【材料前沿科技】一文读懂吸声材料研究进展

近十年来，在广大科技工作者的不懈努力下，使得陶瓷材料在吸声性能方面的研究得到了很大的进步，陶瓷材料质轻价廉、强度高、吸音效果好以及使用寿命长等特性越来越受到人们的瞩目。...





陶瓷吸声材料研究现状及进展

近十年来，在广大科技工作者的不懈努力下，使得陶瓷材料在吸声性能方面的研究得到了很大的进步，陶瓷材料质轻价廉、强度高、吸音效果好以及使用寿命长等特性越来越受到人们的瞩目。

压电陶瓷材料


蒋小强等人以NBR 为基体材料，压电陶瓷为功能相制备出压电橡胶复合材料，在频率为1 ～ 2 KHz 范围内，压电陶瓷和碳纤维(CF) 的加入不会对其吸声系数产生明显影响；在频率为2 ～ 3 KHz 范围内，随着压电常数的增大，压电陶瓷/NBR 压电复合材料吸声因数增大，通过添加CF，使材料内部形成一定的导电网络，可以明显提高材料的吸声性能。刘刚田等人提出了基于反射声功率最小的吸声方法，运用主动吸声原理，将压电陶瓷晶片粘贴于很薄的简支平板，并在平板正前方布置两个麦克风传感器检测入射声波和反射声波。在反射声压平方和最小时求得加在压电陶瓷上的声压，以达到吸声效果。并将压电陶瓷晶片数量分为一片、三片等几种情况分别进行试验和数值计算。试验结果表明，所提主动吸声方法能够起到有效的吸声效果，并且当压电陶瓷晶片为三片时其吸声效果很好，但当陶瓷片数量增加时其吸声效果并没有得到明显提高。

多孔陶瓷材料

金凌志等人针对无砟轨道道床吸音板的研究，利用声学上的吸音尖劈、空腔共振和空隙吸音原理，以陶粒作为轻骨料，高强度等级水泥作为胶凝材料，辅以聚酯纤维和减水剂等外加剂进行复合，制成有一定强度的水泥基吸音板。并采用驻波管法和混响室法分别测定该水泥基吸音板在120 Hz、250 Hz、500 Hz、1000 Hz、2000 Hz 和4000 Hz 6 个中心频率下的吸声系数，得出其平均吸声系数达到0.72，降噪系数(NRC) 达到0.82，该吸音板属于优秀的吸音产品。张继香等人采用煤矸石为主要原料，加入发泡剂和其他外加剂，运用凝胶注模成型工艺制成多孔吸声材料。并讨论了影响样品孔隙率及吸声性能的因素，经实验测定表明：通过该方法制定的多孔吸声材料孔隙率可达81.6% 并且其高频吸声性能优越；文中制备的样品在低频的1600 ～ 2000 Hz 附近也有一个吸声峰出现，但中频吸声性能较差；固相体积一定时，发泡剂浓度越高，总孔隙率和开口孔隙率越大，样品的吸声系数越大。

刘占卿等人研制出多孔陶瓷材料声砖，运用混响室法对改进后的多孔陶瓷砖分别在平放和侧放状态下进行声学性能测试，结果表明：在平放状态下其低频吸声性能较差，中、高频吸声性能较好，且6 个主吸声频点的平均吸声系数达到0.95 ；侧放状态下，其低频吸声性能得到提高，但中、高频吸声性能降低。通过仿真对比，分析了多孔陶瓷吸声材料与微穿孔板材料间的吸声性能，仿真结果表明：多孔陶瓷吸声材料具有吸声频带宽、中高频吸声性能好等优点。并提出通过调整多孔材料粒径、适当增加材料厚度等方法提高低频吸声性能。

朱华清等人在有机修饰对泡沫陶瓷吸声性能影响的研究一文中指出泡沫陶瓷吸声材料的缺陷主要表现在吸声系数和吸声频带两个方面，并提出采用有机修饰可以提高泡沫陶瓷粘滞系数，拓宽吸声频带，从而提高吸声系数。文中将制作好的泡沫陶瓷圆板浸渍氯丁橡胶溶剂后沥干，用远红外灯烘烤约2 小时制得试样。通过波管法测试吸声系数的原理得出：修饰后的孔壁刚性表面变成软硬界面，柔性表面层的声波反射系数大大下降，声能吸收效率得以提高，随着采用氯丁橡胶溶剂修饰厚度按10 mm、20 mm、30 mm、40 mm 增加，吸声系数分别提高11%、22.3%、22%、94%。

曾令可等人在抛光砖废料制备吸音材料一文中提出以微孔吸声结构原理为主要设计依据，采用抛光砖废料制备的陶粒、膨胀水泥、粉煤灰以及造乳剂、防水剂等为主要原料，采用混凝土成型法成型，研究开发了一种新型环保无公害的吸声材料，并对影响该吸声材料吸声性能的因素做了实验分析得出：吸声材料中胶凝材料用量的增加使吸声性能降低；在一定范围内，发泡剂用量的增加使材料内部气孔率增加并且多呈连通结构，进而使材料的整体吸声性能逐渐提高，尤其是在400 Hz 以后效果更加明显；材料厚度的增加会引起材料的整体吸声性能得到提高；对试样进行表面处理以减少流阻，增加有效吸声表面面积，可以提高材料的吸声效果；材料背后空腔厚度的增加也会逐渐提高材料的吸声系数。

陶瓷吸声材料研究过程中存在的问题及建议

通过分析得知，对于陶瓷吸声材料方向的研究主要集中在国内学者，国外对此方向的研究学者较为稀少。而目前我国学者主要侧重于对多孔陶瓷吸声材料的研究，并取得了较大成果；在压电陶瓷吸声方向的研究也取得了一定进展。但对于大多数多孔陶瓷吸声材料的研究，只是通过改善材料结构或增加添加剂加以修饰而在一定程度上提高材料的吸声系数，改善其吸声性能；对于压电陶瓷吸声材料的研究则处于刚刚起步阶段。无论是对压电陶瓷还是对多孔陶瓷的研究，都在某种程度上改善了材料在中、高频率范围内的吸声性能，对于低频范围的吸声性能并没有得到明显提高，仍未开发出一种能够同时在高、中、低频范围内同时具有高效吸声性能的材料。所以总体来讲，陶瓷吸声材料的研究尚未取得实质性的进展，但随着研究者们对新型吸声材料的关注以及国家对新型材料研究开发投入力度的加大，相信会有越来越多的研究者们加入吸声材料的研究行列。而陶瓷材料凭其特有性能以及廉价的成本优势，也会逐渐引起越来越多研究者们的兴趣。在以后的研究过程中，广大科技工作者应加大对压电陶瓷吸声材料方向的研究力度，并更加侧重于对材料在低频率范围内吸声性能提高的研究。同时，研究者也可以考虑将陶瓷材料和其他种类的吸声材料相结合来进行研究，这或许能够成为一个新的研究切入点。

其他类吸声材料的研究状况

在陶瓷吸声材料的研究取得一系列成果的同时，其他种类吸声材料的研究进展也取得了很大突破。

刘鹏辉等人采用多孔吸声材料的圆管理论模型，进行数学编程计算与分析，研究了多孔材料孔隙率、孔径、厚度以及结构因子对其吸声性能的影响。理论研究结果表明：在多孔材料孔径和厚度一定的情况下，孔隙率越高，材料内部通道越复杂，其吸声性能越好；在材料厚度和孔隙率一定的情况下，孔径越小，则内部孔隙通道越多且更加复杂，材料吸声性能越好；在材料孔径和孔隙率一定时，厚度增大，则其低频吸声性能越好，高频吸声性能有所下降；在材料厚度、孔径和孔隙率一定时，结构因子增大，对材料低频吸声性能没有明显影响，而在中高频范围内出现吸声系数的周期性变化。

浦文婧等人研究了高分子吸声材料吸声性能与粘弹性之间的关系，选用常压和高压下吸声特性显著变化的硅橡胶材料和聚氨酯材料，用准静态力学测试了两种材料在不同压力条件下的滞后曲线，分析了材料粘弹性对吸声性能的影响。结果表明：高分子材料的模量越大，其加压条件下的吸声性能越好；弹性越好，其吸声性能越好；滞后损耗越大，其吸声性能越好。并提出了制备常压和高压条件下均具有较好吸声性能的高分子材料的方法。姜在秀等人在声波在存在黏结作用纤维性吸声材料中的传播一文中考虑到纤维间的黏结作用，并引入等效容重的表述，得到改进的纤维性吸收材料的唯象模型。通过实例分析表明，改进后的唯象模型得到的材料声学特性更加符合实测数据。

罗英等人提出将具有吸声性能的蛭石粉作为填料，利用胶原纤维和植物纤维混合制备出吸音纸，并研究了蛭石粉及纸页结构的形态对吸音纸吸音性能的影响。实验结果表明：在由胶原纤维和植物纤维制成的复合材料中加入蛭石粉可明显改善纸张的吸声性能，使其吸声性能更加稳定；并指出蛭石粉的用量在15% 左右时，不但纸页的性能变化较小，而且纸页的吸声性能也可得到明显改善。彭立民等人讨论了木质吸音材料在国内外的发展及应用现状，指出国内有关学者对实木、胶合板等材料的吸声特性及影响因素进行了研究，也有人对木质微孔板的声学特性进行了分析并得出有关结构参数与表面声阻抗率和法向吸声系数之间的关系模型等；而国外也有学者在此领域进行了研究，如美国学者以化学处理的木质纤维为原料，利用高压喷涂方法将木质纤维和胶黏剂形成混合体而制成的一种喷覆式装饰吸音材料，而韩国学者则利用稻草和木纤维制造出一种多孔材料，并均获得了较好的吸声特性。

CHAZOT J D 等人提出使用平面波功能的有限元分区方法以解决短波亥姆霍兹问题，并通过实验验证了这一方法的可行性，指出该方法适用于在二维空腔进行声场数值模拟，并且将这一方法建模为堆积反应材料，对其性能评估后得出结论称：在数据缩减的测量中，当平面波有限元素跨越大量波长时表现出最好的性能。最后指出吸收材料中压力波波数的虚部由于波的强烈衰减在平面波的复合中可能产生很大的误差，针对此问题，提出可通过考虑非匹配网格空气孔界面在多孔域中充分改变网格尺寸来规避。DEL REY R 等人对从地面聚氨酯泡沫废料中开发的不同材料的吸声性能进行了研究，并使用Dunn 和DAVERN 模型与沃罗宁娜模型对声学性能进行建模，得出结论表示这些回收材料具有良好的吸音性能。

何学斌等人对通过在PP/PET 纤维结晶过程中控制纤维堆积方法所构筑的S 型结构混合吸音棉与U 型结构的混合吸音棉进行了中低频范围内吸引特性的比较，通过驻波管法在不同频率测试材料的吸声系数，表明S型结构吸音棉比U 型结构吸音棉具有更好的吸音特性，并且S 型结构吸音棉在中低频时吸声性能表现优秀。此外，王宏畅等人针对单层多孔隙沥青路面易堵塞的问题，提出了双层多孔隙沥青路面的结构形式，并通过采用有限元法对所提结构的吸声性能进行了数值仿真模拟，分析了不同路面结构参数对吸声降噪性能的影响。

展望

通过上述的分析可知，目前已经有很多科研工作者对新型吸声材料的开发与研究取得了较大成果，在某些研究中对吸声材料的吸声原理及各种影响因素进行了有效分析和总结，并形成了一定的理论体系，但这还不够完善，对材料的吸声性能还有很大的研究和提高空间。目前，大多数科研成果都比较有效的改善了吸声材料在中高频区域的吸声性能，在低频区域的吸声性能仍然很低。总体来讲，对新型环保吸声材料的研究仍然处于初步阶段，虽然吸声材料在汽车、建筑、家用等领域得到了日益推广及应用，而且能够在很大程度上满足社会需求，但仍未出现一种能够同时在高、中、低频范围内同时具有高效吸声性能的材料。随着人们生活品质和环保意识的提高，对吸声材料的吸声性能提出了更高的要求，对新型环保吸声材料的开发和研究也已逐渐得到国家和研究者们的高度重视。相信未来不久将会有越来越多的科研工作者投身于对新型吸声材料的研究与开发工作中，而陶瓷材料由于其本身特性的优越性，将会受到更多研究者们的青睐，陶瓷吸声材料方向的研究必将会取得重大进步。

来源：《中国陶瓷》第50卷第6期，“陶瓷吸声材料的研究进展”

作者：王海鹏等

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