聚氨酯水声吸声材料的发展及应用

张林芳

聚氨酯水声吸声材料的发展及应用

张林芳

（驻北京地区第四军代室，北京 100094）

本文概述了聚氨酯材料用于水声吸声材料的研究概况，介绍了聚氨酯水声吸声材料的主要材料体系及聚氨酯水声吸声材料的主要研究方向和应用领域，并重点评述聚氨酯水声吸声材料吸声机理、材料结构设计和应用等领域的研究进展，同时指出了聚氨酯水声吸声材料以后的发展趋势。

聚氨酯；水声吸声材料；吸声机理；应用；进展

前言

水声吸声材料是一种能在水中使得入射声波能量转变成为其它形式能量耗散掉，从而减少声波反射的特种功能材料。该材料的使用可以减弱潜器水下噪声，提供良好的水下声学环境；也能降低潜器水下声目标强度，进而提高潜器水下声隐身性能，在民用和国防军事领域有着重要的应用。

理想的水声吸声材料需要具备如下特点：(1)入射声波在材料表面不发生大量反射现象，声波能量尽可能多地进入材料内部；(2)声波在材料内部传播过程中能迅速转变为其它形式的能量而耗散掉[1]。

聚氨酯材料分子结构可设计性强，可通过调整材料内部软硬段比例、接枝、共聚和共混得方法得到不同理化性能的材料，另外材料内部微相分离的结构使得聚氨酯具有良好的能量损耗性能。因此，聚氨酯材料成为继传统橡胶之后的第二代水声吸声材料[2]。聚氨酯材料用作水声吸声材料，国内外在水声吸声机理、材料合成和声学结构设计等方面开展了大量的研究。

1 聚氨酯材料的水声吸声机理

自18世纪以来，高分子材料内部的能量耗散机理研究开展了大量系统的研究，目前认为高分子材料内部存在粘滞吸收、热传导吸收和分子驰豫吸收三种主要的吸收机制[3]。

其中粘滞吸收是由于介质内部质点运动速度不同，产生速度梯度，进而导致质点之间发生相互作用，引起的声波能量由机械能转化为热能；热传导吸收是由于介质内部质点之间存在温度差，产生温度梯度，进而导致质点之间发生热交换，引起的热能的传递和耗散；分子驰豫吸收主要是由于声波引起介质振动的应力和应变之间存在相位差，而导致的机械能转变为热能[4]。

德国科学家FRANZ-ULRICH SCHAFER和DOUGLAS J. HOURSTON[5]认为聚氨酯材料内部除上述3种能量耗散机制之外还存在(1)机械能转化为材料内部弱相互作用的缔合和解离，如氢键等分子间作用力；(2)发生在树脂和填料界面处的声波散射和介质振动形式的转变；(3)填料的“附加质量”引起的振动能量的转移和耗散；(4)片状填料构建成的微小的约束阻尼结构引起的振动能量的耗散。

作者更倾向于认为聚氨酯材料的能量耗散主要来自材料内部的内摩擦，表现为材料内部质点的运动速度(粘滞吸收)不同以及内部应力应变的相位差(弛豫吸收)。在高频振动的条件下材料内部由振动引起的温度梯度的影响（热传导吸收）会表现得更加显著。在后续聚氨酯能量耗散机理的研究中，内摩擦的表征方法上的突破将带来研究水平的提高。

2 聚氨酯材料体系及改性

聚氨酯类吸声材料的研究和应用始于20世纪80年代，以英国为代表的北约国家一般采用此种材料作为潜艇水下吸声覆盖层，该材料的应用在一定的范围内解决了潜艇的消声问题[6]。

基于聚氨酯材料可通过选择软、硬段，有可能配制出从软质凝胶状材料到硬质塑料和韧性弹性体等各种不同性能的材料[7]。近年来我国在聚氨酯水声吸声材料体系方面开展了大量研究，聚氨酯材料体系的研究从材料组成来分可分为聚氨酯树脂的水声吸声性能的研究和填料对聚氨酯树脂水声性能的影响研究两类。

在聚氨酯树脂水声吸声性能研究方面，李浩等[8]从聚氨酯水声材料的软段和硬段的选取，支链结构的设计以及基于聚氨酯IPN材料等角度，对聚氨酯材料体系和合成进行了系统的讨论和总结。晏欣等[10]用2，4-TDI、PPO和MOCA等原料合成了聚氨酯弹性体，水声测试结果表明，TDI-PPO-MOCA聚氨酯弹性体吸声性能受到固化温度，扩链剂含量等参数的影响。孙卫红[12]等以二丁基二月桂酸锡(DBTDL)作催化剂、环氧丙醇作封端剂制备了环氧改性聚氨酯(EPU)以及EPU/EP共混弹性体,其平均吸声系数为0.75，最大吸声系数为0.97。

在填料改性聚氨酯水声吸声材料方面,周立清等[9]利用大孔树脂颗粒改性聚氨酯环氧材料。水声性能测试表明，改性前后平均吸声系数由0.25增加到0.81，最大值由0.58增加到0.98。张海永等[11]研究了石墨作为填料对聚氨酯涂层吸声性能的影响，试验结果表明，石墨改变了涂层的密度，提高了涂层的吸声系数，聚氨酯涂层随着水压的增大，吸声系数增加，水压在3MPa时，平均吸声系数达87.6%。梅志远等[13]利用云母和空心玻璃微珠混合填料改性聚氨酯弹性体，测试结果表明25mm厚的情况下，3kHz以上频段时，吸声系数都在0.3以上，在5kHz附近，吸声效果良好。李浩等[14]利用云母、空心玻璃微珠等填料改性聚氨酯弹性体，结果表明云母片对聚氨酯弹性体材料综合吸声性能的提高最为明显，尺寸较大的云母片有助于提高低频吸声性能；空心玻璃微珠可改变材料的特征吸收峰，适当的微珠加入量可得到良好的低频吸声聚氨酯材料。

3 聚氨酯材料力学参数优化研究

水声吸声材料具有很强的声学可设计性，通过改变链段比例、支链的数量或者分子间结合力的大小，都可以改变材料的声学性能[15]，但对于材料参数与声学参数之间的关系以及上述参数对声学性能的影响，国内外研究人员开展了一些研究。

王华明[17]对PU/EP二元IPN水声吸声材料的动态模量和声速进行了测量，研究了材料中EP含量和云母填料及含量对材料动态模量及声速的影响。结果表明，材料弹性模量越大，材料中声波传播速度就越大；随着填料含量的增加，声速的下降幅度增大。

刘波等[18]建立了聚氨酯/环氧树脂(PU/EP)弹性体的水声模型，探讨了弹性体弹性模量、损耗因子及泊松比对其声学性能的影响，结果表明：较大的模量、合适的阻尼因子和较高的泊松比是PU/EP弹性体获得低反射、高吸声性能的关键。

浦文婧等[19]比较常压和高压下硅橡胶(PSO-G)材料和聚氨酯(PU-G)材料两种材料在不同压力条件下的滞后曲线，分析不同压力下二者的压缩模量和滞后环面积的相对值，得到材料粘弹性对吸声性能的影响规律。结果表明，高分子材料的粘弹性越好，吸声性能越好；高分子材料的滞后损耗越大，吸声性能越好；高分子材料模量越大，其加压条件下的吸声性能越好。

文庆珍等[20]以声波在高分子介质中的传播理论为依据，推导出了材料的水声声衰减能力与材料的动态力学性能参数包括损耗因子、松弛前的剪切模量、松弛后的剪切模量以及材料的密度和厚度之间的关系式，与实验测试结果相符。结果表明，材料在不同频率下的声衰减系数与材料未松弛的剪切模量、材料已松弛的剪切模量、损耗因子和密度有关。

石勇等[21]利用固体力学的波动理论，分析了材料的弹性模量、损耗因子和密度等基本材料参数与材料声反射系数和声衰减系数的关系，研究结果表明吸声材料表面的声阻抗匹配与较大的损耗因子是一对矛盾，单一吸声材料无法同时满足上述两个条件，材料的弹性模量、损耗因子和密度是材料的水声吸声性能的重要影响因素。

整体上，通过理论计算分析和实验测试，得到了一些材料因素与聚氨酯材料吸声性能的关系，但是还缺乏系统理论研究工作[16]，无法达到预测并指导材料研制的目的。

4 聚氨酯水声材料应用结构设计

对单一均质材料而言，由于阻抗匹配的要求与增大材料对声能的损耗之间存在矛盾，聚氨酯材料的弛豫吸收远不能满足各种工程应用的需要，必须赋予聚氨酯材料声学结构，保证与水阻抗匹配的同时，增强材料对入射声波的衰减效果。

常用的复合吸声结构有：(1)孔腔谐振吸声结构，用于增加低频段的声吸收，在整个频段上改善材料的吸声效果[22]；在这方面朱锡等[26]研究了水下微穿孔吸声体的空腔深度、穿孔板厚度、穿孔直径及穿孔率对吸声性能的影响，结果表明，水下微穿孔吸声体有效地拓宽了低频吸声频带，微穿孔吸声体的空腔个数、形状及谐振特性是影响吸声性能的重要因素。周成飞[27]利用透声复合材料面层、聚氨酯泡沫和微孔PVC管制做了一种耐压穿孔泡沫吸声板，测试结果表明，上述结构的中低频(100-800Hz)平均吸声系数达到0.45，高频(1000-5000Hz)平均吸声系数达到0.76。

(2)阻抗渐变式吸声结构，利用多层或连续的阻抗逐渐过渡结构形式，以减小因材料损耗引起的阻抗失配，进而减少声波反射增加吸收效果[23]。对此，王源升等[25]研究非平面界面的新型梯度多层高分子复合材料在不同温度和压力下的吸声性能，结果表明，非平面界面的新型多层高分子复合材料吸声系数大于传统的多层高分子复合材料吸声系数，吸声系数峰值随温度的升高向低频方向移动，而随压力变化不大。

李海涛等[29]研究了钢板与橡胶共同组成的多层结构，在水、空气多重介质中斜入射时的声学特性，结果表明，增加消声橡胶层可以有效的降低多层结构的声反射能力，较好的达到降低目标声反射强度的目的。

(3)周期散射复合吸声结构，其主要耗能机理是局域共振和波形转换[24]。邓海涛等[28]研究了水声材料内部空腔周期分布方式对水声吸声材料吸声性能的影响，结果表明，空腔分布方式变化引起空腔填充率发生改变，当空腔填充率变大时，空腔间的多重散射效应增强，水声吸声材料的低频吸声峰频率向低频移动。

吸声结构设计是水声吸声材料应用研究的热点问题，也属于水声学研究的前沿问题

5 展望

目前水声吸声材料已形成了橡胶类材料和聚氨酯类材料为基体的2大材料体系，在此基础上发展出多种声学结构，并逐步由被动吸声降噪材料向智能主动吸声材料转变[1]。随着应用环境及主动探测技术的变化，水声吸声材料在未来的研究方向为(1)耐压(3～5MPa)水声吸声材料，(2)低频(0.5～2kHz)水声吸声材料和(3)宽频段水声吸声材料。

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张林芳，生于1979年12月，西北工业大学机械工程自动化专业毕业，学士学位，工程师职称，现工作于驻北京地区第四代表室，主要从事质量监督工作，发表论文7篇，获得国防科技进步奖4次。