高分子水声吸声材料的基础研究

论文摘要

潜艇等水下作战平台是各军事强国海军重点发展的水下威慑力量,但随着水下探测技术的发展,面临着敌方主动声呐和水下兵器越来越大的威胁。本研究为满足未来潜艇等水下作战平台的发展需求,对高分子水声吸声材料开展了基础研究。本论文分三个层次开展研究。第一层次为水声吸声材料的本征吸声性能研究。高分子材料的本征水声吸声性能是由聚合物结构和填料来决定的。本部分从研究高分子材料以及吸声填料两个因素来提高材料的本征吸声性能。高分子水声吸声材料有很多种,本研究从应用需求出发,选择满足室温固化和耐海水的聚硅氧烷硅橡胶和聚醚型聚氨酯两种高分子,进行了吸声用高分子材料的合成和结构改性研究。研究表明,聚氨酯通过硅氧烷改性可加宽材料的阻尼峰;互穿网络结构可提高材料在高频率段的吸声性能。首先通过实验对填料和高分子聚合物进行了匹配性研究,在此基础上,系统研究了填料的粒径、含量和导热系数对吸声性能的影响。研究结果表明,高分子种类是影响材料吸声性能的最重要因素;球形α-Al2O3填料的粒径越小,吸声性能越好;填料的导热系数越高,吸声材料的吸声性能越好;石墨粉吸声填料的含量越高,吸声性能越好。具有优良的导热性能的片状石墨对吸声性能贡献最大。通过对聚合物结构和填料的优化后,制备出具有优越的本征吸声性能的PSO-G和PU8-G两种水声吸声材料。PSO-G吸声材料在常压下,其平均吸声系数达0.93,但水压增大,吸声性能迅速下降;PU8-G吸声材料,在330 kHz频率段和03.0 MPa水压范围内,本征吸声系数随水压的增加而增大,表现出“高水压高吸声”的本征吸声特性,水压增加到3.0 MPa,吸声材料样品的本征平均吸声系数达0.88,材料厚度减少到30.0 mm,吸声性能基本不变。第二层次为声学结构对水声吸声性能的影响。以PU8系列吸声材料为基体,进行了声学结构的设计研究。研究了发泡、界面、声学空腔和声子晶体对材料吸声性能的影响。研究结果表明:利用化学发泡技术,可以有选择性地提高水声吸声材料的吸声性能;吸声材料中的界面增加,低频率段的吸声效率提高;在引入优化设计的空腔结构后,厚度为50.0 mm的吸声材料在03.0 MPa水压范围内的平均吸声系数得到明显提高,同时保持了材料“高水压高吸声”的吸声特性;总长度为132.0 mm的吸声尖劈,在03.0 MPa范围内的平均吸声系数均达到0.920.98;引入声子晶体,可使PU8-G吸声材料的有效吸声频率范围向低频扩宽约800 Hz。本研究中采用PU8-G材料制备出吸声涂料、新型薄层消声瓦和吸声尖劈,吸声性能优越,在新型大潜深潜艇吸声材料领域具有广阔的应用前景。第三层次为水声吸声机理研究。通过多次实验发现,PSO-G和PU8-G这两种高分子水声吸声材料在高水压下表现出截然不同的吸声行为。为了合理解释这种现象,通过加压ATR测试、模拟计算、体积压缩率测定和环氧支撑设计等技术手段,分析了高分子结构对吸声性能的影响。提出并验证了“自由体积吸声机理”。该吸声机理的要点是:高分子中自由体积的运动是导致材料吸声的关键,自由体积的运动越容易,吸声越好;自由体积运动与高分子的链结构密切相关,链的柔性越大和分子间作用力越小,则自由体积运动越容易,吸声性能越好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势
• 1.2.1 国外高分子水声吸声材料研究现状
• 1.2.2 国内高分子水声吸声材料研究现状
• 1.2.3 高分子水声吸声材料的发展趋势
• 1.3 高分子的结构及其吸声原理
• 1.3.1 高分子的结构特点对声传播方式的影响
• 1.3.2 声波在高分子吸声材料中的传播
• 1.3.3 高分子吸声材料的声速
• 1.3.4 高分子吸声材料的特性阻抗
• 1.3.5 高分子吸声材料的阻尼耗散吸声原理
• 1.4 吸声材料的声学结构及作用
• 1.4.1 气泡的吸声作用
• 1.4.2 声学空腔的结构与吸声作用
• 1.4.3 声子晶体的结构与吸声作用
• 1.5 论文研究思路
• 第二章 实验及表征
• 2.1 实验用主要原材料
• 2.2 吸声材料用高分子的制备
• 2.2.1 PSO的制备方法
• 2.2.2 聚氨酯的制备方法
• 2.2.3 改性聚氨酯的制备方法
• 2.3 吸声测试样品的制备方法
• 2.3.1 均一吸声测试样品的制备方法
• 2.3.2 带声学空腔吸声测试样品的制备方法
• 2.3.3 带声子晶体吸声测试样品的制备方法
• 2.3.4 尖劈吸声测试样品的制备方法
• 2.4 表征方法
• 2.4.1 吸声性能表征方法
• 2.4.2 高分子结构的表征方法
• 2.4.3 阻尼性能的表征方法
• 2.4.4 吸声涂料相关性能的表征方法
• 2.4.5 其它表征方法
• 第三章 吸声材料的本征吸声性能研究
• 3.1 高分子的选择与结构设计
• 3.1.1 高分子体系的筛选
• 3.1.2 室温固化高分子种类的确定
• 3.1.3 高分子的结构设计基本思路
• 3.2 高分子的制备与本征吸声
• 3.2.1 PSO的制备
• 3.2.2 PU4 的制备
• 3.2.3 PU2 的制备
• 3.2.4 高分子结构与本征吸声性能的关系
• 3.2.5 高分子结构调整与本征吸声
• 3.3 吸声材料的填料研究
• 3.3.1 高分子吸声材料用聚合物与填料的匹配性研究
• 3.3.2 吸声填料的影响因素研究
• 3.4 优选吸声材料的主要性能指标
• 3.4.1 PSO-G吸声材料
• 3.4.2 PU8-G吸声材料
• 3.5 小结
• 第四章 声学结构对吸声材料性能的影响
• 4.1 发泡吸声结构
• 4.1.1 发泡技术与控制
• 4.1.2 发泡对低频吸声性能的影响
• 4.1.3 发泡聚氨酯吸声性能的理论模拟
• 4.2 界面吸声结构
• 4.2.1 夹层结构对吸声性能的影响
• 4.2.2 毫米级橡胶颗粒填充界面对吸声性能的影响
• 4.2.3 微米级无机颗粒填充界面对低频吸声性能影响
• 4.3 空腔吸声结构
• 4.3.1 吸声空腔的初始结构
• 4.3.2 吸声空腔的改进
• 4.3.3 吸声空腔的高度与基体材料的匹配关系研究
• 4.3.4 吸声空腔的优化
• 4.3.5 PU8-G吸声材料引入声学空腔后的应用潜力
• 4.4 声子晶体吸声结构
• 4.4.1 声子晶体芯体密度对低频吸声性能的影响
• 4.4.2 声子晶体排列方式对吸声性能的影响
• 4.5 小结
• 第五章 自由体积吸声机理初步研究
• 5.1 自由体积吸声机理的提出
• 5.2 分子结构对自由体积率的影响
• 5.2.1 聚合物自由体积的定义
• 5.2.2 PSO与PU8 的自由体积率
• 5.3 PSO-G与PU8-G的抗压缩性能
• 5.4 加压对PU8 分子间作用的影响
• 5.5 PSO-G刚性支撑后加压吸声性能的改善
• 5.6 自由体积吸声机理的要点
• 5.7 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 研究结论
• 6.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果