变密度纤维集合体的压缩、透气与隔声行为的组合表征

论文摘要

纤维集合体密度变化时对其透通性的影响，是目前实际测量与理论解释中的难点与空白，其原因在于目前尚无实现这一动态组合要求的原位测量方法与装置。本文所研制的“变密度纤维集合体力学行为和传导性的原位综合测量系统（FACBES-01）”正是解决了同一纤维集合体试样体积密度变化时的多种性能的同时测量问题，文中针对实用中最主要的力、气、声传递性进行了研究。首先，本文研究了羊毛、山羊绒、腈纶、鹅绒、木棉五种常用纤维集合体的压缩性能。发现除腈纶纤维外，其他纤维在同一时刻主力与受力曲线几乎完全重合，二力的滞后差异未能体现，并且求得的二力差值在很小的波动范围内，而腈纶集合体所出现的力值差增大现象，主要由腈纶纤维粘、糙的表面特性所决定。压缩过程也可分为三个区：近似线性区、转变区（或滑移变形区）、模量线性增加区，其中转变区较复杂，有时会发生纤维间的移动错位引起的屈服特征。所选五种纤维集合体的压缩曲线、压缩模量曲线及压缩回复圈大小及形状存在差异，是识别特征。而同一种集合体压缩曲线中的各阶段并不一定都表现充分。研究还发现，纤维排列形式对集合体压缩及回复性能产生很大影响。随机排列集合体可以看成是一种各向同性的均匀结构，而纤维团随机放置的集合体属于多界面结构，纤维团对于随机纤维而言，是一种略微刚性的结构，而随机排列属柔性结构。刚性结构间的压缩力增长速度要快得多。但集合体压缩变形回复的能力几乎不受纤维排列方式的影响，主要由纤维自身的回弹能力决定。对有无筒壁约束条件下的压力对比表明：有筒壁约束条件下的压力远远大于无筒壁约束下的压力。压缩进行中纤维集合体发生侧向膨胀变形，因筒壁的存在，集合体与筒壁间发生强烈地挤压与摩擦，上压力迅速下传，压力及压缩模量增加迅速。而无约束时集合体有较大的自由空间发生膨胀与变形，体积密度增加缓慢。其二，本文首次拍摄到异种纤维集合体压缩过程中的纤维形态各不相同，压缩明显改变了纤维间的相对位置，纤维的弯曲变形并不像预想中那样占据变形的主导地位，这与纤维长短有关。纤维位于集合体中的高度与压缩过程中集合体高度的变化量（压缩位移）线性相关，同一根纤维对于整体纤维塞的相对位置不随压缩的进行发生明显变化。纤维塞上层（主施力端）体积密度较中层及下层的体积密度增加快，其次是中层，最后是下层，故纤维塞压缩为非等比例非均匀压缩。对不同种类和排列的纤维集合体透气性与体积密度及纤维体积分数间变化规律的研究表明：可将Kozeny公式近似为集合体两端气压差与集合体体积密度间的二次多项式的表达形式，以此直观和简便地反映出材料的透气性能。在体积密度较小的情况下，不同种类随机排列集合体的透气性能相对比较接近；随着体积密度增大，纤维塞间透气性出现明显差异。同时，相同体积密度的集合体两端气压差比较，所得透气性从优到劣的排序为：①羊毛②山羊绒③腈纶④羽绒⑤木棉，这主要由纤维的形态与结构所决定；而在相同纤维体积分数下的气压差值比较，透气性的从优到劣排序为：①羊毛②腈纶③山羊绒④木棉⑤羽绒。两种排序的不同，说明气流流过集合体时不仅与纤维体积分数的大小，也即孔隙的多少有关，而且要考虑孔隙的形状、曲折程度、排列和孔径的分布。对三种排列方式羊毛集合体的测量分析表明，在体积密度较小阶段及在体积密度增大阶段的透气性的优劣排序是不同的。这也验证了纤维集合体孔隙多少、排列及分布的影响。三种排列方式的K值变化范围各不相同，随着纤维体积分数增加，K值均呈下降趋势。不同粗细纤维间的透气特征也存在一定差异。其三，本文对纤维集合体透声实验表明，腔体对声音传播的影响较大，并且声波的衰减与腔体中的接收距离有关，并受发声频率的影响。不同频率段下的声音，随机排列的纤维集合体，随其体积密度的增加声的衰减程度及趋势存在差异，但本文五种纤维集合体的这种变化规律基本相同。透射声强比的下降随声音频率的升高而逐渐趋于平缓。这说明高频声音受材料的结构变化影响不大。低频声音透过纤维集合体的能力较高频声音强，高频的声强在纤维集合体中衰减强烈，即纤维集合体对不同频段声音的吸收衰减能力不同。本文提出将材料体积密度作为制造吸声隔音材料时实现节省原料、最优化材料的结构参数，可以选择最有效的体积密度来实现所要求达到的声音衰减能力。三种排列方式中，与随机排列相比，成团随机排列和竖直平行排列集合体的体积密度变化对声音的衰减影响很小，这主要与纤维的排列状态、孔隙的数量及分布密切相关，故孔隙率和结构因子是造成纤维集合体声音衰减的主要特性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 基本概念
• 1.1.2 三方面的需求
• 1.2 纤维集合体压缩性能理论研究及现状
• 1.2.1 Van Wyk模型及一维形变方程
• 1.2.2 纤维随机及取向排列的接触理论
• 1.2.3 潘宁的集合体微结构理论
• 1.2.4 有关纤维间的空间阻碍理论
• 1.2.5 双Lee的集合体压缩应变及泊松比解析表达
• 1.2.6 有关纤维间的滑移、摩擦作用及能耗理论
• 1.2.7 其他表达
• 1.2.8 纤维集合体压缩性能的实测方法评价
• 1.2.9 纤维集合体的压缩结果
• 1.3 纤维集合体透气性理论研究及现状
• 1.3.1 基本理论
• 1.3.2 透气量测定方法
• 1.3.3 几种纤维集合体透气性实用测量与结果
• 1.4 纤维集合体吸声隔音性能理论研究及现状
• 1.4.1 基本理论
• 1.4.2 多孔材料吸声隔音性能的实测评价方法
• 1.4.3 几种纤维集合体吸声隔音性实用测量与结果
• 1.5 问题及研究内容
• 1.5.1 已有研究中的空白与问题
• 1.5.2 本文的研究内容及意义
• 1.5.3 研究目标及目的
• 第2章 变密度纤维集合体传导性的原位综合测量系统
• 2.1 测量原理及必要性
• 2.1.1 基本原理
• 2.1.2 原位组合测量的必要性
• 2.2 测量系统的硬件配制
• 2.2.1 测量系统机构硬件组成及作用
• 2.2.2 测量系统控制与操作模块及其组成
• 2.3 测量系统硬件选择与设计
• 2.3.1 试样腔体与力平衡
• 2.3.2 测量腔体与接口
• 2.3.3 光学机构及原理设计
• 2.3.4 测力系统的抗干扰与高精度
• 2.3.5 测量腔的绝缘、密封和无阻滑移性设计
• 2.3.6 力、气、声测量系统技术参数
• 2.4 测量系统数据图像采集功能及设计
• 2.4.1 运算放大器、调零电路、模数转换功能设计
• 2.4.2 串行接口设计
• 2.4.3 步进电机设计
• 2.4.4 图像采集与处理设计
• 2.4.5 声发射与接收器及声卡与声处理
• 2.5 测量系统软件配制
• 2.5.1 基于VC的程序设计与控制
• 2.5.2 串口通信
• 2.5.3 步进电机控制
• 2.5.4 图像采集编程设置
• 2.5.5 声音文件的生成与采集编程
• 2.5.6 声音文件的播放软件
• 2.6 操作界面设计及测量实验说明
• 2.6.1 系统操作主菜单及功能
• 2.6.2 仪器的启动与操作
• 2.6.3 测量过程与操作
• 2.7 仪器的重现性
• 2.7.1 纤维集合体力学压缩行为一致性的验证
• 2.7.2 纤维集合体透气性能一致性的验证
• 2.7.3 纤维集合体吸声隔音性能一致性的验证
• 2.8 本章小结
• 第3章 纤维集合体压缩性能的研究
• 3.1 单向施力压缩实验
• 3.1.1 测量原理及可能的特征表达
• 3.1.2 实验对象及试样制备
• 3.2 测量特征曲线和特征值
• 3.2.1 压力P—集合体高度h变化量曲线测量
• 3.2.2 压缩及回复曲线测试
• 3.2.3 纤维压缩变形图像
• 3.3 实验结果与讨论
• 3.3.1 压缩力学行为及其比较
• 3.3.2 压缩回复曲线
• 3.3.3 纤维压缩变形图像
• 3.4 本章小结
• 第4章 纤维集合体透气性能的研究
• 4.1 透气实验
• 4.1.1 测量原理及表达内容
• 4.1.2 实验材料与纤维排列方式
• 4.2 特征指标与采用模型
• 4.2.1 Kozeny公式及其近似表达
• 4.2.2 Q值及K值的估计
• 4.3 实验结果及讨论
• 4.3.1 不同纤维的纤维塞透气特征
• 4.3.2 不同排列方式纤维塞的透气特征
• 4.3.3 不同粗细纤维的透气特征
• 4.4 本章小结
• 第5章 纤维集合体吸声隔音性能的研究
• 5.1 吸声隔音实验
• 5.1.1 测量原理及内容
• 5.1.2 实验材料与纤维排列方式
• 5.1.3 声波参数选择
• 5.2 主要表达曲线和特征指标
• 5.2.1 实测与转化曲线
• 5.2.2 特征值
• 5.3 实验结果与讨论
• 5.3.1 发射及衰减声波波形的一致性
• 5.3.2 发声装置对声音的影响
• 5.3.3 腔体对声音衰减的影响
• 5.3.4 接收高度对声音衰减的影响
• 5.3.5 不同集合体体积密度下对相同频率声音的衰减
• 5.3.6 相同体积密度纤维集合体对不同频率声音的衰减
• 5.3.7 不同排列状态纤维集合体对声音的衰减对比
• 5.3.8 纤维集合体的吸声隔音机理
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 攻读博士学位期间的科研成果