三元乙丙橡胶基纺织复合结构材料及其吸声性能研究

发布时间：2020-08-27 19:52

【摘要】：随着工业、建筑和交通运输行业的迅猛发展,生活环境中的噪声越来越大,人们对生活质量的提高,吸声降噪已经成为刻不容缓的课题。三元乙丙橡胶(EPDM)具有很好的弹性、低温性能、良好的耐热性、耐气候老化性、耐臭氧老化、优异的电绝缘性、耐化学介质性等,因为EPDM的密度较低只有0.86~0.87g/m~3,比其它橡胶制品的质量要轻,且比其它橡胶有更大的填充性,有利于降低成本;沸石粉具有分子级、孔径均匀的空洞及孔道,具有较大比表面积,经常被用来吸附材料,本文利用沸石粉的高度中空结构用来做复合吸声材料的填充材料;木棉纤维是一种空度为80%~90%的天然高中空纤维,具有良好的吸声特性。本文根据材料特征,制备具有良好吸声特性的三元乙丙橡胶基纺织复合结构,并根据三元乙丙橡胶基纺织复合结构特征,系统研究复合结构材料的结构特征参数和其吸声特性的关系,揭示该复合吸声材料的吸声机理,为三元乙丙橡胶基纺织复合板结构材料的设计、生产和应用提供理论基础。论文首先采用EPDM作为基体,再选用工业上常用的蛭石粉、炭黑和具有多孔结构的沸石粉作为填料,制备了沸石粉/三元乙丙橡胶多孔吸声材料,同时制备了纯三元乙丙橡胶吸声材料、石墨/三元乙丙橡胶多孔吸声材料、蛭石粉/三元乙丙橡胶多孔吸声材料作为对比试样。采用驻波管传播函数法测试添加填料和未添加填料的三元乙丙橡胶吸声性能。然后,研究并分析了沸石粉/三元乙丙橡胶多孔吸声材料的参数(填料含量、填料橡胶吸声材料厚度、填料橡胶后空腔深度)等对沸石粉/三元乙丙橡胶多孔吸声材料吸声性能的影响,进而将常见的填料如蛭石粉、炭黑等填料添加到三元乙丙橡胶后获得的多孔吸声材料,进行吸声性能的比较。最后,使用多孔材料吸声模型Delany-Bazley经验模型和Johnson-Allard微结构模型对沸石粉/三元乙丙橡胶多孔吸声材料的吸声特性进行理论分析。实验及理论分析表明,沸石粉/三元乙丙橡胶多孔吸声材料具有较好的吸声特性;沸石粉含量越大,沸石粉/三元乙丙橡胶多孔吸声材料的吸声系数越大,当沸石粉含量为35%时,最大吸声系数达到0.86,且最大吸声系数的频率逐渐向高频移动;随着沸石粉含量的增加,沸石粉/三元乙丙橡胶多孔吸声材料的强度提高,弹性下降;沸石粉/三元乙丙橡胶多孔吸声材料厚度的增加,吸声性能提高;随着空腔厚度的增加,吸声系数的峰值逐渐移向低频阶段,中频和高频阶段的吸声系数下降;主要原因是Johnson-Allard模型考虑了粘滞效应和热传导作用对吸声材料的影响,所以Johnson-Allard模型更能准确预测沸石粉添加到三元乙丙橡胶后的吸声体的吸声性能。虽然沸石粉/三元乙丙橡胶具有较好的吸声效果,但吸声性能还不能达到实际使用要求。为进一步提高复合材料的吸声特性,以沸石粉/三元乙丙橡胶复合材料为基础,设计了一系列微穿孔板试样,通过驻波管传播函数法测试了试样的吸声系数。并分析了试样参数(孔径、穿孔率、板厚和板厚空腔)对微穿孔板吸声性能的影响,通过对吸声曲线的分析,研究了参数变化对最大吸声系数、吸声频带和0.5吸声倍频程的影响。最后,采用声电比模型和传递矩阵模型对试样进行吸声性能的预测,并与测试结果进行对比。通实验结果可知:随孔径的增加,微穿孔吸声系数最大值呈先上升后下降的趋势,吸声带宽随孔径的增大逐渐减小,共振频率逐渐向低频方向移动;通过最大吸声系数和半吸声倍频程与0.5吸声倍频程的分析可知,0.5吸声倍频程没有引入无效吸声,更适用于微穿孔板吸声带宽的分析。当孔径处于上限值和下限值间,随孔径的增加,0.5吸声倍频程的有效孔径的上下限值逐渐增加,分别增加到0.21mm和0.33mm,吸声带宽逐渐减小;随穿孔率的增加,吸声系数最大值呈现先增加后减小的趋势,随穿孔率的增加,吸声带宽随穿孔率的增加而变宽,共振频率和带宽均向高频移动;通过最大吸声系数和半吸声倍频程与0.5吸声倍频程的分析可知,当孔径处于上限值和下限值间,随穿孔率的增加,0.5吸声倍频程的有效孔径的上下限值逐渐减小,吸声带宽逐渐减小;随板厚的增加,吸声系数的最大值呈现先增加后减小的变化趋势,且随板厚的增加,吸声系数的带宽随厚度的增加而变窄,同时向低频方向移动;随板厚的增加,0.5吸声倍频程的有效孔径的上下限值逐渐增加;随板后空腔深度的增加,吸声体的吸声系数变化不大,随深度的增加,最大吸声系数的频率逐渐向低频移动,且吸声带宽变化不大;对单层微穿孔板吸声体来说,马大猷教授的声电比模型的预测值和实验测试值吻合程度更高。为进一步提高单层三元乙丙橡胶基微穿孔板的吸声特性,将两个单层微穿孔板进行串联、不同孔径的单层微穿孔板和三层微穿孔板吸声体,并将声电比和传递矩阵模型进行比较,其结果表明:双层串联微穿孔板结构,是较好的吸声体,特别是其低频阶段吸声效果好,且双层串联微穿孔板吸声体吸收频带向低频扩展;只改变第二层微穿孔板的空腔距离,随着第二层和第一层空腔距离的比值(D_2/D_1)的增大,双层串联微穿孔板的吸声带宽逐渐增大,且第一个吸声波峰的吸声带宽要大于第二个吸声波峰的带宽,并随着D_2/D_1比值的增大逐渐向低频移动;在单层微穿孔板上设置2种不同尺寸的孔径,且两种微孔在板上局部分布,这种结构的微穿孔板吸声性能比双层串联微穿孔板吸声性能更好;对双层和三层微穿孔板吸声体,传递矩阵模型更适合吸声体吸声特性的预测。为改善微穿孔板在高频吸声性能差的缺点,将木棉纤维及其混合纤维非织造材料放置在微穿孔的不同位置,制备质量较轻、结构简单和成本较低的复合吸声体。基于传递矩阵法,提出三元乙丙橡胶基纺织结构复合材料的吸声模型,结果为:三元乙丙橡胶基纺织复合板结构材料具有良好的吸声性能,不但在低频阶段吸声系数较大,中高频的吸声性能也有所提高;将多孔非织造材料放置在微穿孔板前面时,复合吸声体的吸声性能最好,当多孔非织造材料放置在微穿孔板的底层和上层时,复合吸声体的吸声性能相差不大,将多孔非织造材料放在空腔的中间层时,复合吸声的吸声性能较好,但是从实际安装和使用的角度来讲,多孔非织造材料放置在空腔中间,安装较困难;随着复合吸声体中空腔深度的增大和吸声体中非织造材料厚度、体积密度的增大,复合吸声体的吸声性能均会提高,尤其是在低频阶段的吸声系数增加较多,但是中高频吸声性能变化较小;传递矩阵模型预测的复合吸声体的吸声系数和实验测试值吻合度较好,该模型可以用来预测和分析三元乙丙橡胶基纺织复合板结构材料的吸声特性,为以后微穿孔板、多孔非织造材料的复合吸声体的结构设计及应用提理论基础。
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB34
【图文】：

良好的吸声效果[25-27]。多孔吸声材料，结构简单，材料丰富可以对环境无污染，根据择的材料可以在各种恶劣环境中使用，是一种非常有潜力的吸声结构[28]。图 1-1 为常多孔多孔吸声材料形态。

rrin[32]在单层微穿孔板后设计了分离空腔、蜂窝空腔等如图 1-3 所示，将斜入射的声转化为垂直入射的声波，进入到微穿孔的空腔内部，形成最佳的亥姆霍兹共振吸声。为将单层微穿孔有限背腔分割成无限多小单元后，吸声峰值与声波入射角无关。但是声效果不明显，且结构复杂，实际使用过程中较困难[33]。

蜂窝状空腔隔板

【参考文献】

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本文编号：2806543