3-HS 的抗壓強度和剛度分別較純組分PU 提高了47.9%和115.9%。Gao等[43]以低黏度環(huán)氧樹脂為基體，玻璃空心微球為填料，以制備具有降噪和低介電常數(shù)效果的復(fù)合聲學(xué)材料。結(jié)果表明：當(dāng)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的玻璃空心微珠時，復(fù)合材料的聲阻抗率達(dá)到0.72×106rayl，較純組分環(huán)氧樹脂低70%，且當(dāng)空心玻璃微珠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時，復(fù)合材料聲衰減系數(shù)達(dá)到最低，為1.35 dB·cm-1。在聲波透射測試中，含質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的玻璃空心微珠復(fù)合材料的聲響應(yīng)幅度比純組分環(huán)氧樹脂低76%。此外，空心玻璃微珠的加入還顯著降低了復(fù)合材料的介電常數(shù)及介電損耗，表現(xiàn)出較好的頻率穩(wěn)定性。

圖4 聚氨酯/空心微珠聲學(xué)復(fù)合材料工藝流程[19]

4 結(jié)語與展望

聚合物基阻尼材料降噪效果優(yōu)良且綜合性能優(yōu)異，近幾十年來已逐步取代傳統(tǒng)隔音材料。但隨著人們對生活品質(zhì)要求的不斷提高和各國海事部門對船舶營運提出更高的噪音級標(biāo)準(zhǔn)，勢必對降噪材料的要求日漸苛刻?，F(xiàn)今，我們應(yīng)著手于研發(fā)低成本、高性能聚合物基降噪材料。在降噪機(jī)理方面，通過對材料微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)性分析，可以得到降噪材料中例如泡孔尺寸和開孔率等變化規(guī)律，從而優(yōu)化材料的設(shè)計及應(yīng)用范圍；在工藝優(yōu)化方面，通過分子設(shè)計并選擇適合的合成方法可以不斷提高材料的綜合性能，實現(xiàn)國產(chǎn)量化以滿足我國對船用降噪阻尼材料日漸增加的應(yīng)用需求；在可持續(xù)發(fā)展方面，研發(fā)綠色、環(huán)保、無毒的環(huán)境友好型降噪材料也是重點發(fā)展方向之一。