本發(fā)明屬于水下吸聲材料，涉及一種核殼結(jié)構(gòu)水下吸聲復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、隨著水下設(shè)備的不斷發(fā)展，水下吸聲降噪問(wèn)題成為一個(gè)日益嚴(yán)重而又迫切需要解決的問(wèn)題。隨著水下主動(dòng)聲納向低頻方向發(fā)展，要求敷設(shè)在其表面的吸聲覆蓋層向著低頻方向發(fā)展，為了達(dá)到水下設(shè)備對(duì)聲學(xué)技術(shù)的要求，通過(guò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)水下吸聲結(jié)構(gòu)較好的低頻吸聲性能具有重要的工程應(yīng)用前景。

2、為了解決現(xiàn)有水下吸聲材料存在的問(wèn)題，現(xiàn)階段主要通過(guò)在樹(shù)脂基體中構(gòu)造空腔結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)聲波的耗散。例如公開(kāi)號(hào)為cn115547285a的專(zhuān)利記載了一種兼顧耐壓與吸聲性能的水下聲學(xué)覆蓋層，在聲學(xué)覆蓋層內(nèi)的空腔插入金屬插板，有效提高了結(jié)構(gòu)在靜水壓下的耐壓性能，提高了結(jié)構(gòu)在中頻范圍內(nèi)的吸聲效果，但并未有效改善復(fù)合材料水下低頻吸聲性能差的問(wèn)題。公開(kāi)號(hào)為cn111696510a的專(zhuān)利記載了一種阻尼材料填充泡沫金屬內(nèi)嵌周期性空腔型水下吸聲結(jié)構(gòu)，該發(fā)明具有優(yōu)異的力學(xué)性能以及良好的水下吸聲性能。但水下低頻(例如1khz)吸聲性能也未提及?？梢?jiàn)現(xiàn)有技術(shù)在提高水下低頻吸聲性能方面，還存在短板。

3、因此，有必要提供一種改進(jìn)的核殼結(jié)構(gòu)水下吸聲復(fù)合材料及其制備方法，以解決上述問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種核殼結(jié)構(gòu)水下吸聲復(fù)合材料及其制備方法，通過(guò)外殼具有壓電性質(zhì)，且含有空心夾層的核殼結(jié)構(gòu)，提高水下吸聲復(fù)合材料在低頻段的吸聲性能。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，第一方面，本發(fā)明提供了一種核殼結(jié)構(gòu)吸聲材料，包括內(nèi)核和外殼，所述內(nèi)核的直徑為0.1～3mm，外殼的內(nèi)徑為0.2～5mm，且外殼的內(nèi)徑大于內(nèi)核的直徑，所述外殼的材質(zhì)包括壓電材料。

3、進(jìn)一步的，所述內(nèi)核的直徑為0.5～1.5mm，外殼的內(nèi)徑為1～3mm，外殼的厚度為0.1～1mm；

4、和/或，所述壓電材料包括無(wú)機(jī)壓電材料和/或有機(jī)壓電材料，所述無(wú)機(jī)壓電材料包括石英、鈦酸鋇系、鋯鈦酸鉛、鈮酸鋰中的一種或多種，所述有機(jī)壓電材料包括聚偏氟乙烯；

5、和/或，所述內(nèi)核的材質(zhì)包括氧化鋯、氧化鋁、二氧化硅、氧化鎂、二氧化鈦、氧化鐵、氧化鈣中的一種或多種。

6、進(jìn)一步的，所述外殼還包括輔助材料，所述輔助材料包括氧化鋁、氧化鋯、二氧化硅、氧化鎂、二氧化鈦、氧化鐵、氧化鈣中的一種或多種。

7、第二方面，本發(fā)明提供一種以上任一項(xiàng)所述核殼結(jié)構(gòu)吸聲材料的制備方法，包括：

8、s1、將內(nèi)核球體裝入第一空心球形模具中，然后將熔融的包裹材料灌入第一空心球形模具中，固化成型得到包裹實(shí)心球；所述包裹材料為熔點(diǎn)在50～90℃的聚合物材料；

9、s2、將包裹實(shí)心球裝入第二空心球形模具中，然后將外殼漿料灌入第二空心球形模具中，在第一熱處理溫度下保溫使外殼漿料初步固化，然后升溫至第二熱處理溫度使所述包裹材料熔融流出，得到夾層核殼球體；

10、所述第一熱處理溫度低于所述包裹材料的熔點(diǎn)，所述第二熱處理溫度高于所述包裹材料的熔點(diǎn)；

11、s3、將步驟s2得到的夾層核殼球體升溫?zé)Y(jié)，得到所述核殼結(jié)構(gòu)吸聲材料。

12、進(jìn)一步的，所述包裹材料為聚乙二醇和/或石蠟，所述外殼漿料包括陶瓷粉體、羧甲基纖維素、分散劑、粘結(jié)劑和水；所述陶瓷粉體包括壓電陶瓷粉體；

13、步驟s3包括：將所述夾層核殼球體以1～3℃/min升溫至300～400℃保溫1～5小時(shí)，然后以1～5℃/min升溫至1200～1600℃保溫1～5小時(shí)，得到所述核殼結(jié)構(gòu)吸聲材料。

14、進(jìn)一步的，所述內(nèi)核球體為直徑為0.8～1.2mm的氧化鋯球體，所述第一空心球形模具的內(nèi)徑為1.5～2.5mm，所述第二空心球形模具的內(nèi)徑為2.5～3.5mm；

15、所述外殼漿料按重量份包括氧化鋁陶瓷粉體30～35份、壓電陶瓷粉體9～15份、羧甲基纖維素0.1～0.2份、聚丙烯酰胺0.1～0.3份、卡拉膠0.1～0.2份、水15～20份。

16、第三方面，本發(fā)明提供一種核殼結(jié)構(gòu)吸聲復(fù)合材料，包括阻尼材料和分布于所述阻尼材料內(nèi)的核殼結(jié)構(gòu)吸聲材料，所述核殼結(jié)構(gòu)吸聲材料為以上所述的核殼結(jié)構(gòu)吸聲材料。

17、進(jìn)一步的，所述阻尼材料為聚氨酯或橡膠。

18、第四方面，本發(fā)明提供一種以上所述的核殼結(jié)構(gòu)吸聲復(fù)合材料的制備方法，包括：在模具中逐層灌注所述阻尼材料的原料單體或預(yù)聚體，每灌注預(yù)設(shè)高度后，在模具中鋪設(shè)所述核殼結(jié)構(gòu)吸聲材料，然后繼續(xù)灌入，灌注完成后升溫固化，得到核殼結(jié)構(gòu)吸聲復(fù)合材料。

19、總體而言，通過(guò)本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要具備以下的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：

20、1、本發(fā)明提供的核殼結(jié)構(gòu)吸聲材料，基于聚合物壓電效應(yīng)，提出了新的能量轉(zhuǎn)換機(jī)制和機(jī)械能耗散機(jī)制，利用核殼結(jié)構(gòu)的內(nèi)核與機(jī)械波產(chǎn)生共振，敲擊外殼產(chǎn)生壓電，實(shí)現(xiàn)聲能到電能的轉(zhuǎn)換，低頻聲波與核殼共振產(chǎn)生使縱波向橫波的轉(zhuǎn)變，同時(shí)聲波在空腔和夾雜物的附近產(chǎn)生局域共振，吸聲材料中產(chǎn)生大的形變量，增強(qiáng)了材料的內(nèi)摩擦作用和彈性弛豫過(guò)程，大幅提高機(jī)械波的吸收效率。

21、2、本發(fā)明提供的核殼結(jié)構(gòu)吸聲材料，具有良好的水下吸聲性能，在設(shè)計(jì)方面具有更多的可調(diào)參數(shù)，包括結(jié)構(gòu)參數(shù)以及材料參數(shù)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造?？赏ㄟ^(guò)制備不同粒徑大小的核殼結(jié)構(gòu)，獲得不同頻率的吸聲效果。

22、3、本發(fā)明通過(guò)在基體材料內(nèi)部均勻鋪設(shè)核殼結(jié)構(gòu)吸聲材料，在聲波作用下，核殼結(jié)構(gòu)起主導(dǎo)作用而吸收聲波，該結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有的微粒復(fù)合型吸聲材料相比，兼具了波形轉(zhuǎn)換吸聲原理與微球共振摩擦消耗聲波的吸聲機(jī)理；同時(shí)基體材料的分子鏈之間的摩擦、樹(shù)脂與填料之間的界面摩擦也有助于聲波的吸收，從而大大改善材料的吸聲性能。壓電陶瓷外殼具有良好的耐壓性，構(gòu)件在水深幾百米處工作時(shí)不會(huì)被破壞，能夠解決現(xiàn)有水下吸聲材料在深海低頻情況下吸聲效果有限，且機(jī)械強(qiáng)度與吸聲效果難以兼具的問(wèn)題。

23、4、可通過(guò)制備不同粒徑大小的核殼結(jié)構(gòu)，獲得不同頻率的吸聲效果。最終，將不同粒徑大小的核殼材料摻入基體中，來(lái)提高寬低頻段的吸聲性能。因此，本發(fā)明具有操作方便和易于工業(yè)化生產(chǎn)的特點(diǎn)，制備的具有核殼水下吸聲復(fù)合材料易于調(diào)控，尤其可實(shí)現(xiàn)水下低頻段聲波的有效吸收。

24、5、根據(jù)核殼粒徑匹配共振聲頻的規(guī)律，通過(guò)改變核殼粒徑、材料類(lèi)型、核殼配比等參數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)吸聲頻段可調(diào)，使得吸聲頻段向低頻段方向移動(dòng)。解決現(xiàn)有水下吸聲材料在深海低頻情況下吸聲效果有限，且機(jī)械強(qiáng)度與吸聲效果難以兼具的問(wèn)題。

技術(shù)特征：

1.一種核殼結(jié)構(gòu)吸聲材料，其特征在于，包括內(nèi)核和外殼，所述內(nèi)核的直徑為0.1～3mm，外殼的內(nèi)徑為0.2～5mm，且外殼的內(nèi)徑大于內(nèi)核的直徑，所述外殼的材質(zhì)包括壓電材料。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的核殼結(jié)構(gòu)吸聲材料，其特征在于，所述內(nèi)核的直徑為0.5～1.5mm，外殼的內(nèi)徑為1～3mm，且外殼的內(nèi)徑大于內(nèi)核的直徑，外殼的厚度為0.1～1mm；

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的核殼結(jié)構(gòu)吸聲材料，其特征在于，所述外殼還包括輔助材料，所述輔助材料包括氧化鋁、氧化鋯、二氧化硅、氧化鎂、二氧化鈦、氧化鐵、氧化鈣中的一種或多種。

4.一種權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的核殼結(jié)構(gòu)吸聲材料的制備方法，其特征在于，包括：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的核殼結(jié)構(gòu)吸聲材料的制備方法，其特征在于，所述包裹材料為聚乙二醇和/或石蠟，所述外殼漿料包括陶瓷粉體、羧甲基纖維素、分散劑、粘結(jié)劑和水；所述陶瓷粉體包括壓電陶瓷粉體。

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的核殼結(jié)構(gòu)吸聲材料的制備方法，其特征在于，步驟s3包括：將所述夾層核殼球體以1～3℃/min升溫至300～400℃保溫1～5小時(shí)，然后以1～5℃/min升溫至1200～1600℃保溫1～5小時(shí)，得到所述核殼結(jié)構(gòu)吸聲材料。

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的核殼結(jié)構(gòu)吸聲材料的制備方法，其特征在于，所述內(nèi)核球體為直徑為0.8～1.2mm的氧化鋯球體，所述第一空心球形模具的內(nèi)徑為1.5～2.5mm，所述第二空心球形模具的內(nèi)徑為2.5～3.5mm；

8.一種核殼結(jié)構(gòu)吸聲復(fù)合材料，其特征在于，包括阻尼材料和分布于所述阻尼材料內(nèi)的核殼結(jié)構(gòu)吸聲材料，所述核殼結(jié)構(gòu)吸聲材料為權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的核殼結(jié)構(gòu)吸聲材料。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的核殼結(jié)構(gòu)吸聲復(fù)合材料，其特征在于，所述阻尼材料為聚氨酯或橡膠。

10.一種權(quán)利要求8或9所述的核殼結(jié)構(gòu)吸聲復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，包括：在模具中逐層灌注所述阻尼材料的原料單體或預(yù)聚體，每灌注預(yù)設(shè)高度后，在模具中鋪設(shè)所述核殼結(jié)構(gòu)吸聲材料，然后繼續(xù)灌入原料單體或預(yù)聚體，全部灌注完成后升溫固化，得到核殼結(jié)構(gòu)吸聲復(fù)合材料。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于水下吸聲材料技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種核殼結(jié)構(gòu)水下吸聲復(fù)合材料及其制備方法，通過(guò)在阻尼材料中復(fù)合核殼結(jié)構(gòu)吸聲材料提高其水下吸聲性能。核殼結(jié)構(gòu)吸聲材料包括內(nèi)核和外殼，所述內(nèi)核的直徑為0.1～3mm，外殼的內(nèi)徑為0.2～5mm，且外殼的內(nèi)徑大于內(nèi)核的直徑，所述外殼的材質(zhì)包括壓電材料。本發(fā)明利用核殼結(jié)構(gòu)吸聲材料的核與機(jī)械波產(chǎn)生共振，敲擊外殼產(chǎn)生壓電，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成為電能，大幅提高機(jī)械波的吸收效率，該尺寸和結(jié)構(gòu)下尤其能提高水下吸聲復(fù)合材料在低頻段的吸聲性能。而且，能夠同步提高水下吸聲復(fù)合材料的機(jī)械強(qiáng)度，提高構(gòu)件的抗水壓能力。

技術(shù)研發(fā)人員：王云明,周華民,張露,陳坤涵,杜佳偉,成奇寬
受保護(hù)的技術(shù)使用者：華中科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/9/26