基于废弃物资源化和声子晶体的轻薄隔声复合材料

摘要

轻薄隔音复合材料以及声子晶体的研究都已经成为环境噪声控制领域前沿研究热点,尤其研制宽频域的隔音复合材料已经成为了新型降噪环境功能材料发展的一个趋势,对提高高层建筑住房的容积率和减少承重有重大意义。探寻以废矿渣改性发泡聚氨酯,并在其中引入二维管阵列声子晶体结构,不仅可以实现杂化复合材料降噪功能和声子晶体低频局域带隙效果的结合,制备宽频域吸隔声兼备的复合材料,而且还实现了废矿渣的资源化再利用,极具应用价值。
　　本文基于废弃物资源化和声子晶体理论,研究制备出一种轻薄化、兼具宽频域吸隔声性能的聚氨酯(PU)复合材料,以废矿渣(WS)增强经络基体的形式提高PU吸声材料的隔声性能,通过设置二维阵列结构骨架拓宽材料的隔声域。实验首先采用正交试验方法研究了煤矸石粉(GS)、铜尾矿砂(CS)以及废石粉(LS)三种WS改性PU的工艺及参数,确定了三种WS/PU复合材料吸隔声最佳时的制备工艺参数,并进行了验证说明;然后以PU为基体材料,在其发泡过程中构造二维周期性管阵列(PC)结构,制备出PC/PU复合吸隔声材料,并就管阵列结构、管径、圆管材质以及阵列管组合等因素对材料的吸隔声性能的影响展开研究和讨论;最后应用前两部分确定的最优工艺参数,制备PC/LS/PU复合吸隔音材料,验证组份改性和结构改性的偕同作用,并以其为芯层,选择面板层、阻尼层制备多层复合吸隔声板材,分别就不同因素对其的声学性能的影响进行了研究。研究结果表明:
　　(1)PU在发泡过程中通过控制发泡条件和工艺参数,添加WS颗粒或者引入 PC,可以在保留多孔材料的良好吸声性能的同时提高材料的隔声性能,二者结合还可拓宽材料的隔声频域。
　　(2)GS/PU复合材料隔声性能最佳工艺条件为聚氨酯A、B组份配比2:8,发泡温度50℃,颗粒物粒径为80目,添加量为AB组份总量的20％(简写为:2:8、50℃、80目、20%,下同);CS/PU为4:6、50℃、60目、100%;LS/PU为5:5、70℃、120目、20%。GS/PU复合材料吸声性能最佳工艺条件为4:6、60℃、100目、100%;CS/PU为2:8,60℃,120目,100%;LS/PU为4:6、60℃、60目、20%。其中LS/PU吸声最佳试样(厚度为20 mm)的吸声系数可达到0.32,而且平均隔声性能达到28 dB(A),实现了吸隔声兼备。
　　(3)PC/PU复合材料的隔声性能和吸声性能,受管阵列结构、管径、管的材质、管阵列的组合以及横向管间距影响明显,考虑成本和性能两方面的因素,表现最具优势的为添加管径为4 mm的不锈钢管和无管气孔通道组合矩形阵列结构的PC/PU复合材料,平均隔声性能为34.2 dB(A),较空白PU材料提高了12 dB(A),且兼具0.25的平均吸声性能。
　　(4)PU吸声材料未经添加任何物质,仅在其基体中构造周期性管状气孔通道就可以有效增加材料的隔声性能。
　　(5)以厚度为40 mm的PC/LS/PU复合材料为吸隔音芯层,添加普通的面板层即可达到我国《民用建筑隔声设计规范》(GBJ118-88)规定的使用最多的一般性房屋三级隔声量标准(≥40 dB(A));当同时引入薄阻尼层后,平均隔声量最大可达到46.3 dB(A),满足以上二级标准(≥45(dB(A)),且厚度仅限在50 mm以内,实现了轻薄化的设计目标。

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第1章 绪论

1.1国内外研究现状

1.2多孔材料及声子晶体材料降噪机理1.2.1吸声材料降噪机理

1.3本课题研究的目的、意义和主要内容1.3.1本课题研究目的和意义

第2章 实验设计及样品的制备

2.1 实验原料

2.2 实验方案与试样制备2.2.1 实验方案和流程

第3章 复合吸隔声材料各项性能表征方法

3.1吸隔声性能的测试

3.2阻尼性能的测定

3.3声阻抗性能的测试

3.4孔隙率的测定

3.5试样微观结构SEM扫描

第4章 WS/PU复合吸隔声材料的研究

4.1 实验设计

4.2 正交实验结果分析与验证

4.3不同频率段吸隔声性能方差分析

4.4本章小结

第5章 PC/PU复合结构材料的研究

5.1 实验设计

5.2 实验制备的样品及参数

5.3实验结果分析与讨论

5.4 本章小结

第6章 多层复合隔声板材的研究

6.1实验设计

6.2 多层复合板的隔声性能变化规律

6.4 本章小结

第7章 结论与展望

7.1结论

7.2展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢