顧 凱, 朱英文, 尹 振, 佘曉俊, 王 坤, 崔 博*, 朱孟府

(1. 天津科技大學(xué) 化工與材料學(xué)院, 天津 300457;2. 軍事科學(xué)院 軍事醫(yī)學(xué)研究院環(huán)境醫(yī)學(xué)與作業(yè)醫(yī)學(xué)研究所, 天津 300050;3. 軍事科學(xué)院 系統(tǒng)工程研究院衛(wèi)勤保障技術(shù)研究所, 天津 300161)

噪聲廣泛存在于日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中,長(zhǎng)期處于噪聲環(huán)境除會(huì)引起聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)損害外,還會(huì)引發(fā)機(jī)體精神生理異常反應(yīng)、操作能力下降、厭煩反應(yīng)和消極社會(huì)行為等[1].噪聲根據(jù)聲音頻率可分為低頻噪聲、中頻噪聲和高頻噪聲,其中低頻噪聲具有傳播距離遠(yuǎn)、透聲能力強(qiáng)、隔離難度大等特點(diǎn),是噪聲控制的難題.傳統(tǒng)聲學(xué)材料受限于質(zhì)量定律,無(wú)法有效控制低頻噪聲[2].近年來(lái),聲學(xué)超材料的出現(xiàn)為低頻噪聲控制提供了新思路.聲學(xué)超材料是指由特殊設(shè)計(jì)的人工聲學(xué)微結(jié)構(gòu)單元周期排列在彈性介質(zhì)中構(gòu)成的新型聲學(xué)材料或結(jié)構(gòu),具有超常的物理性能,與傳統(tǒng)聲學(xué)材料相比具有更好的低頻降噪性能[3].聲學(xué)超材料從結(jié)構(gòu)上可分為薄膜型、平板型、超原子型、混合盤(pán)繞型、迷宮型、亥姆霍茲共振腔型等[4],其中薄膜型聲學(xué)超材料具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕等特點(diǎn),可與傳統(tǒng)聲學(xué)材料結(jié)合使用,是當(dāng)前聲學(xué)超材料的主要研究方向.薄膜型聲學(xué)超材料基于局域共振原理,主要圍繞其吸聲特性、隔聲特性、理論分析、試驗(yàn)設(shè)計(jì)以及構(gòu)造不同幾何結(jié)構(gòu)的寬頻隔聲等方面開(kāi)展研究[5].Yang等[6]通過(guò)調(diào)整附加質(zhì)量實(shí)現(xiàn)了薄膜型聲學(xué)超材料對(duì)不同頻率聲波的反射.Naify等[7]發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)質(zhì)量密度為負(fù)的薄膜型聲學(xué)超材料在低頻范圍的隔聲量與質(zhì)量定律預(yù)測(cè)相比顯著增加,通過(guò)改變聲學(xué)超材料質(zhì)量特性可以將共振頻率調(diào)節(jié)到特定值.張忠剛等[8]制備出具有低頻寬帶吸聲性能的薄膜型聲學(xué)超材料,能有效吸收100～1 000 Hz范圍內(nèi)的低頻聲波.

膜作為聲波傳播介質(zhì),是薄膜型聲學(xué)超材料的重要組成部分,其厚度、密度、力學(xué)性能等直接影響薄膜型聲學(xué)超材料的吸聲性能和隔聲性能[9].Ma等[10]通過(guò)改變膜厚度和表面剛度提高了聲學(xué)超材料的低頻隔聲性能.Li等[11]設(shè)計(jì)了一種具有多層蜂窩結(jié)構(gòu)的薄膜型聲學(xué)超材料,通過(guò)改變膜密度和厚度可以將隔聲峰值頻率調(diào)諧到特定值.然而,現(xiàn)有研究中大多采用致密結(jié)構(gòu)膜構(gòu)建薄膜型聲學(xué)超材料,很少考慮膜結(jié)構(gòu)對(duì)聲學(xué)超材料性能的影響,缺乏對(duì)非致密結(jié)構(gòu)多孔膜材料的相關(guān)研究.

多孔膜是指存在大量穿透性微孔的膜材料,具有密度低、重量輕等特點(diǎn).其中,采用相轉(zhuǎn)化法制備的多孔膜通常為非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu),其致密皮層的孔隙率低、孔徑較小,多孔疏松層的孔隙率高、孔徑較大.聲學(xué)研究表明,疏松多孔材料的結(jié)構(gòu)在聲波傳遞過(guò)程中可以通過(guò)孔隙耗散聲能進(jìn)行吸聲,而致密結(jié)構(gòu)可以通過(guò)表面反射聲波進(jìn)行隔聲[12].目前,多孔膜聲學(xué)超材料降噪性能的影響規(guī)律還有待深入研究[13-14],因此開(kāi)展多孔膜結(jié)構(gòu)調(diào)控、聲學(xué)性能影響因素分析的研究,對(duì)調(diào)節(jié)聲學(xué)超材料作用頻率范圍及提高降噪性能具有重要意義.

本研究以結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好的聚醚酰亞胺(PEI)為膜材料[15-16],以N-甲基吡咯烷酮(NMP)為溶劑,采用相轉(zhuǎn)化法制備具有非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的PEI多孔膜,以PEI多孔膜為基本單元構(gòu)建多孔膜聲學(xué)超材料,考察PEI濃度、刮膜厚度和凝固浴組成對(duì)多孔膜結(jié)構(gòu)和基本性能的影響,研究多孔膜聲學(xué)超材料在50～1 600 Hz頻率范圍的平均吸聲系數(shù)和平均隔聲量,探討多孔膜結(jié)構(gòu)調(diào)控對(duì)聲學(xué)超材料吸聲性能和隔聲性能的影響.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料和儀器

1.1.1材料

聚醚酰亞胺(Ultem-1000),美國(guó)基礎(chǔ)創(chuàng)新(GB)公司;N-甲基吡咯烷酮,AR,上海阿拉丁生物科技股份有限公司;異丙醇、正己烷,AR,上海麥克林生物科技有限公司.

1.1.2儀器

數(shù)顯磁力攪拌器(ZNCL-GS-190*90),鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司;真空干燥箱(DZF-6020MBE)、電熱鼓風(fēng)干燥箱(BXH-130),上海博訊醫(yī)療生物儀器股份有限公司;刮膜機(jī)(AFA-V),東莞市大來(lái)儀器有限公司;數(shù)顯千分測(cè)厚規(guī)(量程0～10 mm,精度0.001 mm),北京卡斯特默科技發(fā)展有限公司;電子天平(BSA223S),賽多利斯科學(xué)儀器(北京)有限公司;場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SIGMA 300),德國(guó)蔡司集團(tuán);拉力試驗(yàn)機(jī)(HF-9002S),江蘇力高檢測(cè)設(shè)備有限公司;阻抗管(BK 4206),丹麥B&K聲學(xué)和振動(dòng)測(cè)量公司.

1.2 多孔膜制備

圖1為PEI多孔膜的制備流程圖.將一定量的PEI和NMP加入三口燒瓶,在60 ℃下攪拌使PEI完全溶解,冷卻至室溫后真空脫泡,得到PEI鑄膜液.將適量鑄膜液傾倒在刮膜機(jī)上,調(diào)節(jié)刮膜厚度進(jìn)行刮制,隨后轉(zhuǎn)移至凝固浴中進(jìn)行相轉(zhuǎn)化成膜.待完全成膜后,采用異丙醇-正己烷溶劑交換法處理,防止干燥過(guò)程中膜孔出現(xiàn)塌陷[17].最后,經(jīng)過(guò)常溫鼓風(fēng)干燥即可制備出PEI多孔膜.

圖1 PEI多孔膜制備流程圖Fig.1 Preparation schematic of the PEI porous membrane

1.3 測(cè)試與表征

1.3.1厚度和密度

采用千分測(cè)厚規(guī)測(cè)量PEI多孔膜的厚度;采用天平對(duì)多孔膜進(jìn)行稱(chēng)重,通過(guò)多孔膜的質(zhì)量、面積和厚度計(jì)算多孔膜密度.

1.3.2形貌結(jié)構(gòu)

采用掃描電子顯微鏡觀察PEI多孔膜的截面形貌.將多孔膜樣品裁剪成細(xì)條狀浸入液氮中淬斷,用導(dǎo)電膠固定在樣品臺(tái)上,在測(cè)試前對(duì)樣品進(jìn)行噴金處理.

1.3.3拉伸強(qiáng)度

采用拉力試驗(yàn)機(jī)測(cè)量PEI多孔膜的拉伸強(qiáng)度測(cè)試,多孔膜樣品規(guī)格為50 mm×10 mm,拉伸速率為10 mm/min.

1.3.4吸聲和隔聲

圖2為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的PEI多孔膜聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu),由鋁合金圓環(huán)和PEI多孔膜組成,其中鋁合金圓環(huán)的外徑、內(nèi)徑和厚度分別為Φ100 mm、Φ90 mm和5 mm,通過(guò)膠黏劑將PEI多孔膜固定在兩個(gè)鋁合金圓環(huán)之間,多孔膜的預(yù)緊力為30 N/m.

圖2 多孔膜聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the porous membrane acoustic metamaterial structure

采用阻抗管測(cè)試多孔膜聲學(xué)超材料的吸聲系數(shù)和隔聲量[18-19],測(cè)試頻率范圍為50～1 600 Hz.分別以平均吸聲系數(shù)和平均隔聲量表示多孔膜聲學(xué)超材料在實(shí)驗(yàn)頻率范圍內(nèi)的吸聲性能和隔聲性能[20].

2 結(jié)果與討論

2.1 PEI濃度的影響

討論不同PEI濃度對(duì)多孔膜結(jié)構(gòu)和基本性能以及多孔膜聲學(xué)超材料吸聲性能和隔聲性能的影響,刮膜厚度為400 μm、凝固浴組成為去離子水.

2.1.1多孔膜厚度和密度

圖3為不同PEI濃度制備的多孔膜厚度和密度.由圖3可知,隨PEI質(zhì)量分?jǐn)?shù)從15%增加到25%,多孔膜厚度基本為200 μm左右,多孔膜密度從238.5 kg/m3增加到432.4 kg/m3,表明PEI濃度對(duì)多孔膜厚度影響較小但可以提高膜密度.這主要是由于PEI濃度增加使單位體積鑄膜液黏度增大,鑄膜液中PEI分子數(shù)增多,發(fā)生相互纏結(jié)的可能性增大,從而提高了PEI多孔膜的密度[21].

圖3 不同PEI濃度多孔膜的厚度和密度Fig.3 Thickness and density of porous membranes with different PEI concentrations

2.1.2多孔膜形貌

圖4為不同PEI濃度制備的多孔膜截面掃描電鏡照片,從圖中可以看出,采用相轉(zhuǎn)化法制備的PEI多孔膜具有清晰的非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu),包含致密皮層及由指狀孔和海綿狀孔組成的多孔支撐層.當(dāng)PEI質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí),指狀孔長(zhǎng)度接近膜厚度,而海綿狀孔結(jié)構(gòu)主要分布在指狀孔之間.隨著PEI濃度增加,多孔膜皮層的厚度增加,支撐層的指狀孔尺寸減小、數(shù)量減少,海綿狀孔數(shù)量增多.

圖4 不同PEI濃度多孔膜的截面SEM照片F(xiàn)ig.4 The cross-sectional SEM images of porous membranes with different PEI concentrations

PEI多孔膜結(jié)構(gòu)是鑄膜液的熱力學(xué)特性、凝固浴介質(zhì)以及相轉(zhuǎn)化成膜傳質(zhì)過(guò)程等共同作用的結(jié)果[22].PEI濃度增加使鑄膜液與凝固浴接觸界面附近的PEI濃度提高,使多孔膜皮層厚度增加.同時(shí),PEI濃度增加使鑄膜液黏度增大、流動(dòng)性減小,相轉(zhuǎn)化過(guò)程中溶劑和凝固浴的交換速率降低,發(fā)生延遲分相,促進(jìn)了海綿狀孔結(jié)構(gòu)的形成,使多孔膜結(jié)構(gòu)更致密[23].

2.1.3多孔膜拉伸強(qiáng)度

拉伸強(qiáng)度的大小可以反映膜在聲波作用下的振動(dòng)狀態(tài),對(duì)薄膜型聲學(xué)超材料的吸聲性能和隔聲性能具有一定影響[19].圖5為不同PEI濃度制備的多孔膜拉伸強(qiáng)度,由圖可知,多孔膜的拉伸強(qiáng)度與PEI濃度有很大關(guān)系,隨著PEI濃度增加,拉伸強(qiáng)度增加.當(dāng)PEI質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí),多孔膜拉伸強(qiáng)度為127.4 MPa,當(dāng)PEI質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到25%時(shí),多孔膜拉伸強(qiáng)度為379.9 MPa.這可能是由于PEI濃度增加抑制了多孔膜的指狀孔形成,海綿狀孔數(shù)量增多,荷載可承受面積增大,不容易發(fā)生形變,從而使PEI多孔膜拉伸強(qiáng)度增加[23].

圖5 不同PEI濃度多孔膜的拉伸強(qiáng)度Fig.5 Tensile strength of porous membranes with different PEI concentrations

2.1.4多孔膜聲學(xué)超材料吸聲性能和隔聲性能

圖6為不同PEI濃度制備的多孔膜聲學(xué)超材料平均吸聲系數(shù)和平均隔聲量.由圖6可知,隨著PEI濃度增加,多孔膜聲學(xué)超材料平均吸聲系數(shù)減小,平均隔聲量增加.當(dāng)PEI質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí),多孔膜聲學(xué)超材料的平均吸聲系數(shù)和平均隔聲量分別為0.075和4.126 dB;隨著PEI質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到25%,多孔膜聲學(xué)超材料的平均吸聲系數(shù)減小到0.040,平均隔聲量增加到6.263 dB.聲學(xué)研究表明,薄膜型聲學(xué)超材料可等效成彈簧-質(zhì)量系統(tǒng),通過(guò)薄膜共振耗散聲波能量,可在共振頻率附近產(chǎn)生吸聲效果;同時(shí),薄膜型聲學(xué)超材料在入射聲波激勵(lì)下產(chǎn)生負(fù)有效質(zhì)量,形成類(lèi)似剛性平面,通過(guò)局域共振對(duì)聲波進(jìn)行反射,產(chǎn)生隔聲效果[6].增加PEI濃度,提高了多孔膜的密度和拉伸強(qiáng)度,在厚度基本不變的情況下,海綿狀孔占比增大,多孔膜結(jié)構(gòu)趨于緊密,多孔結(jié)構(gòu)振動(dòng)所需作用力增強(qiáng),需要更多的能量才能促使質(zhì)點(diǎn)振動(dòng),導(dǎo)致多孔膜的固有振動(dòng)頻率提高,使多孔膜聲學(xué)超材料的平均吸聲系數(shù)減小,吸聲性能下降.另外,當(dāng)聲波進(jìn)入膜孔內(nèi)部后,主要以反射的方式進(jìn)行傳播,膜密度增加使多孔膜對(duì)聲波的反射作用增強(qiáng),使多孔膜聲學(xué)超材料的平均隔聲量增加,隔聲性能提高.

圖6 不同PEI濃度多孔膜的平均吸聲系數(shù)和平均隔聲量Fig.6 Average sound absorption coefficient and average sound transmission loss of porous membranes with different PEI concentrations

2.2 刮膜厚度的影響

討論不同刮膜厚度對(duì)PEI多孔膜結(jié)構(gòu)和基本性能以及多孔膜聲學(xué)超材料吸聲性能和隔聲性能的影響,PEI質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23%、凝固浴組成為去離子水.

2.2.1多孔膜厚度和密度

圖7為不同刮膜厚度制備的PEI多孔膜厚度和密度.由圖7可知,刮膜厚度為100 μm時(shí),PEI多孔膜厚度為45.9 μm,隨著刮膜厚度增加到600 μm,多孔膜厚度增加到304.3 μm,多孔膜厚度約為刮膜厚度的50%.另外,隨刮膜厚度從100 μm增加到600 μm,多孔膜密度基本為380 kg/m3左右,表明刮膜厚度對(duì)多孔膜密度的影響較小.

圖7 不同刮膜厚度多孔膜的厚度和密度Fig.7 Thickness and density of porous with different scraping thicknesses

2.2.2多孔膜形貌

圖8為不同刮膜厚度制備PEI多孔膜截面掃描電鏡照片,從圖中可以看出,當(dāng)鑄膜液組成一定時(shí),采用相轉(zhuǎn)化法制備非對(duì)稱(chēng)多孔膜,刮膜厚度決定了多孔膜的最終厚度.當(dāng)刮膜厚度為100 μm時(shí),PEI多孔膜結(jié)構(gòu)中指狀孔比例較高,海綿狀孔數(shù)量較少.隨著刮膜厚度增加,相轉(zhuǎn)化成膜過(guò)程中溶劑與凝固浴的交換速率降低,多孔膜指狀孔變長(zhǎng)變粗,但尺寸和數(shù)量占多孔膜總體的比例減少.海綿狀孔數(shù)量增多,從掃描電鏡照片中并未發(fā)現(xiàn)不同刮膜厚度制備的PEI多孔膜中海綿狀孔形態(tài)存在顯著差異,這表明當(dāng)PEI濃度固定時(shí),刮膜厚度對(duì)多孔膜海綿狀孔結(jié)構(gòu)影響較小.

圖8 不同刮膜厚度多孔膜的截面SEM照片F(xiàn)ig.8 The cross-sectional SEM images of porous membranes with different scraping thicknesses

2.2.3多孔膜拉伸強(qiáng)度

圖9為不同刮膜厚度制備PEI多孔膜的拉伸強(qiáng)度,從圖中可以看出,刮膜厚度與拉伸強(qiáng)度有很大關(guān)系,隨著刮膜厚度增加,多孔膜拉伸強(qiáng)度減小.當(dāng)PEI濃度一定時(shí),隨刮膜厚度從100 μm增加到600 μm,多孔膜的拉伸強(qiáng)度從312.0 MPa減小到263.7 MPa.這主要是由于多孔膜中指狀孔尺寸增大,使多孔膜承受載荷的面積減小,導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度減小[24].

圖9 不同刮膜厚度多孔膜的拉伸強(qiáng)度Fig.9 Tensile strength of porous membranes with different scraping thicknesses

2.2.4多孔膜聲學(xué)超材料吸聲性能和隔聲性能

圖10為不同刮膜厚度制備的多孔膜聲學(xué)超材料平均吸聲系數(shù)和平均隔聲量.由圖10可知,刮膜厚度對(duì)多孔膜聲學(xué)超材料的吸聲性能和隔聲性能有很大影響,隨著刮膜厚度增加,多孔膜聲學(xué)超材料的平均吸聲系數(shù)減小,平均隔聲量增加.當(dāng)刮膜厚度為100 μm時(shí),多孔膜聲學(xué)超材料的平均吸聲系數(shù)和平均隔聲量分別為0.113和3.149 dB,隨著刮膜厚度增加到600 μm,平均吸聲系數(shù)減小到0.043,平均隔聲量增加到8.317 dB.聲學(xué)研究表明,改變薄膜厚度會(huì)影響其剛度,從而改變薄膜型聲學(xué)超材料的帶隙和固有振動(dòng)頻率[25].在膜密度基本不變的情況下,隨多孔膜厚度增大,孔隙通道長(zhǎng)度變長(zhǎng),多孔膜的比表面積變小,減小了空氣流阻,進(jìn)而降低了材料在中低頻段的吸聲能力,吸聲系數(shù)的峰值會(huì)向低頻移動(dòng),多孔膜的帶隙起始頻率降低且?guī)捲黾?固有振動(dòng)頻率提高,導(dǎo)致PEI多孔膜聲學(xué)超材料吸聲性能降低、隔聲性能提高.

圖10 不同刮膜厚度多孔膜的平均吸聲系數(shù)和平均隔聲量Fig.10 Average sound absorption coefficient and average sound transmission loss of porous membranes with different scraping thicknesses

2.3 凝固浴組成的影響

分別采用去離子水和NMP水溶液為凝固浴,討論不同凝固浴組成對(duì)PEI多孔膜結(jié)構(gòu)和基本性能以及多孔膜聲學(xué)超材料吸聲性能和隔聲性能的影響,PEI質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23%、刮膜厚度為400 μm.

2.3.1多孔膜厚度和密度

圖11為不同凝固浴制備PEI多孔膜的厚度和密度.由圖11可知,當(dāng)凝固浴為去離子水(即NMP濃度為0%)時(shí),多孔膜厚度為210.6 μm,密度為384.6 kg/m3.隨著凝固浴中NMP濃度增加,多孔膜厚度減小、密度增加.這主要是由于凝固浴中加入NMP使鑄膜液中部分PEI溶解至凝固浴中,導(dǎo)致多孔膜厚度減小,同時(shí)凝固浴中的NMP降低了相轉(zhuǎn)化成膜速率,發(fā)生延遲分相,使多孔膜密度增加.當(dāng)NMP濃度為50%(v/v)時(shí),PEI多孔膜的厚度和密度分別為171.1 μm和475.3 kg/m3,此后隨著NMP濃度繼續(xù)增加,多孔膜的厚度和密度基本保持不變.

圖11 不同NMP濃度多孔膜的厚度和密度Fig.11 Thickness and density of porous membranes with different NMP concentrations

2.3.2多孔膜形貌

圖12為不同凝固浴制備PEI多孔膜的截面掃描電鏡照片,從圖中可以看,隨著凝固浴中NMP濃度增加,PEI多孔膜中指狀孔數(shù)量減少,海綿狀孔數(shù)量增多.這主要是由于凝固浴中加入NMP提高了PEI的溶解性,使相轉(zhuǎn)化成膜時(shí)間延長(zhǎng),促進(jìn)了海綿狀孔結(jié)構(gòu)的形成[26].當(dāng)NMP濃度達(dá)到80%(v/v)時(shí),多孔膜除皮層附近存在少量水滴孔外基本為海綿狀孔結(jié)構(gòu),這可能是由于PEI、水和NMP的三相體系達(dá)到臨界值,使多孔膜結(jié)構(gòu)趨于均勻[27].

圖12 不同NMP濃度PEI多孔膜的截面SEM照片F(xiàn)ig.12 The cross-sectional SEM images of porous membranes with different NMP concentrations

2.3.3多孔膜拉伸強(qiáng)度

圖13為不同凝固浴制備PEI多孔膜的拉伸強(qiáng)度,由圖可知,當(dāng)凝固浴為去離子水時(shí),PEI多孔膜的拉伸強(qiáng)度為192.1 MPa,隨著凝固浴中NMP濃度增加,由于多孔膜中指狀孔數(shù)量減少,海綿狀孔數(shù)量增多,多孔膜結(jié)構(gòu)更致密,拉伸強(qiáng)度增加.當(dāng)NMP濃度增加到80%(v/v)時(shí),多孔膜的拉伸強(qiáng)度為415.3 MPa.

圖13 不同NMP濃度多孔膜的拉伸強(qiáng)度Fig.13 Tensile strength of porous membranes with different NMP concentrations

2.3.4多孔膜聲學(xué)超材料吸聲性能和隔聲性能

圖14為不同凝固浴制備的多孔膜聲學(xué)超材料平均吸聲系數(shù)和平均隔聲量.由圖14可知,與去離子水相比,向凝固浴中加入NMP使多孔膜聲學(xué)超材料的平均吸聲系數(shù)減小,平均隔聲量增加.當(dāng)NMP濃度大于10%(v/v)時(shí),隨著凝固浴中NMP濃度增加,多孔膜聲學(xué)超材料的平均吸聲系數(shù)先增加后減小再增加,平均隔聲量除NMP濃度為30%(v/v)時(shí)較小外呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì).根據(jù)PEI濃度和刮膜厚度對(duì)多孔膜聲學(xué)超材料吸聲性能和隔聲性能影響的分析,多孔膜的密度和厚度是影響聲學(xué)超材料吸聲性能和隔聲性能的主要因素.隨著凝固浴中NMP濃度增加,指狀孔轉(zhuǎn)化成海綿狀孔的過(guò)程減小了多孔膜的厚度,提高了PEI多孔膜的密度,多孔膜密度增加,使多孔膜聲學(xué)超材料的平均吸聲系數(shù)減小、平均隔聲量增加,而多孔膜厚度減小使聲學(xué)超材料的平均吸聲系數(shù)增加、平均隔聲量減小.受多孔膜密度和厚度的相反作用,在實(shí)驗(yàn)頻率范圍內(nèi)凝固浴組成對(duì)多孔膜聲學(xué)超材料吸聲性能和隔聲性能的影響規(guī)律不明確,有待后續(xù)深入研究.

圖14 不同凝固浴組成多孔膜的平均吸聲系數(shù)和平均隔聲量Fig.14 Average sound absorption coefficient and average sound transmission loss of porous membranes with different NMP concentrations

3 結(jié)論

采用相轉(zhuǎn)化法制備出具有非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的PEI多孔膜,構(gòu)建了多孔膜聲學(xué)超材料,并表征其在50～1 600 Hz頻率范圍的吸聲性能和隔聲性能.

1) PEI濃度增加使鑄膜液黏度增大,使多孔膜密度和拉伸強(qiáng)度增加,提高了多孔膜的固有振動(dòng)頻率和對(duì)聲波的反射作用,使多孔膜聲學(xué)超材料的平均吸聲系數(shù)減小,平均隔聲量增加.

2) 刮膜厚度的增加降低了相轉(zhuǎn)化成膜過(guò)程中溶劑與凝固浴的交換速率,對(duì)多孔膜密度影響不顯著.增加厚度降低了多孔膜的帶隙起始頻率,提高了固有振動(dòng)頻率,使多孔膜聲學(xué)超材料的平均吸聲系數(shù)減小,平均隔聲量增加.

3) 凝固浴中NMP濃度增加使相轉(zhuǎn)化成膜時(shí)間延長(zhǎng),PEI多孔膜指狀孔數(shù)量減少,海綿狀孔數(shù)量增多,多孔膜厚度減小,密度和拉伸強(qiáng)度增加.受多孔膜厚度減小、密度增加的相反作用,在實(shí)驗(yàn)頻率范圍內(nèi)凝固浴組成對(duì)多孔膜聲學(xué)超材料平均吸聲系數(shù)和平均隔聲量的影響規(guī)律不明確.

總之,通過(guò)改變PEI多孔膜制備過(guò)程中PEI濃度、刮膜厚度、凝固浴組成,可以調(diào)控PEI多孔膜的結(jié)構(gòu),從而改變多孔膜的密度和厚度,進(jìn)而影響多孔膜聲學(xué)超材料的吸聲性能和隔聲性能.