南靜靜，支 超，何小祎, 余靈婕

(西安工程大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院/功能性紡織材料及制品教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710048)

0 引 言

氣凝膠是一種在保證凝膠網(wǎng)絡(luò)或體積不變的前提下，以氣體取代凝膠中的液體而形成的特殊結(jié)構(gòu)材料。因其具有低密度、超高孔隙率、高比表面積等優(yōu)異性能[1-2]，而被廣泛應(yīng)用于航空航天、隔熱、隔聲、生物醫(yī)學(xué)、催化、吸附、電力等領(lǐng)域。然而，氣凝膠極高的孔隙率使其納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在承受外界載荷時(shí)容易破壞，導(dǎo)致其力學(xué)性能不足，嚴(yán)重影響了氣凝膠的應(yīng)用。

因此，從20世紀(jì)90年代起，很多國(guó)內(nèi)外學(xué)者投入到氣凝膠復(fù)合材料的研究探索中，以期在保持其優(yōu)異隔熱性能的同時(shí)，提升氣凝膠材料的力學(xué)性能。研究結(jié)果表明，向氣凝膠中添加增強(qiáng)相是一種提升氣凝膠力學(xué)性能的行之有效的方法[3-6]。但是，要進(jìn)一步提升氣凝膠的力學(xué)性能，必須持續(xù)增大增強(qiáng)相的體積分?jǐn)?shù)，但會(huì)造成基體材料流動(dòng)性降低，在材料內(nèi)部形成增強(qiáng)相團(tuán)聚，嚴(yán)重影響材料的整體力學(xué)性能。此外，當(dāng)增強(qiáng)相比例過(guò)大時(shí)，會(huì)顯著影響氣凝膠的隔熱性能[7]。另一方面，氣凝膠因其質(zhì)輕、多孔的特性，符合多孔吸聲材料的結(jié)構(gòu)要求，常被用作吸聲材料[8-10]。但是，純氣凝膠材料吸聲機(jī)理單一，難以滿足現(xiàn)階段對(duì)吸聲材料寬吸聲頻帶的嚴(yán)苛要求。

經(jīng)編間隔織物(WKSF)是由上下2個(gè)面層和中間間隔絲(紗)層共同組成的三維立體結(jié)構(gòu)織物[11]，WKSF獨(dú)特的三維立體結(jié)構(gòu)特別適合作復(fù)合材料的增強(qiáng)骨架。ZHI等研究表明，將經(jīng)編WKSF作為增強(qiáng)骨架加入復(fù)合材料中可明顯增強(qiáng)材料的壓縮、沖擊、彎曲等力學(xué)性能[12-15]。同時(shí)，微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)是在普通穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，將穿孔直徑縮小到1 mm以下所形成的高效吸聲結(jié)構(gòu)[16]。采用此種結(jié)構(gòu)的吸聲材料具有共振頻率處吸聲系數(shù)高、低頻吸聲性能好、吸聲頻帶寬的特點(diǎn)[17-18]。研究顯示，如在微穿孔板的微孔中穿入纖維等填料，組成“填充微穿孔板結(jié)構(gòu)”，可進(jìn)一步提升微穿孔板的低頻吸聲性能，拓寬其吸聲頻帶[19]。WKSF的間隔絲直徑普遍在0.25 mm以下，符合微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的孔徑要求。有研究表明，WKSF是一種優(yōu)質(zhì)的寬頻吸聲材料[20-21]。因此，如能將WKSF作為增強(qiáng)骨架“移植”到氣凝膠中，組成“填充微穿孔板結(jié)構(gòu)”，將有望進(jìn)一步提升氣凝膠類(lèi)產(chǎn)品的力學(xué)性能和吸聲性能。

為此，本文在海藻酸鈉(SA)氣凝膠中加入WKSF，制備了一種新型WKSF增強(qiáng)SA氣凝膠(WESA)復(fù)合材料。采用形貌表征、吸聲測(cè)試、壓縮測(cè)試及隔熱測(cè)試分析WKSF面組織結(jié)構(gòu)和SA質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合材料性能的影響。結(jié)果表明，與純SA氣凝膠相比，WESA復(fù)合材料具有良好的吸聲性能和力學(xué)性能，是一種應(yīng)用前景廣闊的氣凝膠類(lèi)復(fù)合材料。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料

SA顆粒[(C6H7O6Na)n，分析純，上海阿拉丁工業(yè)公司]；2種WKSF(常州五洋紡織有限公司)，厚度均為7 mm，面層組織紗線為33 tex (96 f)的滌綸復(fù)合絲，間隔絲為滌綸單絲，直徑為0.2 mm；2種WKSF具有不同的面組織結(jié)構(gòu)，分別為編鏈+襯緯(C型)和菱形網(wǎng)孔(R型)，如圖1所示。

(a) 編鏈+襯緯 (b) 菱形網(wǎng)孔

1.1.2 儀器

電子天平(FA2004，上海良平儀器儀表有限公司)；真空冷凍干燥機(jī)(LC-10N-50A，上海力辰邦西儀器科技有限公司)；磁力攪拌器(85-2，鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司)；場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(Quanta-450-FEG，美國(guó)FEI公司)；阻抗管(4206，丹麥B&K公司)；電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(UTM5000，深圳三思縱橫科技股份有限公司)；便攜式導(dǎo)熱系數(shù)儀(TC3000E，西安夏溪電子科技有限公司)。

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.2.1 材料制備

WESA復(fù)合材料的制備流程如圖2所示。

圖 2 WESA 復(fù)合材料的制備流程示意圖

首先，將不同質(zhì)量的SA顆粒加入到蒸餾水中，制備出質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2%、3%和4%的SA溶液 ，然后用磁力攪拌器攪拌4 h使溶液凝膠化，靜置2 h。隨后，將2種不同面組織結(jié)構(gòu)的WKSF放入模具中，倒入配制好的SA溶液。最后，將樣品放入冰箱，于-18 ℃ 條件下冷凍 24 h 后，繼續(xù)放入真空冷凍干燥機(jī)中于-40 ℃ 條件下冷凍干燥36 h，得到WESA復(fù)合材料。實(shí)驗(yàn)共制備4種具有不同參數(shù)的WESA復(fù)合材料。同時(shí)，為進(jìn)行比較，還制備了純SA氣凝膠樣品，所有樣品具體參數(shù)如表1所示。

表 1 5種不同樣品的參數(shù)

1.3 測(cè)試與表征

1.3.1 微觀形貌測(cè)試

先對(duì)樣品進(jìn)行噴金處理，然后在10 kV加速電壓下用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)樣品的微觀形貌進(jìn)行表征。

1.3.2 吸聲性能測(cè)試

依據(jù)ISO 10534—2標(biāo)準(zhǔn)，基于傳遞函數(shù)法，采用阻抗管對(duì)材料的吸聲性能進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試時(shí)，樣品放在試件筒的鋼背襯上，聲源產(chǎn)生聲波并約束在阻抗管內(nèi)部，在靠近樣品的2個(gè)位置上測(cè)量聲壓求得2個(gè)傳聲器信號(hào)的聲傳遞函數(shù)，以此計(jì)算樣品的吸聲系數(shù)。其中，樣品直徑為29.8 mm，測(cè)量頻率范圍為200～6 400 Hz。

1.3.3 壓縮性能測(cè)試

為表征循環(huán)壓縮下材料的力學(xué)性能，根據(jù)GB/T 1041—92標(biāo)準(zhǔn)，采用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行循環(huán)壓縮試驗(yàn)。以1 mm / min的恒定加載速率和10個(gè)循環(huán)次數(shù)，對(duì)至少3個(gè)直徑為24 mm的試樣進(jìn)行測(cè)試。試件在每個(gè)循環(huán)中按初始厚度的50%左右進(jìn)行變形，利用載荷和位移數(shù)據(jù)繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

1.3.4 隔熱性能測(cè)試

采用便攜式導(dǎo)熱系數(shù)儀測(cè)試樣品的導(dǎo)熱系數(shù)。將同種2個(gè)樣品分別放在熱線源金屬片的兩側(cè)，盡量使樣品和金屬片二者中間不留空隙，然后連接到電腦采集數(shù)據(jù)系統(tǒng)，設(shè)置儀器測(cè)試溫度為301.45 K，電壓為0.80 V，采集模式為慢速，采集時(shí)間為10 s，記錄20 min內(nèi)的溫度變化，最終得到試樣表面的溫度梯度。每種樣品測(cè)試3次，結(jié)果取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 宏觀和微觀形貌

為了更好地研究WESA復(fù)合材料的各項(xiàng)性能，對(duì)其宏觀和微觀形貌進(jìn)行表征，如圖3所示。

(a) WESA-C-3外觀 (b) WESA-R-3外觀

WESA-C-3和WESA-R-3的宏觀形貌分別如圖3(a)、(b)所示。可以看出樣品表面平整，結(jié)構(gòu)不易塌陷。將所制成的WESA復(fù)合材料置于花瓣上后，花瓣仍保持原狀，未發(fā)生彎曲或斷裂，說(shuō)明制備的WESA復(fù)合材料保持了氣凝膠質(zhì)輕的優(yōu)點(diǎn)。

圖3(c)、(d)分別為SA氣凝膠和WESA-C-3的微觀形貌圖?？梢钥闯觯瑲饽z呈現(xiàn)均勻的多孔結(jié)構(gòu)，WKSF的間隔絲分布在SA氣凝膠中，氣凝膠的多孔結(jié)構(gòu)得到了很好保留。

2.2 吸聲性能

WESA復(fù)合材料吸聲系數(shù)的測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

(a) 不同的面組織

依據(jù)建筑用消聲材料應(yīng)用場(chǎng)景和本研究阻抗管系統(tǒng)的頻段范圍，本文中低頻為200～3 000 Hz，高頻為3 000～6 400 Hz。不同WKSF加入對(duì)SA氣凝膠吸聲性能的影響如圖4(a)所示?？梢钥闯?，與SA氣凝膠相比，2種WESA復(fù)合材料的吸聲系數(shù)曲線均向低頻移動(dòng)，且具有更高的吸聲系數(shù)峰值。對(duì)比WESA-C-3和 WESA-R-3的吸聲系數(shù)測(cè)試結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)在大多數(shù)頻段(200～4 200 Hz)內(nèi)，WESA-R-3的吸聲性能優(yōu)于WESA-C-3。這是由于WESA-R-3中WKSF的面組織為菱形網(wǎng)孔，疏松的面組織結(jié)構(gòu)使聲波更易進(jìn)入復(fù)合材料內(nèi)部，從而提升對(duì)聲波的損耗；另一方面，R型WKSF疏松的面組織結(jié)構(gòu)使其單位面積間隔絲根數(shù)少于C型WKSF，因此使得被其增強(qiáng)的WESA-R-3的穿孔率低于WESA-C-3。根據(jù)微穿孔板吸聲理論，較低的穿孔率會(huì)使材料吸聲系數(shù)曲線向低頻移動(dòng)，同時(shí)使材料具有更高的吸聲系數(shù)峰值。因此，被R型WKSF增強(qiáng)的WESA-R-3樣品具有相對(duì)更好的中低頻吸聲性能。

圖4(b)為具有不同SA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的WESA復(fù)合材料樣品的吸聲性能測(cè)試結(jié)果。可以發(fā)現(xiàn)，WESA-R-3比WESA-R-2的吸聲性能好，這是因?yàn)镾A質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，使得WESA-R-3的孔隙結(jié)構(gòu)相較WESA-R-2更加復(fù)雜，進(jìn)而對(duì)進(jìn)入其中的聲波顯示出更大的阻尼，吸聲性能得以提升。但當(dāng) SA含量進(jìn)一步增加至4%時(shí)，WESA-R-4的吸聲性能反而降低，這是因?yàn)镾A含量過(guò)高時(shí)，過(guò)大的密度使得WESA復(fù)合材料的阻抗也相應(yīng)增大，聲波難以進(jìn)入材料內(nèi)部，影響了材料的吸聲性能。

不同空腔背襯深度對(duì)WESA復(fù)合材料吸聲性能的影響規(guī)律如圖4(c)所示?？梢钥闯觯S著空腔背襯深度的增大，材料的吸聲系數(shù)峰值明顯向低頻移動(dòng)。這是因?yàn)殡S著背襯深度的增大，材料厚度增加，進(jìn)而與低頻聲波波長(zhǎng)的匹配度提升。同時(shí)，聲波易在背襯內(nèi)進(jìn)行多次反射，聲能更易耗散，上述原因使得具有空腔背襯材料的中低頻吸聲性能顯著提高。

綜上所述，WKSF的加入可以顯著增強(qiáng)材料的中低頻吸聲性能，而面組織較為疏松的菱形網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的WKSF的加入對(duì)材料吸聲性能的提升幅度更為明顯。另外，調(diào)節(jié)SA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)到適當(dāng)范圍及增加空腔背襯深度，均會(huì)對(duì)材料的吸聲性能產(chǎn)生正面影響。

圖5為WESA復(fù)合材料的吸聲機(jī)理示意圖。可以看出，聲波一旦進(jìn)入WESA復(fù)合材料，氣凝膠內(nèi)部結(jié)構(gòu)就形成復(fù)雜的聲波傳輸路徑，但其巨大的內(nèi)表面積對(duì)聲波產(chǎn)生衰減，從而消耗一定的聲能。更為重要的是，由于WESA復(fù)合材料中具有間隔絲構(gòu)成的類(lèi)微穿孔板共振結(jié)構(gòu)，聲波的振動(dòng)會(huì)引起間隔絲和空腔內(nèi)部空氣的運(yùn)動(dòng)，在摩擦力和黏滯力的作用下，聲能高效轉(zhuǎn)化為熱能并耗散，最終引起聲波的大量衰減。所以，多孔吸聲和共振吸聲的共同作用，使得WESA復(fù)合材料具有優(yōu)秀的中低頻吸聲性能。

圖 5 WESA復(fù)合材料的吸聲機(jī)理

2.3 壓縮性能

SA、WESA-C-3、WESA-R-2、WESA-R-3、WESA-R-4等5種樣品的循環(huán)壓縮性能測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

(a) SA循環(huán)壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線

由圖6(a)～(e)可以看出，對(duì)于所有的WESA復(fù)合材料，其壓縮性能都優(yōu)于SA氣凝膠。這是因?yàn)閃KSF對(duì)氣凝膠基體具有增強(qiáng)骨架的作用，可以抵抗外界載荷，從而使材料整體的壓縮性能得到提高。所有樣品在壓縮5次后，永久變形均在15%以上，十分明顯；加入WKSF的WESA復(fù)合材料的回彈性均優(yōu)于SA。此外，隨著壓縮次數(shù)的增加，SA氣凝膠基體結(jié)構(gòu)不僅產(chǎn)生破壞，而且它與WKSF界面也產(chǎn)生永久破壞，這是材料永久變形的重要因素。

從圖6(f)可以看出，WESA-C-3比WESA-R-3壓縮強(qiáng)度和壓縮模量均較高。這是因?yàn)槊娼M織結(jié)構(gòu)為菱形網(wǎng)孔的WKSF具有較大的孔洞，其面密度比面組織結(jié)構(gòu)為編鏈+襯緯的WKSF的面密度明顯降低，相應(yīng)單位面積的間隔絲根數(shù)也低于C型面組織結(jié)構(gòu)，這就使得WESA-R-3中可抵抗載荷的間隔絲根數(shù)減少；同時(shí)稀疏的面組織結(jié)構(gòu)也削弱了WKSF面層對(duì)間隔絲的保護(hù)，使得間隔絲直接受到外界載荷作用，較易被破壞。因此，與C型面組織結(jié)構(gòu)相比，R型WKSF的加入對(duì)氣凝膠壓縮性能的提升幅度相對(duì)較小。

對(duì)比前面圖6(f)中的WESA-R-2、WESA-R-3、WESA-R-4壓縮強(qiáng)度和壓縮模量測(cè)試結(jié)果，可以看出WESA-R-4的壓縮性能最好。這是因?yàn)殡S著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，材料密度增加，內(nèi)部結(jié)構(gòu)更致密，復(fù)合材料的抗壓性能也增加。

2.4 隔熱性能

圖7為5種樣品的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試結(jié)果。

圖 7 5種樣品的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試結(jié)果

從圖7可以看出，SA氣凝膠的導(dǎo)熱系數(shù)為0.042 3 W/(m·K)，說(shuō)明制備的SA樣品保持了氣凝膠低熱導(dǎo)率的特點(diǎn)，顯示出優(yōu)異的隔熱性能。WESA-C-3、WESA-R-2、WESA-R-3、WESA-R-4的導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.071 7、0.048 1、0.051 9、0.052 9 W/(m·K)，均高于SA氣凝膠。眾所周知，材料的傳熱可通過(guò)熱輻射、熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)3種方式進(jìn)行。因?yàn)閺?fù)雜的多孔結(jié)構(gòu)，SA可以阻斷熱輻射和熱對(duì)流，因此具有良好的隔熱性能。而WESA復(fù)合材料雖在很大程度上仍然可以限制熱對(duì)流，但是WKSF的加入對(duì)復(fù)合材料孔隙率的影響會(huì)限制其阻斷熱輻射的能力。更為重要的是，因?yàn)闇炀]纖維的軸向?qū)嵯禂?shù)為0.974 5[22]，WESA復(fù)合材料中的滌綸間隔絲充當(dāng)了良好的導(dǎo)熱通道，從而進(jìn)一步降低了材料的隔熱性能。盡管如此，WESA復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)仍處于較低水平，顯示出良好的隔熱性能。

WESA-C-3的導(dǎo)熱系數(shù)大于WESA-R-3，這是因?yàn)閃ESA-C-3的面層組織為編鏈+襯緯，單位面積的間隔絲根數(shù)比較多，氣凝膠的含量較少。對(duì)比WESA-R-2、WESA-R-3和WESA-R-4的導(dǎo)熱系數(shù)，發(fā)現(xiàn)WESA-R-2樣品導(dǎo)熱系數(shù)最低，這是因?yàn)閃ESA-R-2的SA質(zhì)量分?jǐn)?shù)和密度均最小，因此具有較好的隔熱性能。

雖然增加織物后樣品的導(dǎo)熱系數(shù)相比純SA氣凝膠有所增加，但本文制備的4種復(fù)合材料仍然具有很好的隔熱性能，尤其是加入了R型WKSF的WESA-R-2，其導(dǎo)熱系數(shù)與SA相比僅增加13%。比較不同樣品的導(dǎo)熱系數(shù)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)WKSF的面組織結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料的隔熱性能有著較大的影響，WKSF面組織結(jié)構(gòu)越疏松，單位面積間隔絲分布越少，有較少的導(dǎo)熱通道，材料顯示出相對(duì)更好的隔熱性能。而更低的SA質(zhì)量分?jǐn)?shù)會(huì)使樣品具有更小的密度，進(jìn)而賦予樣品更好的隔熱性能。

3 結(jié) 論

1) 加入WKSF后，由于類(lèi)微穿孔板共振吸聲機(jī)理的引入，復(fù)合材料的吸聲性能得到明顯提升，當(dāng)加入的WKSF面組織結(jié)構(gòu)為菱形網(wǎng)孔，海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)，材料的吸聲性能優(yōu)于其他樣品。

2) 加入WKSF后，復(fù)合材料的壓縮性能得到了很大改善，面組織越緊密，海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，復(fù)合材料的壓縮性能越好。

3) 加入 WKSF 后，復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)均有增加，但增加較小，材料仍具有良好的隔熱性能；當(dāng)加入的WKSF面組織結(jié)構(gòu)為菱形網(wǎng)孔時(shí)，復(fù)合材料表現(xiàn)出更加優(yōu)異的隔熱性能。