三维机织物复合材料的隔声性能研究

三维机织物复合材料的隔声性能研究

许鹤， 唐予远， 马菲， 单晶晶

(中原工学院， 郑州 450007)

摘要：以玻璃纤维为原材料，设计出不同组织的正交和角联锁机织物，采用真空辅助模塑成型法将其加工成复合材料，然后用阻抗管-传递函数法测试其隔声性能，探讨纤维体积分数对隔声性能的影响。结果表明：材料隔声性能随着纤维体积分数的增加而增强，同时材料结构的完整性也影响其隔声性能。

关键词：正交；角联锁；隔声性能；纤维体积分数

中图分类号：TG142.1

文献标志码：A

DOI:10.3969/j.issn.1671-6906.2015.03.011

Abstract:Different orthogonal woven fabrics and angle-interlock woven fabrics have been fabricated by glass fiber, and composites was made through the vacuum-assisted molding(VARTM) process system. The impedance tube-Transfer Function Method is used to test the sound insulation property of those composites,then the impression of fiber volume fraction on the sound insulation property is explored.The result shows that: the sound insulation property of woven composites have an increase trend with the increasing of its fiber volume fraction. At the same time,the integrity of composite structures have some part in the sound insulation.

近年来,随着工业和交通运输业的发展，噪音污染问题日渐严重，已经威胁到民众的身心健康。因此，相关的降噪材料进入人们的视野。纺织材料因其良好的可加工性、多孔的疏松结构、质轻等特点，成为隔声领域一个新的研究方向[1-2]。但是，如果将纺织品单独用作隔声材料，效果并不显著。于是人们把目光转向纺织复合材料。其中三维纺织复合材料因克服了以往各种结构复合材料层间强度低的缺点，具有优异的整体受力性能[3-4]，引起关注。

目前对纺织品隔声性能的研究多是体现在新型材料的测量上，或是在材料中加入其他材料，而对树脂整理后的复合材料隔声性能的研究较少，对三维复合材料的研究更少[5]。因此，本文对三维机织物复合材料的隔声性能进行了探讨，为生产实践提供一定的参考依据。

1实验

1.1实验材料

玻璃纤维(线密度为110 tex，南京玻璃纤维研究设计院)，不饱和树脂(191型号)。

1.2织物组织图设计

1.2.1正交组织织物设计

正交结构的结构特征为：地经纱和纬纱呈伸直状态，承载力时变形小；地经纱和纬纱不交织但交替重叠为多层，以增加织物的厚度；地经纱和纬纱的相对位置不是靠经、纬纱自身的相互交织形成，而是利用一组起到缝纫作用的接结经纱沿织物厚度方向反复穿透，使各层经、纬纱连接为一个整体。由于接结经纱的存在，使得织物在经纱方向、纬纱方向和厚度方向上均有纱线，保障了复合材料在各个方向的机械性能，尤其是厚度方向[6]。

正交组织织物的层数与经、纬纱循环数之间存在一定的关系：

(1)

式中：N为正交组织的层数；Rj为经纱循环数；Rw为纬纱循环数。

(1) 三层正交组织的组织设计

①计算有关参数：

(2)

②画出组织上机图，见图1。

(2)六层正交组织的组织设计

①计算有关参数，同式(2)。

②画出六层正交组织上机图，见图2。

图1　三层正交组织上机图

图2　六层正交组织上机图

1.2.2角联锁织物组织设计

角联锁织物分为经角联锁织物、纬角联锁织物。在实际运用中纬角联锁织物较多，故本文采用的是纬角联锁织物。

角联锁织物的层数与经、纬纱循环数及飞数之间存在一定的关系[7]：

(3)

式中：N为角联锁织物的层数；Rj为经纱循环数；Rw为纬纱循环数。

(1)三层角联锁织物的组织设计

①计算有关参数：

(4)

②画出三层角联锁织物组织上机图，见图3。

图3 三层角联锁织物组织上机图

(2)六层角联锁织物的组织设计

①计算有关参数，同式(4)。

②画出六层角联锁织物组织上机图，见图4。

图4　六层角联锁织物上机图

1.3复合材料的制备

复合材料的加工采用真空辅助模型加工工艺。将织物平整地放在下层玻璃板上，盖上上层玻璃板，在玻璃板的四周黏贴不干胶，两端用导流管连接，然后用真空袋进行密封。在真空状态良好的情况下，树脂通过导流管浸入织物，以实现对织物的浸透和固化，进而制备出复合材料。工艺流程如图5所示。

1.4隔声性能测试

材料的隔声性能优劣主要取决于材料对声音的吸收与反射。另外，材料的质量、结构的完整性、材料的弹性、结构独立性等也会对材料的隔声性能产生影响。本实验采用阻抗管-传递函数法处理采集到的声压信号，分离入射波和反射波的能量，求出两个声传递函数，进而计算不同频率下的传递损失，见图6。

图5　真空辅助成型法加工示意图

图6　四通道隔声特性测量的连接示意图

2实验结果

(1)将5种三维机织复合材料分别裁成直径为11.5 cm和5 cm的圆(试样见图7)，并测试其隔声效果。

图7　复合材料待测试样

(2)测试复合材料试样的厚度和质量，测试3次求出平均值,结果见表1。

(3)运用质量法则来预测理论隔音量，即在保证材料完全气密性的前提下，运用材料质量来预测理论的隔音量[8]。

R=20log(m·f)-47.5

(5)

式中：R为材料的隔音量；m为单位面积的质量；f是频率。

(4)计算试样的纤维体积分数Vf，其公式为：

(6)

式中：Vs为试样的体积；D为试样的直径；h为试样的厚度；Ms为复合材料的质量；ρ s为复合材料体积密度；ρf为玻璃纤维密度;ρm为树脂密度。计算结果见表1。

(5)对复合材料进行隔声性能测试，并拟合不同频率下复合材料的传递损失。拟合曲线如图8所示。

表1　不同试样的相关性能测试结果

注：试样1为浸透不均匀的三层角联锁复合材料；试样2为三层正交复合材料；试样3为三层角联锁复合材料；试样4为六层正交复合材料；试样5为六层角联锁复合材料。其中试样2、3、4、5均为浸透均匀的复合材料试样。

图8　传递损失拟合曲线图

由图8可知，在整个频率范围内，传递损失的拟合曲线整体呈上升趋势，这说明复合材料的隔声性能随着频率的增加而增强。由表1可以看出,浸透均匀的4种复合材料(三层正交、三层角联锁、六层正交、六层角联锁)的面密度依次增加；根据公式(5)可知，面密度越大，隔声性能越好。结合图8可知，这4种复合材料的隔声性能均遵循质量法则。对于未浸透完全的三层角联锁复合材料，虽然其面密度不是最小的，但其隔声性能却最差，这表明质量法则存在一定的局限性。质量法则对材料结构的完整性要求比较高，而材料结构的完整性在实际中却是很难保证的。从表1可以看出，浸透不均匀的三层角联锁以及渗透均匀的4种复合材料(三层正交、三层角联锁、六层正交、六层角联锁)的纤维体积分数依次增加。而图8中相对应的这5种复合材料的传递损失也依次增加，由此得出，对本文所研究的5种复合材料来说，其隔声性能与纤维体积分数存在一定关系，即隔声性能随着纤维体积分数的增加而增强。

3结语

用玻璃纤维制备几种复合材料，并测试其在250～630 0 Hz频率范围内的隔声传递损失，验证了在材料结构不完整的条件下质量法则的局限性。复合材料的隔声性能与其纤维体积分数有关，且随着纤维体积分数的增加而增强。

参考文献:

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[3]李炜,罗永康.真空辅助树脂传递注塑纺织复合材料成型工艺[C]//郭玉明.第十四届全国复合材料学术会议论文集. 北京：中国宇航出版社， 2006:1314-1319.

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[5]赵敏兰,朱蓓丽.用等效参数法研究含球形空腔弹性体的吸声性能[J].噪声与振动控制, 1996(5): 11-14.

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[8]Tadeu A, Antonio J, Mateus D. Sound Insulation Provided by Single and Double Panel Walls-acomparison of Analytical Solution Versus Experimental Results[J].Applied Acoustics, 2003(65): 15-29.

(责任编辑：姜海芹)

Explore the Sound Insulation Property of 3-D Woven Composite

XU He, TANG Yu-yuan, MA Fei, SHAN Jing-jing

(Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 450007, China)

Key words:orthogonal; angle-interlock; sound insulation property;fiber volume fraction.