聚合物基水聲材料的研究進展

發布時間：2020-07-25所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次

摘 要： 摘要：綜述國內外聚合物基水聲材料的研究進展。闡述聚合物基吸聲材料的吸聲機理，介紹填料類、泡沫類、結構類吸聲聚合物的配方設計、結構設計和應用領域;從吸聲機理、配方設計和應用方面，概述聚合物基透聲材料、反聲材料、去耦材料的研究現狀。指出聚合物基

　　摘要：綜述國內外聚合物基水聲材料的研究進展。闡述聚合物基吸聲材料的吸聲機理，介紹填料類、泡沫類、結構類吸聲聚合物的配方設計、結構設計和應用領域;從吸聲機理、配方設計和應用方面，概述聚合物基透聲材料、反聲材料、去耦材料的研究現狀。指出聚合物基水聲材料的發展方向是寬頻帶、寬溫域和耐深水壓。

　　關鍵詞：聚合物;水聲材料;吸聲材料;透聲材料;反聲材料;去耦材料;研究進展

　　水聲材料是指在水下設備中使用的聲學材料，主要應用于潛艇、魚群探測、海底資源勘探和水聲測量設備。水聲材料通常在水環境的外壓作用條件下使用，應具有足夠的強度和剛度以承受外界壓力、水流沖擊和耐海水腐蝕。水聲材料的品種很多，有橡膠、塑料、木材、金屬、陶瓷和粘滯液體等，主要分為吸聲材料、透聲材料、反聲材料和去耦材料[1]。

　　聚合物基水聲材料的研究進展來自期刊：《橡膠工業》雜志創刊于1953年,是中國橡膠工業界發行量最大,影響面最廣的綜合性技術期刊.主要報道橡膠行業發展方向,科技研究成果,產品開發和生產經驗以及市場信息.設有應用理論、原材料配方、產品設計、工藝裝備、測試分析、綜述專論、行業動態、講座、國內外動態等欄目.

　　聚合物基水聲材料是一種常用的水聲材料，主要涉及橡膠、塑料等。橡膠材料具有優異的物理和化學性能，選擇不同的膠種和配合劑，可以有效調節其聲學性能及其他性能，廣泛應用于水聲工程;塑料質輕，有一定比強度和結構剛度，其特性阻抗(材料的密度與聲速的乘積)與介質水匹配性好，常用作聲吶透聲窗材料。與其他水聲材料相比，聚合物基水聲材料憑借其易于發泡和結構改性、易于配方設計和加工成型，在水聲工程中得到廣泛的應用[2]。

　　1吸聲材料

　　吸聲材料是指在水聲工程中能夠吸收或耗散聲能的材料，其特性阻抗與介質水匹配，使聲波能夠無反射或者低反射進入橡膠材料中，并且材料有大的衰減常數，使聲波的振動機械能轉換成橡膠大分子鏈間摩擦熱能耗散掉，從而達到吸聲的效果[3]。聚合物材料密度小，其特性阻抗一般與介質水匹配，此外聚合物材料，特別是橡膠材料，具有獨特的粘彈性，吸收或消耗聲波能力強，經過多年的發展，已經成為吸聲材料研究的主要方向[4]。目前最常用的水聲吸聲材料有丁苯橡膠(SBR)、丁基橡膠(IIR)、氯丁橡膠(CR)、聚氨酯彈性體等[5]。

　　吸聲材料有3種吸聲機理，分別是18世紀由斯托克斯和克西科夫提出建立的粘滯吸收機理和熱傳導吸收機理，以及19世紀基于前兩種機理提出的分子弛豫吸收機理[6]。對于聚合物基吸聲材料來說，主要是粘滯吸收和弛豫吸收。如果聚合物材料帶有孔腔結構，還存在波形轉換吸聲，即入射縱波傳入具有孔腔結構的粘彈性材料時，孔腔體積產生形變，從而產生縱波變換成橫波的波形轉換[7]。橫波在橡膠材料中的傳播速度慢且更容易被消耗，從而達到吸聲作用。

　　單一聚合物材料通常難以同時兼顧特性阻抗匹配和良好的聲衰減性能這兩個條件。例如一般橡膠材料與介質水的特性阻抗相匹配，但其聲衰減性能不佳，為提高聲衰減性能通常將填料加入橡膠材料。聲波傳入具有孔腔或氣泡的材料中可將周圍介質的體積壓縮形變轉變為剪切形變，存在波形轉換吸聲，所以在用單一聚合物制備吸聲材料時，為提高其吸聲性能通常對聚合物進行發泡、設計特殊結構或添加氣泡性填料[8]。下面分3類介紹聚合物基吸聲材料：填料類、泡沫類和結構類吸聲聚合物。

　　1.1填料類吸聲聚合物

　　填料類吸聲聚合物主要探究填料形狀、種類、用量對聚合物吸聲性能的影響，常見的填料有金屬粉末、蛭石粉、中空微珠等，其原理是聲波傳到聚合物與填料界面處產生波形轉換，從而達到吸聲效果。在聚合物中添加無機填料制備水聲材料的方法簡單且吸聲性能優異，具有較好的應用前景[3]。

　　M.K.Hinders等[9]制備了一種添加微粉的消聲涂層，該涂層與介質水的特性阻抗相匹配，保證聲波能夠無損耗的傳入涂層，同時涂層的剛性微粒對傳入的聲波具有多重散射的作用，從而達到聲衰減的效果。R.D.Corsaro等[10]用含有不同種類和含量填料的通用硅橡膠樹脂制備了一系列聲學性能不同的橡膠復合材料，試驗發現，在400kHz～7MHz的頻率范圍內，這些材料作為消聲涂層可降低聲反射20～35dB。張海永等[11]以聚氨酯為涂層基體，研究了石墨作為填料對涂層吸聲性能的影響，結果表明，石墨改變了涂層的密度，提高了涂層的吸聲因數，水壓在3MPa時，平均吸聲因數達0.876。

　　郭萬濤[12]制備了以輕質碳酸鈣、金屬粉末和中空微珠作為填料的氯化丁基橡膠(CIIR)吸聲材料，試驗結果表明，該材料在50～500kHz寬頻范圍內吸聲性能良好。喬冬平等[13]研究了蛭石粉用量對橡膠材料吸聲件吸聲性能的影響，研究發現，當蛭石粉用量為30～40份時，吸聲系數比較理想，吸聲制件的綜合性能最好。趙秀英等[14]通過在丁腈橡膠(NBR)中添加受阻酚AO-60制備了受阻酚/NBR阻尼材料，該復合材料的損耗因子-溫度曲線出現3個損耗峰，第1個峰與純NBR相當，峰的位置稍微向高溫區移動，第2和第3個峰是由AO-60富集區分子間氫鍵裂解產生的，分別對應著AO-60無定形態和結晶態。由于復合材料內形成了氫鍵網絡，表現出很好的阻尼性能。X.H.Zhang等[15]在SBR和環氧化天然橡膠(ENR)并用膠中開煉添加三氯化鐵(FeCl3)，FeCl3與ENR有更高的親和性，主要富集于ENR相，從而制備了富含Fe3+-O絡合微區結構的橡膠。SBR，ENR，FeCl3三者用量比為80/20/1.5時，復合材料具有強的持續耗散能量的能力。

　　填料類吸聲聚合物材料的制備工藝相對簡單，且可以通過調控填料的種類和用量來調節材料的特性阻抗與介質水相匹配，提高吸聲聚合物的聲衰減性能。結構類吸聲聚合物可將填料類吸聲聚合物作為基材，兩者相輔相成可制備吸聲性能優異的水聲材料。

　　1.2泡沫類吸聲聚合物

　　泡沫類吸聲聚合物是一種多孔型吸聲材料，具有適用頻率較寬、成本低、質量小、工藝簡單等優點，而且微孔的引入可改善材料的韌性和耐疲勞性能，延長材料使用壽命[16]。目前主要有聚乙烯泡沫、聚丙烯泡沫、聚氯乙烯(PVC)泡沫、聚氨酯泡沫和酚醛泡沫等吸聲材料。橡膠型泡沫吸聲材料具有優異的粘彈吸聲性能，橡塑型泡沫吸聲材料的研究得到極大發展[17]。

　　聚氨酯泡沫材料具有優良的阻尼特性，常用作水下吸聲材料。周成飛等[18]制備了一種開孔率為96%的阻燃聚氨酯泡沫吸聲材料，在0.1～5kHz頻率下測得其平均吸聲因數為0.51，將聚氨酯泡沫做成狹縫和尖劈結構進一步拓展了吸聲頻率。錢軍民等[19]對乙丙橡膠(EPR)改性PVC泡沫材料進行了研究，選取相對分子質量適中的EPR，實現了對較低頻率聲波的吸收，顯著改善了PVC泡沫材料的吸聲性能。

　　當頻率小于500Hz時，發泡材料的吸聲性能明顯下降。毛東興等[20]在聚氰胺酯泡沫材料的表面涂膜，使第一共振頻率向低頻方向移動，從而提高了材料低頻吸聲性能，研究發現當在聚氰胺酯泡沫表面涂上一層250g·m-2的薄膜時，其低頻吸聲性能可以得到明顯改善。席鶯等[21]利用無機材料良好的低頻吸聲性能，制備了PVC-無機物混合發泡吸聲材料，其平均吸聲因數達到了0.5左右，并研究了吸聲性能與材料厚度、容重、無機物含量及粒徑分布的關系。

　　1.3結構類吸聲聚合物

　　聚合物材料壓縮彈性模量比剪切彈性模量大，但剪切損耗更大，單一聚合物材料吸聲性能較差，為提高吸聲性能除了添加填料和對聚合物進行發泡外，由于聚合物材料優異的加工性能，還可以將其做成特殊的吸聲結構[8]。通常將吸聲結構設計成共振式、漸變式和夾芯式[22]。

　　共振式吸聲結構材料主要為亥姆霍茲共振結構，其原理是利用入射聲波在結構內產生共振，從而耗散大量能量。陳建平[23]建立了均勻圓柱腔中彈性波的計算模型，并利用該模型建立了復合過渡型聲腔結構，研究表明，增大聲腔體積、升高溫度、增大材料密度均可提高材料的低頻吸聲性能。傳統微穿孔板為圓形或狹縫穿孔，背面不帶毛刺，其吸聲性能和吸聲頻帶寬度有待進一步提高。吳元軍等[24]對新出現的穿孔為三角形且背面帶有毛刺的微穿孔板進行研究，試驗結果表明，與圓孔微穿孔板相比較，新型微穿孔板的聲阻有了較大幅度的提高，聲抗基本保持不變，吸聲因數有了顯著的提升，吸聲頻帶也得到一定程度的拓寬。

　　當聚合物材料具有高的聲衰減性能時，其特性阻抗一般與介質水不匹配，因此需要設計成多層或漸變結構來減少材料的聲波反射并提高其吸聲性能。漸變式吸聲結構一般為尖劈或圓錐狀，其既具有高聲衰減性能，又實現材料的特性阻抗與介質水匹配，同時拓展了聚合物的吸聲頻率。王紅梅等[25]制備了不同配方及結構的CIIR吸聲圓錐，確定配方、圓錐結構及排布后，在頻率2～80kHz范圍內，測得材料吸聲因數達0.99。龐福振等[26]模擬了尖劈結構對船舶聲吶平臺水下聲學環境的影響，研究表明，尖劈結構可明顯改變模擬聲吶平臺區的板柱組合結構的聲場分布，降低板柱組合結構的自噪聲，但其抑制效果隨考核位置、聲波頻率、敷設密度的不同而各有變化。

　　為提高吸聲性能，常將聚合物材料制備成特殊的氣泡或氣孔結構，當應用于水聲領域時，聚合物基水聲材料的孔腔結構因水壓的逐步增大而產生變形，從而導致吸聲性能變差，尤其是低頻吸聲性能急劇下降。為提高聚合物基水聲材料的耐壓性，實踐中用吸聲材料作夾心層、透聲性能好的纖維增強復合材料作夾層面板，制備成三明治夾層吸聲結構。李浩等[27]采用多種空心玻璃微珠混合填充環氧樹脂和聚氨酯改性環氧樹脂合成的高分子吸聲材料(PUEPM)作為芯材，玻璃鋼作為表層材料，設計的25mm厚PUEPM在5～30kHz頻段內平均吸聲因數在0.6左右，具有較好的吸聲性能;PUEPM相對密度僅為0.8，可大大減小潛艇質量。石勇等[28]制備了玻璃鋼/橡膠夾層復合材料，并探究了厚度、特性阻抗等因素對聲學性能的影響，該材料與鋼結構相比聲隱身性能大大提高。P.H.Mott等[29]運用有限元分析方法，建立了在靜水壓下應用的夾芯模型，以玻璃鋼為表層，橡膠材料為夾芯，該模型測量撓度和應變在低壓下與實際相吻合，但由于未設定缺陷，高壓下準確性較差。

　　2透聲材料

　　理想的透聲材料是聲波入射到材料表面，可以完全透過的材料。即材料的特性阻抗與介質水匹配，使聲波完全透過材料;且衰減常數相當小，保證材料不吸收聲波[30]。

　　橡膠材料的特性阻抗與介質水匹配，滿足聲學性能要求，并且橡膠材料有良好的密封、防水性能，橡膠透聲材料廣泛應用于船舶水聲裝備、海底石油勘探、海洋捕撈、深井測地聲等探測裝置的包覆[31]。1927年美國古特里奇公司最早以天然橡膠(NR)為基體，利用適當尺寸的玻璃空心微珠以特定填充密度制備了新型復合透聲材料，該材料的特性阻抗與海水匹配，并且具有較高的強度，被美國海軍采用[32]。1965年我國開始對透聲橡膠材料進行研究，經過50多年的研發，已經制備了NR、CR、IIR、CIIR、聚氨酯橡膠等透聲產品。

　　范進良等[33]制備了一系列不同并用比的順丁橡膠(BR)/CR并用膠，研究了BR/CR并用比對膠料透聲性能的影響，得到玻璃化溫度低，透聲性能和水密性能優異，在0～40℃范圍內儲能模量穩定的CR/BR并用膠。王超等[34]制備了一種透聲因數高、粘接性能好且溫度敏感性低的CR/NR并用膠，研究表明：CR/NR并用比為70/30時，并用膠透聲因數超過0.90，且在-40～70℃范圍內取5個參數點，測得的透聲因數變化率小于15%;該并用膠與金屬材料碳鋼、黃銅、鋁合金和鈦合金粘合性能較好，選取合適的硫化體系，可制備出滿足某水聲換能器覆蓋層需要的密封透聲材料。賀鵬[35]制備的聚脲透聲材料隨著水壓的增大，透聲因數有所提高，特性阻抗與介質水匹配，適合在水下使用，2mm聚脲材料的平均透聲因數達到了0.96。

　　目前國內常用的透聲材料主要有橡膠材料和聚氨酯彈性材料。美國海軍研究院與德克薩斯州大學采用氟化環氧樹脂為基體材料，研制成功了一種硬質透聲塑料，該材料具有足夠的剛度，達到了聲吶導流罩用材料的技術要求。趙東等[36]制備了環氧硬質透聲塑料和改性丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)透聲塑料，相對密度為1.000～1.055Mg·m-3，聲速為1450～1520m·s-1，且具有一定的剛性，特性阻抗與海水匹配，為我國水下傳聲器的選材提供了新途徑。

　　通過調節配方和工藝，可以制備出透聲性能優異的液體透聲橡膠制品，當其應用于水聲換能器時，透聲性能優異且不影響換能器的靈敏度和方向性，因此液體透聲橡膠同樣得到人們的關注。

　　3反聲材料

　　反聲材料是指聲波入射到材料層上能夠無損耗地全部反射回去的材料。即材料的特性阻抗與介質水嚴重失配，且衰減常數極小[37]。反聲材料一般為多孔泡沫材料，這是因為聲速在空氣中遠低于在水或其他液體中，擁有大量空氣的材料的特性阻抗與介質水嚴重失配，表現出優良的反聲性能。

　　反聲材料常用于聲吶設備，如反聲障板，一方面可以隔離自身的噪聲，提高聲吶的信噪比和增益;另一方面可以消除非探測方向來的假目標信號干擾。聚碳酸酯具有優異的耐壓性能，自20世紀60年代開始，國內外研究單位對聚碳酸酯反聲材料進行了大量研究。聚氨酯阻尼性能優異、軟硬段及配方可調、水聲性能優異，通過預壓縮法制備的發泡聚氨酯能耐300m深水壓，可用作深潛艇反聲障板材料。玉東生[38]制備的聚氨酯硬質泡沫用于反聲障板，在水深不超過300m、頻率為2～20kHz的范圍內，其聲壓反射因數超過0.8。為了拓寬頻段，提高耐壓性，俄羅斯采用鈦合金板材與聚氨酯泡沫復合制成了高耐壓反聲障板[2]。

　　鐘東南等[39]制備了一種低密度、高壓縮強度的二苯基甲烷二異氰酸酯(MDI)型聚氨酯泡沫，并對其進行預壓縮處理，得到了聲壓反射因數大于0.88的反聲障板芯材。陳磊等[40]制備了CR和不銹鋼管復合硫化水聲反聲材料，試驗結果表明，該材料在常壓下、2～20kHz的頻率范圍內聲壓反射因數均在0.85以上，最高達到了0.95。

　　4去耦材料

　　去耦材料是一種特殊的多孔粘彈材料，經常應用于潛艇或水下航行器，以提升其隱身性能。其機理包括兩方面：(1)去耦材料與傳播介質水的特性阻抗失配，潛艇或航行器產生的振動及聲波無法透過材料進入海水;(2)去耦材料具有高的聲衰減性，阻尼性能優異，可以消耗大量潛艇或航行器的振動及聲波能量。消聲瓦側重于吸聲，該材料側重于隔聲、吸聲、減振、去耦的綜合作用，兩者消聲機理不同但可互為補充，共同提高潛艇或水下航行器的隱身性能[41]。

　　繆旭弘[42]以大尺度雙層圓柱殼體結構為試驗模型，通過比較全部敷設與不敷設隔聲去耦材料等工況下的聲輻射響應，研究雙層圓柱殼體結構水下聲輻射場特征和隔聲去耦材料降噪效果。試驗表明，隔聲去耦材料能顯著降低水下結構的輻射噪聲，對200Hz以上機械激振降噪效果明顯，對低頻的降噪效果較差。

　　姚熊亮等[43]制備了裝有隔聲去耦材料的雙層圓柱殼體結構，并對其進行了振動和聲輻射試驗，研究發現內外殼全部敷設隔聲去耦材料對抑制振動和聲輻射最有效，部分敷設隔聲去耦材料試驗對水下航行器敷設隔聲材料的位置選擇具有一定的參考價值。對水下非均勻阻尼板與多層介質組成的吸聲結構的研究[44]表明：隔聲去耦瓦的隔聲降噪性能與孔腔大小密切相關，孔腔大小是影響其聲學特性的主要因素之一;隨著水深的增大，隔聲去耦瓦的低頻吸聲性能降低，在實際應用中，不可忽略靜水壓力對瓦體的影響。

　　王麗坤等[45]制備了一種敷設去耦材料的三相多基元壓電復合材料，基元間的去耦材料隔離了振動傳遞。試驗結果表明，壓電復合材料各基元間的頻率偏差小于0.76%，聲耦合較小，相鄰基元的振動衰減94%，該壓電復合材料適用于制作寬帶多波束發射換能器。

　　5聚合物基水聲材料的發展趨勢

　　隨著聲吶技術的提高，聲吶探測的頻率向著低頻和寬頻方向發展，這對潛艇或水下航行器隱身性能提出新的挑戰，制備寬吸聲頻率且低頻吸聲性能同樣優異的水聲材料意義重大。為提高隱身性能，潛艇下潛深度越來越大，這對水聲材料的耐壓性能也提出了新的要求。制備滿足寬頻帶、寬溫域和耐深水壓的聚合物基水聲材料，并進一步降低水聲材料的生產成本，規模化水聲材料的生產，延長水聲材料的使用壽命成為下一步研究重點。——論文作者：付思偉1，王　琪1，蘇　琳2，王　欣2，趙秀英1*