基于石墨烯复合材料的声学性能研究

发布时间：2020-04-01 17:49

【摘要】：本论文研究了石墨烯复合橡胶的声学特性,首先研究了单层石墨烯的声学特性,为研究石墨烯在水声领域的应用价值,进而提出了将片状石墨烯应用在橡胶制备中的设想,并使用有限元方法仿真计算了石墨烯橡胶的微观模型的声学特性,研究了石墨烯对复合橡胶的声学特性的影响规律。进而在宏观尺度下,使用石墨烯复合橡胶组成周期结构,讨论了石墨烯材料的应用对周期结构声学性能的影响规律。最后通过设计实验,实际测量不同石墨烯含量的几种橡胶的声学特性,寻找了石墨烯对复合橡胶声学特性的影响规律,并描述了石墨烯影响橡胶声学特性的基本原理。本论文的主要内容包括以下几方面:1、基于传递矩阵,研究了石墨烯薄膜的声学特性,并进一步研究了含石墨烯片层的周期结构的声学性能,发现石墨烯薄膜和基于石墨烯的周期结构只能对太赫兹级别的声波产生较明显的反射作用,但是对于水声领域的声波,其作用不明显。2、使用有限元方法仿真计算了石墨烯复合橡胶微观模型的声学特性。通过改变复合橡胶中石墨烯的质量分数和分布形式,研究了石墨烯的不同质量分数和分布形式对复合橡胶的声学特性的影响规律。仿真结果显示随着在橡胶中添加的石墨烯的质量分数的增加,复合橡胶的吸声系数先升高而后趋于稳定,在相同的石墨烯添加量的前提下,石墨烯微片倾角过大或者过小也会降低复合的吸声性能。仿真结果总体上显示在橡胶中添加石墨烯能够提高复合橡胶的吸声性能。3、根据石墨烯橡胶的微观仿真结论以及相关参考文献,合理做出了宏观尺度下添加石墨烯后橡胶的声速和损耗因子均会增加这一推论,并设定了声速和损耗因子逐次增加的四种橡胶。本文提出了将不同的复合橡胶组合成周期结构的设想,研究了复合橡胶的排列方式和厚度对周期结构声学性能的影响规律,并寻找得到了低反射系数的组合形式,证明了石墨烯复合橡胶在水下目标覆盖层中应用的可行性。最后,研究了由石墨烯复合橡胶构成的阻抗渐变介质的声学性能,发现当阻抗呈凸曲线分布,且入射声波频率大于20kHz时,其吸声系数可以稳定在一个较高的位置,与周期结构和均匀单层结构相比,具有一定的优势。4、通过制备不同石墨烯含量的几种橡胶,分别测量了它们的杨氏模量和密度,并且在脉冲声管中测量了其声学特性,研究石墨烯对其声学特性的影响规律。我们发现,在橡胶中添加一定的石墨烯后,密度基本不变,声速逐渐升高,并且吸声性能大幅度上升。随着石墨烯添加量的增加,橡胶的吸声性能呈现先升高后缓慢下降的趋势。这与微观模型的仿真结论基本一致,进一步证明了石墨烯能够提升复合橡胶的吸声性能。
【图文】：

石墨,硅基,薄膜结构

E为复杨氏模量的实部，中，波数 k 应被替换为复波数k%和透射系数后，吸声系数也可以随2 2α = 1 R T性的仿真计算可以使石墨烯生长在硅基、铜基、墨烯薄膜。制备而成的石墨烯薄内，也可以制备小尺寸的单层石况下单层或多层石墨烯的声学特步研究由石墨烯构成的周期结构的特性的石墨烯，其层数多为 10 层以内究在左右两侧介质均为硅时，不同图 2.5。

分层结构,石墨,声波产生

100GHz 以上的声波产生明显的反射作用波的反射能力很小，也就是说由于石墨烯的声波产生影响。层状周期结构多种层状介质周期分布而组成的结构，其料的厚度可以做到纳米级别，并且石墨烯的层状结构对太赫兹数量级的高频声波具，在微观尺度内易加工，被广泛应用在电墨烯进行结合，组成层状周期介质，并研图 2.7 所示，两侧半无限大空间为硅，中间墨烯为一个结构周期，那么上述结构有两构中，，硅的密度为 2333kg/m3，声速 CA速 CG为 25724m/s。为更好的了解掌握就结构的周期数和石墨烯的厚度对结构
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB33;TB56

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