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橡膠吸聲材料與應(yīng)用
日期：2025-12-16 10:43
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摘要：
| 橡膠吸聲材料與應(yīng)用 隨著現(xiàn)代科技和工業(yè)的發(fā)展，噪聲污染已經(jīng)成為**性難題，吸聲降噪逐漸演變?yōu)橐粋€(gè)有關(guān)科技、環(huán)境、人類(lèi)協(xié)調(diào)發(fā)展乃至現(xiàn)代**等各方面的重要課題，各種各樣的吸聲材料隨之產(chǎn)生，其中*重要的一支就是高分子吸聲材料。聲波的傳播特點(diǎn)決定了高分子材料成為較佳吸聲材料的可能性，聲波通常以縱波的形式傳播能量，當(dāng)聲波入射到高分子材料內(nèi)部時(shí)，其中一部分能量必將用于改變高分子鏈和側(cè)基的振動(dòng)而做功，從而達(dá)到吸聲的目的。聲波能量傳播受阻是由高分子材料的內(nèi)耗造成的，即為粘彈性?xún)?nèi)阻尼特性，尤其是在玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)，這種粘彈性阻尼效應(yīng)更加突出。 提高高分子材料內(nèi)耗是提高材料吸聲性能的一種方法，而目前在這方面應(yīng)用相對(duì)較多的是橡膠材料。 1 橡膠材料吸聲原理 橡膠是一種粘彈性高分子材料，內(nèi)耗相對(duì)較大，基體橡膠的相對(duì)分子質(zhì)量分布可調(diào)，能適應(yīng)各種頻率聲波的吸收。橡膠材料有一定的物理性能，可在不同的環(huán)境條件下使用。橡膠材料的吸聲率與聲波的頻率有很大關(guān)系，一般規(guī)律為：隨著聲波頻率的升高，橡膠材料吸聲率增大，當(dāng)聲波頻率達(dá)到某一臨界值時(shí)，橡膠材料吸聲率出現(xiàn)*大值，此后隨著聲波頻率的繼續(xù)增大，橡膠材料吸聲率反而下降。由于多數(shù)SR(如IIR，NBR，CIIR和SBR等)的彈性模量溫度系數(shù)比NR大，內(nèi)部摩擦大，容易生熱，更有利于吸收聲波能量，因此SR膠料的吸聲性能比NR膠料好。橡膠材料內(nèi)耗較大，很大一部分是由基體橡膠微觀結(jié)構(gòu)造成的，如IIR中有較多甲基存在，分子堆積較密，使得這些鏈段移動(dòng)相對(duì)比較困難，內(nèi)摩擦較大。氰基、氯原子、苯基的存在也有類(lèi)似作用。 橡膠用作吸聲材料僅僅具有較大的損耗因子(tanδ)還不夠，還必須確保聲波能夠射入其內(nèi)部，以便于吸收聲波能量，這其中有個(gè)參數(shù)起決定作用，即特性阻抗。當(dāng)平面波入射到各向同性的均勻介質(zhì)表面時(shí)，是入射還是反射，取決于材料的特性阻抗。特性阻抗是表征介質(zhì)本身性質(zhì)的一個(gè)十分重要的物理量，是判斷材料能否作為反聲材料或透聲材料的主要標(biāo)志之一。當(dāng)相鄰兩種介質(zhì)的特性阻抗接近或相等時(shí)，稱(chēng)為“阻抗匹配”，反之稱(chēng)為“阻抗失配”。只有兩種介質(zhì)的特性阻抗相同或接近時(shí)，聲波在兩介質(zhì)界面處才不致于發(fā)生反射。而橡膠材料的特性阻抗與水接近，而且可以通過(guò)改變填料和其它組分來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，這是橡膠材料常用作水聲材料的重要原因。 在一般情況下，聲波在橡膠材料中的傳播速度隨橡膠材料的形態(tài)不同而異，其大小依次為固體、液體、氣體，且隨橡膠材料彈性模量的增大而增大。如果在橡膠材料中添加了對(duì)模量影響較大的炭黑類(lèi)配合劑，聲波在橡膠材料中的傳播速度將增大；如果添加軟化劑或增塑劑類(lèi)配合劑，傳播速度將減小。聲波在硬度較大的橡膠材料中的傳播速率可達(dá)1560-1573m·s-1。此外，聲波在橡膠材料中的傳播速度隨溫度的升高而減小，材料伸長(zhǎng)率對(duì)聲波的傳播速度影響也很大，但趨勢(shì)不確定。還同的傳播速度過(guò)材料吸聲性能也有一定的影響。 2 橡膠材料吸聲性能的影響因素 盡管橡膠材料的吸聲性能相對(duì)較好，但是在不同聲波頻率下其吸聲性能有較大差異，通常表現(xiàn)為高頻時(shí)吸聲性能較好，低頻時(shí)較差。橡膠材料吸聲性能的影響因素主要有橡膠分子微觀結(jié)構(gòu)、填料和橡膠制品宏觀結(jié)構(gòu)3個(gè)方面。 2.1 橡膠分子微觀結(jié)構(gòu) 據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，某些橡膠本身就具有很好的吸聲性能，可以直接應(yīng)用在設(shè)備上，如NBR，IIR和CIIR等，這些橡膠中的氰基、氯原子和甲基都是較大的側(cè)基基團(tuán)，其存在使得改變分子振動(dòng)變得困難，因此相應(yīng)橡膠材料的內(nèi)耗較大，當(dāng)一定能量的聲波入射到上述橡膠材料內(nèi)部時(shí)，必將做更多的功才能改變分子的振動(dòng)，從而消耗更多能量，使聲波相對(duì)衰減較快，從而達(dá)到消聲的目的。由于橡膠的相對(duì)分子質(zhì)量分布相對(duì)較寬，因此其吸聲頻率帶也相對(duì)較寬，且其受溫度影響小。無(wú)論早期還是現(xiàn)在，橡膠材料均為用量相對(duì)較大的吸聲材料。但是橡膠自身特點(diǎn)，如硬度較高和粘接性較差等，限制了其更廣泛的應(yīng)用，需要通過(guò)各種手段進(jìn)行改善，如加入其它填料改善物理性能等。總之，橡膠本身結(jié)構(gòu)對(duì)橡膠材料吸聲性能的影響相對(duì)較大，因此膠種的選擇至關(guān)重要。 2.2 填料 在橡膠中加入氣泡性的填料會(huì)形成均勻空腔，使得入射聲波產(chǎn)生諧振并增大材料的有效厚度，減少聲波能量的傳遞。美國(guó)SOAB吸聲橡膠選用鋁粉作為吸聲填料混入橡膠中，但鋁粉在開(kāi)煉機(jī)混煉時(shí)容易飛揚(yáng)，影響人體健康，且鋁粉散布在空氣中易著火，生產(chǎn)**得不到保障，同時(shí)價(jià)格較高。喬冬平等系統(tǒng)地研究了蛭石粉對(duì)橡膠材料吸聲性能的影響，提出在20-60Hz時(shí)，蛭石粉用量對(duì)膠料tanδ沒(méi)有影響；隨著頻率的增大，膠料的tanδ隨蛭石粉用量的增大而減小；在配方和工藝均保持不變的情況下，蛭石粉用量對(duì)橡膠材料吸聲性能影響較大，當(dāng)蛭石粉用量為30-40份時(shí)，橡膠吸聲材料的綜合性能較好。鐘愛(ài)昇的研究也證實(shí)了這點(diǎn)。另外，硫化膠和未硫化膠的吸聲性能也存在一定差異，通常是未硫化膠的吸聲性能較好，硫化體系影響硫化膠的吸聲性能。田斌等研究了硫化體系對(duì)SBR吸聲材料性能的影響，指出隨著硫黃用量的增大，膠料的*低粘度和*高粘度增大，硫化時(shí)間和焦燒時(shí)間縮短，拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長(zhǎng)率和回彈值減小，定伸應(yīng)力和硬度有所增大，tanδ*大值變化不大，玻璃化溫度和損耗因子曲線吸收面積受到明顯影響；硫黃/酚醛樹(shù)脂并用后，硫化膠拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長(zhǎng)率減小，硬度變化不大，玻璃化溫度升高，tanδ*大值減小，損耗因子曲線吸收面積增大。 2.3 橡膠制品結(jié)構(gòu) 鐘愛(ài)昇研究了耐壓低頻吸聲橡膠制品的材料和結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，為了使橡膠制品具有較大的吸聲因數(shù)而采用尖劈或圓錐狀，可使制品的比表面積增大，這樣既可充分利用制品的厚度，又可利用反射聲波角度等于入射聲波角度的特性，使相鄰兩斜面對(duì)反射聲波重復(fù)吸收。羅東山等研究了橡膠薄片共振結(jié)構(gòu)吸聲機(jī)理，并研究了薄片厚度對(duì)吸聲性能的影響，結(jié)果表明橡膠薄片共振結(jié)構(gòu)的吸聲因數(shù)在某一頻率下隨空氣層厚度改變而出現(xiàn)極大值(即吸收峰)。這是由于入射聲波頻率與橡膠薄片熱振結(jié)構(gòu)的共振頻率相同，即入射聲波的周期性變化與橡膠薄片共振結(jié)構(gòu)的振動(dòng)“合拍”，聲波的振動(dòng)方向在整個(gè)周期與橡膠薄片共振結(jié)構(gòu)的方向一致，使聲波傳遞給橡膠薄片共振的能量*多，且此時(shí)的振幅、振速都*大，空氣層的壓強(qiáng)變化也*大，均有利于損耗聲能，因同一試樣在不同頻率下的吸收峰值不同，隨著橡膠薄片厚度的增大，*大吸收峰由高頻方向向低頻方向移動(dòng)。橡膠制品的吸聲性能可以從兩個(gè)方面來(lái)提高，一是增大有效厚度，使聲波在材料中傳播更遠(yuǎn)，從而使能量衰減更多；二是在允許的情況下改變橡膠制品結(jié)構(gòu)，使得聲波入射到橡膠內(nèi)部后產(chǎn)生諧振，將波長(zhǎng)較長(zhǎng)的橫波轉(zhuǎn)變成波長(zhǎng)較短的縱波，縱波在橡膠中傳播相對(duì)困難，更容易轉(zhuǎn)化成熱能而損耗掉。基于上述方法設(shè)計(jì)橡膠制品結(jié)構(gòu)將大幅增大對(duì)聲波的吸收。 總之，改善橡膠材料的吸聲性能主要從增大橡膠材料的內(nèi)耗和橡膠制品的有效厚度著手。具體方法有盡量增大基體橡膠主鏈側(cè)基數(shù)量和體積以增大橡膠材料的內(nèi)耗和將材料制備成一定的結(jié)構(gòu)或添加較硬的小球體填料以增大材料的有效厚度等。 3 橡膠吸聲材料的應(yīng)用 3.1 在輪胎減震降噪方面的應(yīng)用 輪胎與路面接觸噪聲的產(chǎn)生機(jī)理主要是輪胎花紋與路面空隙中空氣的泵吸作用。輪胎在路面上滾動(dòng)時(shí)與路面接觸部位被壓縮變形，輪胎花紋中的空氣被部分或全部擠出，形成了局部不穩(wěn)定的空氣體積流；同理，路面空隙中的空氣也被不斷地抽吸和壓入，這種氣體漲縮往返的泵吸作用形成了主要的噪聲源。另外，輪胎的振動(dòng)作用使其在凹凸不平的路面上滾動(dòng)時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)激發(fā)噪聲也是輪胎與路面接觸噪聲的起源之一。當(dāng)輪胎與積水路面接觸時(shí)，還會(huì)由于濺水發(fā)出頻率在1000Hz以上的噪聲。 以上均與輪胎胎面花紋的設(shè)計(jì)密切相關(guān)，可以通過(guò)合理的設(shè)計(jì)將橡膠吸聲材料用于輪胎，使其在滿足輪胎其它性能的同時(shí)，具有較大的吸聲因數(shù)，如此輪胎行駛過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲會(huì)部分地被胎面耗散掉。但是，隨著吸聲性能的提高，胎面膠內(nèi)耗增大，導(dǎo)致滾動(dòng)阻力較大，目前對(duì)既能降低滾動(dòng)阻力又能提高吸聲性能輪胎的研究還有待于單一步深入和完善。 3.2 在水下消聲方面的應(yīng)用 橡膠材料在水下消聲池中應(yīng)用時(shí)，主要做成錐形，以更大限度地吸收水中的噪聲。吸聲橡膠圓錐是水聲工程用消聲水池和循環(huán)水槽的重要組成部分，主要用于消除水池壁、水面和循環(huán)水槽艙壁的水聲反射，以便提高測(cè)量系統(tǒng)聲場(chǎng)的分布均勻性和穩(wěn)定性，減小聲測(cè)量的系統(tǒng)誤差。目前所知，德國(guó)采用石墨填充聚己丁烯制備水聲消聲材料；日本采用紅松木制作吸聲尖劈；美國(guó)采用鋁粉填充IIR制備吸聲橡膠圓錐。我國(guó)已建成消聲水池，但是技術(shù)尚不成熟，有待于進(jìn)一步研究和提高。 3.3 在消聲瓦方面的應(yīng)用 橡膠吸聲材料無(wú)疑是消聲瓦的優(yōu)選基材，這是因?yàn)橄鹉z的特性阻抗與水非常接近，聲波很容易從水進(jìn)入到橡膠中，同時(shí)橡膠吸聲材料由于本身的特性，能夠?qū)⒙暷艿绕渌问降哪芰哭D(zhuǎn)化為熱能耗散掉，從而達(dá)到衰減聲波的目的。 目前應(yīng)用較多的消聲瓦基材是IIR，但是IIR的粘接性不好，因此急需改善IIR的粘接性或?qū)ふ姨娲牧稀BR就是其中一種替代材料。雖然SBR的水下吸聲因數(shù)較小，但可以通過(guò)調(diào)節(jié)橡膠材料的配方和橡膠制品的結(jié)構(gòu)來(lái)改善，例如填充能夠改善吸聲性能的硬脂粒或玻璃微珠等或設(shè)計(jì)成有一定空隙的半空心體，如此將大大改善吸聲性能，滿足其在消聲瓦方面的應(yīng)用，目前已有部分SBR應(yīng)用于消聲瓦，而SBR結(jié)構(gòu)變化方面的巨大潛力終將使其替代其它材料成為消聲瓦的較佳材料。 4 結(jié)語(yǔ) 橡膠吸聲材料是吸聲材料中的一個(gè)重要分支，了解和分析橡膠吸聲材料的原理和影響因素對(duì)于改善橡膠吸聲材料的吸聲性能有著重要的作用，隨著研究的深入，也必將使其在吸聲領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。 |
