轻质层状玻璃纤维棉毡及其复合结构隔声性能研究

摘要

轻质层状玻璃纤维棉毡因其优异的隔声性能，在航空航天领域具有重要的应用价值。采用传统的制毡方法，获得轻质结构的同时会引起纤维分布不均从而导致隔声性能下降。探索新方法，实现棉毡轻质化的同时达到均匀化和多层化以及隔声特性不衰减是本课题研究的出发点。玻璃纤维棉毡的隔声特性不仅取决于纤维本身的形貌、直径、强度、力学性能和成份，而且取决于棉毡的容重、堆积方式、孔隙结构以及纤维之间的缠绕方式。本文以C919大飞机用隔音隔热用轻质玻璃纤维棉毡隔声需求为背景，重点研究新工艺对棉毡结构影响以及层状界面成形机理，分析棉毡结构参数对隔声性能影响，探索界面层对特征阻抗影响机制，并以棉毡为基材提出复合结构及其振动模态，旨在突破轻质与隔声衰减的瓶颈，掌握全声域轻质层状玻璃纤维棉毡的隔声规律。
　　本文采用离心喷吹工艺制备轻质层状玻璃纤维棉毡，通过摇摆桶对棉絮进行分配实现棉毡结构的均匀化和多层化，获得优异的隔声性能。采用 B&K阻抗管对轻质层状玻璃纤维棉毡及其复合结构进行声学性能表征，采用扫描显微镜和光学显微镜测试材料的微观结构，采用拉力测试仪和流阻仪分别表征材料的力学性能和空气流阻，利用MATLAB软件模拟纤维运动轨迹和纤维分布情况，分别从试验和理论两个方面分析材料结构成形机理、声学特性，为轻质层状玻璃纤维棉毡的设计开发和实际应用提供实验指导和理论支持。本文的主要成果如下：
　　(1)提出了玻璃纤维棉毡层状结构离心成形方法，通过摇摆桶对纤维导向，实现了轻量化、均匀化和多层化。结果表明，未使用和使用摇摆桶导向的玻璃纤维棉毡的变异系数（CV）分别是9.6％和5.5%，均匀度被提高了42.7%，玻璃纤维棉毡结构为微观层状。利用MATLAB模拟纤维运动和堆积方式，可见在摇摆桶的导向下，纤维的运动轨迹为正弦或余弦曲线，在双摇摆桶的作用下最佳堆积方式为两摇摆桶之间的相位差相差π/2+2kπ。
　　(2)建立了玻璃纤维棉毡数学物理模型，推导出空气流阻计算公式。结果表明，玻璃纤维棉毡的空气流阻正比于棉毡的密度但反比于玻璃纤维棉密度、粘结剂密度和纤维直径，其中直径变化对空气流阻的影响较为显著，纤维直径越细小玻璃纤维棉毡的空气流阻越大。细小的纤维直径使得单位面积内的纤维数增多，纤维之间缠绕程度加剧致使棉毡内部孔隙曲折度增加，导致空气流动受阻空气流阻增大。
　　(3)建立了棉毡叠层模型，微观层状模型和宏观层状模型的差距源于空气层的差异。结果表明，相邻层状结构的特征阻抗不匹配可以导致棉毡的隔声量提高5dB左右，在特征阻抗不匹配的层状结构处，声波不易穿透使得反射声波增多提高了棉毡的隔声量；层间距的增加可以改善隔声性能，同时距离的增加使得共振频率向低频移动，距离越大隔声量曲线上出现波峰和波谷的次数也就越多。
　　(4)提出了膜材-棉毡-碳纤维板组合结构和纤维填充蜂窝复合结构，棉毡的种类可以影响复合结构的振动模态。结果表明，棉毡中纤维越细小组合结构中的所有振动模态都将被减弱，而对于蜂窝复合结构，第一共振模态会被减弱但第二共振模态得到了加强。细小的玻璃纤维棉使得棉毡具有优异的柔性达到减振的目的，其次低频共振模态的减弱使得复合结构的低频隔声得了改善。

目录

声明

注 释 表

第一章 绪论

1.1玻璃纤维棉简述

1.2玻璃纤维棉毡制备技术

1.3声学性能表征手段

1.4纤维材料声学性能与其结构关系

1.5本课题的研究意义与研究内容

第二章 轻质层状玻璃纤维棉毡制备与表征

2.1实验原料

2.2工艺过程

2.3 结构与性能表征

第三章 摇摆桶对玻璃纤维棉毡均匀化和多层化影响研究

3.1摇摆桶工艺及原理

3.2玻璃纤维棉毡结构与基础性能分析

3.3玻璃纤维棉毡模型建立

3.4本章小结

第四章 轻质层状玻璃纤维棉毡结构与隔声性能研究

4.1玻璃纤维棉毡结构特征参数与隔声性能的关系

4.2层状结构与隔声性能关系

4.3 玻璃纤维棉毡复合结构与隔声性能的关系

4.4玻璃纤维棉毡中空气层与隔声性能的关系

4.5后处理对隔声性能的关系

4.6本章小结

第五章 轻质层状玻璃纤维棉毡复合结构隔声性能研究

5.1膜材与玻璃纤维棉毡复合结构的隔声影响

5.2碳纤维板/棉毡/膜材各参数对复合结构声学特性影响

5.3玻璃纤维棉填充蜂窝复合结构隔声性能

5.4本章小结

第六章 结论及展望

6.1结论

6.2创新点

6.3进一步研究计划

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文