一种共振吸声结构用低密度内嵌式微穿孔隔膜的研究

王雪松，孙慧广，付 刚*，赵汉清，高堂铃，匡 弘，付春明

（1.黑龙江省科学院 石油化学研究院，黑龙江 哈尔滨 150040；2.空装驻哈尔滨地区第一军事代表室，黑龙江 哈尔滨 150040）

引 言

共振吸声结构[1～3]是一种基于蜂窝的宽频吸声三明治夹层[4]结构，该结构由带孔面板、蜂窝芯和蒙皮三部分组成。其中，带孔面板表面分布着大量的声学微孔，这些微孔将材料表面与材料内部连通，每一个蜂窝隔孔都可以看做是一个独立的赫姆霍兹共振腔[5～6]，当声波通过材料表面微孔透入到材料内赫姆霍兹共振腔时，会引起孔隙中的空气一起运动，在与孔壁的摩擦过程中将声能转化为热能消耗掉，同时声波在孔壁之间的不断反射也会将声能消耗[7～8]进而达到吸声降噪的效果。为了提高吸声效果，在蜂窝芯格中一定高度内嵌入一层隔膜，用这种蜂窝芯制造出来的单自由度消声结构在功能上相当于双自由度消声结构，整体力学性能方面却远远高于传统的双自由度消声结构[9]。

本文以环氧树脂为主体树脂，采用热塑性树脂和核壳弹性体粒子复配进行增韧改性，以双氰胺/钝化咪唑类化合物为固化剂，加入轻质微球、触变剂和低黏度增韧剂，调节材料密度、控制热膨胀系数和流动性。通过对力学性能、耐热性能和线膨胀系数等性能的考察，最终制备出具有一定厚度要求的低密度内嵌式隔膜，本文所研究的内嵌式微穿孔隔膜在多自由度共振吸声结构中具有广泛应用前景和研究价值。

1 实 验

1.1 原材料

E-51 环氧树脂，无锡树脂厂；E-54 环氧树脂，无锡树脂厂；双酚A，无锡星辰科技有限公司；CTBN预聚体，自制；核壳弹性体粒子，自制；KH-560 硅烷偶联剂，南京曙光硅烷化工有限公司；双氰胺（Dicy），美国空气化工公司；促进剂M，自制；玻璃微珠，美国3M 公司。

1.2 仪器设备

高速分散机：FS-200，秦皇岛精本机械有限公司；动态热机械分析（DMA）仪：DMS6100，日本精工。电子万能材料试验机：4467 型和4505 型，美国Instron 公司。高低温湿热老化试验箱：WGD/SJ-080型，上海安泉气候试验设备有限公司。盐雾试验机：KE-60 型，佛山市华和振森试验机制造有限公司。热重分析仪：TGA5500 型，美国TA 公司。线膨胀系数测试仪：DIL 801L 型，美国TA 公司。

1.3 试验制备

1.3.1 内嵌式微穿孔隔膜的制备

（1）主体树脂的合成：按比例将E-51 树脂和E-54 树脂加入油浴锅中，加热搅拌升温至150℃，然后按比例加入双酚A 和自制的CTBN 预聚体继续搅拌30min，然后加入核壳弹性体粒子搅拌2h 后出料得到预反应树脂，按比例将预反应树脂和玻璃微珠进行分散混合15min，取出即得主体树脂。

（2）胶膜的制备：按比例将主体树脂、双氰胺和促进剂M 用开炼机混炼，待混炼颜色均一后出料制成胶料。将胶料放置在70℃的制膜机上，压制成一定厚度的胶膜。

（3）微穿孔隔膜的制备：将烘箱调至120℃，待烘箱温度稳定时，水平放入胶膜，30min 后取出得到内嵌式隔膜，采用激光打孔的方式，在隔膜表面有序地打出规定尺寸的微孔，最终得到内嵌式微穿孔隔膜。

1.3.2 剪切剥离试样的制备

将剪切剥离试片按HB/Z197-1991 磷酸阳极化方法处理，用制备好的胶膜粘接，放入夹具中，加压压力0.3MPa，然后放入烘箱中加热固化，120℃下保持1.5h 后关闭烘箱，待试件冷却至40℃以下时，取出待测。

2 结果与讨论

2.1 微球对内嵌式隔膜密度的影响及对其形貌的观察

本文考察了三种不同密度的空心玻璃微球（I型、II 型和III 型）分别在树脂中的体积含量对隔膜密度的影响，结果如图1 所示。

图1 微球种类、含量对隔膜密度的影响Fig. 1 The effect of microsphere type and content on the separator density

从图1 中可以看出，隔膜的密度随着微球加入量的增加逐渐下降，基本呈线性关系。实际密度比理论密度稍低，这是由于树脂和微球在混合时，空气的混入造成了实际与理论密度值的偏差。同时也能看出，在加入相同体积含量的微球时，隔膜密度仍有一定差别，这说明微球自身密度对隔膜密度也有影响。

本文采用添加低密度空心玻璃微球的方法来降低隔膜的密度，图2 为I 型空心微球的扫描电镜图及微球粒径分布图。从图2 中可以看出，I 型微球粒径在4～60μm 范围内接近连续分布，粒径大部分集中在4 ～30μm 范围内。低密度空心玻璃微珠的加入可以降低体系中树脂的含量，达到降低隔膜密度的作用。

2.2 微球种类、含量对内嵌式隔膜力学性能的影响

本文研究了三种不同密度的空心玻璃微球（I型、II 型和III 型）的种类、含量对隔膜拉伸性能和拉伸模量的影响，结果如图3 所示。

图3 微球种类、含量对隔膜拉伸强度和拉伸模量的影响Fig. 3 The effect of microsphere type and content on the tensile strength and modulus of separator

由图3 可以看出，随着微球体积含量的增加，拉伸强度逐渐降低。这是由于空心微球与树脂连接处的界面强度低于树脂本体强度，因此在受力过程中更易于受力破坏而造成强度明显降低现象。其中，含I 型微球隔膜的拉伸强度最大，这与I 型微球自身密度和强度有关。从图中可以看出随着微球体积含量增加，拉伸模量有升高的趋势，这主要是由于微球本体的刚性较大所造成的，说明了I 型微球自身性能优于II 型微球或III 型微球。

本文还研究了以上三种微球的种类、含量对隔膜比拉伸强度的影响，结果如图4 所示。

图4 微球种类、含量对隔膜比拉伸强度的影响Fig. 4 The effect of microsphere type and content on the specific tensile strength of separator

从图4 中可以看出，在一定含量范围内含I 型微球复合泡沫相较于含II 型微球或III 型微球的比拉伸强度值更高，表明加入I 型微球对提升隔膜比拉伸强度性能帮助更大，对隔膜的力学性能更有利。

综上所述，从微球种类、含量对力学性能影响进行综合分析和筛选，最终确定以I 型玻璃微球做为本文所研究内嵌式隔膜中添加的空心玻璃微球。

2.3 内嵌式隔膜密度对粘接性能的影响

由于隔膜嵌入到蜂窝芯隔孔中，隔膜本身与蜂窝芯隔内壁存在界面粘接并且粘接性能也是隔膜本体性能的体现，因此有必要研究隔膜的粘接性能。隔膜密度对粘接性能影响较大，本文研究了隔膜密度对粘接性能的影响。如表1 所示为不同密度隔膜对粘接性能的影响。

表1 隔膜密度对粘接性能的影响Table 1 The effect of separator density on the adhesion property

由表1 可以看出，隔膜的粘接性能随隔膜密度降低而降低，这主要是由于微球加入量的增加降低了隔膜密度，而空心玻璃微球自身的本体强度比树脂本体强度低，在受到外力作用时界面更容易破坏所导致的。

2.4 内嵌式隔膜的热分析性能

本文对内隔膜进行了差示扫描量热（DSC）分析测试，测试结果如图5 所示。测试条件：升温速率为10℃/min。

图5 隔膜的DSC 分析曲线Fig. 5 The DSC curve of the separator

从图5 中可以看出，反应放热峰值为152.1℃，说明隔膜可以在107～150℃范围内实现固化，符合中温固化的条件。

本文对隔膜进行了动态热机械（DMA）分析测试，测试结果如图6 所示。测试条件：升温速率为5℃/min。

图6 隔膜的DMA 分析曲线Fig. 6 The DMA curves of the separator

从图6 中可以看出，其tanδ（Tg）的峰值为120.3℃，说明隔膜具有优异的耐温性能。

本文对隔膜进行了热失重分析（TGA）测试，测试结果如图7 所示。测试条件：升温速率为10℃/min。

图7 隔膜的热失重分析曲线Fig. 7 The thermo-gravimetric curve of the separator

由热失重曲线可以看出，当失重温度为290.3℃时，热失重为1%（wt）；当失重温度为346.4℃时，热失重为5%（wt）。当温度继续升高至350℃以上时，失重速率明显加快，说明在350℃以上时，隔膜迅速分解碳化导致失重速率加快。

本文对隔膜进行了线膨胀系数测试，其测试结果如图8 所示。测试条件：升温速率1℃/min，测试温度范围为23～190℃。

由图8 可以看出，隔膜的线膨胀系数在120℃左右明显升高，说明隔膜玻璃化转变温度在120℃左右，与DMA 测试结果相符。当温度在23～120℃区间时，隔膜的线膨胀系数为30～40μm/（m·K）之间，且此温度范围内线膨胀系数变化不大。说明隔膜在该温度范围内线膨胀系数稳定没发生较大变化，保证隔膜在嵌入蜂窝芯内不会因膨胀而导致蜂窝芯隔变形或造成铝蜂窝芯与隔膜材料线膨胀系数不相符出现开裂等问题，满足隔膜材料对线膨胀系数的需求，有利于实际使用需求。当温度超过玻璃化转变温度后，随着温度继续升高，线膨胀系数明显升高，在190℃的热膨胀系数为53μm/（m·K）。

2.5 内嵌式隔膜的耐环境性能

本文对隔膜的耐环境性能进行了研究，考察了隔膜的耐介质性能、耐盐雾性能、耐热老化性能和湿热老化性能。研究结果分别如表2～5 所示。

表2 隔膜的耐介质浸泡性能Table 2 The resistance to liquid media immersion of the separator

表3 隔膜耐35℃，5%盐雾性能Table 3 The resistance to salt spray of the separator（35℃, 5%）

表4 隔膜的100℃耐热老化性能Table 4 The resistance to heat aging of the separator（100℃）

表5 隔膜耐55℃，95%～100%RH 湿热老化性能Table 5 The resistance to heat-humidity aging of the separator（55℃, 95%～100%RH）

综合以上4 个表可以看出，隔膜经过环境老化后力学性能均出现一定程度的下降，这主要是由于微球的大量加入使得隔膜中微球和树脂之间存在界面增多，各种介质、盐雾和热湿气等可以沿着这些界面渗透进入固化物中，对界面进行腐蚀破坏形成了气孔空穴，从而对力学性能造成影响。但从研究数据可以看出，隔膜的力学强度保持率能够达到80%左右，也说明了隔膜具有优异的耐环境稳定性，对隔膜的长期使用和耐极端环境条件使用提供了理论基础，拓宽了隔膜的应用领域。

3 结 论

本文研制了低密度内嵌式微穿孔隔膜，隔膜密度为0.65～0.75g/cm3，隔膜的室温剪切强度为22.3MPa，100℃剪切强度为17.2MPa，90°板-板剥离强度为38.7N/cm。通过研究微球种类和含量对隔膜密度及力学性能影响，筛选并最终确定了隔膜中添加的空心玻璃微球。研究了三种密度隔膜对粘接性能的影响，为低密度微穿孔隔膜的研制及实际应用提供数据基础，也为实际使用过程中对隔膜面密度和力学性能之间关系的选择做好实验储备。拓宽了内嵌式微穿孔隔膜的应用范围和使用领域，对内嵌式微穿孔隔膜的研究具有一定意义。通过对隔膜热性能的研究，确定了内嵌式微穿孔隔膜可中温固化；玻璃化转变温度tanδ（Tg）为120.3℃，拓宽了隔膜的耐温使用范围；当温度在350℃以上时，失重速率明显加快；在23～120℃的线膨胀系数为30～40μm/（m·K），说明在该温度范围内隔膜热变形较小，与蜂窝芯材相匹配。通过对隔膜耐环境性能的研究可以看到，经过环境试验后隔膜的力学性强度保持率在80%左右，说明隔膜具有优异的耐环境性能。

综上所述，本文研制的低密度内嵌式微穿孔隔膜能够满足共振吸声结构对内嵌式微穿孔隔膜的需求，该隔膜在吸声降噪蜂窝夹层复合材料的研究领域中具有广泛的应用前景和研究价值。