CN109836773B - 一种水下声学复合材料及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种兼具强度与吸声性能的水下声学复合材料，它包括耐压吸声泡沫材料和纤维增强材料。所述的耐压吸声泡沫材料包括：环氧树脂、橡胶填料、吸声填料、空心填料、发泡剂、固化剂、促进剂、偶联剂、表面活性剂，通过发泡固化成型。所述的纤维增强材料是经过树脂浸渍的纤维材料。本发明的水下声学复合材料具有轻质、高比强度、可设计性强、吸声性能优异等特性，可替代吸声橡胶制造各种吸声结构构件，同时可以满足在水下安全可靠使用。

Description

一种水下声学复合材料及制造方法

技术领域

本发明涉及一种兼具强度与吸声性能的水下声学复合材料及其制造方法。

背景技术

在噪声问题日益严重的当今社会，吸声材料已经逐渐成为一个新的研究热点。一般内部有许多微小细孔直通材料表面，或其内部有许多相互连通的气泡的材料具有较好的吸声性能，如纤维材料、泡沫材料、多孔陶瓷材料等，因为泡沫材料密度小，成型简便，因此被广泛用作吸声材料，但是由于泡沫材料刚度较小，在水下使用时受到水压作用时吸声性能下降，并不适用于水下环境使用。与其他类型吸声材料相比，橡胶材料对声波的吸收和损耗均比较出色，目前使用的水下吸声材料以橡胶和聚氨酯类吸声材料为主，为了增强特定频段声波的吸收，可以在橡胶材料内部设置一些特定形状的空腔结构制成共振式结构，但是随着水压增大，空腔并不能维持原有形状，使得整个材料与水的阻抗失配，空腔固有频率发生改变，导致吸声性能下降。当声波入射到较厚的高损耗吸声材料中，损耗会导致频率发生变化，引起阻抗失配。为了解决这一问题，通常将橡胶等吸声材料制备成渐变式吸声结构。这类结构可以有效改善由于阻抗失配而导致的反射问题。但是橡胶材料在水压作用下，也会存在蠕变，对声学性能会有影响。

现有专利技术CN201610947122.0公开了一种包含开孔结构的环氧树脂泡沫材料，它主要是在环氧树脂和固化剂中添加聚合物膨胀微球在阶段高温下发泡而得到包含开孔结构的环氧树脂泡沫材料，明确描述用途为建筑吸声材料。未提及能用于水下。但是这种开孔结构也限定了它不能用于水下。开孔结构是指内部的孔洞不是封闭的，是打开的，打开的孔洞之间相互贯通；当在水下使用，水进入孔洞沿着贯通轨道充满材料内部所有的孔洞空隙，当在水下使用时，它的内部孔洞会充满水，而完全失去了吸声功能特性。因而不能在水下使用。

现有专利技术CN201610667439.9公开了一种防噪音阻燃聚氨酯泡沫材料的制备方法，采用在聚氨酯泡沫中添加EVA，与微孔硅酸钙、中空玻璃微球、微细二氧化硅气凝胶增加泡沫的吸音性，降低噪声，添加碱式碳酸铝镁与铝酸锌、二氧化二锑、氟硼酸锌复配使用，提高聚氨酯泡沫的阻燃效果。根据实施例制得的泡沫材料抗压强度为238KPa(0.238MPa)、224KPa(0.224MPa)、246KPa(0.246MPa)，强度低，且未提及是否能用于水下。

发明内容

本发明的目的是针对目前吸声材料刚度较小，受到水压时吸声性能下降，不适用于水下使用等，提供一种兼具强度与吸声性能的水下声学复合材料，可显著提高吸声材料的刚度以及在水压作用下，保持优异的吸声性能。

本发明的目的可以通过以下措施来达到：

一种兼具强度与吸声性能的水下声学复合材料，它包括耐压吸声泡沫材料和纤维增强材料。

所述的耐压吸声泡沫材料组成如下：

所述的环氧树脂作为粘接剂，可选用双酚A型、脂环族型等，适用于水下使用，且与环氧玻璃钢的附着力较好。

所述的橡胶填料一般选用具有较高的损耗，主链侧基较多且体积较大，吸声性能较好的橡胶填料，如丁基橡胶、丁腈橡胶等。

所述的吸声填料采用的是蛭石粉，目前一般吸声填料是含气泡性的填料，能形成均匀空腔，从而增大混合材料内耗，提高材料的吸声性能。但是强度较低，而采用的蛭石粉是一种由云母在高温下(2000℃)膨胀形成的层状颗粒，含有大小不同的气孔，可以提高混合材料的吸声性能。其优点是密度小、价格低廉、产地广、不飞扬、加入混合料中，可使混合料的有效损耗因子增大，且相比于含气泡性的填料，强度高。所述的吸声填料用量为25～35份时，复合材料在具有较高强度的同时拥有较好的吸声性能。

所述的空心填料选用空心玻璃微珠，粒径在20-120μm，用量在30-40份，主要用于降低复合材料的密度，获得轻质的复合材料。

所述的发泡剂选用分解产物无毒、无臭、无色的偶氮类有机化合物，如偶氮二甲酰胺(ADCA或AC)、2,2'-偶氮二异丁腈(AIBN)、重氮胺基苯(DAB)等。

所述的固化剂是与环氧树脂配套的。固化剂要求在较高的温度条件下具有良好的流动性和较好的适用期，可以使填料与树脂在此温度下较均匀地混合，有序分布。另外，固化剂本身应具有胶粘度，以利于增加填充量。环氧树脂的固化剂可选用多元胺型、改性胺型、酸酐型等。

所述的促进剂在于控制固化剂与环氧基的反应程度，同时控制发泡的程度，反应速度过快，容易形成贯穿孔，反应速度过慢，形成的泡孔较小，不利于吸声。本发明可选用DMP-30、三乙醇胺等。

所述的偶联剂是对填料进行表面处理，填料为无机物，环氧树脂为有机物，在制备复合材料时，直接共混，二者界面粘接性不好，为了改善填料与树脂界面间的粘接强度，使填料能更好的分散于树脂中，从而提高整体材料的机械性能。本发明优先选用硅烷类偶联剂，如γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH-550)。

所述的表面活性剂是一种有机化合物，当它溶于液体时，能改变液体的表面张力。发泡组分中加入表面活性剂有利于泡沫的稳定和泡孔均匀。环氧树脂发泡用的表面活性剂有：脱水山梨醇单月桂酸酯(商品名吐温20)，聚二甲基硅氧烷-聚氧化烯烃共聚物，环氧乙烷-环氧丙烷嵌段共聚物(L-64)。

所述的耐压吸声泡沫材料的制备方法：首先按配方比例将环氧树脂与橡胶填料在80℃混合均匀制成预混料，将其中一半的预混料与吸声填料、一半的空心填料和偶联剂混合均匀得A料，将另一半的预混料与发泡剂、表面活性剂、一半的空心填料和偶联剂混合均匀得B料，最后将A料和B料混合均匀后，在搅拌下快速加入固化剂和促进剂，全部混合好后，注入模具中进行发泡固化成型。所得耐压吸声泡沫材料是闭孔结构，兼具强度和吸声性能。

所述的纤维增强材料包括：

增强纤维层 2-4层

树脂体系 适量(完全浸渍即可)

所述的纤维增强层主要是纤维材质，可以选用：单轴向、双轴向或多轴向的碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维或杂交纤维布。

所述的树脂体系主要是作为粘接剂，考虑到为了适于浸渍纤维增强层，粘度要求低，且强度好，可以选用：环氧树脂、乙烯基树脂等。

本发明的水下声学复合材料的制造方法如下：

步骤一：制备出耐压吸声泡沫材料长方体模块，切下一块厚度5cm的长方形板(此厚度的长方形板也可以另外制备)；

步骤二：在吸声泡沫材料长方体模块上均匀开出梯形锥，见图1；

步骤三：将厚度5cm长方形板粘接在完成步骤二后的长方体模块上；

所述粘接是采用环氧粘接剂进行粘接。

步骤四：在完成好步骤三的耐压吸声泡沫材料表面进行沟槽处理，使不完全光滑，然后铺设增强纤维层，根据结构设计需要铺设增强纤维层若干层，并依次铺上脱模布、导流布，最后用真空袋将其密封.在抽真空的过程中，将环氧树脂注入真空袋内，并沿导流布分布、流动而浸渍玻璃纤维束，当树脂浸渍到耐压吸声泡沫材料表面分布的沟槽后，固化成型，由于纤维增强层与耐压吸声材料所采用的树脂体系一致，且粘度较低，浸渍性较好，因此纤维增强层与耐压吸声材料能紧密结合。

步骤五：待完全固化成型，即制得兼具强度和吸声性能的水下声学复合材料。

本发明的水下声学复合材料与现有的泡沫吸声材料相比，具有以下优势：

1、耐压吸声泡沫材料强度比普通的泡沫材料在相同的密度下，抗压强度提高40％以上，能在水下5MPa不变形，不吸水。材料中空心微珠刚性微粒促使入射的弹性波发生多重散射，加上内部有大小孔的层状颗粒蛭石粉以及微发泡孔的共同作用，衰减了入射的水声信号，材料具有吸声特性。

2、内部的截面梯形锥一方面起到支撑耐压作用，另一方面梯形锥与锥之间的空隙，能起到很好的吸声作用，这是因为当声波入射到耐压吸声材料斜表面时，一部分声波会发生反射，之后重新入射到对面的吸声材料表面，循环往复，可以有效地吸收声波。

3、外层进行纤维增强层真空成型包覆，纤维增强层和耐压吸声泡沫材料紧密结合，能大大提高整体材料的强度，保障在水下安全可靠使用。

本发明的水下声学复合材料具有轻质、高比强度、可设计性强、吸声性能优异等特性，可替代吸声橡胶制造各种吸声结构构件，同时可以满足在水下5MPa下安全可靠使用，平均吸声系数＞0.8。

附图说明

图1耐压吸声泡沫材料的内部均匀开出梯形锥。

图2耐压吸声泡沫闭孔结构。

具体实施方式

实施例1：

耐压吸声泡沫材料制备：

首先按配方比例将环氧树脂E51与液体丁腈橡胶在80℃混合均匀制成预混料，将其中一半的预混料与蛭石粉、空心玻璃微珠和偶联剂KH550混合均匀得A料，将另一半的预混料与2,2'-偶氮二异丁腈(AIBN)、吐温20、空心玻璃微珠和偶联剂KH550混合均匀得B料，最后将A料和B料混合均匀后，在搅拌下快速加入甲基四氢邻苯二甲酸酐和促进剂DMP-30，全部混合好后，注入模具中在100℃下2小时，130℃6小时进行发泡固化成型。所得耐压吸声泡沫材料是闭孔结构，兼具强度和吸声性能。

实施例2

耐压吸声泡沫材料制备：

首先按配方比例将环氧树脂6201与液体丁基橡胶在80℃混合均匀制成预混料，将其中一半的预混料与蛭石粉、空心玻璃微珠和偶联剂KH550混合均匀得A料，将另一半的预混料与偶氮二甲酰胺(AC)、环氧乙烷-环氧丙烷嵌段共聚物(L-64)、空心玻璃微珠和偶联剂KH550混合均匀得B料，最后将A料和B料混合均匀后，在搅拌下快速加入甲基六氢邻苯二甲酸酐和促进剂DMP-30，全部混合好后，注入模具中在100℃下2小时，130℃6小时进行发泡固化成型。所得耐压吸声泡沫材料是闭孔结构，兼具强度和吸声性能。

实施例3

本发明的水下声学复合材料的制造方法：

步骤一：按实施例1制备出的耐压吸声泡沫材料长方体模块，切下一块厚度5cm的长方形板；

步骤二：在经过步骤一处理后的吸声泡沫材料长方体模块上均匀开出梯形锥，见图1；

步骤三：将厚度5cm长方形板粘接在经步骤二处理的长方体模块上，采用夹具固定使边缘粘接紧密；

步骤四：在完成好步骤三的耐压吸声泡沫材料表面进行横纵向沟槽处理，使表面不完全光滑，然后铺设两层四轴向玻璃纤维布层，并依次铺上脱模布、导流布，最后用真空袋将其密封.在型腔抽真空的过程中，将环氧树脂注入真空袋内，并沿导流布分布、流动而浸渍玻璃纤维束，当树脂浸渍到耐压吸声泡沫材料表面分布的沟槽后，固化成型。

步骤五：待完全固化成型，即得到兼具强度和吸声性能的水下声学复合材料。

实施例4

本发明的水下声学复合材料的制造方法如下：

步骤一：按实施例2制备出的耐压吸声泡沫材料长方体模块和一块厚度5cm的长方形板；

步骤二：在吸声泡沫材料长方体模块上均匀开出梯形锥，见图1；

步骤三：将厚度5cm长方形板粘接在完成步骤二后的长方体模块上，采用夹具固定使边缘粘接紧密；

步骤四：在完成好步骤三的耐压吸声泡沫材料表面进行横纵向沟槽处理，使表面不完全光滑，然后铺设两层四轴向芳纶纤维布层，并依次铺上脱模布、导流布，最后用真空袋将其密封.在型腔抽真空的过程中，将乙烯基树脂注入真空袋内，并沿导流布分布、流动而浸渍玻璃纤维束，当树脂浸渍到耐压吸声泡沫材料表面分布的沟槽后，固化成型。

步骤五：待完全固化成型，即制得兼具强度和吸声性能的水下用声学复合材料。

表1各类吸声泡沫材料性能对比

Claims (3)

1.一种水下声学复合材料，包括耐压吸声泡沫材料和纤维增强材料，

所述的耐压吸声泡沫材料的组成如下：

所述的环氧树脂作为粘接剂，选自双酚A型或脂环族型；

所述的橡胶填料选自丁基橡胶或丁腈橡胶；用量不为0；

所述的吸声填料采用蛭石粉；

所述的空心填料选用空心玻璃微珠，粒径在20-120μm；

所述的发泡剂选用偶氮二甲酰胺、2,2'-偶氮二异丁腈、重氮胺基苯，选用一种或几种；

所述的固化剂选自多元胺型、改性胺型、酸酐型；

所述的促进剂选自DMP-30、三乙醇胺；

所述的偶联剂选用硅烷类偶联剂；

所述的表面活性剂选自脱水山梨醇单月桂酸酯、聚二甲基硅氧烷-聚氧化烯烃共聚物或环氧乙烷-环氧丙烷嵌段共聚物；

所述的纤维增强材料包括纤维增强层和树脂体系，所述的纤维增强层选自下列一种或几种：单轴向、双轴向或多轴向的碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、杂交纤维布；所述的树脂体系是环氧树脂；

水下声学复合材料的制造方法如下：

步骤一：制备出耐压吸声泡沫材料长方体模块，切下一块厚度5cm的长方形板；

步骤二：在吸声泡沫材料长方体模块上均匀开出梯形锥；

步骤三：将厚度5cm长方形板粘接在完成步骤二后的长方体模块上；

步骤四：在完成好步骤三的耐压吸声泡沫材料表面进行沟槽处理，使不完全光滑，然后铺设增强纤维层，根据结构设计需要铺设增强纤维层若干层，并依次铺上脱模布、导流布，最后用真空袋将其密封，在抽真空的过程中，将环氧树脂注入真空袋内，并沿导流布分布、流动而浸渍纤维增强层，当树脂浸渍到耐压吸声泡沫材料表面分布的沟槽后，固化成型；

步骤五：待完全固化成型，即制得兼具强度和吸声性能的水下声学复合材料。

2.根据权利要求1所述的水下声学复合材料，其特征在于，所述的耐压吸声泡沫材料的制备方法：首先按配方比例将环氧树脂与橡胶填料在80℃混合均匀制成预混料，将其中一半的预混料与吸声填料、一半的空心填料和偶联剂混合均匀得A料，将另一半的预混料与发泡剂、表面活性剂、一半的空心填料和偶联剂混合均匀得B料，最后将A料和B料混合均匀后，在搅拌下快速加入固化剂和促进剂，全部混合好后，注入模具中进行发泡固化成型，得到闭孔结构的耐压吸声泡沫材料。

3.根据权利要求1所述的水下声学复合材料，其特征在于，所述步骤三中，所述的粘接是采用环氧粘接剂进行粘接。

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