用于吸收噪音的金属纤维多孔材料的设计方法、金属纤维多孔材料及其制备方法

摘要

本发明提供了一种用于吸收噪音的金属纤维多孔材料的设计方法、得到的金属纤维多孔材料及其制备方法。在所述设计方法中，金属纤维多孔材料的孔隙率与纤维直径满足下述关系式：式中，φopt为最佳孔隙率，D为纤维直径，x1、x2、x3和x4为常系数，随金属纤维多孔材料厚度和声音频率的不同而不同，通过优化方法计算若干数据点获得。在噪声频段和纤维直径确定的情况下，借助本发明所提出的设计方法，就可以获得具有高效吸声性能的金属纤维多孔材料最佳孔隙率。由该设计方法得到的金属纤维多孔材料能够满足特定频段的吸声需求，可广泛用于轨道交通、航空航天、汽车、机械加工及实验场所噪声控制。

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于噪声控制的金属纤维多孔材料的设计方法、得到的金属纤维多孔材料及其制备方法，属于吸声材料设计加工技术领域。 

背景技术

全可听见声谱（20～20000Hz）频率下获得较高的材料吸声系数往往难以实现，甚至不可能。而且实际工程上所关心的噪声和振动往往是某一（或几个）固定频率或者某一段（或几段）特定频率范围。因此，开发一种对特定频率或频率范围的噪音具有高吸收性能的材料具有更重要的实践意义。 

研究发现，多孔材料的微通道结构对声波具有粘滞作用，这种粘滞作用在宏观上表现为声阻。利用这一性质研制的多孔吸声材料在航空航天、汽车、轨道交通等方面具有十分广泛的应用需求。 

金属纤维多孔材料因其特殊的几何结构和物理属性，使其具有高吸声、轻质、高强度、耐高温等多种性能。相比于非金属类多孔材料（如玻璃纤维多孔材料、高分子泡沫），金属纤维多孔材料在极端的环境下（如高温、高压、高湿度等）在吸声性能方面具有明显优势。金属纤维多孔材料的性质与其微观结构存在密切的联系，通过调整金属纤维多孔材料的纤维直径和孔隙率可以有效改善材料的吸声性能。 

目前，还未形成一种行之有效的金属纤维多孔材料微观构型设计方法，金属纤维多孔吸声材料的设计仍然以试制为主，即通过不断实验的办法来寻找材料的微观结构形式，难以使材料在特定频段内的吸声性能达到最优，并且存在成本高昂和材料吸声性能低的弱点。中国专利CN101740022A“一种金属纤维梯度孔吸声材料及其制备方法”，采用多层不同孔隙率的金属材料叠加的方式来实现吸声材料性能的提高，但并未给出最佳孔隙率的计算方法。综合分析发现，困扰金属纤维多孔材料吸声性能提升的最大障碍在于缺乏一种行之有效的金属纤维多孔材料微观构型设计方法来确定材料的最佳孔隙率，使材料在特定频段内具有最高吸声效率。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术中的不足，提供一种在特定频段下具有高吸声性能的金属纤维多孔材料的设计方法、得到的金属纤维多孔材料及其制备方法。 

实际使用过程中，金属纤维多孔材料在不同的声音频率下具有不同的吸声系数，在材料厚度一定的情况下，要改善某一特定频段下的吸声性能，可以通过改变金属纤维多孔材料的纤维直径和孔隙率来实现，并且当纤维直径一定时，通过调整孔隙率可以实现金属纤维多孔材料在某一特定频段下具备最佳的吸声性能。 

本发明的设计思想为：通过声学分析模型建立金属纤维多孔材料的吸声性能与材料微结构几何特性（纤维直径、孔隙率）之间的关系；通过优化算法获得金属纤维多孔材料在一定的纤维直径时在特定频段下具有最大吸声性能的最佳孔隙率，由此建立特定频段下金属纤维多孔材料纤维直径与 最佳孔隙率之间的关系（以表达式或曲线的形式表示）；当纤维直径尺寸固定的情况下，根据建立的表达式或曲线，可以快速获知该纤维直径所对应的最佳孔隙率，从而容易确定金属纤维多孔材料的构型，获得在所需要的声音吸收频段下具有最大吸声性能的金属纤维多孔材料（这是本发明的核心）。 

具体而言，本发明的设计方法是一种用于吸收噪音的金属纤维多孔材料的设计方法，所述金属纤维多孔材料是由金属纤维压缩而形成的具有特定孔隙率的材料，其特征在于，所述金属纤维多孔材料的最佳孔隙率与纤维直径满足关系式（1）： 

$>{\phi }^{\mathrm{opt}}=x_1{e}^{x_{2}D}+x_3{e}^{x_{4}D}$>

（1） 

式（1）中，φ^opt为最佳孔隙率 

D为纤维直径 

x₁、x₂、x₃和x₄为常系数，随金属纤维多孔材料厚度和声音频率的不同而不同，通过后述优化方法计算若干数据点获得； 

厚度为L_s的金属纤维多孔材料背衬刚性壁面并受声波垂直入射情况下的吸声系数α表示为式（2）： 

$>\alpha =1-{\left|\frac{Z_n-1}{Z_n+1}\right|}^2---\left(2\right)$>

式（2）中的Z_n表示为式（3）： 

$>Z_n=-i\frac{Z_{\mathrm{eq}}}{{\rho }_0{c}_0}\coth \left(k_{\mathrm{eq}}{L}_s\right)---\left(3\right)$>

式（3）中的Z_eq和k_eq分别用式（4）和（5）表示： 

$>Z_{\mathrm{eq}}=\sqrt{{\rho }_{\mathrm{eq}}{K}_{\mathrm{eq}}}---\left(4\right)$>

$>k_{\mathrm{eq}}=\omega \sqrt{{\rho }_{\mathrm{eq}}{K}_{\mathrm{eq}}}---\left(5\right)$>

式（3）~（5）中，i表示虚部 

ρ₀为空气密度 

c₀为空气声速 

ω为圆频率 

L_s为金属纤维多孔材料厚度 

Z_eq表示金属纤维多孔材料的特征阻抗 

k_eq表示金属纤维多孔材料的波数 

ρ_eq表示金属纤维多孔材料的等效密度 

K_eq表示金属纤维多孔材料的等效体积模量； 

通过采用经典的Johnson-Champoux-Allard声学分析模型，分别建立起ρ_eq和K_eq与宏观特征参数之间的关系式（6）和（7）： 

$>{\rho }_{\mathrm{eq}}=\frac{{\rho }_0{\alpha }_{\infty }}{\phi }[1-i\frac{\mathrm{\sigma \phi }}{{\mathrm{\omega \rho }}_0{\alpha }_{\infty }}\sqrt{1+i{\mathrm{\omega \rho }}_0\eta {\left(\frac{2{\alpha }_{\infty }}{\mathrm{\sigma \phi \Lambda }}\right)}^2}]---\left(6\right)$>

$>\frac{1}{K_{\mathrm{eq}}}=\frac{\phi }{\gamma P_0}\{\gamma -(\gamma -1){[1-i\frac{8\eta }{{\mathrm{\omega \rho }}_0{P}_r{\Lambda }^{\prime 2}}\sqrt{1+\frac{i{\mathrm{\omega \rho }}_0{P}_r}{\eta }{\left(\frac{{\Lambda }^{\prime }}{4}\right)}^2}]}^{-1}\}---\left(7\right)$>

式（6）和（7）中，i表示虚部 

ρ₀为空气密度 

ω为圆频率 

η为空气的剪切粘性 

γ为空气的定压比热容与定容比热容之比 

P₀为空气压强 

P_r普朗特常数 

φ为孔隙率 

弯曲度α_∞、静态流阻σ、粘性特征长度Λ和热特征长度Λ′为宏观特征参数，均是与金属纤维多孔材料的微结构几何构型即孔隙率φ和纤维直径D相关的参数，通过对微结构进行流场有限元分析得到这些参数； 

由式（2）~（7）建立起吸声系数α与宏观特征参数之间的关系（吸声系数α与金属纤维多孔材料的等效密度ρ_eq和等效体积模量K_eq相关，而等效密度ρ_eq和等效体积模量K_eq与宏观特征参数相关），从而建立起吸声系数α与金属纤维多孔材料的微结构几何构型即孔隙率φ和纤维直径D之间的关系，孔隙率φ和纤维直径D的变化必然引起吸声系数α的变化，建立特定声音频段f_i和材料厚度L_s下金属纤维多孔材料的声能吸收率I（声能吸收率I与吸声系数α呈正相关）最大化的优化算法，优化问题的数学描述如式（8）所示： 

Find:X=(D,φ)^T

Maximize:I(X) 

Subject to:D_min<D<D_max，    （8） 

φ_min<φ<φ_max

$>I=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}\alpha \left(f_i\right),$>$>\left(\begin{array}{c}{I}_l,\mathrm{if}\left\{f_i\right\}\in \left[\mathrm{20,500}\right]\mathrm{Hz}\\ I_m,\mathrm{if}\left\{f_i\right\}\in \left[\mathrm{500,2000}\right]\mathrm{Hz}\\ I_h,\mathrm{if}\left\{f_i\right\}\in [2000,15000]\mathrm{Hz}\end{array}\right)$>

式（8）中，I_l、I_m和I_h分别表示20～500Hz低频段声音、大于500～2000Hz中频段声音和大于2000～15000Hz高频段声音时的声能吸收率，N是关心频段所有计算频点的个数， 

当纤维直径D为定值时，通过求解上述优化问题，获得特定声音频段 f_i和材料厚度L_s下具有最大声能吸收率的孔隙率即最佳孔隙率，从而建立起最佳孔隙率与纤维直径之间的关系式（1）。 

在上述设计方法的式（8）中，D和φ的取值范围分别优选为D=1~100μm，φ=0.01~1。此外，上述设计方法中所用的金属纤维多孔材料的材质一般为不锈钢、铝、铜、钛或铁铬铝合金。 

本发明的用于吸收噪音的金属纤维多孔材料是由上述设计方法设计得到的金属纤维多孔材料，即该金属纤维多孔材料的孔隙率与纤维直径满足上述关系式（1）。 

作为具体实例，当金属纤维多孔材料厚度为25mm时，其最佳孔隙率与纤维直径在不同声音频段时分别满足如下各关系式， 

在20～500Hz低频段声音时满足关系式（9）： 

$>{\phi }_l^{\mathrm{opt}}=0.42e^{-0.018D}+0.6e^{-0.00055D}---\left(9\right)$>

在大于500～2000Hz中频段声音时满足关系式（10）： 

$>{\phi }_m^{\mathrm{opt}}=0.38e^{-0.01D}+0.64e^{-0.0004D}---\left(10\right)$>

在大于2000～15000Hz高频段声音时满足关系式（11）： 

$>{\phi }_h^{\mathrm{opt}}=0.39e^{-0.009D}+0.63e^{-0.0003D}---\left(11\right)$>

各式中，D表示纤维直径，和分别表示低中高各频段声音下的最佳孔隙率，e表示指数关系。 

本发明还提供一种用于制备上述金属纤维多孔材料的方法，其特征在于，包括如下步骤： 

（1）制备金属纤维 

将熔融后的纯净金属液加压喷射，冷却至室温成型，制成金属纤维； 

（2）铺设金属纤维多孔结构 

将金属纤维均匀剪切成段，之后采用无纺铺毡机或手工方式铺设成表面光滑的高孔隙率块状金属纤维多孔结构； 

（3）压缩定型 

采用压制设备对金属纤维多孔结构进行压制和平整，并根据最佳孔隙率与纤维直径之间的匹配关系控制压缩量以得到所需的孔隙率； 

（4）高温烧结 

采用真空烧结炉在1350℃（烧结真空度一般为10^-2~10^-3Pa）对压缩成型的金属纤维多孔结构进行高温烧结，得到金属纤维多孔材料。 

上述步骤（3）中，所述的最佳孔隙率与纤维直径之间的匹配关系通过上述关系式（1）确定。 

步骤（3）中，优选沿金属纤维多孔结构的宽度方向实施所述压制，使压缩成型的金属纤维多孔结构的宽度d满足关系式（12）： 

$>d=\frac{m}{\mathrm{\rho hL}(1-{\phi }^{\mathrm{opt}})}---\left(12\right)$>

式（12）中，φ^opt为所需的材料最佳孔隙率，m为金属纤维的总质量，ρ为金属密度，h为金属纤维多孔结构的长度，L为金属纤维多孔结构的厚度。 

在上述压制方法中，只要简单地将金属纤维多孔结构的宽度压缩至通过质量体积法确定的宽度值，就可非常方便地获得所需的材料最佳孔隙率。 

本发明与现有技术相比具有如下优点： 

[1]在噪声频段和纤维直径确定的情况下，借助本发明所提出的设计方 法，就可以获得具有高效吸声性能的金属纤维多孔材料最佳孔隙率。由该设计方法得到的金属纤维多孔材料能够满足特定频段的吸声需求，可广泛用于轨道交通、航空航天、汽车、机械加工及实验场所噪声控制。 

[2]本发明根据建立的纤维直径与最佳孔隙率之间的解析关系，通过压制方式实现两者之间的最佳匹配，可以快速获得特定频段声能下具有最大吸收性能的金属纤维多孔材料，制备工艺简单、实现方便、投入成本低且可操作性强。 

附图说明

图1为最佳孔隙率与纤维直径的关系图（材料厚度25mm）； 

图2为本发明实施例1的制备工艺流程图； 

图3为用于制备金属纤维的多喷射通道示意图； 

图4为用于压制金属纤维多孔结构的压缩装置示意图。 

图中：1、喷嘴本体；2、喷口；3、压缩装置箱体；4、压缩装置压板；5、金属纤维多孔结构。 

具体实施方式

下面结合实施例详细说明本发明，但下面的实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。 

实施例1 

一、确定材料最佳孔隙率 

当金属纤维多孔材料的厚度为25mm时，通过上述优化算法，建立了 材料最佳孔隙率φ^opt（和分别表示低中高各频段下的最佳孔隙率取值）与纤维直径D之间的曲线关系（如图1所示）： 

在低频情况下（20～500Hz）：$>{\phi }_l^{\mathrm{opt}}=0.42e^{-0.018D}+0.6e^{-0.00055D}$>

在中频情况下（大于500～2000Hz）：$>{\phi }_m^{\mathrm{opt}}=0.38e^{-0.01D}+0.64e^{-0.0004D}$>

在高频情况下（大于2000～15000Hz）：$>{\phi }_h^{\mathrm{opt}}=0.39e^{-0.009D}+0.63e^{-0.0003D}$>

根据上述公式，当纤维直径为10μm时，高频段范围内的平均吸声系数达到最大值时，孔隙率为95%，此时通过吸声性能计算，材料在该频段的吸收系数平均值为96%；中频段范围内的平均吸声系数达到最大值时，孔隙率为93%时，计算的吸收系数平均值为67%；低频段范围内的平均吸声系数达到最大值时，孔隙率为88%，计算的吸收系数平均值为20%。 

二、制备金属纤维多孔材料（工艺流程如图2所示） 

（1）制备金属纤维 

将纯净的铝熔融液加压通过图3所示的多喷射通道喷射（多喷射通道由喷嘴本体1和多个喷口2组成），冷却至室温成型，获得直径为10μm的铝纤维。所述喷口直径为9μm，铝熔融液从喷口喷出后的膨胀量约为10%。 

（2）铺设金属纤维多孔结构 

取100g上述铝纤维，按照长径比1000：1均匀剪切成段，之后采用无纺铺毡机铺设成表面光滑的高孔隙率（99%左右）方块状铝纤维多孔结构，该多孔结构的长、宽、高分别为100mm、25mm、25mm。 

（3）压缩定型 

采用图4所示的压缩装置，将金属纤维（铝纤维）多孔结构5放入压缩装置箱体3（底面长度和宽度分别为100mm和25mm）中，通过压缩装 置压板4沿铝纤维多孔结构5的宽度方向进行压制和平整，并根据特定频率的要求控制压缩量。 

具体而言，所述压缩量由压缩成型的金属纤维多孔结构的宽度d决定，该宽度d由下式计算： 

$>d=\frac{m}{\mathrm{\rho hL}(1-{\phi }^{\mathrm{opt}})}$>

式中，φ^opt为所需的最佳孔隙率，m为金属纤维的总质量，ρ为金属密度，h为金属纤维多孔结构的长度，L为金属纤维多孔结构的厚度。 

在本实施例中，铝密度为2.7×10^-3g/mm³，称取的铝纤维质量为100g，金属纤维多孔结构的长度和厚度分别为100mm和25mm。在低频情况下，材料的最佳孔隙率为88%，因此压缩后的材料宽度d为123mm；在中频情况下，材料的最佳孔隙率为93%，因此压缩后材料宽度d为211mm；在高频情况下，材料的最佳孔隙率为95%，因此压缩后材料宽度d为296mm。 

（4）高温烧结 

采用真空烧结炉在1350℃、真空度10^-2Pa下对压缩成型的铝纤维多孔结构进行高温烧结，得到金属纤维吸声材料成品。