用於吸收噪音的金屬纖維多孔材料的設計方法、金屬纖維多孔材料及其製備方法
2023-04-30 04:53:51
專利名稱：用於吸收噪音的金屬纖維多孔材料的設計方法、金屬纖維多孔材料及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種應用於噪聲控制的金屬纖維多孔材料的設計方法、得到的金屬纖維多孔材料及其製備方法，屬於吸聲材料設計加工技術領域。
背景技術：
全可聽見聲譜(20 20000Hz)頻率下獲得較高的材料吸聲係數往往難以實現，甚至不可能。而且實際工程上所關心的噪聲和振動往往是某一(或幾個)固定頻率或者某一段(或幾段)特定頻率範圍。因此，開發一種對特定頻率或頻率範圍的噪音具有高吸收性能的材料具有更重要的實踐意義。研究發現，多孔材料的微通道結構對聲波具有粘滯作用，這種粘滯作用在宏觀上表現為聲阻。利用這一性質研製的多孔吸聲材料在航空航天、汽車、軌道交通等方面具有十分廣泛的應用需求。金屬纖維多孔材料因其特殊的幾何結構和物理屬性，使其具有高吸聲、輕質、高強度、耐高溫等多種性能。相比於非金屬類多孔材料(如玻璃纖維多孔材料、高分子泡沫)，金屬纖維多孔材料在極端的環境下(如高溫、高壓、高溼度等)在吸聲性能方面具有明顯優勢。金屬纖維多孔材料的性質與其微觀結構存在密切的聯繫，通過調整金屬纖維多孔材料的纖維直徑和孔隙率可以有效改善材料的吸聲性能。目前，還未形成一種行之有效的金屬纖維多孔材料微觀構型設計方法，金屬纖維多孔吸聲材料的設計仍然以試製為主，即通過不斷實驗的辦法來尋找材料的微觀結構形式，難以使材料在特定頻段內的吸聲性能達到最優，並且存在成本高昂和材料吸聲性能低的弱點。中國專利CN101740022A「一種金屬纖維梯度孔吸聲材料及其製備方法」，採用多層不同孔隙率的金屬材料疊加的方式來實現吸聲材料性能的提高，但並未給出最佳孔隙率的計算方法。綜合分析發現，困擾金屬纖維多孔材料吸聲性能提升的最大障礙在於缺乏一種行之有效的金屬纖維多孔材料微觀構型設計方法來確定材料的最佳孔隙率，使材料在特定頻段內具有最聞吸聲效率。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是針對現有技術中的不足，提供一種在特定頻段下具有高吸聲性能的金屬纖維多孔材料的設計方法、得到的金屬纖維多孔材料及其製備方法。實際使用過程中，金屬纖維多孔材料在不同的聲音頻率下具有不同的吸聲係數，在材料厚度一定的情況下，要改善某一特定頻段下的吸聲性能，可以通過改變金屬纖維多孔材料的纖維直徑和孔隙率來實現，並且當纖維直徑一定時，通過調整孔隙率可以實現金屬纖維多孔材料在某一特定頻段下具備最佳的吸聲性能。
本發明的設計思想為通過聲學分析模型建立金屬纖維多孔材料的吸聲性能與材料微結構幾何特性(纖維直徑、孔隙率)之間的關係；通過優化算法獲得金屬纖維多孔材料在一定的纖維直徑時在特定頻段下具有最大吸聲性能的最佳孔隙率，由此建立特定頻段下金屬纖維多孔材料纖維直徑與最佳孔隙率之間的關係(以表達式或曲線的形式表示)；當纖維直徑尺寸固定的情況下，根據建立的表達式或曲線，可以快速獲知該纖維直徑所對應的最佳孔隙率，從而容易確定金屬纖維多孔材料的構型，獲得在所需要的聲音吸收頻段下具有最大吸聲性能的金屬纖維多孔材料(這是本發明的核心)。具體而言，本發明的設計方法是一種用於吸收噪音的金屬纖維多孔材料的設計方法，所述金屬纖維多孔材料是由金屬纖維壓縮而形成的具有特定孔隙率的材料，其特徵在於，所述金屬纖維多孔材料的最佳孔隙率與纖維直徑滿足關係式(I):
權利要求
1.一種用於吸收噪音的金屬纖維多孔材料的設計方法，所述金屬纖維多孔材料是由金屬纖維壓縮而形成的具有特定孔隙率的材料，其特徵在於，所述金屬纖維多孔材料的最佳孔隙率與纖維直徑滿足關係式(I)
2.根據權利要求1所述的設計方法，其特徵在於，式(8)中，D和Φ的取值範圍分別為D=I 100 μ m，Φ=0. 01 I。
3.根據權利要求1或2所述的設計方法，其特徵在於，所述金屬纖維多孔材料的材質為不鏽鋼、鋁、銅、鈦或鐵鉻鋁合金。
4.一種用於吸收噪音的金屬纖維多孔材料，其特徵在於，其是由權利要求1-3中任意一項所述的設計方法設計得到的金屬纖維多孔材料。
5.根據權利要求4所述的金屬纖維多孔材料，其特徵在於，若金屬纖維多孔材料厚度為25mm，材料的最佳孔隙率與纖維直徑在不同聲音頻段時分別滿足如下各關係式，在20 500Hz低頻段聲音時滿足關係式(9)φ；ρ' = OA2e^msD + Ο.6β_,,·00055ζ>( 9 )在大於500 2000Hz中頻段聲音時滿足關係式(10)ΦΤ 二0.38i^_ +0.64e-0嶋(10)在大於2000 15000Hz高頻段聲音時滿足關係式(11)
6.一種用於製備權利要求4或5所述的金屬纖維多孔材料的方法,其特徵在於,包括如下步驟(1)製備金屬纖維將熔融後的純淨金屬液加壓噴射，冷卻至室溫成型，製成金屬纖維；(2)鋪設金屬纖維多孔結構將金屬纖維均勻剪切成段，之後採用無紡鋪氈機或手工方式鋪設成表面光滑的高孔隙率塊狀金屬纖維多孔結構；(3)壓縮定型採用壓制設備對金屬纖維多孔結構進行壓制和平整，並根據最佳孔隙率與纖維直徑之間的匹配關係控制壓縮量以得到所需的孔隙率；(4)高溫燒結採用真空燒結爐在1350°C對壓縮成型的金屬纖維多孔結構進行高溫燒結，得到金屬纖維多孔材料。
7.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於，步驟(3)中，沿金屬纖維多孔結構的寬度方向實施所述壓制，使壓縮成型的金屬纖維多孔結構的寬度d滿足關係式(12)
全文摘要
本發明提供了一種用於吸收噪音的金屬纖維多孔材料的設計方法、得到的金屬纖維多孔材料及其製備方法。在所述設計方法中，金屬纖維多孔材料的孔隙率與纖維直徑滿足下述關係式式中，φopt為最佳孔隙率，D為纖維直徑，x1、x2、x3和x4為常係數，隨金屬纖維多孔材料厚度和聲音頻率的不同而不同，通過優化方法計算若干數據點獲得。在噪聲頻段和纖維直徑確定的情況下，藉助本發明所提出的設計方法，就可以獲得具有高效吸聲性能的金屬纖維多孔材料最佳孔隙率。由該設計方法得到的金屬纖維多孔材料能夠滿足特定頻段的吸聲需求，可廣泛用於軌道交通、航空航天、汽車、機械加工及實驗場所噪聲控制。
文檔編號C22C1/08GK103031461SQ20121056798
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月24日 優先權日2012年12月24日
發明者劉書田, 陳文炯, 張永存 申請人:大連理工大學