吸声材料制备、性能研究进展*

刘 杨，霍又嘉，杜元开，胡 祥，张伟程，赵 培，游 峰,2

(1. 武汉工程大学 材料科学与工程学院，湖北省等离子体化学与新材料重点实验室， 武汉 430205；2. 佛山(华南) 新材料研究院，广东 佛山 528200)

0 引 言

伴随着科技社会的快速发展，众多行业领域迎来了高速发展，但同时也带来许多环境污染问题[1]。其中，噪声污染的有效防治和控制己经逐渐成为目前国内和世界广泛高度关注且亟待解决的一个重大问题，各国专家学者己开发并设计出各种吸声材料。

吸声材料是声波在材料内部传递过程中，能有效地将声能转变为其它形式的能量(如热能、机械能等)，从而加以耗散的一种功能材料。当前研究较多的吸声材料是穿孔板吸声结构、泡沫金属、金属纤维等多孔性金属吸声材料以及综合性能十分优异的高分子吸声材料等[2]。本文作者回顾了吸声材料的研究进展，并展望了其未来的发展方向。

1 吸声原理

吸声主要是泛指当声波从边界中传播至特定的区域时，边界的表面会反射一部分的声能，而另一部分的声能则会被其他边界的表面吸收[3]。大多数的材料都具备一定的吸收声波的能力，通常利用这3个指标来判断量化材料的吸声性能：分别称为吸声系数，吸声谐振频率和吸声频带宽度。一种构件或者材料对吸声能力的影响大小往往采用吸声系数来表现。吸声系数可以定义为被材料所吸收的声能(其中包括透射总声能和入射总声能之间的比值)[4]，即:

在测试吸声材料时，频率的不同就会得到不同的吸声系数。许多材料对声能都具有一定的耗散作用，但当某种材料的平均吸声系数比0.2高时，我们就把这种材料称为吸声材料。

声能损耗主要是通过黏滞性内摩擦、热传导和弛豫作用来完成的。针对高分子材料，其吸声原理主要涉及到将声能和振动能转换为以热能为主的其它形式的能量而消耗掉。从理论上分析，声能或振动能的特征是大量分子同时向同一方向移动。而在一定介质中，热能和声能、振动能相比，通常具有相似或更多的能量。但是热能的特征是分子运动方向是不确定的，对于任意的点，上面分子的平均位移都为零。所以，要想耗散声能和振动产生的能量，主要在于让材料内部的分子运动方向变得无规。这时就可以体现出高分子材料的优点。高分子材料由于其特定的结构和性能，可以通过黏弹阻尼与填料阻抗的恰当结合、内界面的增加等方式，从而提高分子的无规化程度，就可以使声能、振动能得到更大的损耗，从而实现吸声的效果。

图1 声能在介质中传播示意图Fig 1 Schematic diagram of sound energy propagation in medium

由图1所示，入射声能(Ei)、反射声能(Er)、透射声能(Et)和在物体中被吸收的声能(Ea)间的关系见公式：Ei=Er+Ea+Et[5]。通过上述的关系，可以从声音能量角度分析声学参数：在入射声能一定的条件下，吸收的声能Ea和透射Et的声能之和就会与吸声系数相关联，反射能与透射能之和与隔声量相关联，吸收能与声损耗系数相关联。因此，通过吸收能和入射能的比值可以看出，阻尼损耗因子与吸声系数、隔声量等有较强的关联性。

Yoon等[6]将聚氨酯材料作为研究对象，通过研究该高分子材料的阻尼层性能、声音传递过程中的损耗，得出的结论为：声波在高分子材料中传播时，材料的阻尼因子将会决定声能的损耗。阻尼作用越显著，声能的损耗会越大。Kari等[7]通过实验研究表明，粘弹性的高分子材料可以作为吸收外界物质的中间层，能够有效地降低对于声波的辐射，从而达到吸声的效果。这是利用了材料的高阻尼特性减少了声波的辐射。

张娟等认为丁腈橡胶(NBR)具有非常好的阻尼性能，研究了橡胶发泡对声学性能的影响。她在将发泡后的NBR进行声学性能测试，发现发泡剂加入份数为0.5份时，在较宽的频率范围内吸声系数会上升；当份数大于1份时，吸声性能下降，他们将原因归结于泡孔的增多降低了模量[8]。由此可见，通过改善阻尼特性提高吸收性能时，应使阻尼的性能在合适恰当的区间，才会达到最优异的降噪效果。

2 吸声材料

根据不同的吸声机理和结构，可以将吸声材料分为：多孔吸声、共振吸声和复合吸声。多孔吸声材料的相对密度比较小、频率较高时吸声系数很大，同时也具有吸声效果显著等优点，应用最广泛。但是低频时吸声系数就会比较低，在需要低频吸声时的场合不太适用。而共振吸声材料的特点与多孔吸声材料正好相反，它的低频吸声系数比较高，但不是很利于加工、并且高频的吸声系数也较低。这使得该材料的应用得到了一定的限制。复合吸声材料应用广泛，综合性能强，已经得到了越来越多的重视和研究。

2.1 多孔吸声材料

通过发泡或使用孔状材料等方法降低其特性阻抗从而有利于声波的进入并消耗，可以达到吸收声波降噪的目的。多孔吸声材料主要有闭孔型和开孔型两种[9]。孔隙形态的不同，往往具有不同的吸声效果。

2.1.1 有机发泡材料

多孔高分子吸声材料主要以高分子泡沫材料为主，如聚氨酯、聚苯乙烯、聚丙烯酸酯、聚乙烯等高分子材料经过发泡处理后都有较好的吸声效果。发泡材料表面的微孔处理降低了材料的特性声阻，使入射声波能进入到材料内部。同时，发泡材料内部结构中含有的许多空洞会使材料内界面增加，这样当声波进入时，就会引起孔隙中含有的空气的振动，使声能被消耗。而发泡材料的开孔与闭孔、孔的形态大小对吸声性能都会有很大的影响。

多孔材料的吸声性能与材料内部的孔径和相互连接有关。声波引起细胞壁和细胞内空气的振动。然后，声能通过细胞壁的振动阻尼和空气的粘性阻尼耗散或转化为热能。同时，由于声波的压力和干扰，细胞壁被迫拉伸和弯曲，使声能转化为动能。因此，可以通过改变与内部孔隙形态有关的吸声阻尼来改善材料的吸声性能。

Zhu等[10]以聚氨酯为研究对象，发现密度大、孔隙小的泡沫具有良好的吸声性能。Park等[11]采用超声波发泡法对聚氨酯泡沫塑料的微孔结构进行调控。随着超声波振幅的增加，聚氨酯泡沫的平均泡孔直径逐渐减小。实验发现，由超声波引起的平均单元直径的减小提高了低频范围内的声阻尼效率。并且根据理论结果，估算了密度为80 kg/m3、厚度为2 cm的聚氨酯泡沫的最佳泡孔直径。

图2 理论模拟计算示意图 [11]Fig 2 Schematic diagram of theoretical simulation calculation [11]

Zhai等[12]以金属浆料为前驱体，聚氨酯泡沫塑料为模板，制备了具有吸声性能的开孔IN625泡沫塑料。图示如图3所示。这样的结构可以允许声波通过其相互连接的细胞传播，同时，通过粘滞损失、热损失、机械阻尼等复杂机制的组合逐渐吸收声能。

图3 IN625泡沫塑料示意图(a) IN625泡沫的照片; (b) SEM图像; (c) IN625泡沫的SEM图像，其中一个单元突出显示为十四面体结构[12] Fig 3 Schematic diagram of IN625 foam plastics

随着计算机技术的日趋成熟和各种新型发泡方式的出现，有机发泡材料的吸声性能逐渐提升。从利用传统的物理化学方法发泡，到现在首先利用计算机进行模拟，随后与先进的超声波发泡技术结合，设计出材料的最佳属性，以实现性能的提升。

2.1.2 无机多孔材料

除了上述的有机多孔材料，还可以利用其他添加剂及工艺方法制备无机多孔网络结构，增加吸声性能。声波通过空腔和孔隙衰减，其中声能主要由于反射而曲折传播并作为热量散失。无机泡沫在物理机械性能方面具有独特的性能，确保了其可以在恶劣的环境中应用。

霍又嘉等[13]以聚氯乙烯(PVC)为基体，利用硅藻土(DE)为材料提供孔状结构，制备了层状复合材料。加入硅藻土后，吸声性能得到了显著提升。

Wang等[14]采用体积控制法机械发泡制备了高孔隙率的Si3N4陶瓷(如图4所示)。由于发泡后泥浆完全填充在密闭容器中，因此通过调整泡沫泥浆的固体含量和体积比来控制孔隙率。最终研究表明，该方法制备的无机多孔材料具有优异的机械性能，吸声系数与孔隙率和孔径密切相关，而且吸声系数得到了明显的增加。

2.1.3 发泡及无机组合吸声材料

将发泡与无机孔结构相结合，可以制备性能更加优异的多孔吸声材料Lu等[15]制备了一种基于气泡特征石墨烯(BGM)的多功能吸声材料，如图5所示，其超低密度仅为7.5 kg/m3。石墨烯为材料提供了多孔网络，众多气泡提供了泡孔结构，最终骨架呈泡沫状结构，孔隙相互连通。有的形成了闭孔，有的破裂形成开孔，这些破洞使BGM成为一个开放的多孔网络，保证了声波的扩散和耗散。通过图5可以看出，微观结构主要由两部分组成，包括排列整齐的球形孔隙和相邻细胞间不规则的小孔隙。BGM良好的组装互连多孔结构，保证了其优异的吸声性能。

图4 体积控制发泡程序示意图[14]Fig 4 Schematic illustration of volume-controlled foaming procedure [14]

图5 BGM结构图[15]Fig 5 BGM structure diagram[15]

在泡孔中加入高强度填料，也相对于为材料提供了孔状结构，将会显著提高吸声性能。Lee等[16]将氧化石墨烯(GO)浸渍到聚氨酯泡沫中，利用浸渍的方法可以尽量避免对泡孔的损伤，得到闭孔的泡孔。同时，GO作为一种很好的聚合物基体填料，可以增加声传播路径。对比效果如图6、7所示。通过测试分析的数据结果表明，GO浸渍显著提高了材料的吸声性能。

Cao等[17]将开孔三聚氰胺泡沫(MF)浸泡在氧化石墨烯(GO)水溶液中，通过对材料的热处理，将MF与氧化石墨烯片进行了组装，得到了三聚氰胺骨架中的GO网络，显著提高了材料的吸声性能。

随着石墨烯的发现与发展，它在越来越多的领域中得到了应用。近年来的吸声复合材料多与氧化石墨烯相结合，这是因为GO可以为材料提供层状结构，加大声能的耗散，制备得到性能更加优异的产品。

图6 GO浸渍前PU泡沫中的声波传播原理图[16]Fig 6 Schematics of wave propagation through PU foam before GO impregnation[16]

图7 GO浸渍后PU泡沫中的声波传播原理图[16]Fig 7 Schematics of wave propagation through PU foam after GO impregnation[16]

2.2 共振吸声材料

对于共振式吸声结构，当声波的频率和结构中固有频率相同时，声波激励结构振动的振幅最大，就会造成大量的声能消耗，起到吸声的作用(如图8所示)。也正因为如此，当声波频率与共振式吸声结构的共振频率接近时，材料的吸声性能会比较好。如果偏离了共振频率，那么吸声性能就有所下降[18]。每种结构或材料都有自己的固有振动频率，当入射波频率与构件的固有频率相同时(该频率称为共振频率)，该构件与其内部空气层的振动是最为强烈的，振幅和振速也都将达到最大，声能得到大量的消耗。这种因为共振产生的声能消耗称为共振吸收，其吸声系数随频率而变化，吸收峰值出现在系统的工作频率处[19]。

图8 声能通过孔壁的共振转化为机械能和热能[20-21]Fig 8 The sound energy would be converted into mechanical and heat energy through the resonance of pore walls[20-21]

刘付华等[22]在铝穿孔板共振吸声结构中附加了多孔的吸声材料，研究了该材料对共振吸声结构吸声性能的影响。最终发现穿孔率、孔径、板厚、空腔深度等因素均会影响共振吸声结构的吸声性能。

孙广荣等通过实验测量研究甘蔗纤维板吸声材料的吸声性能，发现甘蔗纤维板具有弹性薄板的共振现象。将纤维板紧贴墙壁安装时，吸声材料在低频段的吸声系数值较低，在纤维板后留有合适的空腔时，发现可以增加吸声材料在低频段的吸声性能。由甘蔗纤维板制成的穿孔吸声结构兼有较大的高频吸声和低频共振吸声的优点。

Ma等[23]对与空气阻抗匹配的薄膜型声学超材料结构进行了吸声研究，理论和实验结果表明具有亚波长尺寸的谐振单元使空气背腔实现了共振频率声波的完全吸收。

Xu等[24]以再生橡胶和纤维板为原料，以高密度聚乙烯(HDPE)为粘结剂，制备了一种新型声学材料。穿孔板和阻抗固定管相结合，形成了亥姆霍兹谐振器。研究结果为该材料的吸声性能受3个结构参数的影响，即穿孔率、孔径和空腔深度。

2.3 复合吸声材料

唐超[25]使用稻草秸秆、水泥、石膏制作了绿色建筑水泥基复合材料，研究其吸声性能。对比分析后得出，选用31 mm的稻草秸秆纤维，作为绿色建筑水泥基复合材料的纤维材料，此时吸声性能最佳。当材料吸声频率小于800 Hz区间时，材料吸声性能随着密度、厚度增大而显著提升；相同吸声频率中，绿色建筑水泥基复合材料空隙率越大，吸声性能越差。

费炎培[26]选用了不同的热塑性高分子和无机微米/纳米粒子，通过设计微米/纳米粒子在聚合物基体中的分布和取向，并结合超临界流体发泡技术，制备了不同的轻量化声阻和压阻聚合物复合材料。如图9所示。

图9 声传播路径耗散和衰减的可能机制(a)纯TPR, (b)TPR/CaCO3, (c)TPR/HGM复合材料[26]Fig 9 Possible mechanisms of dissipation and attenuation of acoustic propagation paths: (a) pure TPR; (b)TPR/CaCO3; (c)TPR/HGM composites[26]

Chen等[27]以塑料材料作为基体中的粘合剂，橡胶单元(主要是颗粒)作为阻尼器，木材(纤维或颗粒)作为机械增强剂，制备得到了木材、橡胶和塑料复合材料(WRPC)，并且研究了该材料的物理机械性能和声学性能。

图10(a)展示出了从天然木材的植物细胞壁分离的原纤维的一般结构，原纤维的含量可进一步分为纤维素、半纤维素和木质素。原植物纤维可以加工成更细的原纤维或纤维素，以增强吸声性能[28]。

Liu等[29]通过打浆处理将微纤丝从软木原纤维中分离出来，微纤丝所形成的更小的孔隙和更复杂的通道赋予了材料更有效的声能量消耗。为了得到更细的纤维，Yilmaz等[30]采用碱化处理的方法部分提取大麻纤维中的木质素、果胶和半纤维素，并将原纤维从纤维束中分离出来。获得的原纤维比纤维束细，同时原纤维表面比韧皮纤维粗糙，为提高吸声性能提供了更小的纤维直径和更大的纤维表面积。

最近，通过离子液体提取纳米级纤维素纤维和木质素网，通过随后的溶解凝胶和冷冻干燥方法制备纤维素/木质素气凝胶(图10 b)。由于孔径小、孔隙率高，气凝胶在1000～2000 Hz频率范围内具有较好的吸声性能，在125～1000 Hz频率范围内吸声性能有明显改善。含95%木质素的气凝胶表现出最佳的吸声性能，最大吸声系数为0.94(图10(c))[31]。

图10 (a)木质纤维素结构示意图[28], (b)离子液体制备木质素气凝胶的工艺示意图, (c)木质素比为0～95%时制备的气凝胶的吸声性能[31]Fig 10 (a) Schematic of the lignocelluloses structure [28], (b) Schematic shows the process to fabricate lignin aerogels with ionic liquids, (c) Sound absorption performance of the prepared aerogels with lignin ratios from 0-95% [31]

3 结 语

近年来，随着人民对美好生活的需求逐步提高，吸声材料的应用也将变得更加广泛。该材料具有的轻质降噪等显著优点，也使得它的发展前景更加广阔。研究探索吸声材料的特点和吸声基本理论，将会更加有助于吸声材料性能的提升，从而可以使其在各个领域中都得到应用。高分子泡沫吸声材料具有密度小、质量轻、易加工、吸声性能稳定易于安装等优点，使得该材料在噪声控制工程中得到了广泛的应用[32-37]。

综述了多孔吸声材料的研究进展，尽管目前多孔吸声材料的发展迅速且成果显著，但仍然存在一些问题。首先，还没有针对声学材料的阻尼损耗因子和声损耗系数之间的关联性，并由此关联性进行提升吸声效果的研究[37-40]。其次，在保持材料厚度和质量最小的前提下，制备在宽频范围都具有高吸声系数的材料仍然是一个巨大的挑战。最后，吸声材料的商业应用较少，应该将实验室的研究成果高效广泛地应用到实际生活中。解决这些问题将进一步提高吸声材料的性能及应用，将使得该材料更有价值。