陶瓷空心球多孔材料吸声结构设计与声学机理研究

发布时间：2017-04-14 07:16

  本文关键词：陶瓷空心球多孔材料吸声结构设计与声学机理研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：本文以空间站舱内降噪为背景,研究一种新型多孔吸声材料——陶瓷空心球多孔材料(Ceramic hollow sphere structures,CHSS),要求具有轻质、环保和阻燃等特性,并且可以实现宽频吸声性能。常规多孔材料难以满足上述要求,且低频吸声性能较差。本文以改善低频吸声性能为目的,研究CHSS吸声材料和声学结构的吸声特性。建立了粘接成型空心球多孔材料的几何模型,并以宽频吸声为目的设计了最优开孔结构:开孔尺寸d约为50-200μm,开孔率约为50%,粘接角约为20-30o。从理论上设计了具有很好吸声性能的100μm开孔尺寸的空心球多孔材料,实现这一孔结构的空心球粒径分布2R约为100-400μm。选用飞灰微珠和磷酸铝胶黏剂为原料,采用发明的预粘接-固化方法制备了CHSS材料。研究了CHSS材料的组成和界面微观结构。SEM分析表明,飞灰微珠表面生成了厚度约10μm的磷酸铝胶黏剂多孔涂层。空心球之间形成了磷酸铝胶黏剂颈部区域,并由此连接形成CHSS材料。XRD测试表明,飞灰微珠的主要相结构为铝硅酸盐玻璃相、晶体莫来石和石英,固化后的磷酸铝胶黏剂组成为非晶磷酸铝聚合物和晶体α-Al2O3,在成型过程中无新的晶体相生成。TEM表明,铝硅酸盐玻璃相和磷酸铝聚合物之间形成了致密和平整的界面微观结构,且发生了元素扩散,不是简单的机械结合。与胞状多孔材料相似,压缩过程分为3个典型阶段:弹性、平台和断裂阶段。弹性阶段应变约为0.6%和应力约为5.8MPa时达到峰值,弹性模量约为1.25GPa。压缩平台阶段应力增加了9%,应变范围为0.6%-4%,表现出优异吸能特征。在失效阶段,应力逐渐下降而不是突然崩塌。上述结果表明,CHSS材料为硬筋络的多孔吸声材料。采用多重表征方法研究了CHSS材料的孔结构。对闭孔结构特性,结合μ-CT和激光共聚焦技术实现了3-D和半定量表征。闭孔尺寸约为140-220μm,为近似正态分布,且为各向同性和随机分布特征。CHSS材料为微米-纳米级多尺度的开孔结构。微米级开孔尺寸为准正态分布和双峰分布,峰值分别为约100μm和10μm。平均开孔尺寸约为100μm左右,随着飞灰微珠粒径的增加而近似线性增加。微米级开孔率约为48%左右,采用封闭系数c约为0.1,对几何模型的开孔率进行了修正。孔结构因子χ随开孔尺寸的增加而减小。试验结果与几何模型计算结果基本一致,表明CHSS材料的微米级开孔结构有很好的可设计性。纳米级开孔结构为磷酸铝聚合物,尺寸分布约为10-100 nm,为准正态分布特征。CHSS材料为高流阻率多孔材料,在10 mm和20 mm厚时就有好的吸声性能。CHSS材料的吸声性能优于泡沫铝,与纤维多孔材料和有机泡沫为同一级别。研究了CHSS材料的孔结构参量对吸声性能的影响。传播常数k和特征阻抗Zc可以实现很好的可设计性。研究表明,需从声抗比x着手改善多孔材料的低频吸声性能,声阻性r的贡献较少。开孔率对高频吸声性能影响明显,对低频吸声影响较小。CHSS材料存在明显的开孔尺寸效应,减小开孔尺寸可以改善低频吸声性能,特别100μm级别开孔尺寸具有很好的吸声性能。研究了自由堆积的CHSS材料的半经验吸声模型,对吸声机理进行了讨论。从微观尺度,考虑CHSS材料的开孔结构特点,基于Pride模型得到了有效密度?的半经验方程,描述粘滞效应;基于Allard模型得到了体积模量K的半经验模型,描述了热效应。表明CHSS材料的吸声机理为3-D连通开孔结构中的粘滞效应和热效应。应用等价流体假设,在宏观尺度开孔率为?的CHSS材料假设为具有有效密度??和体积模量K?的自由流体。将微观吸声机理和宏观孔结构参量联系起来,得到了CHSS材料的半经验吸声模型。对模型参量进行了修正,计算结果与试验结果吻合的很好,验证了半经验吸声模型的准确性。阻抗梯度吸声结构,基于声阻抗匹配原理设计。与CHSS材料吸声特征基本一致,吸声系数提高约3%或6%。穿孔板吸声结构,在CHSS材料上加工了直径为2 mm的通孔作为穿孔面板,结合空腔结构实现。穿孔面板引起声波变形层提高了阻性项,空腔抵消了声抗性项,在1500-4000 Hz的高频吸声系数提高了约43.8%,对低频吸声性能的改变较小。微穿孔板吸声结构,以CHSS材料作为微穿孔面板,结合空腔结构实现。CHSS材料面板大大提高了阻性项,由空腔结构减小了质量抗项,在f=100-2500 Hz的中低频吸声性能提高了约110%,为最优的吸声结构,而且解决了微穿孔面板加工困难的问题。蜂窝声学结构,以CHSS材料为面板,以Nomex蜂窝为芯材。声能传递损失曲线从低频到高频分为3个特征频段:弹性、共振和质量控制区,其影响因素依次为刚性、阻尼和质量。增加芯材厚度l可以有效改善其低频降噪效果。厚度为15 mm时,声能传递损失最低约为12 d B。
【关键词】：陶瓷空心球多孔材料 声学结构 材料设计 孔结构表征 吸声模型
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.4;TQ174.1
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-15
• 第1章 绪论15-44
• 1.1 课题背景和意义15-16
• 1.2 多孔吸声材料16-27
• 1.2.1 多孔吸声材料定义17-18
• 1.2.2 传统多孔吸声材料18-24
• 1.2.3 空心球多孔材料24-27
• 1.3 多孔材料孔结构特征及其对吸声性能影响27-34
• 1.3.1 多孔材料的吸声特性27-30
• 1.3.2 多孔材料的孔结构特征及其表征方法30-32
• 1.3.3 孔结构特征参量对吸声性能影响32-34
• 1.4 多孔材料的吸声模型34-37
• 1.4.1 理论吸声模型34-35
• 1.4.2 经验吸声模型35
• 1.4.3 半经验吸声模型35-37
• 1.5 多孔材料的吸声或隔声结构研究37-41
• 1.5.1 阻抗梯度吸声结构38-39
• 1.5.2 穿孔板和微穿孔板吸声结构39-41
• 1.5.3 蜂窝声学结构41
• 1.6 存在的问题及发展趋势41-42
• 1.7 本文研究内容42-44
• 第2章 材料与试验方法44-51
• 2.1 试验材料44-46
• 2.1.1 飞灰微珠44-45
• 2.1.2 粘接剂45-46
• 2.2 试验方法46-51
• 2.2.1 热固化制度确定46
• 2.2.2 密度及总孔隙率测试46
• 2.2.3 孔隙形貌的可视化表征46-47
• 2.2.4 孔结构特征的定量表征47-48
• 2.2.5 流阻率测试48
• 2.2.6 材料组成和微观组织表征48-49
• 2.2.7 声学性能测试和吸声模型计算49-50
• 2.2.8 压缩试验与断.观察50-51
• 第3章 陶瓷空心球多孔材料设计与制备51-67
• 3.1 引言51
• 3.2 陶瓷空心球多孔材料几何模型建立51-56
• 3.3 陶瓷空心球多孔材料的孔结构设计56-58
• 3.4 陶瓷空心球多孔材料制备与力学性能58-66
• 3.4.1 飞灰微珠粒径分布58-60
• 3.4.2 陶瓷空心球多孔材料制备工艺60-62
• 3.4.3 陶瓷空心球多孔材料吸声样件和密度62-63
• 3.4.4 陶瓷空心球多孔材料压缩性能63-66
• 3.5 本章小结66-67
• 第4章 陶瓷空心球多孔材料孔结构和微观组织表征67-85
• 4.1 引言67
• 4.2 陶瓷空心球多孔材料的孔结构表征67-77
• 4.2.1 陶瓷空心球多孔材料的亚毫米级孔结构表征68-70
• 4.2.2 陶瓷空心球多孔材料的微米级孔结构表征70-73
• 4.2.3 陶瓷空心球多孔材料的纳米级孔结构表征73-77
• 4.3 陶瓷空心球多孔材料的组成和微观组织表征77-83
• 4.3.1 陶瓷空心球多孔材料的元素组成77-78
• 4.3.2 陶瓷空心球多孔材料的物相结构78-79
• 4.3.3 陶瓷空心球多孔材料的微观组织79-83
• 4.4 本章小结83-85
• 第5章 陶瓷空心球多孔材料的吸声性能和机理研究85-113
• 5.1 引言85-86
• 5.2 陶瓷空心球多孔材料的吸声特性86-92
• 5.2.1 传播常数86-87
• 5.2.2 特征阻抗87-91
• 5.2.3 吸声性能91-92
• 5.3 孔结构特征对吸声性能影响92-98
• 5.3.1 流阻率对吸声性能影响92-93
• 5.3.2 开孔尺寸对CHSS材料吸声性能影响93-96
• 5.3.3 开孔率对CHSS材料吸声性能影响96-97
• 5.3.4 厚度对CHSS材料吸声性能影响97-98
• 5.4 陶瓷空心球多孔材料的经验吸声模型及分析98-101
• 5.4.1 Delany-Bazley经验吸声模型及分析98-100
• 5.4.2 基于经验吸声模型的计算结果及试验验证100-101
• 5.5 陶瓷空心球多孔材料的半经验吸声模型及分析101-110
• 5.5.1 Pride-Allard半经验吸声模型及分析101-106
• 5.5.2 半经验吸声模型的计算结果和试验验证106-108
• 5.5.3 半经验吸声模型的孔结构参量修正108-110
• 5.6 本章小结110-113
• 第6章 陶瓷空心球多孔材料的声学结构研究113-131
• 6.1 引言113-114
• 6.2 阻抗梯度吸声结构114-117
• 6.3 穿孔板和微穿孔板吸声结构研究117-125
• 6.3.1 穿孔板吸声结构118-122
• 6.3.2 微穿孔板吸声结构122-125
• 6.3.3 穿孔板与微穿孔板吸声结构比较125
• 6.4 蜂窝声学结构研究125-128
• 6.5 陶瓷空心球多孔材料的声学结构比较128-129
• 6.6 本章小结129-131
• 结论131-133
• 参考文献133-151
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果151-153
• 致谢153-154
• 个人简历154

【共引文献】

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本文编号：305496