有机修饰对泡沫陶瓷吸声性能影响的研究

朱华清 梁华银

（景德镇陶瓷学院材料科学与工程学院，江西景德镇333403）

有机修饰对泡沫陶瓷吸声性能影响的研究

朱华清 梁华银

（景德镇陶瓷学院材料科学与工程学院，江西景德镇333403）

分析了泡沫陶瓷材料的吸声性能缺陷及原因，研究有机修饰对泡沫陶瓷吸声性能的影响。采用浸浆法制备泡沫陶瓷，利用浸渍氯丁橡胶溶剂（体积比，氯丁橡胶∶溶剂油=1∶1）对泡沫陶瓷进行有机修饰，测试结果表明，随着修饰厚度按10mm、20mm、30mm、40mm增加，平均吸声系数分别提高了11%、22.3%、22%、94%。

泡沫陶瓷，浸浆法，有机修饰，吸声系数

1 前言

泡沫陶瓷是利用陶瓷原料在高温或低温条件下采用发泡剂发泡并在高温条件下烧结而成的陶瓷材料，具有孔隙率高、性能稳定、防火、耐腐蚀、加工方便等优良特性，非常适合用作高温、高湿、强腐蚀等环境条件下的功能材料。吸声材料领域的综合研究表明，无纤维化吸声材料已经成为该领域的研究发展趋势，众多国内、国际声学研究机构和声学材料生产企业都在积极研究开发新型的无纤维吸声材料，各种有机、无机、复合的泡沫材料成了吸声降噪领域的研究热点，而泡沫陶瓷作为良好的无机、无纤维的吸声材料受到广大研究人员的青睐，但其吸声性能方面存在的缺陷却给它的推广应用带来了巨大阻力[1-3]。泡沫陶瓷材料的吸声缺陷主要表现在吸声系数和吸声频带两个方面，未经任何表面处理的泡沫陶瓷的平均吸声系数一般不超过0.3，因为孔隙表面过于平滑，微孔隙减少，比表面积也随之降低，导致粘滞吸收作用大大削弱，声波反射增强，这些都直接降低了材料的换能效率，由声波激励起的材料内部空气的剧烈运动难以高效地完成由动能向热能的转换，吸声系数必然下降；泡沫陶瓷材料的吸声频带主要集中在中高频段，这主要是由于高频噪声在接触到吸声材料后仅有一部分能量集中于入射方向，并且这部分能量在遇到硬壁面反射后再次入射并产生散射，而另一部分能量在其它方向上（材料内部）均匀耗散，而低频声在第一次入射后大部分能量集中于入射方向，反射后依然如此，导致被吸收的能量大大降低[4-9]。有机修饰不但可以提高泡沫陶瓷粘滞系数，还可以拓宽吸声频带，从而达到提高吸声系数的目的。

2 实验

采用瓷石、方解石、滑石粉、白云石、膨润土、长石为泡沫陶瓷原料(见表1)，经过筛处理后加水制成浓浆，注于填充羧甲基纤维素的模型中，干燥成型后于1260℃烧成泡沫陶瓷板。将泡沫陶瓷板磨削成直径为100mm、厚度分别为40mm、30mm、20mm、10mm的圆板，浸渍氯丁橡胶溶剂（体积比，氯丁橡胶∶溶剂油=1∶1）后沥干，用远红外灯烘烤约2小时制得试样。

3 吸声性能测试

表1原料与试剂Tab.1 Raw materials and reagents

根据波管法测试吸声系数的原理，用AWA6122+双通道电声测试仪（见图1）测试试样在有机修饰前后的吸声系数。将试样安放在试样筒中，探测滑块移到和音箱紧贴位置，移动仪器屏幕上的光标，到中心频率（倍频带）为125Hz的第一个谷值位置，缓慢移动探测滑块，同时观察声压级，将滑块停在声压级为一个极小值的位置，读取声压级数据，再移动探测滑块到声压级为极大值的位置并读取声压级数据。继续移动探测滑块直到测试三组数据为止，再依次测试中心频率为250Hz、500Hz、1000Hz、2000Hz、4000Hz，最后计算各中心频率下的吸声系数。

4 结果与讨论

4.1 泡沫陶瓷材料吸声特点

随着噪声中心频率向高频移动，泡沫陶瓷试样的吸声系数逐步增加，1000－2000 Hz附近增加率最大。因为这是中高频的边界，声波波长在0.17～0.34m之间，根据散射波长公式λ＝2 πr0、λ＝2 πr0/3、λ＝2 πr0/5可知声波完全衍射、散射、极大散的射波长分别为0.314m、0.105m、0.063m，从材料的尺寸可以判断该频段声波在泡沫陶瓷试样表面产生了一定散射，声强指向性变得非常复杂，声能在泡沫陶瓷材料内部产生较大的粘滞吸收，超过一半以上的能量在透射后遇到测试筒的硬壁面产生反射，反射声波再次进入泡沫陶瓷，声能再次被吸收[10]。而1000Hz以下的声波在材料表面产生的散射很微弱，透射声场的能量基本上等于入射声能，声能在材料内部的吸收很小，导致吸声系数很小。这与图2中四种厚度的泡沫陶瓷材料的吸声曲线的变化趋势完全吻合。

4.2 厚度对吸声性能的影响

对于柔性材料，随着厚度的增加，中低频吸声系数显著增加，而高频吸声系数则基本上保持不变。从图2来看，对于泡沫陶瓷试样，随着厚度的增加中低频吸声系数只出现微弱的增加趋势，而中高频带增加明显，在高频带图线纠结在一起，说明厚度的增加到一定程度后对吸声系数已经没有多少影响。这依然可以用散射理论解释，中低频带声波在材料内部的散射非常微弱，声能的指向性与入射一致，而中低频带开始变得复杂，声能在材料内部的各个方向耗散而产生较大的吸收。从图2中还可以看出，当厚度增加到33mm后，低频带吸声系数增加不再明显，室内吸声处理也很少会使用更厚的材料。

4.3 有机修饰的影响

4.4 粘滞吸收的影响

声波入射后，引起泡沫陶瓷内部空气振动，气流之间、空气与孔隙筋络表面的修饰材料产生粘滞摩擦，进行第一次耗能作用，如果声波直接向材料另一侧透射会导致粘滞摩擦次数的减少，声能转化效率降低，吸声系数下降，增加材料末端声阻抗可以提高反射系数，使声波在材料内部进行多次反射，才能大大增加材料的粘滞吸收，达到声能的多次损耗，提高材料的吸声系数。当声波入射到泡沫陶瓷内部时，气体的粘滞吸收可分为切变粘滞吸收和体积粘滞吸收，当入射声波的频率处在低频带时，切变粘滞吸收居主，反之体积粘滞吸收居主[12]。以厚40mm泡沫陶瓷为例进行有机修饰前后的吸声系数对比分析（如图3）发现，随着有机修饰的厚度增加，中低频带吸声系数均有一定提高，但大部分作用效小，对高频带吸声系数提高作用较明显，在有机修饰厚度为10mm、20mm、30mm、40mm时平均吸声系数分别为19.3%、21.3%、21.2%、33.8%，相对未修饰的泡沫陶瓷的平均吸声系数为17.4%，分别提高了11%、22.3%、22%、94%，并且随着修饰厚度的增加吸声系数增加明显。

5 结论

由于受材料特性的限制，泡沫陶瓷材料的吸声系数较低，试验制备的泡沫陶瓷的平均吸声系数为17.4%；采用氯丁橡胶溶剂修饰结果表明，随着修饰厚度按10mm、20mm、30mm、40mm增加，吸声系数分别提高了11%、22.3%、22%、94%。

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Abstract

The deficiency of foam ceramics in sound-absorbing performance and the reason were analyzed,and the influence of polymer-modifying on the sound-absorbing performance was studied.Foam ceramics were prepared by dip-coating,and modified by the solvent of neoprene rubber (the volume ratio of neoprene rubber to solvent naphtha is 1∶1).Soundabsorbing coefficient test indicates,with the thickness increasing to 10mm,20mm,30mm and 40mm,the average coefficient was up 11%,22.3%,22%and 94%.

Keywords foam ceramics,dip-coating,polymer-modifying,sound-absorbing coefficient

RESEARCH ON SOUND-ABSORBING PERFORMANCE OF POLYMER-MODIFIED FOAM CERAMICS

Zhu Huaqing Liang Huayin
(School of Material Science and Engineering,Jingdezhen Ceramic Institute,Jingdezhen Jiangxi 333403.China)

TQ174.75

A

1000-2278（2010）04-0623-04

2010-09-08

朱华清