变密度纤维集合体的压缩、透气与隔声行为的组合表征

摘要

纤维集合体密度变化时对其透通性的影响，是目前实际测量与理论解释中的难点与空白，其原因在于目前尚无实现这一动态组合要求的原位测量方法与装置。本文所研制的“变密度纤维集合体力学行为和传导性的原位综合测量系统(FACBES—01)”正是解决了同一纤维集合体试样体积密度变化时的多种性能的同时测量问题，文中针对实用中最主要的力、气、声传递性进行了研究。 首先，本文研究了羊毛、山羊绒、腈纶、鹅绒、木棉五种常用纤维集合体的压缩性能。发现除腈纶纤维外，其他纤维在同一时刻主力与受力曲线几乎完全重合，二力的滞后差异未能体现，并且求得的二力差值在很小的波动范围内，而腈纶集合体所出现的力值差增大现象，主要由腈纶纤维粘、糙的表面特性所决定。 压缩过程也可分为三个区：近似线性区、转变区(或滑移变形区)、模量线性增加区，其中转变区较复杂，有时会发生纤维间的移动错位引起的屈服特征。所选五种纤维集合体的压缩曲线、压缩模量曲线及压缩回复圈大小及形状存在差异，是识别特征。而同一种集合体压缩曲线中的各阶段并不一定都表现充分。 研究还发现，纤维排列形式对集合体压缩及回复性能产生很大影响。随机排列集合体可以看成是一种各向同性的均匀结构，而纤维团随机放置的集合体属于多界面结构，纤维团对于随机纤维而言，是一种略微刚性的结构，而随机排列属柔性结构。刚性结构间的压缩力增长速度要快得多。但集合体压缩变形回复的能力几乎不受纤维排列方式的影响，主要由纤维自身的回弹能力决定。 对有无筒壁约束条件下的压力对比表明：有筒壁约束条件下的压力远远大于无筒壁约束下的压力。压缩进行中纤维集合体发生侧向膨胀变形，因筒壁的存在，集合体与筒壁间发生强烈地挤压与摩擦，上压力迅速下传，压力及压缩模量增加迅速。而无约束时集合体有较大的自由空间发生膨胀与变形，体积密度增加缓慢。 其二，本文首次拍摄到异种纤维集合体压缩过程中的纤维形态各不相同，压缩明显改变了纤维间的相对位置，纤维的弯曲变形并不像预想中那样占据变形的主导地位，这与纤维长短有关。纤维位于集合体中的高度与压缩过程中集合体高度的变化量(压缩位移)线性相关，同一根纤维对于整体纤维塞的相对位置不随压缩的进行发生明显变化。纤维塞上层(主施力端)体积密度较中层及下层的体积密度增加快，其次是中层，最后是下层，故纤维塞压缩为非等比例非均匀压缩。 对不同种类和排列的纤维集合体透气性与体积密度及纤维体积分数间变化规律的研究表明：可将Kozeny公式近似为集合体两端气压差与集合体体积密度间的二次多项式的表达形式，以此直观和简便地反映出材料的透气性能。 在体积密度较小的情况下，不同种类随机排列集合体的透气性能相对比较接近；随着体积密度增大，纤维塞间透气性出现明显差异。同时，相同体积密度的集合体两端气压差比较，所得透气性从优到劣的排序为：①羊毛②山羊绒⑨腈纶④羽绒⑤木棉，这主要由纤维的形态与结构所决定；而在相同纤维体积分数下的气压差值比较，透气性的从优到劣排序为：①羊毛②腈纶③山羊绒④木棉⑤羽绒。两种排序的不同，说明气流流过集合体时不仅与纤维体积分数的大小，也即孔隙的多少有关，而且要考虑孔隙的形状、曲折程度、排列和孔径的分布。 对三种排列方式羊毛集合体的测量分析表明，在体积密度较小阶段及在体积密度增大阶段的透气性的优劣排序是不同的。这也验证了纤维集合体孔隙多少、排列及分布的影响。三种排列方式的K值变化范围各不相同，随着纤维体积分数增加，K值均呈下降趋势。不同粗细纤维间的透气特征也存在一定差异。 其三，本文对纤维集合体透声实验表明，腔体对声音传播的影响较大，并且声波的衰减与腔体中的接收距离有关，并受发声频率的影响。 不同频率段下的声音，随机排列的纤维集合体，随其体积密度的增加声的衰减程度及趋势存在差异，但本文五种纤维集合体的这种变化规律基本相同。透射声强比的下降随声音频率的升高而逐渐趋于平缓。这说明高频声音受材料的结构变化影响不大。低频声音透过纤维集合体的能力较高频声音强，高频的声强在纤维集合体中衰减强烈，即纤维集合体对不同频段声音的吸收衰减能力不同。本文提出将材料体积密度作为制造吸声隔音材料时实现节省原料、最优化材料的结构参数，可以选择最有效的体积密度来实现所要求达到的声音衰减能力。 三种排列方式中，与随机排列相比，成团随机排列和竖直平行排列集合体的体积密度变化对声音的衰减影响很小，这主要与纤维的排列状态、孔隙的数量及分布密切相关，故孔隙率和结构因子是造成纤维集合体声音衰减的主要特性。