材料科學(xué)前沿論文

噪聲污染控制材料——多孔吸聲材料TOC\o"2-4"\h\u11841.噪聲2197701.1噪聲的來(lái)源2101611.2噪聲的控制2243641.3降低噪聲的方法2309841.4噪聲的危害3275782吸聲材料339092.1吸聲原理3154692.2多孔吸聲材料33471纖維吸聲材料428809泡沫吸聲材料5255772.2.3顆粒型吸聲材料657783影響多孔吸聲材料素7294813.1空氣阻流的影響7283823.2孔隙率的影響7147863.3孔徑的影響819833.4厚度的影響860763.5背后空腔的影響9102604多孔吸聲材料的開(kāi)發(fā)研究展望927538參考文獻(xiàn)10噪聲污染控制材料——多孔吸聲材料摘要：隨著現(xiàn)代工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)和城市建設(shè)的開(kāi)展，環(huán)境噪聲污染已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外影響的最大的公害之一。多孔吸收材料、隔聲材料和隔振與阻尼減振材料等這些材料的應(yīng)用，對(duì)環(huán)境噪聲的污染有了很好的控制。在以后的開(kāi)展當(dāng)中，我們應(yīng)該控制噪聲的發(fā)生，對(duì)噪聲污染環(huán)境材料的控制應(yīng)該向更好的方向開(kāi)展。關(guān)鍵詞：噪聲污染吸聲材料纖維吸聲材料泡沫吸聲材料顆粒型吸聲材料1.噪聲噪聲通常是指那些難聽(tīng)的、令人厭煩的聲音。噪聲是沒(méi)有污染物，即它在空氣中傳播不會(huì)產(chǎn)生有害物質(zhì)，噪聲對(duì)環(huán)境的影響不持久、沒(méi)有累積效應(yīng)，噪聲源一旦停止，噪聲也就相應(yīng)的消失。1.1噪聲的來(lái)源噪聲的來(lái)源主要有：交通運(yùn)輸噪聲、工業(yè)機(jī)械噪聲、建筑施工噪聲、生活生活噪聲、家用電器和辦公設(shè)備噪聲、公寓樓內(nèi)的生活噪聲。這些噪聲都給我們生活帶來(lái)了極大的困擾。1.2噪聲的控制噪聲的傳播主要分為三個(gè)階段：噪聲源、傳播途徑和接受者。噪聲控制原理：在噪聲到達(dá)耳膜之前，采取阻尼、隔振、吸聲、隔聲、消聲器、個(gè)人防護(hù)和建筑布局等七大措施，盡力減弱或降低聲源的振動(dòng)，或?qū)鞑ブ械穆暷芪盏簦蛟O(shè)置障礙，使聲音全部或局部反射出去，從而減弱噪聲對(duì)耳膜的作用。1.3降低噪聲的方法：〔1〕從聲源上降低噪聲：研制和采用噪聲低的設(shè)備和加工工藝?！?〕在傳播途徑上控制噪聲：利用吸聲來(lái)減少噪聲。聲波在傳播過(guò)程中發(fā)生摩擦和阻尼，能降低10～15dB。吸聲材料〔內(nèi)部要多孔、孔孔要相連通且這些孔要與外界連通〕一般有玻璃棉、泡沫塑料、吸聲磚等。利用隔聲來(lái)減少噪聲，它能使使聲能受到阻擋而不能直接通過(guò)，能降低10～35dB。隔聲墻、隔聲罩、隔聲間和聲屏障等隔振，主要是防止振動(dòng)能量從振源傳播出去。如金屬?gòu)椈?、橡膠墊等。消聲器——只能降低空氣動(dòng)力設(shè)備的進(jìn)排氣口噪聲或沿管道傳播的噪聲，可降低20～40dB。主要有阻性、抗性及復(fù)合性消聲器等。用耳塞、耳罩、防聲蠟棉和防護(hù)面具等降低噪聲帶來(lái)的污染。1.4噪聲的危害噪聲所產(chǎn)生的污染給人類(lèi)帶來(lái)了很大的危害，主要有：干擾休息和睡眠、影響語(yǔ)言交流、損害聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)、引發(fā)多種疾病、影響工作效率、對(duì)兒童身心健康的危害、對(duì)女性生理功能的影響、損害建筑物等。隨著我國(guó)的經(jīng)濟(jì)的開(kāi)展，我們不僅要注意環(huán)境的污染，噪聲的污染對(duì)人類(lèi)的身心健康也存在很大的隱患，我們必須要重視起來(lái)，運(yùn)用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和材料來(lái)減少噪聲的污染。2吸聲材料2.1吸聲原理吸聲材料吸聲是聲波通過(guò)材料的孔隙與固體骨骼相互摩擦而消耗其能量的。在吸聲材料中，聲波與固體接觸，要有能量交換，主要是黏滯性與熱傳導(dǎo)作用。按吸聲機(jī)理可以分為共振吸聲結(jié)構(gòu)材料和多孔吸聲結(jié)構(gòu)材料。共振吸聲結(jié)構(gòu)材料,主要結(jié)構(gòu)為亥姆霍茲共鳴器式結(jié)構(gòu),它是利用入射聲波在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生共振,從而使大量能量耗逸。而由多孔材料構(gòu)成的吸聲材料,能使大局部聲波進(jìn)入材料,從而具有很強(qiáng)的吸聲能力,使進(jìn)入該材料的聲波在傳播過(guò)程中逐漸消耗殆盡。第一種共振吸聲結(jié)構(gòu),利用了共振原理,因而吸聲的頻帶較窄,而后一種多孔材料的吸聲頻帶那么比擬寬。2.2多孔吸聲材料吸聲材料多為多孔性材料，柔軟性材料及膜狀材料也具有相同的功能。多孔材料一般具有以下幾個(gè)特征：材料內(nèi)部具有大量的微孔或間隙，孔隙細(xì)小且在材料內(nèi)局部布均勻。材料內(nèi)部的微孔是相互聯(lián)通的，單獨(dú)的氣泡和密閉間隙不起吸聲作用。微孔向外敞開(kāi)，使聲波容易進(jìn)微孔內(nèi)，沒(méi)有敞開(kāi)微孔而僅有凹凸外表的材料不會(huì)有好的吸聲性能。常見(jiàn)的多孔吸聲材料一般可分為纖維型、泡沫型和顆粒型三類(lèi)。2.2.1纖維吸聲材料〔1〕無(wú)機(jī)纖維吸聲材料無(wú)機(jī)纖維吸聲材料是指天然人造的以無(wú)機(jī)礦物為根本成分的一類(lèi)纖維材料。主要有石棉纖維、玻璃棉、巖棉和礦渣棉及其制品。其中纖維棉是人類(lèi)使用歷史最悠久多的天然無(wú)機(jī)材料，但石棉纖維對(duì)人體的健康傷害很大，傳統(tǒng)的石棉已經(jīng)纖維已經(jīng)被淘汰。而玻璃棉、巖棉等人造材料不僅有良好的吸收功能，而且具有輕質(zhì)、不燃燒、不腐、不易老化、價(jià)格低廉等特性，在聲學(xué)工程中得到了廣泛放入應(yīng)用。玻璃棉吸聲系數(shù)玻璃棉玻璃棉吸聲系數(shù)玻璃棉屬于玻璃纖維中的一個(gè)類(lèi)別，是一種人造無(wú)機(jī)纖維。采用石英砂、石灰石、白云石等天然礦石為主要原料，配合一些純堿、硼砂等化工原料熔成玻璃。在融化狀態(tài)下，借助外力吹制式甩成絮狀細(xì)纖維，纖維和纖維之間為立體交叉，互相纏繞在一起，呈現(xiàn)出許多細(xì)小的孔隙隙。玻璃棉分為短棉、超細(xì)棉以及中級(jí)纖維棉。超細(xì)纖維棉是使用最普遍的吸聲材料。松散度為18~25kg/,每成厚度為25~50mm，吸收性能好，吸聲系數(shù)可以到達(dá)0.7~0.8.巖棉和礦渣棉巖棉纖維和礦渣棉纖維的生產(chǎn)工藝根本相同，差異在于礦渣棉的熔融溫度低，在1360~1400°C。巖棉的熔融溫度在1500°C左右。巖棉是以天然石如玄武石、輝長(zhǎng)石、白云石等為主要原料，經(jīng)高溫熔融、纖維制備、集束及成形等工序制成的蓬松狀短細(xì)纖維。具有隔熱、耐高溫的有點(diǎn)，價(jià)格比擬低廉。礦渣棉是工業(yè)礦渣如高爐礦渣、銅礦渣、粉煤灰以及采礦渣為主要原料，經(jīng)高溫熔融、纖維化而制成的無(wú)機(jī)質(zhì)纖維。質(zhì)輕、不然、耐高溫、耐腐蝕、化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)、吸收性能好等優(yōu)點(diǎn)。所含雜質(zhì)也較多、性脆易折斷、應(yīng)用較普遍。但在超溫的波長(zhǎng)中，根本沒(méi)有任何吸聲作用?！?〕有機(jī)纖維吸聲材料早起使用的吸聲材料主要為植物纖維制品。如棉麻纖維、毛氈、甘蔗纖維板、木質(zhì)纖維板等天然纖維材料?，F(xiàn)在有機(jī)纖維材料已多為無(wú)機(jī)合成纖維材料，如滌綸棉。但在超高溫波場(chǎng)中，根本上沒(méi)有任何吸聲作用。2.2.2泡沫吸聲材料泡沫吸聲材料是有外表與內(nèi)部皆有無(wú)數(shù)微孔高分子材料制成。主要有泡沫金屬、泡沫塑料、泡沫玻璃和聚合物基復(fù)合泡沫材料?！?〕泡沫金屬泡沫金屬是一種新型多孔材料，經(jīng)過(guò)發(fā)泡處理在其內(nèi)部形成大量的氣泡，這些氣泡分布在連續(xù)的金屬中構(gòu)成孔隙結(jié)構(gòu)，孔隙率得到90%以上。泡沫金屬是把金屬的強(qiáng)度大、導(dǎo)熱性好、耐高溫的特性與阻尼性、隔離性、絕緣性、消聲減振性有機(jī)的結(jié)合在一起，產(chǎn)生優(yōu)良的吸聲性能。目前泡沫金屬主要包括Al、Ni、Cu、Mg等，研究最多的是泡沫鋁及其合金。制備方法：直接法，利用發(fā)泡劑直接在熔融金屬中發(fā)泡，或者利用化學(xué)反響產(chǎn)生大量氣體在制品凝固時(shí)減壓發(fā)泡。間接法：一高分子發(fā)泡材料為基材，采用乘積法或噴濺法使之金屬化，然后加熱脫出基材并燒結(jié)。泡沫金屬為剛性結(jié)構(gòu)，加工性能好，能制成各種形式的吸聲板；不吸濕且容易清洗，吸聲性能不會(huì)下降；不會(huì)因受震動(dòng)或風(fēng)壓而發(fā)生折損或塵化；能承受高溫，不會(huì)著火和釋放毒氣。泡沫金屬低、中、高頻區(qū)均具有良好的吸聲性能?，F(xiàn)在以應(yīng)用與空壓機(jī)房、列車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)房、聲頻室、施工現(xiàn)場(chǎng)等吸聲領(lǐng)域?！?〕泡沫塑料與其他多孔吸聲材料相比，泡沫塑料產(chǎn)品有著良好的韌性、延展性及耐熱性能，同時(shí)其吸聲性能也很突出，是一種理想的隔熱吸聲材料?，F(xiàn)在應(yīng)用比擬廣泛的泡沫吸聲材料主要為聚氨酯泡沫塑料。聚氨酯泡沫塑料〔PUF〕是一種新型系列化吸聲財(cái)力哦啊。主鏈含—NHCOO—重復(fù)結(jié)構(gòu)單元的一類(lèi)聚合物，是已聚醚樹(shù)脂或聚酯樹(shù)脂為主要原料，與異氰酸酯定量混合，在發(fā)泡劑、催化劑、穩(wěn)定劑等作用下，進(jìn)行發(fā)泡而制成的一種泡沫塑料。聚氨酯泡沫塑料無(wú)臭、透氣、氣泡均勻、耐老化、抗有機(jī)溶劑侵蝕，對(duì)金屬、木材、玻璃、磚石、纖維等有很強(qiáng)的粘合性。特別是硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料有很高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和絕緣性。聚氨酯泡沫塑料阻燃性好、松密度輕、耐潮、易于切割和安裝方便等特點(diǎn)。但是易于老化、耐火性差、吸水性強(qiáng)等。一般用于機(jī)電產(chǎn)品的隔聲罩、吸聲屏障以及在影劇院、會(huì)議廳、電影錄音室、電視演播室等音質(zhì)設(shè)計(jì)工程中控制混淆時(shí)間。用于泡沫犧牲材料還有橡膠改性的聚丙烯泡沫塑料、聚偏二氟乙烯泡沫塑料等?！?〕泡沫玻璃泡沫玻璃是以廢玻璃及各種富含玻璃相的物質(zhì)為主要原料，經(jīng)過(guò)粉碎磨細(xì)，添加1%-5%發(fā)泡劑、改性劑等材料，均勻混合形成配合料，再將其放置在特定模具中經(jīng)過(guò)熔融(650℃-950℃)、發(fā)泡、退火，形成一種內(nèi)部充滿均勻氣孔的多孔玻璃材料。由于這種材料內(nèi)部充滿無(wú)數(shù)個(gè)微小均勻的連通或封閉氣孔，因而是一種性能良好的節(jié)能、保溫、隔熱、吸音材料。隔熱保溫泡沫玻璃可以應(yīng)用在-200℃至450℃溫度范圍內(nèi)的保溫和隔熱工程上。彩色泡沫玻璃不僅能起到吸聲的效果，還能對(duì)建筑物起到一定的裝飾作用。它不僅可用作室內(nèi)裝飾吸聲板，同時(shí)還可在室外環(huán)境中應(yīng)用。當(dāng)聲波入射到吸音泡沫玻璃原外表時(shí)，激發(fā)孔隙內(nèi)的空氣振動(dòng)，在受振動(dòng)空氣的粘滯阻力及其與玻璃孔壁摩擦的作用下，使聲能轉(zhuǎn)化為熱能而迅速衰減，從而降低噪音。主要應(yīng)用于音樂(lè)廳、劇院和電影錄音室的吸音處理；用于游泳館、地鐵、地下工程、冷卻塔等潮濕環(huán)境降噪或露天條件下的道路吸聲屏障及消聲處理?！?〕復(fù)合泡沫吸聲材料將聚氯乙烯〔PVC〕、增塑劑、發(fā)泡劑等原料按照一定比例混合均勻后，參加一定的巖棉，然后在開(kāi)放式煉塑機(jī)上進(jìn)行混煉，再將煉好的材料放入到模具，在烘烤中升溫發(fā)泡后得到聚乙烯/巖棉泡沫材料，這是一種既含有機(jī)物又含無(wú)機(jī)物的復(fù)合泡沫材料。廣泛用于工業(yè)和民用建筑領(lǐng)域。在制備過(guò)程中用到巖棉，會(huì)產(chǎn)生纖維粉塵污染，那么不適用于環(huán)境潔凈度要求較高系統(tǒng)的消聲處理。2.2.3顆粒型吸聲材料顆粒型吸聲材料有膨脹珍珠巖、粉煤灰和礦渣水泥等。由于顆粒外表有許多半開(kāi)口小孔，構(gòu)成了空腔共振吸聲結(jié)構(gòu)。此外，顆粒之間能形成孔隙，加上一定的厚度，使材料也具有多孔材料的吸聲性能。在材料中參加顆粒型吸聲材料會(huì)提高材料制品的吸聲性能。3影響多孔吸聲材料素3.1空氣阻流的影響空氣流阻定義為材料兩面的靜壓差和氣流線速度之比,它反映了空氣通過(guò)多孔材料時(shí)材料的透氣性問(wèn)題,而單位材料厚度的流阻稱(chēng)為流阻率。流阻越大,材料的透氣性就越小,聲波越不容易深入材料內(nèi)部,吸聲性能會(huì)下降;但流阻太小,使聲能轉(zhuǎn)化為熱能的效率又會(huì)過(guò)低。所以,多孔材料存在一個(gè)最正確的流阻值,過(guò)高和過(guò)低的流阻值都無(wú)法使材料具有良好的吸聲性能3.2孔隙率的影響孔隙率定義為材料中孔隙體積和材料總體積的比值,總體來(lái)說(shuō),孔隙率越大,泡沫金屬的吸聲系數(shù)越大。這主要是因?yàn)榭紫抖仍酱?孔隙的曲折度越大,內(nèi)部通道越復(fù)雜。當(dāng)聲音進(jìn)入后,發(fā)生漫反射和折射,并且孔隙中的空氣隨之而振動(dòng),由于孔隙壁的摩擦以及空氣粘滯阻力等而使得相當(dāng)一局部聲能轉(zhuǎn)化為熱能而被耗散。吸聲系數(shù)與孔隙率的關(guān)系吸聲系數(shù)與孔隙率的關(guān)系3.3孔徑的影響吸聲系數(shù)與孔徑的關(guān)系對(duì)于具有相同孔隙率、孔隙形貌以及厚度的多孔材料來(lái)說(shuō),孔徑越小,高頻吸聲性能越高,低頻吸聲性能沒(méi)有很大變化。孔徑尺寸對(duì)吸聲性能在高頻時(shí)影響較大是因?yàn)楦哳l時(shí)聲波能量較大,當(dāng)孔隙較小時(shí),聲波進(jìn)入后,可以與孔隙壁發(fā)生二次或?qū)掖畏菑椥耘鲎?再經(jīng)過(guò)屢次反射和折射后,聲波的能量損失較多,吸聲性能較好。吸聲系數(shù)與孔徑的關(guān)系3.4厚度的影響這是由于在孔徑和孔隙率一定的情況下，隨著厚度的增大，進(jìn)入孔隙的聲波經(jīng)過(guò)孔隙通道也就越長(zhǎng)，受到曲折通道的阻擋次數(shù)增多，聲波在孔隙發(fā)生的能量損失也越多。多孔吸聲材料中，高頻聲波主要在材料的外表被吸收，低頻聲波的吸收在材料內(nèi)部，隨著厚度的增大，低頻時(shí)吸聲系數(shù)隨厚度的增加而增加的趨勢(shì)，而高頻吸聲系數(shù)有所下降。吸聲系數(shù)與孔徑的關(guān)系吸聲系數(shù)與孔徑的關(guān)系3.5背后空腔的影響材料背后加空腔,對(duì)于閉孔的材料,可以作為亥姆霍茲共振腔,對(duì)于多孔材料來(lái)說(shuō),背后加空腔,可以提高材料的低頻吸聲性能。4多孔吸聲材料的開(kāi)發(fā)研究展望目前。隨著人們對(duì)噪聲污染的關(guān)注和重視程度的增加，吸聲材料的應(yīng)用將越加廣泛，使用量也將逐年增加，但傳統(tǒng)多孔吸聲材料如有機(jī)和無(wú)機(jī)纖維材料等存在防火性差、性脆易斷等缺陷，金屬吸聲材料價(jià)格昂貴，使用范圍受到了很大的限制。泡沫雷無(wú)機(jī)多孔吸聲材料具有吸聲系數(shù)好、使用頻率范圍寬、質(zhì)輕、不腐、防火性能好等優(yōu)點(diǎn)，成為吸聲材料的開(kāi)展趨勢(shì)。同時(shí)，利用固體廢棄物作為吸聲材料的制備原料已成為目前廣泛的研究熱點(diǎn)，將有助于降低材料生產(chǎn)本錢(qián)，實(shí)現(xiàn)固體廢棄物資源化利用，防止廢棄物堆積填埋或簡(jiǎn)單處理造成的一系列環(huán)境危害，一舉多得。而在今后材料研究方向主要是：〔1〕生態(tài)環(huán)保是新世紀(jì)對(duì)吸聲材料最重要的要求，應(yīng)加強(qiáng)“環(huán)?！毙秃汀捌桨病毙偷膹?fù)合吸聲材料的研究。隨著社會(huì)進(jìn)步，人們對(duì)吸聲環(huán)境質(zhì)量的要求越來(lái)越高，單一的吸聲材料已經(jīng)不能滿足環(huán)保及高效吸聲等要求，生產(chǎn)